GNSS自動化監(jiān)測系統(tǒng)在高速路邊坡表面位移監(jiān)測中的應(yīng)用

榮美 黎付安 滿新耀

摘要：為了實時有效監(jiān)測邊坡穩(wěn)定狀態(tài)，文章依托廣西某高速公路邊坡實例，使用GNSS自動化在線監(jiān)測系統(tǒng)，結(jié)合邊坡巖土特征、坡體變形特征制定監(jiān)測方案，實現(xiàn)邊坡表面位移實時、全天候監(jiān)測。監(jiān)測周期數(shù)據(jù)分析結(jié)果表明，BD03、BD04監(jiān)測點坡體位移變形最大，變形范圍為500～750 mm，BD08監(jiān)測點坡體位移變形最小，變形量為3.1 mm，其他監(jiān)測點也發(fā)生不同程度位移變形。該監(jiān)測系統(tǒng)能自動化、實時、高效地監(jiān)測邊坡狀態(tài)，為評估邊坡變形穩(wěn)定狀態(tài)和分析變形發(fā)展趨勢及災(zāi)害預(yù)防處置提供參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞 高速公路邊坡;GNSS;變形監(jiān)測

0 引言

高速公路建設(shè)過程中，人為地改變自然環(huán)境地貌，使巖土原有應(yīng)力發(fā)生變化，容易導(dǎo)致公路邊坡出現(xiàn)失穩(wěn)[1]。若對失穩(wěn)邊坡不進行及時監(jiān)測或防治，會使高速公路運營管理存在較大安全隱患。因此，為保障高速公路安全運營，采取科學(xué)有效的監(jiān)測手段或方式，對失穩(wěn)邊坡進行實時監(jiān)測預(yù)警是非常重要的。同時，監(jiān)測手段需要考慮精度、效率、成本、安全等問題，而GNSS（Global Navigation Satellite System，GNSS）全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)自動化在線監(jiān)測系統(tǒng)能實現(xiàn)全自動化監(jiān)測、實時解算、自動檢核限差與自動報警等功能[2]，可較好滿足高速公路邊坡變形監(jiān)測等情況。本文以廣西某高速公路邊坡為依托，使用GNSS自動化在線監(jiān)測手段，對該邊坡變形位移進行實時監(jiān)測，進行監(jiān)測數(shù)據(jù)分析及預(yù)警，為邊坡防護治理方案和應(yīng)急處置決策等提供參考依據(jù)。

1 GNSS自動化在線監(jiān)測系統(tǒng)與工作原理

1.1 工作原理

GNSS能夠?qū)Φ厍虮砻娴目臻g對象進行實時動態(tài)監(jiān)測，獲取空間對象的三維坐標、速度和時間等信息，實現(xiàn)空間對象的連續(xù)實時導(dǎo)航、定位和授時[3]?，F(xiàn)今，GNSS在大地測量、精密工程測量、地殼形變監(jiān)測、石油勘探等領(lǐng)域已得到廣泛應(yīng)用[4]。本文使用GNSS自動化在線監(jiān)測系統(tǒng)對邊坡的表面位移進行實時自動化監(jiān)測，獲取監(jiān)測點表面位移變化數(shù)據(jù)，進行數(shù)據(jù)處理分析與評估，達到監(jiān)測邊坡穩(wěn)定性的效果。該系統(tǒng)的工作原理是：各個監(jiān)測點的GNSS傳感器元件與參考點的GNSS傳感器元件實時捕獲GNSS信號，數(shù)據(jù)傳輸裝置將信息實時發(fā)送到監(jiān)測平臺的控制中心，控制中心服務(wù)器GNSS高精度衛(wèi)星解算軟件實時差分解算出監(jiān)測點三維坐標，數(shù)據(jù)分析模塊將各監(jiān)測點實時三維坐標與初始坐標進行對比分析，得到監(jiān)測點位移變化量，并將其位移變化量與預(yù)設(shè)的預(yù)警值比較，超出預(yù)警值則進行報警。

