基于云平臺的智能健康監(jiān)測系統(tǒng)在路基邊坡中的應用

程 斌 林賢光

(武漢城市職業(yè)學院 湖北 武漢：430064)

長期以來，我國路基邊坡的安全監(jiān)測技術一直是公路修筑維護中的一個薄弱環(huán)節(jié)，邊坡失穩(wěn)造成滑坡的安全事故時有發(fā)生，對人們的生命安全和財產(chǎn)安全都造成巨大的損失。為了減少和防止各種邊坡事故的發(fā)生，保證人們的生命安全、減少財產(chǎn)損失，有必要對路基邊坡進行全生命周期的健康監(jiān)測，實時掌握邊坡的運營狀態(tài)[1]。同時，對邊坡進行健康監(jiān)測，通過數(shù)據(jù)的反饋，可以為優(yōu)化調(diào)整工程處理措施提供分析決策的基礎參數(shù)和依據(jù)，可以積累相關成果和經(jīng)驗，總結(jié)提高類似工程建設的技術水平。

1 路基邊坡智能健康監(jiān)測系統(tǒng)簡介

對于公路邊坡安全監(jiān)測，目前國內(nèi)采用的方法主要為常規(guī)的人工觀測和日常巡查。常規(guī)監(jiān)測人為因素產(chǎn)生的測量誤差大，受氣候環(huán)境影響大，監(jiān)測數(shù)據(jù)的時效性差，不能及時檢測到事故發(fā)生的臨界變化，不能確定事故發(fā)生的準確時間，從而不能準確分析事故相關的外部誘導因素[2]。

邊坡智能健康監(jiān)測系統(tǒng)可以對巖土體內(nèi)部沉降、傾斜、表面位移、表面沉降等進行連續(xù)監(jiān)測，及時捕捉邊坡形狀變化的特征信息，通過有線或無線方式將監(jiān)測數(shù)據(jù)及時發(fā)送到監(jiān)測中心，并結(jié)合地表監(jiān)測的雨量、位移等信息，由專用的計算機數(shù)據(jù)分析軟件處理，對邊坡的整體穩(wěn)定性做出判斷，快速做出諸如山體邊坡崩塌、滑坡等災害發(fā)生的預警預報，更加準確、有效地監(jiān)測災情發(fā)生，減少人員、財產(chǎn)損失。同時可以識別支護結(jié)構(gòu)的損傷程度評定支護結(jié)構(gòu)的安全、可靠性與耐久性；驗證邊坡支護結(jié)構(gòu)設計建造理論與方法，完善相關設計施工技術規(guī)程，提高邊坡工程設計水平和安全可靠度，保障結(jié)構(gòu)的使用安全，具有重要的社會意義、經(jīng)濟價值和廣泛的應用前景[3]。

1.1 云平臺主要功能

云平臺融合了物聯(lián)網(wǎng)技術和大數(shù)據(jù)背景，通過對結(jié)構(gòu)物進行在線安全監(jiān)測，實現(xiàn)了對結(jié)構(gòu)物遠程監(jiān)控、實時測量、實時報警、自動化分析、海量數(shù)據(jù)存儲備份等一體化服務[4]，可以對結(jié)構(gòu)物日常養(yǎng)護和管理發(fā)揮重大作用。云平臺超大的存儲空間，可容納橋、隧道、邊坡等多種結(jié)構(gòu)物的監(jiān)測數(shù)據(jù)，將所有結(jié)構(gòu)物的監(jiān)測數(shù)據(jù)統(tǒng)一管理，實現(xiàn)由單體簡單監(jiān)測向區(qū)域集群平臺監(jiān)測發(fā)展。

1.2 結(jié)構(gòu)拓撲圖

結(jié)構(gòu)物拓撲圖描述現(xiàn)場監(jiān)測點線纜和網(wǎng)絡設備的布局以及數(shù)據(jù)傳輸時所采用的路徑，見圖1。主機界面顯示各監(jiān)測點的位置和健康狀態(tài)，傳感器的顏色會隨著出現(xiàn)告警信息而改變，綠色代表健康，藍色為四級預警、紫色為三級預警、橙色為二級預警、紅色為一級預警。

圖1 邊坡在線監(jiān)測拓撲圖

1.3 平臺監(jiān)測流程

(1)平臺接收到數(shù)據(jù)并根據(jù)前期配置的閾值范圍對其進行判別，如果所測數(shù)據(jù)落在閾值范圍內(nèi)，會發(fā)生相應等級的告警信息，以短信或郵件的形式推送給相關人員，可以及時的對結(jié)構(gòu)物進行相應的處理，避免突發(fā)事故的發(fā)生；

