沉降自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在高邊坡監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用研究

李桂明

摘要：自動(dòng)化監(jiān)測(cè)因其高效及節(jié)能性，越來(lái)越受到重視，本文通過(guò)分析高邊坡沉降自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成、對(duì)比分析高邊坡自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及人工監(jiān)測(cè)采集數(shù)據(jù)，說(shuō)明了該沉降自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)精度高，適用性好，能廣泛應(yīng)用于偏于地區(qū)及高危邊坡，具有遠(yuǎn)大的應(yīng)用前景。

Abstract： Because of its high efficiency and energy saving， automatic monitoring has attracted more and more attention. This paper analyzes the composition of the automatic monitoring system for high slope settlement， comparatively analyzes the automatic monitoring system and manual monitoring and data collection for high slopes. It shows that the settlement automatic monitoring system has high monitoring accuracy and good applicability. It can be widely used in partial areas and high-risk slopes， and has great application prospects.

關(guān)鍵詞：高邊坡;自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng);人工監(jiān)測(cè);對(duì)比分析

Key words： high slope;automatic monitoring system;manual monitoring;comparative analysis

中圖分類號(hào)：U416.14? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1006-4311（2020）32-0214-03

0? 引言

邊坡監(jiān)測(cè)工作對(duì)工程設(shè)計(jì)、施工及確保后期安全運(yùn)營(yíng)具有重要意義，邊坡監(jiān)測(cè)的主要有以下幾個(gè)方面：①通過(guò)監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)評(píng)估邊坡在建設(shè)和運(yùn)營(yíng)過(guò)程中的穩(wěn)定性;②通過(guò)分析監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及時(shí)發(fā)現(xiàn)可能出現(xiàn)的滑坡、滑移及蠕變，預(yù)測(cè)滑坡形成的規(guī)模，滑移的方向，可能發(fā)生的時(shí)間及造成的破壞性;③通過(guò)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的積累，為后續(xù)類似邊坡的設(shè)計(jì)研究提供參考[1]。

采用傳統(tǒng)人工監(jiān)測(cè)手段工作周期較長(zhǎng)，數(shù)據(jù)采集及處理分析工作工程量大，人工成本高，且容易出現(xiàn)信息反饋不及時(shí)影響災(zāi)害處置效率。采用自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可有效解決上述問(wèn)題。本文采用沉降自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)光澤縣高邊坡沉降位移進(jìn)行監(jiān)測(cè)，通過(guò)人工監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與自動(dòng)采集數(shù)據(jù)比較，來(lái)研究該系統(tǒng)在高邊坡監(jiān)測(cè)過(guò)程中的精度。

1? 工程及地質(zhì)概況

本次監(jiān)測(cè)邊坡位于光澤縣二級(jí)公路段，設(shè)計(jì)樁號(hào)為K4+760～K4+840，邊坡長(zhǎng)度為120m，高度為62.5m，為6級(jí)巖質(zhì)邊坡，見圖1。

場(chǎng)址區(qū)為剝蝕-侵蝕丘陵坡麓地貌，山坡自然坡度為25～45°，半坡到坡腳見大面積碎塊狀強(qiáng)-中風(fēng)化花崗巖裸露，植被較發(fā)育，地質(zhì)構(gòu)造條件較為簡(jiǎn)單，未見斷裂發(fā)育，也未見有滑坡、崩塌等不良地質(zhì)作用。

據(jù)工程地質(zhì)調(diào)查及鉆探成果，場(chǎng)址區(qū)上覆坡積含碎石粉質(zhì)黏土（Qdl），下伏基巖為燕山期（γ52 （2））花崗巖。

2? 監(jiān)測(cè)方案

2.1 監(jiān)測(cè)儀器及方法

本次邊坡安全監(jiān)測(cè)方案采用自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。在監(jiān)測(cè)區(qū)域沿等近似等高線布設(shè)監(jiān)測(cè)設(shè)備來(lái)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)邊坡的淺表沉降量，每個(gè)邊坡布設(shè)若干條近似等高測(cè)線。以此來(lái)驗(yàn)證該監(jiān)測(cè)部位的穩(wěn)定狀況。邊坡自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)自下而上分為數(shù)據(jù)采集層（測(cè)點(diǎn)）、數(shù)據(jù)傳輸層（遠(yuǎn)程傳輸數(shù)據(jù)）和數(shù)據(jù)管理層（數(shù)據(jù)處理及分析）。系統(tǒng)的組成圖見圖2。

