某邊坡工程在線監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用分析

王 波，鄧 亞，李秀春，張 果

（四川長瑞土木工程檢測有限公司，四川 成都 611130）

0 引言

高速公路路面寬、車道多和通行能力大，還能很大程度上帶動沿線的經(jīng)濟(jì)發(fā)展，是國家交通運輸重要組成部分。為了保證仁沐新高速公路建設(shè)期施工安全和運營期的通行安全，有必要對高速路上的地質(zhì)災(zāi)害體進(jìn)行監(jiān)測。通過對仁沐新 LJ23 標(biāo) LK40+980～LK41+117 段滑坡建立一個先進(jìn)實用的在線監(jiān)測系統(tǒng)，可極大地延拓災(zāi)害體的監(jiān)測內(nèi)容，并可連續(xù)地、在線地對災(zāi)害體狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測和評估。

1 工程概況

G4216 線仁壽經(jīng)沐川至屏山新市（含馬邊支線）段高速公路 LJ23 合同段 LK40+894～LK41+109.52 段路線主要以填、挖形式通過，該段地質(zhì)條件較復(fù)雜，簡述如下：LK40+860～LK40+980 段發(fā)育一基巖軟弱帶，軟弱帶內(nèi)裂隙發(fā)育，地下水較發(fā)育，巖質(zhì)極軟；LK40+925～LK40+975 段發(fā)育一淺表層滑坡，暴雨工況下處于欠穩(wěn)定～不穩(wěn)定狀態(tài)；LK40+980～LK41+117段滑坡，滑坡狀態(tài)呈不規(guī)則長舌狀，滑坡坡體上分布梯級梯田。經(jīng)驗算，滑坡天然及暴雨工況均處于整體穩(wěn)定狀態(tài)，但由于沿巖土界面的地下水活動，可能導(dǎo)致巖土界面與覆蓋層土體的力學(xué)性質(zhì)下降，使滑體沿巖土界面產(chǎn)生滑動。

2 監(jiān)測點及斷面布置

1）滑坡體降雨量（見圖 1 中雨量計）。測點布置在附近相對穩(wěn)定位置，可視現(xiàn)場情況而定，布置一個雨量計即可。

圖1 測點布置示意圖

2）滑坡體地下水位（見圖 1 中孔隙水壓力計）。測點一般布置在地質(zhì)條件差及鴻溝處、富水位置［1］，或布置在土體內(nèi)部位移測點處，也可布置在土體內(nèi)部位移測點底部。為使分析數(shù)據(jù)更加合理，從節(jié)約成本和集成方便等方面考慮，本工程地下水位測點共用測斜管。每條測線布置 1 個測點。

3）滑坡體表面位移（見圖 1 中 GPS 監(jiān)測站）。針對治理后的滑坡，選中間斷面布置 3 個測點，此外在穩(wěn)定位置布置 1 個基點。

4）滑坡體內(nèi)部位移（見圖 1 中固定式測斜儀）。測點鉆孔布置在地表位移測點處，利用百米鉆機進(jìn)行鉆孔，鉆孔深度自坡上至坡下分別為 10 m、8 m 和 6 m。每個測孔布置 3 個測點。

3 儀器設(shè)備及其工作原理

監(jiān)測所使用的主要儀器設(shè)備如表 1 所示。

表1 主要儀器設(shè)備及用途表

3.1 雨量計工作原理

降雨時承水器收集雨量至儲水缸，并通過容柵位移傳感器檢測水位，從而計算降雨量。

3.2 孔隙水壓計工作原理

孔隙水壓計主要是由一個線圈、承壓膜、鋼弦、夾弦器以及透水石組成，其中承壓膜與鋼弦相連，鋼弦上被預(yù)加一定張力固定于傳感器內(nèi)。根據(jù)經(jīng)典弦原理，鋼弦在弦長及受力一定情況下，其固有頻率是固定的。當(dāng)弦長一定時，鋼弦固有頻率的平方只同弦的張力成正比關(guān)系。外界水壓通過透水石作用于滲壓計承壓膜上，使其發(fā)生微小變形，從而導(dǎo)致與承壓膜相連接的鋼弦張力發(fā)生變化，其固有頻率亦隨之改變。鋼弦固有頻率的平方與膜片上水壓力成正比關(guān)系，通過測量鋼弦頻率的變化，即可得知被測滲水壓力大小，0.01 MPa 相當(dāng)于 1 m 高水柱壓強，故通過孔隙水壓計可知水位，水壓大小計算式表達(dá)如式（1）所示，且暫不考慮溫度補償。

