基于物聯(lián)網(wǎng)的自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在公路邊坡監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

李明智，黃澤斌，劉先林

(廣西交通設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，廣西 南寧 530029)

0 引言

公路邊坡開挖打破了原自然斜坡巖土體的平衡狀態(tài)，在降雨、開挖震動(dòng)等外界因素的干擾下，易誘發(fā)滑坡、崩塌等地質(zhì)災(zāi)害，造成人員與財(cái)產(chǎn)損失。公路邊坡地質(zhì)災(zāi)害具有隱蔽性強(qiáng)、突發(fā)性強(qiáng)、造成損失巨大等特點(diǎn)，而目前對(duì)于公路地質(zhì)災(zāi)害主要采用的是定期巡查的方式，該方式存在數(shù)據(jù)收集不及時(shí)、信息覆蓋面不足等缺點(diǎn)，對(duì)于較遠(yuǎn)距離的、隱蔽性較強(qiáng)的以及早期病害尚不能監(jiān)測(cè)到位。邊坡的變形失穩(wěn)破壞，往往需要經(jīng)歷蠕變、勻速運(yùn)動(dòng)、加速運(yùn)動(dòng)至破壞的發(fā)展過程[1]。在這個(gè)過程中，邊坡不僅會(huì)產(chǎn)生位移變形，其支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力、地下水位均會(huì)有所變化。通過對(duì)邊坡位移變形、應(yīng)力、水位等要素進(jìn)行監(jiān)測(cè)，即可掌握邊坡的失穩(wěn)演化過程，捕捉地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的前兆信息，做到提前預(yù)防，科學(xué)決策。

近年來，隨著通訊、計(jì)算機(jī)、電子等技術(shù)的發(fā)展，公路監(jiān)測(cè)已發(fā)展為評(píng)價(jià)公路路基穩(wěn)定性、實(shí)施災(zāi)害預(yù)警的保障手段?；谖锫?lián)網(wǎng)的自動(dòng)化監(jiān)測(cè)技術(shù)逐步應(yīng)用在邊坡地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)中[2-5]，通過在現(xiàn)場(chǎng)埋設(shè)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)。相較于人工監(jiān)測(cè)，自動(dòng)化監(jiān)測(cè)具有監(jiān)測(cè)頻率高、監(jiān)測(cè)設(shè)備種類豐富、受人為因素干擾小等明顯優(yōu)勢(shì)。通過多類型傳感器的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)其進(jìn)行綜合分析，還可以進(jìn)一步研究邊坡變形失穩(wěn)的破壞機(jī)理與模式，為邊坡的處治設(shè)計(jì)提供科學(xué)的依據(jù)[6-7]。

本文以西部某高速公路邊坡為例，采用基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的自動(dòng)化監(jiān)測(cè)技術(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并針對(duì)項(xiàng)目特點(diǎn)采用多種監(jiān)測(cè)手段結(jié)合，獲取了邊坡深部位移、地表位移、降雨量、裂縫等監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。通過對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的綜合分析，對(duì)邊坡異常進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)預(yù)警，保障了高速公路的正常運(yùn)營(yíng)。查明了邊坡的變形范圍、變形深度、破壞原因，才能更好地為邊坡的后續(xù)治理提供科學(xué)的依據(jù)。

1 自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的搭建

自動(dòng)化監(jiān)測(cè)是將地表位移、深部位移、應(yīng)力應(yīng)變、視頻監(jiān)控等類型設(shè)備安裝在現(xiàn)場(chǎng)，通過4G/NB-IOT等無線數(shù)據(jù)方式，將現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備與公司服務(wù)器進(jìn)行連接，服務(wù)器自動(dòng)對(duì)設(shè)備數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、處理、成圖、預(yù)警并通過手機(jī)APP與網(wǎng)頁將數(shù)據(jù)推送給相關(guān)人員。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況，設(shè)計(jì)四層結(jié)構(gòu)的自動(dòng)化監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)，具體如下：

(1)現(xiàn)場(chǎng)傳感器系統(tǒng)：安裝在邊坡上，用于測(cè)量邊坡的各種物理量。本項(xiàng)目使用的傳感器主要有四類，具體如表1所示。

表1 監(jiān)測(cè)內(nèi)容與監(jiān)測(cè)方法表

(2)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)：現(xiàn)場(chǎng)傳感器通過有線連接的方式接入采集盒，采集盒將數(shù)據(jù)打包后采用無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞?，使用GPRS網(wǎng)絡(luò)(4G網(wǎng)絡(luò))將數(shù)據(jù)發(fā)送至服務(wù)器并接收服務(wù)器發(fā)送的指令。

(3)服務(wù)器系統(tǒng)：部署在服務(wù)器上的監(jiān)測(cè)預(yù)警云平臺(tái)，定時(shí)發(fā)送采集指令給現(xiàn)場(chǎng)傳感器，并接收現(xiàn)場(chǎng)傳感器數(shù)據(jù)，自動(dòng)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理、成圖、出報(bào)表與預(yù)警，并存儲(chǔ)至數(shù)據(jù)庫。系統(tǒng)整體構(gòu)架采用B/S構(gòu)架，使用C++、JAVA、JavaScript等編程語言，采用MVC三層架構(gòu)設(shè)計(jì)，同時(shí)基于微服務(wù)架構(gòu)，建立了GNSS解算模塊、數(shù)據(jù)解析模塊、預(yù)警模塊、人工數(shù)據(jù)管理模塊、地圖模塊等多個(gè)微服務(wù)模塊。