2.1.1 數(shù)據(jù)采集層

數(shù)據(jù)采集層主要由現(xiàn)場(chǎng)測(cè)點(diǎn)及輔助的連接裝置組成。沉降測(cè)點(diǎn)采用壓差式的原理，利用重力作用下靜止平衡流體系統(tǒng)中任意兩點(diǎn)相對(duì)高程變化將引起兩點(diǎn)間流體壓強(qiáng)差值變化來(lái)建立流體應(yīng)力（靜壓強(qiáng)）與沉降量值的對(duì)應(yīng)函數(shù)關(guān)系，達(dá)到沉降測(cè)試的目的[2]。如圖3所示沉降一條測(cè)線中僅存在儲(chǔ)水罐一處自由液面，基準(zhǔn)點(diǎn)與待測(cè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)均通過(guò)專用水管連接到儲(chǔ)罐，當(dāng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)產(chǎn)生沉降，液面高度發(fā)生變化時(shí)，對(duì)應(yīng)沉降罐內(nèi)置的高精度壓力傳感器便能感知到液體靜壓力的變化[3]。根據(jù)下式：

由于同時(shí)采集器定時(shí)讀取每個(gè)測(cè)點(diǎn)及基準(zhǔn)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，從而自動(dòng)計(jì)算每個(gè)測(cè)點(diǎn)相對(duì)基準(zhǔn)點(diǎn)的高程變化。

通過(guò)溫度補(bǔ)償及特殊的濾波算法，該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)極高的長(zhǎng)期精度，特別適用于需要長(zhǎng)期有效監(jiān)測(cè)微小沉降的應(yīng)用場(chǎng)合。

該儀器采用全密封設(shè)計(jì)，可埋設(shè)于地底，測(cè)點(diǎn)易于安裝防護(hù)，全測(cè)量系統(tǒng)僅存在儲(chǔ)水罐一處自由液面，最小化液體蒸發(fā)腐化等問(wèn)題，儀器為全數(shù)字量輸出，實(shí)現(xiàn)免維護(hù)的有效長(zhǎng)期自動(dòng)化監(jiān)測(cè)。

2.1.2 數(shù)據(jù)傳輸層

數(shù)據(jù)傳輸層由現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集遠(yuǎn)傳箱與傳輸導(dǎo)線組成，數(shù)據(jù)采集箱與監(jiān)測(cè)點(diǎn)間采用有線連接，采用485通訊方式，現(xiàn)場(chǎng)采集的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)本地保存，并可以將現(xiàn)場(chǎng)采集的數(shù)據(jù)以無(wú)線網(wǎng)絡(luò)（3/4G）實(shí)時(shí)傳輸?shù)竭h(yuǎn)程數(shù)據(jù)管理平臺(tái)進(jìn)行處理分析。每個(gè)邊坡獨(dú)立布設(shè)一套TH-DCB型數(shù)據(jù)采集遠(yuǎn)傳箱?？紤]現(xiàn)場(chǎng)供電穩(wěn)定性的要求，每個(gè)邊坡均配置備用電池及一套太陽(yáng)能供電系統(tǒng)。同時(shí)考慮到現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)部位為野外，每個(gè)數(shù)據(jù)采集遠(yuǎn)傳箱均布設(shè)防雷裝置。

2.1.3 數(shù)據(jù)管理層

數(shù)據(jù)管理層使用一套定制開發(fā)的“高邊坡自動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)管理平臺(tái)”，平臺(tái)布設(shè)于遠(yuǎn)程服務(wù)器上。通過(guò)平臺(tái)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一管理。平臺(tái)將設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)、施工現(xiàn)場(chǎng)狀況、監(jiān)測(cè)設(shè)備分布情況、測(cè)量數(shù)據(jù)、試驗(yàn)數(shù)據(jù)等進(jìn)行統(tǒng)一管理，實(shí)時(shí)自動(dòng)更新和統(tǒng)計(jì)并展現(xiàn)到管理人員眼前。既能為日常行業(yè)管理、安全事故的防治、預(yù)測(cè)、預(yù)報(bào)提供幫助，又能為行業(yè)的產(chǎn)業(yè)化升級(jí)提供安全保障方面的信息化支持。