1.2 GNSS自動化在線監(jiān)測系統(tǒng)

GNSS自動化在線監(jiān)測系統(tǒng)主要是以高速公路邊坡為監(jiān)測對象，針對高速公路邊坡的特殊性進行研發(fā)的技術(shù)監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)平臺主要由集成式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、無線式數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)、GNSS高精度衛(wèi)星數(shù)據(jù)解算軟件、專業(yè)式數(shù)據(jù)分析預(yù)警系統(tǒng)、移動式防災(zāi)巡檢系統(tǒng)和系統(tǒng)服務(wù)管理平臺等組成。集成式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要由測地型接收機、太陽能供電系統(tǒng)、避雷針和其他安全防護裝置組成，以精確監(jiān)測邊坡變形為目的，應(yīng)將其安裝位置進行混凝土澆筑加固，確保地基穩(wěn)定性，在監(jiān)測墩附近安置避雷針，保護監(jiān)測裝置。測地型接收機內(nèi)置高精度GNSS接收模塊與衛(wèi)星信號降噪濾波程序，以捕獲高質(zhì)量的衛(wèi)星數(shù)據(jù)。無線式數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)通過SIM卡使用GPRS通信方式將GNSS主機與控制中心連接，實時將GNSS信號接收機獲取的衛(wèi)星數(shù)據(jù)傳輸?shù)娇刂浦行倪M行云存儲，以保證監(jiān)測數(shù)據(jù)完整性。GNSS高精度衛(wèi)星數(shù)據(jù)解算軟件使用高精度解算程序?qū)πl(wèi)星數(shù)據(jù)進行實時解算，增強監(jiān)測數(shù)據(jù)時效性。專業(yè)式數(shù)據(jù)分析預(yù)警系統(tǒng)對解算數(shù)據(jù)分析處理，將監(jiān)測點位移變形量與預(yù)警閾值對比，若變形量超過預(yù)警閾值，則通過短信、郵件、聲光報警裝置等方式進行報警。移動式巡檢系統(tǒng)由高速公路高危邊坡監(jiān)測責(zé)任人定期對災(zāi)害隱患點進行實地監(jiān)測和排查，建立長期的專業(yè)調(diào)查記錄。系統(tǒng)服務(wù)管理平臺可遠程實現(xiàn)對監(jiān)測設(shè)備進行參數(shù)的配置、調(diào)試、故障排查和升級，實現(xiàn)集成自動化與智能化。

2 工程項目概況

該邊坡位于廣西某高速公路K195+100～K196+60段下行線，屬于路塹地段。路塹開挖后的邊坡在經(jīng)過多年雨季的持續(xù)作用下發(fā)生滑坡，滑坡段沿公路軸線總長806 m，包含6個滑坡變形體，分別標識為1～6號變形體。滑坡區(qū)為低山丘陵地貌，地處山間河岸斜坡，斜坡海拔高度為160～319 m，往西及西南傾斜，原始地形坡度一般為25°～55°。滑坡坡腳有沙子河由北向南流淌，河岸呈弧狀彎曲，在山區(qū)地段由于受強烈構(gòu)造作用及河流的強烈切割而形成“V”字形河谷?；聟^(qū)發(fā)育多條沖溝，近東西走向，長度約為30～150 m，寬度約為1.0～2.5 m，切割深度為1.5～3.0 m，植被茂盛?；聟^(qū)主要為堆填區(qū)，自然堆積后，簡單碾壓，形成人工填土邊坡?；聟^(qū)已出現(xiàn)不同程度的病害現(xiàn)象，而且滑坡體下方為居民區(qū)，存在較大的安全隱患?，F(xiàn)場勘查到的病害有：（1）滑坡體5號變形體局部漿砌石重力式擋土墻坡腳側(cè)移擠壓公路邊溝，樁頂平臺隆起，最大隆起高度為1.0 m多;（2）滑坡還處于不斷發(fā)育成長過程中，地表水時常灌入坡體，水壓力較大，水從坡腳滲出;（3）坡體坡面不斷蠕動拉裂、沉陷，發(fā)生拉裂、塌陷長度約80 m，塌陷落差最大處約為1.8 m;（4）部分土體已發(fā)生滑塌，可能存在小滑坡體從樁頂剪出的風(fēng)險，且部分山體中有裂縫分布，裂縫寬度約30～50 cm，南側(cè)涵洞處路面發(fā)生明顯裂縫，長度約3 m;（5）滑坡防護擋墻和抗滑樁處發(fā)生小部分破裂現(xiàn)象。

3 監(jiān)測方案

3.1 監(jiān)測內(nèi)容

根據(jù)以往勘測資料和現(xiàn)場踏勘情況可知，降雨滲透是引起邊坡位移的主要因素，結(jié)合現(xiàn)場工程實際確定監(jiān)測內(nèi)容為地表位移監(jiān)測、降雨量監(jiān)測和視頻監(jiān)控。主要重點分析地表位移監(jiān)測（如表1所示）。

3.2 監(jiān)測方案

根據(jù)邊坡巖土特征和已發(fā)生坡體變形特征，沿坡體變形區(qū)域布設(shè)4個監(jiān)測斷面（1-1、2-2、3-3、4-4），每個斷面布設(shè)GNSS地表位移監(jiān)測點。地表位移監(jiān)測點共布設(shè)9個（基準點1個，監(jiān)測點8個），基準點布設(shè)于附近居民房頂，監(jiān)測點布設(shè)于每個斷面1～3個（如下頁圖1所示）。雨量監(jiān)測點與基準點一起布設(shè)，共用供電系統(tǒng)，視頻監(jiān)控布設(shè)于坡體對面的路基上。

3.3 監(jiān)測周期與頻率

邊坡監(jiān)測以穩(wěn)定控制為主，達到預(yù)警的目的，必須保證一定的監(jiān)測密度，以能夠連續(xù)地觀測邊坡的動態(tài)位移。監(jiān)測周期為12個月，監(jiān)測頻率為每天一次。該系統(tǒng)為24 h實時在線監(jiān)測系統(tǒng)，監(jiān)測頻率應(yīng)結(jié)合現(xiàn)場實際情況進行相應(yīng)調(diào)整。

