基于GPRS無線傳輸?shù)墓坊伦冃芜h(yuǎn)程自動化監(jiān)測

楊 淼

（福建一建集團(tuán)有限公司 福建 三明 365000）

福建省位于中國東南部，區(qū)域內(nèi)山體分布較多，公路、鐵路、房地產(chǎn)開發(fā)等工程活動不可避免要開挖山體，形成較多的滑坡等地質(zhì)災(zāi)害危險點(diǎn)，這些滑坡的監(jiān)測和預(yù)報預(yù)警一直是防治的重點(diǎn)和難點(diǎn)，控制不好，極易造成重大損失。[1](P547-557)、[2](P63-66+111)何滿潮[3]（P1081-1090）根據(jù)滑 坡力學(xué)原理和物理模型試驗(yàn)結(jié)果，開發(fā)了滑坡災(zāi)害實(shí)時遠(yuǎn)程監(jiān)測預(yù)報系統(tǒng)，涉及四類預(yù)報模型；為提高西安市驪山滑坡的監(jiān)測精度和時效性，黃鑫等[4](P92-96)設(shè)計(jì)了滑坡實(shí)時自動監(jiān)測系統(tǒng)，監(jiān)測內(nèi)容包括降雨、孔隙水壓力、土壤濕度、地表位移、深部位移和視頻監(jiān)控；基于光纖傳輸和GFRP技術(shù)，郜澤鄭等[5](P17-22)設(shè)計(jì)了江蘇鎮(zhèn)江典型滑坡累積位移、變形速率和加速度監(jiān)測系統(tǒng)；劉彥杰等[6](P52-53+97)建立了一個使用GPS的自動監(jiān)測系統(tǒng)，其特點(diǎn)是具有多天線的單儀器；Zhou等[7](P184-191)通過自動傳感器和北斗一號通信衛(wèi)星開發(fā)了GPS輔助滑坡自動監(jiān)測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和發(fā)送。Frigerio等[8](P96-105)設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一個基于web的平臺，用于意大利東部阿爾卑斯山Rotolon滑坡的自動和連續(xù)監(jiān)測。Liu等[9](P876-881)提出了一種通過GPRS遠(yuǎn)程通信采用無線網(wǎng)絡(luò)的滑坡自動監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)，可廣泛應(yīng)用于泥石流、滑坡、崩塌、礦山尾礦等的監(jiān)測。

以上研究成果，說明了基于GPRS無線傳輸技術(shù)進(jìn)行滑坡等地質(zhì)災(zāi)害遠(yuǎn)程自動化監(jiān)測的可行性，但以往的研究有的基于理論假定，導(dǎo)致滑坡實(shí)際滑動面與預(yù)測位置不一致；有的缺少人工監(jiān)測數(shù)據(jù)的對比分析驗(yàn)證，遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)的精度和有效性有待于進(jìn)一步驗(yàn)證；有的精度需要進(jìn)一步提高；有的工程造價太高，不適用于推廣應(yīng)用。因此，本文基于GPRS無線傳輸技術(shù)，開發(fā)滑坡遠(yuǎn)程自動化監(jiān)測系統(tǒng)，將其應(yīng)用于公路邊坡監(jiān)測，并與人工監(jiān)測數(shù)據(jù)對比分析其精度和有效性，為該系統(tǒng)的推廣應(yīng)用提供參考。

一、工程概況

國道 534線 K318+550～K318+756段右側(cè)滑坡位于三明市大田縣廣平鎮(zhèn)。該邊坡原設(shè)計(jì)共3級，最高約25m。原設(shè)計(jì)為第一階邊坡為漿砌片石護(hù)面墻護(hù)坡，采用漿砌片石仰斜式擋墻支擋（現(xiàn)樁號范圍約K318+705～K318+720段），一階平臺設(shè)預(yù)應(yīng)力錨索抗滑樁支擋；第二階滿布預(yù)應(yīng)力錨索框架，框架內(nèi)液壓客土噴播植草灌防護(hù)；第三階采用拱形骨架植草灌防護(hù)。見圖1。2019年第二季度，由于強(qiáng)降雨作用，坡體內(nèi)富水，排水不暢，坡內(nèi)巖土體軟化，邊坡出現(xiàn)變形，一階漿砌片石擋墻及大里程側(cè)漿砌片石仰斜式擋墻出現(xiàn)裂縫、二階預(yù)應(yīng)力錨索框架出現(xiàn)錨頭損壞、梁體錯縫等病害，見圖2～4。