式中：P 為孔隙水壓力，kPa；K 為標(biāo)定系數(shù)，kPa/Hz2；fo為固有頻率，Hz；ft為受力后的頻率，Hz。

3.3 GNSS 工作原理

通過對 GNSS 接收機控制下達(dá)命令，實現(xiàn)對某一時刻衛(wèi)星數(shù)據(jù)的接收，可進(jìn)行實時位移監(jiān)測，也可根據(jù)需求設(shè)置指定時間段進(jìn)行采集，一般設(shè)置為 30 min。GNSS 系統(tǒng)由空間部分、地面控制部分、用戶部分 3 部分組成。

系統(tǒng)空間部分主要為各軌道平面上的多顆衛(wèi)星，每顆衛(wèi)星都發(fā)出用于導(dǎo)航定位的信號［2］。

地面控制部分由若干個跟蹤站組成，通過各監(jiān)控站（見圖 2）對 GNSS 的觀測數(shù)據(jù)計算衛(wèi)星的星歷和衛(wèi)星鐘的改成參數(shù)等，并將這些數(shù)據(jù)通過注入站注入到衛(wèi)星中；同時對衛(wèi)星進(jìn)行控制，對衛(wèi)星發(fā)布指令。

（a）監(jiān)控站觀測墩 （b）監(jiān)控站信號發(fā)射裝置

用戶部控制部分由 GNSS 接收機、數(shù)據(jù)處理軟件及相應(yīng)的用戶設(shè)備組成，接收 GNSS 衛(wèi)星所發(fā)出的信號，并利用這些信號，通過解算等進(jìn)行導(dǎo)航定位等工作。

3.4 固定式測斜儀工作原理

通過測得每一個預(yù)埋傳感器位置處的水平位移量，求出位移曲線，便可知道每一位置處的水平位移量（見圖 3）。

圖3 土體內(nèi)部測斜原理

以 4 倍 H0深度為例，L5 為最底部測點，也是最底部導(dǎo)輪式固定測斜儀的頂端，距離孔底的高度為 H，測得的角度偏移量為 θ，則 L5=H×tanθ，L4 處角度偏移量為 β，則 L4=H0×tanβ+L5，采用此方法分別計算導(dǎo)輪固定測斜儀位置處的偏移量，擬合曲線，則可計算出任意深度導(dǎo)輪式固定測斜儀埋設(shè)位置處的坡體水平位移。當(dāng)以地表為起算點時，方法類似。

4 系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集、傳輸、處理

4.1 數(shù)據(jù)采集

現(xiàn)場主要為數(shù)字信號和模擬信號 2 種信號模式，通過相應(yīng)的傳感器進(jìn)行信號采集，具體傳感器數(shù)量如表 2 所示。

表2 傳感器數(shù)量

采樣間隔可根據(jù)需要，人工設(shè)置時間段。常規(guī)條件下每 30 min 采集一次。當(dāng)發(fā)生意外情況或者數(shù)據(jù)超過一定限值時，可適當(dāng)提高采集頻率，例如 10 min 采集一次或者 5 min 采集一次。

4.2 數(shù)據(jù)傳輸方式

現(xiàn)場所有無線傳感器設(shè)備采集的相關(guān)數(shù)據(jù)信號均可通過成熟的 GPRS/3G/4G 無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)進(jìn)行傳輸，再通過靈活地控制設(shè)備的采集制度，進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。直接通過無線傳輸模塊實現(xiàn)對現(xiàn)場設(shè)備數(shù)據(jù)的采集和控制，簡單方便。

