自動化在線監(jiān)測系統(tǒng)在高速公路邊坡監(jiān)測中的應(yīng)用

莊旭東

（廣東賽達交通科技股份有限公司，廣東廣州510630）

0 引言

在公路建設(shè)中，邊坡地質(zhì)條件在前期勘察工作中難以認識透徹，且邊坡的穩(wěn)定性易受環(huán)境因素影響。尤其是山區(qū)巖土邊坡，由于地質(zhì)情況復(fù)雜、工程規(guī)模大，巖土問題眾多，需要對這些部位進行重點監(jiān)測，以最低或工程可以接受的成本達到預(yù)期的監(jiān)測目的。

邊坡監(jiān)測方法在實際應(yīng)用中已十分成熟，但數(shù)據(jù)的采集普遍需要人工定期到現(xiàn)場進行，使得邊坡監(jiān)測缺乏實時性。在很多情況下，不穩(wěn)定邊坡處于邊遠地區(qū)，監(jiān)測人員很難到達，尤其是在滑坡的臨發(fā)階段，存在著眾多危險。而采用在線監(jiān)測系統(tǒng)可以讓觀測人員遠離危險，確保高速公路的安全與高效。本文以曲靖東南過境公路為例，就自動化在線監(jiān)測系統(tǒng)在高速公路邊坡監(jiān)測中的應(yīng)用進行探討。

1 項目概況

曲靖東南過境公路東過境段項目，本次所監(jiān)測的5個邊坡，目前均采用錨桿（索）格梁植草坡面防護方案。

2 邊坡開挖防護施工情況及監(jiān)測的意義

各邊坡開挖防護施工情況如表1所示。

表1 各邊坡開挖防護施工的起訖時間表

各邊坡在施工過程中均不同程度出現(xiàn)了失穩(wěn)滑坡問題，導(dǎo)致支護方案發(fā)生了變更。

通過現(xiàn)場失穩(wěn)滑坡分析，需要對這些部位進行重點監(jiān)測，為了不受天氣影響實時監(jiān)測，在惡劣環(huán)境下仍保證數(shù)據(jù)穩(wěn)定，確保邊坡施工安全穩(wěn)定，經(jīng)研究決定，在高速公路邊坡監(jiān)測中采用自動化在線監(jiān)測系統(tǒng)。

3 自動化在線監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

從業(yè)務(wù)邏輯角度，自動化在線監(jiān)測系統(tǒng)可以分為感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層三個層面。其中，感知層由現(xiàn)場傳感器網(wǎng)絡(luò)組成。網(wǎng)絡(luò)層采用高速公路專用通信系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)；而應(yīng)用層的工作分為監(jiān)測對象服務(wù)和用戶服務(wù)兩個層次，在監(jiān)測對象服務(wù)層，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的正常接收、計算、存儲，保證數(shù)據(jù)和系統(tǒng)應(yīng)用的穩(wěn)定、可靠。

4 技術(shù)實現(xiàn)

本項目分布式光纖監(jiān)測系統(tǒng)采用布里淵光時域分析（BOTDA）技術(shù)，如圖1所示。當(dāng)光纖注入一束激光，光纖中每點均會發(fā)生布里淵光散射效應(yīng)，布里淵散射光的中心頻率漂移量與光纖各點的軸向應(yīng)變呈線性關(guān)系。利用相應(yīng)的解調(diào)和分析技術(shù)可以實現(xiàn)光纖中每一點應(yīng)變的分布式檢測。

圖1 BOTDA基本結(jié)構(gòu)原理

本項目現(xiàn)場實施時將應(yīng)變光纖組成的光纖傳感網(wǎng)絡(luò)貼敷于山體邊坡表面或邊坡內(nèi)部，當(dāng)邊坡結(jié)構(gòu)發(fā)生微小形變時，將影響應(yīng)變光纖受激布里淵（Brillouin）散射效應(yīng)頻移的改變；布里淵頻移變化量與光纖應(yīng)變的變化量成線性正比關(guān)系，通過光纖應(yīng)變量的實時監(jiān)測，系統(tǒng)實時計算一個監(jiān)測周期內(nèi)的邊坡結(jié)構(gòu)形變量，而通過長期數(shù)據(jù)的存儲、提取與分析，可獲得邊坡形變變化量及變化趨勢，為保障邊坡結(jié)構(gòu)穩(wěn)定安全提供可靠的數(shù)據(jù)支持。

5 公路邊坡監(jiān)測

5.1 邊坡表面變形監(jiān)測

滑坡是坡體的應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生變化時，邊坡介質(zhì)發(fā)生不同方式、不同規(guī)模和不同程度的變形，當(dāng)變形發(fā)展到一定程度，在坡體內(nèi)形成貫通性滑面時的變動。因此，邊坡變形是邊坡穩(wěn)定性狀態(tài)的一個重要特征。監(jiān)測邊坡表面變形及其趨勢發(fā)展，是初步判斷邊坡穩(wěn)定狀況的一個必要手段。