圖1 監(jiān)測區(qū)域

圖2 邊坡一階支護(hù)現(xiàn)狀

圖3 邊坡二階支護(hù)破壞

圖4 邊坡一階局部破壞，泄水孔出水

針對上述病害，采取應(yīng)急措施，于一階坡腳施打仰斜式排水平孔降低坡體內(nèi)水位，并提出進(jìn)行地質(zhì)補(bǔ)充勘察及深孔位移監(jiān)測，以輔助滑坡病害的處治工作。為確保國道534線K318+550～K318+756段右側(cè)邊坡的安全，并開展坡體深部位移動態(tài)監(jiān)測工作，于2019年6月開始開展監(jiān)測鉆孔和布設(shè)工作，于2019年7月開始對邊坡進(jìn)行人工監(jiān)測初讀數(shù)工作，其后開展相應(yīng)監(jiān)測工作。但因測斜儀損壞，原有數(shù)據(jù)丟失，于2019年10月23日使用新的測斜儀重新進(jìn)行初測，并開展后續(xù)監(jiān)測工作。因此，深部水平位移人工監(jiān)測數(shù)據(jù)只有2019年7月至2019年10月和2019年10月以后的，二者缺少連續(xù)性。

GPRS遠(yuǎn)程自動化監(jiān)測于2019年8月10日布設(shè)完畢，2019年8月16日開始自動化監(jiān)測，地表滑坡位移監(jiān)測的開始時間為2019年9月20日，設(shè)定巖土體深層水平位移(測斜)和滑坡監(jiān)測頻率均為每小時1次。

二、監(jiān)測方案

根據(jù)現(xiàn)場情況，布置3個監(jiān)測斷面共8個測斜孔，進(jìn)行人工監(jiān)測，主要監(jiān)測內(nèi)容包括深部位移監(jiān)測和地下水位監(jiān)測，配合人工地表變形巡查，人工監(jiān)測結(jié)果用于對比分析GPRS無線傳輸結(jié)果的可靠性。選取8個人工測斜孔中的3個，在附近1m位置處鉆孔，進(jìn)行基于GPRS的深部位移遠(yuǎn)程自動化監(jiān)測，同時在護(hù)坡上設(shè)置兩個斷面，進(jìn)行地表變形的遠(yuǎn)程自動化監(jiān)測。

（一）人工監(jiān)測點(diǎn)的布置

國道 534線 K318+550～K318+756段右側(cè)邊坡布置3個監(jiān)測斷面，共完成監(jiān)測鉆孔8個，各個測斜孔位置見圖5。

圖5 人工監(jiān)測點(diǎn)布置圖

ZK3孔深25.0m，位于K318+710斷面漿砌片石擋墻后部的坡面上；ZK5孔深31.0m，位于K318+640斷面國道外側(cè)的綠化帶內(nèi)；ZK6孔深26.0m，位于K318+640斷面二階平臺的內(nèi)側(cè)；ZK7孔深25.0m，位于K318+640斷面，距離邊坡既有開口線外側(cè)約68m；ZK9孔深25.0m，位于K318+640斷面，設(shè)置于滑坡場區(qū)上部墓園的最外側(cè)；ZK10孔深38.5m，位于K318+590斷面二階平臺內(nèi)側(cè)；ZK11孔深25.0m，位于K318+590斷面距離邊坡開口線約 60m；ZK12孔深26.5m，位于K318+590斷面距離邊坡開口線約120m。