系統(tǒng)主要采用無線電磁波數(shù)傳模塊進(jìn)行無線傳輸，該無線傳輸模塊是由無線數(shù)傳終端和無線數(shù)傳主機組成，依靠成熟的 GPRS/3G/4G 網(wǎng)絡(luò)，在網(wǎng)絡(luò)覆蓋內(nèi)區(qū)域內(nèi)可以快速組建數(shù)據(jù)通訊，實現(xiàn)實時遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸［3］。FS-DTU 系列通訊模塊支持 AT 指令集，采用通用標(biāo)準(zhǔn)串口對模塊進(jìn)行設(shè)置和調(diào)試，提供標(biāo)準(zhǔn)的 RS232/485 接口，其工作參數(shù)如表 3 所示。

4.3 數(shù)據(jù)處理

信號在采集前與采集后均可進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，數(shù)據(jù)處理有濾波、分析等以下功能。

1）信號實時顯示。

表3 無線參數(shù)模塊技術(shù)指標(biāo)

2）實時數(shù)據(jù)采集。隨機自動采樣、觸發(fā)采樣，多次觸發(fā)采樣，采樣時間和采樣數(shù)據(jù)長度自由設(shè)定，采樣時可以實時觀察波形的變化。

3）數(shù)字濾波。低通，高通，帶通，帶阻濾波。

4）幅域統(tǒng)計。信號幅域特征參數(shù)可用最大值、最小值、平均值、有效值、均方值、方差、標(biāo)準(zhǔn)差等值來描述。

5）時域、頻域分析。可對動態(tài)信號進(jìn)行時域、頻域范圍的不同類型分析，可進(jìn)行不同點數(shù)的 FFT 分析。

6）相關(guān)分析?？蓪Ω飨到y(tǒng)間信號的相關(guān)性進(jìn)行分析。

如圖 4 所示，系統(tǒng)由感知響應(yīng)層、傳輸層和數(shù)據(jù)運用層 3 部分組成，又可分為傳感器子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸子系統(tǒng)（見圖 5）、數(shù)據(jù)庫子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理與控制子系統(tǒng)、安全評價和預(yù)警子系統(tǒng)。通過各個層相互協(xié)調(diào)，實現(xiàn)系統(tǒng)的各種功能。

圖4 在線監(jiān)測系統(tǒng)拓?fù)鋱D

圖5 數(shù)據(jù)傳輸子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

5 監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

5.1 雨量監(jiān)測

2020年 4 月 6 日～6 月 29 日時間段中雨量監(jiān)測結(jié)果如圖 6 所示。4 月 6 日雨量監(jiān)測值為 51.5 mm；4 月 13 日雨量監(jiān)測值為 307.9 mm；5 月 4 日雨量監(jiān)測值為 130.6 mm；5 月 25 日雨量監(jiān)測值為 84.3 mm；6 月 8 日雨量監(jiān)測值為 85.0 mm；6 月 15 日雨量監(jiān)測值為 184.1 mm；6 月 29 日雨量監(jiān)測值為 323.7 mm。

圖6 雨量趨勢圖

5.2 地下水位監(jiān)測

4 月 6 日～6 月 29 日時間段中地下水位監(jiān)測結(jié)果如圖 7 所示。4 月 6 日～4 月 8 日監(jiān)測值在 3.898～3.959 m 之間；4 月 8 日～4 月 13 日監(jiān)測值由 3.908 m 增至 7.184 m；4 月 13 日～4 月 25 日監(jiān)測值在 7.184～6.745 m 之間；4 月25 日～5 月 2 日監(jiān)測值由 6.745 m 降至 3.776 m；5 月 2 日～6 月 2 日監(jiān)測值在 3.367～3.776 m之間；6 月 2 日～6 月8 日監(jiān)測值由 3.940 m 增至 5.531 m；6 月 8 日～6 月 29 日監(jiān)測值在 5.143～5.724 m 之間。