(2)平臺智能化分析數(shù)據(jù)，以趨勢圖形式直觀地呈現(xiàn)監(jiān)測結(jié)果，同時可以進行數(shù)據(jù)對比、查看關聯(lián)因素的數(shù)據(jù)趨勢圖；

(3)針對不同的監(jiān)測因素生成相應的報表，以報表的形式將數(shù)據(jù)存儲備份，便于提取查看，后期會有專業(yè)的人士對結(jié)構(gòu)進行安全評估。

2 應用案例

2.1 項目簡介

丹江口二級公路某段挖方路塹(K12+50～K12+200)，邊坡高度在20m以上，地層為緩傾角砂巖與泥巖互層為主，節(jié)理發(fā)育，陡傾的節(jié)理為主，見圖2。邊坡的工程概況如下：

(1) 自然邊坡高度70余米，坡度20°至60°；(2) 開挖最大高度30m，坡度45°至70°；(3) 地質(zhì)條件復雜：紅層軟硬相間(主要由棕紅色細砂巖、粉砂巖、泥質(zhì)粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖及泥巖組成)，深部裂縫和周圍滑坡發(fā)育，較軟巖中，一般發(fā)育2 組裂隙,呈“X”形，軟巖以風化裂隙為主，巖體呈碎塊狀鑲嵌結(jié)構(gòu)；(4) 巖層傾角平緩，開挖后拱部易順層剝落、掉塊甚至小坍塌，側(cè)壁易失穩(wěn)；(5) 地下水類型為基巖裂隙水，有滲水。雨季時，圍巖裂隙滲水嚴重，局部呈小股狀流水；(6) 采用錨索和混凝土拱形骨架護坡進行邊坡防護。

圖2 邊坡現(xiàn)場圖

2.2 監(jiān)測內(nèi)容

影響邊坡穩(wěn)定性的主要因素可分為三類：(1)工程地質(zhì)環(huán)境因素，包括地形地貌特征、地下水狀態(tài)、水文地質(zhì)條件等因素；(2)巖體結(jié)構(gòu)條件，包括巖體結(jié)構(gòu)特性和巖體結(jié)構(gòu)面特征；(3)各種觸發(fā)因素，包括降雨等。在影響邊坡穩(wěn)定性的各種因素中，前兩類因素屬于內(nèi)因，是地質(zhì)因素，是邊坡失穩(wěn)發(fā)生的地質(zhì)基礎和物質(zhì)基礎條件因素；后一類是外因，是非地質(zhì)因素，是發(fā)生邊坡失穩(wěn)的觸發(fā)因素[5]。

對于已建邊坡的監(jiān)測主要以觸發(fā)因素為主，高邊坡的監(jiān)測必須包含表層位移和深部位移。當?shù)叵滤^為發(fā)育時，還需要對降雨量和地下水位進行監(jiān)測，持續(xù)高水位會增大孔隙水滲透壓力，邊坡長時間被水浸泡，會造成邊坡失穩(wěn)。故對本項目邊坡進行以下監(jiān)測：

(1)溫濕度、降雨量(環(huán)境)監(jiān)測。掌握邊坡區(qū)域環(huán)境參數(shù)情況,有溫濕度變化較大、較大降雨時進行報警。

(2)地下水位的監(jiān)測利用地下水位監(jiān)測來確定地下水的位置，判斷地下水位情況，降水是否合適。如果降水過快，地下水位較深的時候會引起周邊地表下沉。

(3)邊坡不均勻沉降的監(jiān)測。高邊坡不均勻沉降容易造成邊坡失穩(wěn)滑移。

(4)邊坡表面位移監(jiān)測。掌握邊坡整體表面位置的變化及其變化速率(包括平面位移和垂直沉降)，確定邊坡整體位移變形的情況，是確定邊坡穩(wěn)定性重要指標之一[6]。

(5)邊坡內(nèi)部位移監(jiān)測。掌握邊坡內(nèi)部的位移變化及其變化速率，結(jié)合表面綜合位移信息可確定邊坡整體位移變形情況。為于邊坡穩(wěn)定性評價提供重要的數(shù)據(jù)參考。

(6)錨索受力的監(jiān)測。在錨索張拉時，將測力計安裝在錨索上，通過對測力計觀測數(shù)據(jù)的計算，可了解錨索錨固力變化情況，為判斷被錨固對象的受力狀態(tài)及提供依據(jù)，從而保證工程的安全性。

2.3 監(jiān)測方案

(1)傳感器選擇

分別對結(jié)構(gòu)物進行監(jiān)測因素、DTU、傳感器、閾值等參數(shù)進行配置，詳見表1。

表1 不同監(jiān)測因素對應傳感器及布置位置

(2)熱點圖配置

邊坡結(jié)構(gòu)及傳感器的布置，見圖3。

圖3 邊坡熱點圖

2.4 傳感器布置

(1)傳感器布設位置

根據(jù)所測的監(jiān)測因素，選擇相應的傳感器，監(jiān)測點的數(shù)量和疏密程度根據(jù)邊坡規(guī)模的大小及重要性來確定，布設4個橫斷面，斷面間距為40m，見圖4。