上述測斜孔，ZK3、ZK7、ZK12位于3-3'斷面，ZK5、ZK6、ZK7、ZK9位于2-2'斷面，ZK10、ZK11、ZK12位于5-5'斷面。

（二）遠(yuǎn)程自動化監(jiān)測布置方案

GPRS遠(yuǎn)程自動化監(jiān)測系統(tǒng)主要由前端傳感器、無線采集設(shè)備、GPRS通信網(wǎng)絡(luò)、億拓云端和監(jiān)控中心等四部分組成，見圖6。深孔位移監(jiān)測由孔內(nèi)固定電子測斜儀自動測量，根據(jù)監(jiān)測精度要求，可按不同間隔距離設(shè)置，固定電子測斜儀間距小時，測量精度高，反之亦然；裂縫儀監(jiān)測地表裂縫。各監(jiān)測計(jì)通過專用電纜接到自動化數(shù)據(jù)采集儀上，自動化數(shù)據(jù)采集儀采用太陽能面板供電，保障數(shù)據(jù)采集連續(xù)可靠。采集的數(shù)據(jù)通過中國移動GPRS基站傳輸?shù)骄W(wǎng)絡(luò)，通過網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)服務(wù)器收集相關(guān)數(shù)據(jù)，并傳送到億拓云平臺，平臺對收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，用戶通過億拓云平臺可查詢到相應(yīng)的自動化監(jiān)測結(jié)果，針對用戶的功能包括數(shù)據(jù)庫、歷史記錄、查找、導(dǎo)出、設(shè)置、地圖展現(xiàn)、曲線圖表、三維展現(xiàn)、項(xiàng)目管理、預(yù)警預(yù)報等功能。需要特別說明的是，根據(jù)工程需要，GPRS遠(yuǎn)程自動化監(jiān)測系統(tǒng)還可以拓展雨量計(jì)、孔隙水壓計(jì)、土壤溫濕度計(jì)、土壓力盒等。

圖6 GPRS無線傳輸滑坡遠(yuǎn)程自動化監(jiān)測原理

該邊坡遠(yuǎn)程自動化監(jiān)測布置方案如圖7所示，ZK3、ZK6、ZK7為測斜孔，是圖5中人工測斜孔的并行孔。ZK3、ZK6和ZK7分別安裝4只導(dǎo)輪式測斜儀，ZK3和ZK6的測斜儀位置從上而下安裝深度為7.0、12.0、17.0、23.0m位置；ZK7因測斜孔鉆孔時間近兩個月，測斜管已變形，測斜儀安裝深度為 6.0、11.0、16.0、22.0m 位置。H1、H2、H3、H4 為滑坡位移計(jì)，H1、H2 為一組監(jiān)測直線，H3、H4為二組監(jiān)測直線。

圖7 GPRS無線傳輸滑坡遠(yuǎn)程自動化監(jiān)測布置方案

三、監(jiān)測結(jié)果分析

本階段深部水平位移的監(jiān)測時間為2019年8月15日至2019年12月31日，地表滑坡位移的監(jiān)測時間為2019年9月20日至2019年12月31日，監(jiān)測結(jié)果如下。

（一）深層水平位移監(jiān)測

不同測點(diǎn)各深度處的GPRS遠(yuǎn)程自動化監(jiān)測結(jié)果如表1所示。由表1可知，各測點(diǎn)監(jiān)測累計(jì)水平最大位移均緩慢增長，說明該滑坡處于緩慢發(fā)展階段，但各測點(diǎn)的累計(jì)最大水平位移值有較大差異，ZK6各點(diǎn)累計(jì)水平位移最小，ZK3測點(diǎn)的深部累計(jì)水平位移最大，ZK7測點(diǎn)的淺部累計(jì)水平位移最大，說明該滑坡各處水平位移發(fā)展速率不同，需要進(jìn)一步監(jiān)測和分析。

表1 不同測點(diǎn)各深度處的累計(jì)最大水平位移

ZK3測斜孔遠(yuǎn)程自動化監(jiān)測的深層水平位移曲線如圖8所示，2019年7月23日至8月8日期間和2019年10月23日（以該日測量值為初始值0）到11月13日期間的人工測量結(jié)果如圖9～10所示。由圖8～9可知，2019年10月23日之前，ZK3測點(diǎn)各深度處的水平位移緩慢發(fā)展，10月23日各深度水平位移突然增大，經(jīng)核對現(xiàn)場鉆孔取芯試樣，發(fā)現(xiàn)該位置在-20.0m處為風(fēng)化巖層和微風(fēng)化巖層交接面，受前期水平變形勢能累積影響，10月23日該處發(fā)生交界面巖層斷裂，導(dǎo)致水平變形突然增大。其后，水平變形仍緩慢增長。

圖8 ZK3測斜孔累計(jì)水平位移曲線

圖9 7月23日到8月8日ZK3測孔累計(jì)水平位移曲線

圖10 10月23日到11月13日ZK3測孔累計(jì)水平位移曲線

為進(jìn)一步驗(yàn)證GPRS遠(yuǎn)程自動化監(jiān)測結(jié)果的可靠性，調(diào)取ZK3測斜孔10月27到11月6日之間的累計(jì)水平變形曲線進(jìn)行分析，如圖11所示，由圖11可知，該期間從-7.0～-17.0m位置，有-1～-1.5mm大小的累計(jì)水平位移值，與圖10人工監(jiān)測結(jié)果具有較好的一致性。