圖7 地下水位趨勢圖

5.3 表面位移監(jiān)測（測點 01）

4 月 6 日～6 月 29 日時間段中表面位移監(jiān)測結(jié)果如圖 8 所示。4 月 6 日～6 月 29 日監(jiān)測點 01-X 方向監(jiān)測值在 3.50 ～4.60 m m之間；4 月 6 日～6 月 29 日監(jiān)測點 01-Y 方向監(jiān)測值在 -0.10 ～1.00 mm 之間；4 月 1 日～6 月 30 日監(jiān)測點 01-Z 方向監(jiān) 測值在-3.90～-2.30 mm 之間。

5.4 內(nèi)部位移監(jiān)測（測點CX 2-1、CX 2-2、CX 2-3）

4 月 6 日～6 月 29 日時間段中內(nèi)部位移監(jiān)測結(jié)果如圖 9～12 所示：4 月 6 日～6 月 29 日時間段內(nèi)監(jiān)測點 CX2-1、CX2-2、CX2-3 各個方向檢測值變化均在 ±2.5 mm 內(nèi)并趨于穩(wěn)定。

圖8 測點 01 表面位移趨勢圖

圖9 測點 CX2 在 X 方向上的的位移趨勢圖

圖10 測點 CX2 在 X 方向上的累積位移

圖11 測點 CX2 在 Y 方向上的的位移趨勢圖

結(jié)合 4 月 6 日～6 月 29 日時間段內(nèi)的監(jiān)測數(shù)據(jù)可知：該邊坡表面位移和內(nèi)部位移變化量均較小，已趨于穩(wěn)定狀態(tài)。該邊坡暴雨后地下水位變化明顯，結(jié)合當(dāng)?shù)氐刭|(zhì)條件分析，易發(fā)生土體沉降。建議增加分層沉降監(jiān)測，以完善該在線監(jiān)測系統(tǒng)。

圖12 測點 CX2 在 Y 方向上的累積位移

6 結(jié)語

通過在線監(jiān)測系統(tǒng)對仁沐新高速公路 LJ23 標(biāo)LK40+894～LK41+109.52 滑坡及崩積體的雨量、地下水位、表面位移、內(nèi)部位移進(jìn)行實時監(jiān)測，對在線監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行如下分析總結(jié)，以期為今后的邊坡工程監(jiān)測提供一定的經(jīng)驗借鑒。

1）科學(xué)先進(jìn)性。該在線監(jiān)測系統(tǒng)綜合傳感技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、信號處理和分析技術(shù)、數(shù)學(xué)理論和結(jié)構(gòu)分析理論等多個學(xué)科領(lǐng)域。

2）時效性。可連續(xù)地、在線地對災(zāi)害體狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測和評估。

3）兼容性。能夠同時與交通工程、管理養(yǎng)護(hù)等系統(tǒng)對接，實現(xiàn)信息共享，從而使得公路管理和養(yǎng)護(hù)維修資源能夠得到合理的利用和配置，為降低滑坡維護(hù)成本提供科學(xué)技術(shù)依據(jù)，保證滑坡的檢查維修策略制訂具有針對性、及時性和高效性。

4）系統(tǒng)可操作性。該在線監(jiān)測系統(tǒng)易于管理、易于操作，對操作維護(hù)人員的技術(shù)水平及能力不應(yīng)要求過高，方便更新?lián)Q代。

5）使用經(jīng)濟(jì)性。與其他傳統(tǒng)人工監(jiān)測方法相比既大大節(jié)省了項目的成本和后期基礎(chǔ)設(shè)施維護(hù)所需要投入的人力及物力，又能最大限度發(fā)揮出實際監(jiān)測的效果。

6）由于傳感器埋設(shè)于結(jié)構(gòu)體中，損壞后維修、更換較為麻煩；極端天氣下（如雷暴天氣）數(shù)據(jù)傳輸較緩慢。Q