3.4 監(jiān)測預(yù)警設(shè)置

對于邊坡監(jiān)測預(yù)警值的設(shè)置，目前來說沒有普適性的預(yù)警機制，一般是結(jié)合邊坡安全風(fēng)險等級與其周邊環(huán)境、邊坡工程施工狀況和運營期狀態(tài)及以往監(jiān)測案例經(jīng)驗等確定邊坡監(jiān)測等級[5-6]，并對相關(guān)監(jiān)測內(nèi)容等進行預(yù)警。預(yù)警級別分為紅色、橙色、黃色、藍色等四個。具體預(yù)警級別如表2所示。

4 地表位移監(jiān)測結(jié)果分析

在本文GNSS自動化在線監(jiān)測系統(tǒng)中，各監(jiān)測點的總體累計位移變形量是以初期監(jiān)測坐標值為初始參考值來計算監(jiān)測點的位移變化量的。X方向（North）為北方向，Y方向（East）為東方向，H方向表示沉降。

本文地表位移監(jiān)測數(shù)據(jù)分析起止時間為2019-05-01至2019-09-01，共4個月時間。[FL）0]

DB01～08監(jiān)測點的累計位移變形-時間曲線如圖2～9所示。由監(jiān)測數(shù)據(jù)可知：

（1）DB08監(jiān)測點位移基本無明顯變化。由此可見，古滑坡范圍區(qū)段內(nèi)高速公路路面結(jié)構(gòu)相對穩(wěn)定。

（2）DB01～07監(jiān)測點位移存在兩個明顯的突變時間點，分別是6月27日和7月1日，監(jiān)測點位移主要發(fā)生在6月27日以后。由此可見，5月1日至6月27日期間，古滑坡體變形以蠕變?yōu)橹鳎?月27日以后，古滑坡體出現(xiàn)明顯的土體變形。

（3）X方向（North），DB03～DB07位移相對比較明顯，且DB03和DB07向北偏移，DB04～DB06向南偏移。DB03 X方向累積位移約250 mm，DB04～DB07 X方向累積位移約20 mm，DB08X方向累積位移為6.6 mm?？梢姡琗方向上主要是3～5號滑坡體發(fā)生了位移，且各滑坡體位移方向并不一致，存在局部淺表滑坡的可能。

（4）Y方向（East），DB01～07監(jiān)測點位移都很明顯，且都是向西偏移。其中DB03、DB04的Y方向累積位移在500～750 mm之間;DB01、DB02和DB05～07Y方向累積位移在60～150 mm之間;DB08Y方向累積位移3.1 mm。可見3號滑坡體存在明顯的局部淺表滑坡跡象，應(yīng)立即采取處治措施。

（5）H方向，DB03明顯下沉;DB01和DB04輕微下沉;DB05、DB07存在相對較明顯的上隆;DB02先下沉后上隆，且總體變化不大;DB06變化較小;DB08無明顯變化。

由此可見，各滑坡體的滑動面深度并不一致：3號監(jiān)測點滑坡體的滑動面深度較大，4號和5號監(jiān)測點滑坡體的滑動面深度較小，1號監(jiān)測點滑坡體的滑坡可能性較小，8號監(jiān)測點滑坡體最穩(wěn)定。

5 結(jié)語

本文依托廣西某高速公路邊坡實例，使用GNSS自動化在線監(jiān)測系統(tǒng)對邊坡表面位移進行實時監(jiān)測，經(jīng)分析得出如下結(jié)論：

（1）GNSS自動化在線監(jiān)測系統(tǒng)實現(xiàn)了對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行實時自動采集與傳輸、云存儲和解算等功能，為評估邊坡穩(wěn)定狀態(tài)奠定基礎(chǔ)。

（2）對監(jiān)測數(shù)據(jù)結(jié)果進行分析得出：BD03、BD04監(jiān)測點存在較大的位移變形，DB08監(jiān)測點位移變形最小，變形情況與現(xiàn)場勘查結(jié)果相符。這表明GNSS自動化在線監(jiān)測系統(tǒng)能獲取可靠的、精度高的監(jiān)測數(shù)據(jù)，為評估邊坡穩(wěn)定性提供可靠的數(shù)據(jù)支撐，可較好預(yù)測邊坡變形發(fā)展趨勢。

（3）GNSS自動化在線監(jiān)測系統(tǒng)成功對邊坡地表位移變形超限進行了報警，表明該系統(tǒng)能夠?qū)崟r有效監(jiān)測邊坡動態(tài)，掌握邊坡安全現(xiàn)狀，為預(yù)防災(zāi)害發(fā)生提供重要參考依據(jù)。

（4）本監(jiān)測系統(tǒng)存在周圍環(huán)境影響因素，受高壓電塔、工作面積水影響產(chǎn)生多路徑效應(yīng)，太陽能供電系統(tǒng)受氣候因素限制，后續(xù)監(jiān)測需要對其改進優(yōu)化。

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作者簡介：榮 美（1970—），高級工程師，研究方向：工業(yè)電氣自動化;

黎付安（1993—），碩士，研究方向：測繪工程;

滿新耀（1980—），高級工程師，碩士，研究方向：高速公路建設(shè)與養(yǎng)護管理。