由于本次監(jiān)測的5個邊坡均采用了錨桿（索）格梁支護方案對邊坡的穩(wěn)定性進行防護，因此，該5個邊坡的表面變形監(jiān)測均采用對格梁變形的監(jiān)測來實現(xiàn)。

5.2 邊坡深部變形監(jiān)測

本次方案中對于深部變形監(jiān)測的傳感光纖的布設(shè)，是利用鉆孔內(nèi)的測斜管作為載體。鉆孔完成后，在安放測斜管的同時，選取邊坡主滑動方向上的兩個測斜管刻槽，將特殊封裝的傳感光纖捆綁在刻槽內(nèi)，同時向下放入鉆孔孔內(nèi)。

測斜管在滑坡推力作用下將發(fā)生變形，通過監(jiān)測測斜管的變形來反映滑坡體的深部變形。測斜管發(fā)揮著抗滑及信息載體的復(fù)合作用。利用測斜管變形監(jiān)測數(shù)據(jù)，反演滑坡推力的分布形式、滑面位置；通過測斜管所處的狀態(tài)，評價滑坡體的安全狀態(tài)。

根據(jù)本項目邊坡實際情況，邊坡監(jiān)測主要選取的監(jiān)測項包括：支護結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測、表面位移監(jiān)測、內(nèi)部位移監(jiān)測。邊坡具體監(jiān)測項目及采取的相應(yīng)措施如表2所示。

表2 監(jiān)測參數(shù)及采取的相應(yīng)措施

5.3 系統(tǒng)總體架構(gòu)圖

本項目自動化在線監(jiān)測系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)總體架構(gòu)圖

系統(tǒng)路由為：各邊坡現(xiàn)場分布式應(yīng)變光纖監(jiān)測網(wǎng)→光纖接線盒→通信光→BOTDA主機→數(shù)據(jù)采集通信服務(wù)器→中心以太網(wǎng)交換機→計算機應(yīng)用系統(tǒng)（邊坡監(jiān)控工作站、APP移動互聯(lián)終端服務(wù)等）。

可以實現(xiàn)邊坡變形實時監(jiān)測、實時預(yù)警、PC監(jiān)控工作站應(yīng)用管理、基于互聯(lián)網(wǎng)+的移動互聯(lián)終端APP實時監(jiān)測及報警服務(wù)等功能。

5.4 邊坡現(xiàn)場分布式光纖布設(shè)方案

結(jié)合現(xiàn)場格梁的排布情況，選取各邊坡的重點范圍，設(shè)置出經(jīng)濟合理的光纖布設(shè)方式。在重點位置設(shè)置邊坡深部變形監(jiān)測孔，在該范圍內(nèi)的格梁刻槽埋設(shè)光纖，并與各測斜孔的光纖串聯(lián)成整體，對其進行監(jiān)測。

由于光纜不抗拉，怕扭力，彎曲產(chǎn)生損耗，因此必須嚴格按照以下幾條進行鋪設(shè)：

（1）必須避免光纜受力，采用主動放線，絕不可被動放線。放線過程中不可對應(yīng)變光纜施加較大張力，以免拉出彈性范圍。使用盤線架為佳，如無盤線架，可在光纜盤孔內(nèi)穿入管棒，兩人手持管棒，轉(zhuǎn)動光纜盤放線。

（2）避免光纜受到較大側(cè)壓，如人為踩踏、被重物所壓或受到撞擊。

（3）應(yīng)變光纜在成纜過程中已施加一定的預(yù)應(yīng)力，可以測量較小的壓應(yīng)變（收縮），如需測量較大壓應(yīng)變需在鋪設(shè)時施加一定的張力。

（4）測量拉應(yīng)變時，在鋪設(shè)過程中應(yīng)在自由態(tài)基礎(chǔ)上施加較小張力，以確保在應(yīng)變發(fā)生初期，也能得到理想的應(yīng)變數(shù)據(jù)。

6 結(jié)語

分布式光纖監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用于高速公路邊坡穩(wěn)定性的遠程自動化在線監(jiān)測，取得了較好的效果。本項目采用布里淵光時域分析（BOTDA）技術(shù)，現(xiàn)場實施時將應(yīng)變光纖組成的光纖傳感網(wǎng)絡(luò)貼敷于山體邊坡表面或邊坡內(nèi)部，當(dāng)邊坡結(jié)構(gòu)發(fā)生微小形變時，通過光纖應(yīng)變量的實時監(jiān)測及長期數(shù)據(jù)的存儲、提取與分析，為保障邊坡結(jié)構(gòu)穩(wěn)定安全提供可靠的數(shù)據(jù)支持。

邊坡監(jiān)測目前在曲靖東南過境高速公路運用，取得了很好的效果，得到業(yè)主及交通集團的好評，在云南省已有多條高速公路簽訂邊坡監(jiān)測合同。