(4)客戶端系統(tǒng)：客戶端主要為面向用戶的窗口，包含手機(jī)端與網(wǎng)頁端，便于實(shí)時(shí)查看監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、監(jiān)測(cè)報(bào)告、預(yù)警信息等。

2 監(jiān)測(cè)成果分析

邊坡高度為8級(jí)，主要由三疊系下統(tǒng)地層組成，巖性為泥質(zhì)砂巖，逆向坡。邊坡一、二級(jí)坡面采用錨桿格梁防護(hù)，其余各級(jí)采用植被混凝土進(jìn)行防護(hù)和綠化。邊坡防護(hù)完成后，坡體局部出現(xiàn)裂縫、錯(cuò)臺(tái)。

該邊坡高度較大，一旦出現(xiàn)失穩(wěn)，將對(duì)公路施工安全以及順利通車造成極大的困難。為保障邊坡施工人員與財(cái)產(chǎn)的安全，同時(shí)查明監(jiān)測(cè)區(qū)域的位移變形范圍、深度與誘發(fā)原因，為邊坡的治理設(shè)計(jì)提供準(zhǔn)確的依據(jù)，特對(duì)本邊坡進(jìn)行監(jiān)測(cè)。針對(duì)邊坡的基本情況，項(xiàng)目采用了4種監(jiān)測(cè)方法，其中深部位移與GNSS地表位移用于監(jiān)測(cè)邊坡整體穩(wěn)定性，裂縫計(jì)用于發(fā)生垮塌位置的重點(diǎn)監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置如圖1所示。

圖1 監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置圖示意圖

各方法具體情況如下：

在邊坡主斷面布置了1個(gè)深部位移監(jiān)測(cè)斷面，監(jiān)測(cè)孔深均為30 m，每1 h 一條數(shù)據(jù)，獲得的深部位移監(jiān)測(cè)成果如圖2所示。由圖2可得：深部位移均未發(fā)現(xiàn)明顯異常，最大累計(jì)位移為ZK01號(hào)孔，位移量為-4.36 mm，位移速率為0.01 mm/d，位移量較小，未發(fā)現(xiàn)明顯的滑動(dòng)面痕跡，通過深部位移數(shù)據(jù)可知邊坡未發(fā)生深層滑動(dòng)。

(a)ZK01號(hào)監(jiān)測(cè)孔數(shù)據(jù)

在邊坡主斷面的兩側(cè)布置了2條GNSS地表位移監(jiān)測(cè)斷面，獲得的監(jiān)測(cè)成果如圖3所示。通過GNSS地表位移監(jiān)測(cè)可得：邊坡的次斷面未發(fā)現(xiàn)明顯位移跡象，平面位移與高程位移均在15 mm以內(nèi)，數(shù)據(jù)呈波動(dòng)型，未發(fā)現(xiàn)明顯異常；位移方位角散點(diǎn)圖呈現(xiàn)雜亂無章狀(見圖4)，無明顯朝某個(gè)方向位移趨勢(shì)。通過深部位移與GNSS地表位移監(jiān)測(cè)成果可得：邊坡未發(fā)生整體的位移變形。

圖3 GNSS地表位移監(jiān)測(cè)成果曲線圖

圖4 位移方位角散點(diǎn)圖

如圖5所示對(duì)6月16日至8月15日這兩個(gè)月的裂縫寬度變化與降雨量的關(guān)系進(jìn)行分析，可以看出：裂縫寬度在近兩個(gè)月變化了27 mm，且邊坡裂縫寬度呈現(xiàn)與日降雨量相對(duì)應(yīng)的階梯狀演化特征，即每次降雨過后，變形曲線出現(xiàn)一個(gè)明顯的變形增長(zhǎng)臺(tái)階，變形速率顯著增大，無降雨時(shí)，裂縫變形速率趨向于0，裂縫變形特征屬于典型的階躍型曲線。由此可見，裂縫的變化主要由于降雨引起，雨水下滲導(dǎo)致土體自重增加，同時(shí)軟化滑動(dòng)面。

圖5 裂縫累計(jì)位移與日降雨量關(guān)系曲線圖

通過深部位移、GNSS地表位移、裂縫位移與雨量計(jì)綜合監(jiān)測(cè)，得到的結(jié)論如下：

(1)深部位移與GNSS地表位移監(jiān)測(cè)站未發(fā)現(xiàn)明顯異常，這說明邊坡整體穩(wěn)定性較好，未發(fā)生整體位移。

(2)裂縫寬度變化與降雨量呈現(xiàn)明顯的相關(guān)性，裂縫是由于坡面未做防水措施，雨水下滲，導(dǎo)致土體自重增大而軟化滑面。

(3)綜上所述，目前邊坡僅為淺層局部變形，建議對(duì)坡面進(jìn)行封閉防水，同時(shí)對(duì)已有裂縫進(jìn)行封閉和修補(bǔ)，避免大量降水入滲坡體內(nèi)使裂縫增大而進(jìn)一步帶動(dòng)深層變形。

3 結(jié)語

本文以西部某高速公路邊坡為例，選擇典型邊坡建立了基于物聯(lián)網(wǎng)的自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)邊坡進(jìn)行了綜合監(jiān)測(cè)預(yù)警，得到以下結(jié)論：

(1)通過深部位移、地表GNSS位移、裂縫、降雨四個(gè)方法相結(jié)合，查明了邊坡的變形范圍、變形深度和破壞原因。

(2)針對(duì)監(jiān)測(cè)成果，提出了針對(duì)性的防護(hù)方案，在保障工程質(zhì)量的同時(shí)，節(jié)約了項(xiàng)目投資。