2.2 測(cè)點(diǎn)布設(shè)

邊坡監(jiān)測(cè)以儀器量測(cè)為主，并輔以人工巡查和宏觀調(diào)查。監(jiān)測(cè)點(diǎn)應(yīng)布設(shè)在坡體產(chǎn)生沉降易導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)的部位及容易受開挖影響部位進(jìn)行布點(diǎn)[4]，同時(shí)應(yīng)兼顧邊坡地質(zhì)條件及潛在破壞模式。監(jiān)測(cè)點(diǎn)應(yīng)成網(wǎng)格狀，分成若干測(cè)線進(jìn)行布設(shè)，測(cè)線沿等高線布設(shè)，每條測(cè)線高差約10m，測(cè)線可布設(shè)于每級(jí)邊坡的臺(tái)階上。考慮到坡頂沉降監(jiān)測(cè)為邊坡監(jiān)測(cè)的重要指標(biāo)，如坡頂最高處與臺(tái)階高差大于5m但不足10m的，增設(shè)一條測(cè)線。

每條測(cè)線各布設(shè)一個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)，每個(gè)監(jiān)測(cè)邊坡設(shè)置采集遠(yuǎn)傳系統(tǒng)一套，測(cè)點(diǎn)按照約15～25m的水平間距布設(shè)于等高的測(cè)線上，基準(zhǔn)點(diǎn)及遠(yuǎn)傳系統(tǒng)布設(shè)于邊坡側(cè)面穩(wěn)定的基巖上，采用一套遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)軟件管理平臺(tái)。系統(tǒng)供電使用太陽(yáng)能供電系統(tǒng)進(jìn)行供電。本次共布設(shè)5條測(cè)線，每條測(cè)線布設(shè)1個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)，共計(jì)5個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)數(shù)為17個(gè)，見圖4。

3? 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比分析

為了驗(yàn)證沉降自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)與人工監(jiān)測(cè)的差別，在自動(dòng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)D01、D05、D13同一位置布置人工監(jiān)測(cè)點(diǎn)，人工監(jiān)測(cè)點(diǎn)采用全站儀進(jìn)行監(jiān)測(cè)。選取2019年12月5日0點(diǎn)時(shí)刻數(shù)據(jù)作為自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)初始數(shù)據(jù)，采集頻率采用系統(tǒng)默認(rèn)1小時(shí)/次，同時(shí)人工采集頻率定為1天/次。通過(guò)對(duì)比分析D01、D05、D13監(jiān)測(cè)點(diǎn)位2019年12月5日至2019年12月25日豎向位移，可以發(fā)現(xiàn)：①自動(dòng)監(jiān)測(cè)與人工監(jiān)測(cè)豎向累積位移-時(shí)間曲線圖大致相似，可以得出該自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能較好反應(yīng)邊坡實(shí)際沉降;②本次人工監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)要略小于自動(dòng)化監(jiān)測(cè)采集數(shù)據(jù)，這可能是人工監(jiān)測(cè)過(guò)程單次監(jiān)測(cè)誤差疊加所產(chǎn)生的。（圖5～圖7）

4? 結(jié)語(yǔ)

①對(duì)比分析自動(dòng)監(jiān)測(cè)與人工監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，說(shuō)明該沉降自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能較好反應(yīng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位實(shí)際沉降變形，可廣泛應(yīng)用于監(jiān)測(cè)周期較長(zhǎng)、頻率較高，數(shù)據(jù)采集及處理分析工作工程量大的工程，降低人工成本。

②該自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可完成數(shù)據(jù)自動(dòng)采集并遠(yuǎn)傳，配合遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)管理平臺(tái)，工程技術(shù)人員可于辦公室內(nèi)實(shí)時(shí)了解被測(cè)邊坡的安全穩(wěn)定狀況，通過(guò)內(nèi)設(shè)單日變化量或累計(jì)變化量警戒值，可快速預(yù)警邊坡可能出現(xiàn)的災(zāi)害，提前做好應(yīng)對(duì)措施，提高災(zāi)害處置效率，對(duì)于偏于地區(qū)及高危邊坡具有遠(yuǎn)大的應(yīng)用前景。

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