(2)數(shù)據(jù)傳輸方式

數(shù)據(jù)的傳輸采用傳統(tǒng)的無線DTU的傳輸方式，數(shù)據(jù)采集和傳輸采用傳感器以485傳輸方式傳輸，這種傳感器直接與DTU相連，將采集的數(shù)據(jù)通過DTU傳輸?shù)皆破脚_上[7]，見圖5。

2.5 監(jiān)測頻率

監(jiān)測頻率初設每30min監(jiān)測1次，雨季及變形量增大、變形速率加快時，可加大監(jiān)測頻率，并可根據(jù)需要，人工設置時間段進行采集。

2.6 數(shù)據(jù)分析

(1)數(shù)據(jù)實時顯示和預警

根據(jù)所采集的歷史數(shù)據(jù)，可以進行以下智能分析：

①同一監(jiān)測因素同一監(jiān)測點不同時間段的數(shù)據(jù)。圖6為某一點表面位移在不同時間段監(jiān)測數(shù)據(jù)的對比圖，該圖為測斜管不同深度相對于地表觀測點的水平位移變化情況，能反應邊坡水平方向整體變化趨勢。

②同一監(jiān)測因素同一時間段不同監(jiān)測點的數(shù)據(jù)對比。 圖7為地下水位在同一時間內(nèi)在測點1和測點2的監(jiān)測數(shù)據(jù)對比圖，該圖為邊坡上同一斷面不同測點地下水位高度變化情況，能反應邊坡地表沉降趨勢。

圖4 邊坡在線監(jiān)測布置示意圖

圖5 監(jiān)測流程圖

圖6 某一點表面位移在不同時間段監(jiān)測數(shù)據(jù)的對比圖(水平方向)

圖7 地下水位在同一時間內(nèi)在測點1和測點2的監(jiān)測數(shù)據(jù)對比圖

③不同監(jiān)測因素數(shù)據(jù)關聯(lián)。圖8為表面位移在X、Y軸和關聯(lián)因素內(nèi)部位移在X、Y、Z軸的趨勢圖。

該圖為考慮各種因素后邊坡表面上某一測點水平方向與豎直方向位移變化趨勢和同一斷面不同測點邊坡內(nèi)部位移變化趨勢。

圖8 表面位移在X、Y軸和關聯(lián)因素內(nèi)部位移在X、Y、Z軸的趨勢圖

通過對不同時間段的監(jiān)測數(shù)據(jù)分析求其關聯(lián)維數(shù)，可以用來判斷監(jiān)測對象所受的影響因素的個數(shù)，判斷其值是否相同，如果不相同，則說明這兩個時間段內(nèi)同一個監(jiān)測對象所受的影響因素有所改變，監(jiān)測對象的狀態(tài)也必將發(fā)生改變，從而可以判斷監(jiān)測對象的變化狀態(tài)，這也為變形分析提供了可靠的理論依據(jù)。通過數(shù)據(jù)的分析,決策管理人員能夠及早發(fā)現(xiàn)問題，及時采取措施將事故消滅在萌芽狀態(tài)，提高坡體安全性和可控性。同時提供了預警功能，可根據(jù)現(xiàn)行規(guī)范、規(guī)程設置預警閥值，當坡體位移超過預警閥值時，系統(tǒng)自動報警。

(2)報表管理

數(shù)據(jù)可以通過趨勢圖比較直觀的查看，同時也可以生成報表，不同的監(jiān)測因素選擇相應的報表模板，數(shù)據(jù)以報表的形式存儲，方便以后提取數(shù)據(jù)，并對結(jié)構(gòu)進行安全評估[8]，見圖9。

圖9 安全評估流程圖

3 結(jié)語

云系統(tǒng)應用于該公路邊坡穩(wěn)定性遠程自動化在線的監(jiān)測，取得了較好的效果。該系統(tǒng)可實現(xiàn)無人值守24h連續(xù)監(jiān)測和預警。系統(tǒng)所獲得的位移、索力、降雨量和溫濕度數(shù)據(jù)全面、可靠，而且具有足夠的精度。通過系統(tǒng)運行效果來看，能夠準確監(jiān)測該邊坡的實時狀態(tài)信息，對該邊坡的變化情況有詳細的監(jiān)測記錄，為管理單位提供了重要的數(shù)據(jù)，為合理管理和安排養(yǎng)護、保養(yǎng)計劃提供依據(jù)。