圖11 ZK3測斜孔10月27日和11月6日累計(jì)水平位移曲線

ZK6測斜孔GPRS遠(yuǎn)程自動化監(jiān)測的深層水平位移曲線如圖12所示，2019年7月3日至7月23日期間和2019年10月23日 （以該日測量值為初始值0）到11月13日期間的人工測量結(jié)果如圖13～14所示。由圖12～圖14可知，7月3日～7月23日期間，ZK6測點(diǎn)-13.0 m以上各點(diǎn)發(fā)生了較大累計(jì)水平位移，最大值為12.3～17.4mm；8月 16日 GPRS自動化監(jiān)測以來，各深度處的水平位移無明顯變化，說明該處比較穩(wěn)定。為進(jìn)一步驗(yàn)證GPRS遠(yuǎn)程自動化監(jiān)測結(jié)果的可靠性，調(diào)取ZK6測斜孔10月27日到11月6日之間的累計(jì)水平變形曲線進(jìn)行分析，如圖15所示。可知，該期間從-7.0～-17.0m位置，有-0.2～-0.3mm大小的累計(jì)水平位移值，幾乎可以忽略不計(jì)，這與圖14的人工監(jiān)測結(jié)果具有較好的一致性。

圖12 ZK6測斜孔GPRS遠(yuǎn)程自動化監(jiān)測的深層水平位移曲線

圖13 7月3日到7月23日ZK6測孔累計(jì)水平位移曲線

圖14 10月23日到11月13日ZK6測孔累計(jì)水平位移曲線

圖15 ZK6測斜孔10月27日和11月6日累計(jì)水平位移曲線

ZK7測斜孔GPRS遠(yuǎn)程自動化監(jiān)測的深層水平位移曲線如圖16所示，2019年7月3日至7月23日期間和2019年10月23日 （以該日測量值為初始值0）到11月13日期間的人工測量結(jié)果如圖17～18所示。由圖16～18可知，7月3日至23日期間，ZK7測點(diǎn)-20m以上各點(diǎn)發(fā)生了較大的累計(jì)水平位移，最大值為8.1～11.3mm；自8月16日GPRS自動化監(jiān)測以來，-16m以上各點(diǎn)的累計(jì)水平位移持續(xù)增加，特別是-11～-6m的淺層部位，8月16日以來的累計(jì)水平位移最大值分別達(dá)到79.65～115.42mm，考慮到前期監(jiān)測到的累計(jì)水平位移，保守估計(jì)該位置的累計(jì)水平位移也將超過 90～125mm，需要對該處進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)測觀察，并結(jié)合人工現(xiàn)場實(shí)時監(jiān)測數(shù)據(jù)及時分析預(yù)測發(fā)生滑坡的可能性，避免造成嚴(yán)重后果。

圖16 ZK7測斜孔GPRS遠(yuǎn)程自動化監(jiān)測的深層水平位移曲線

圖17 7月3日到7月23日ZK7測孔累計(jì)水平位移曲線

圖18 10月23日到11月13日ZK7測孔累計(jì)水平位移曲線

為進(jìn)一步驗(yàn)證GPRS遠(yuǎn)程自動化監(jiān)測結(jié)果的可靠性，調(diào)取ZK7測斜孔10月27日到11月6日之間的累計(jì)水平變形曲線，如圖19所示?？芍?，該期間從-6～-16m 位置，有-3.6～-4.7mm大小的累計(jì)水平位移值，這與圖18人工監(jiān)測結(jié)果僅在-5m以上位置發(fā)生-1.2～-8.1mm的累計(jì)水平位移值有較大差異，進(jìn)一步說明了需要對該位置加強(qiáng)監(jiān)測和分析。

圖19 ZK7測斜孔10月27日和11月6日累計(jì)水平位移曲線

（二）地表滑坡位移監(jiān)測

地表滑坡位移監(jiān)測點(diǎn) H1、H2、H3和 H4的監(jiān)測結(jié)果如表2和圖20～23所示。由表2和圖20～23可知，各地表位移監(jiān)測點(diǎn)處的溫度偏差 （即因溫度變化引起的水平位移變化量）均為2mm，最大累計(jì)水平位移量為2～3mm，地表位移變化很小，后期需持續(xù)進(jìn)行觀測分析。

圖20 H1測點(diǎn)處溫度偏差和最大累計(jì)水平位移量

表2 遠(yuǎn)程自動化監(jiān)測結(jié)果

圖21 H2測點(diǎn)處溫度偏差和最大累計(jì)水平位移量

圖22 H3測點(diǎn)處溫度偏差和最大累計(jì)水平位移量

圖23 H4測點(diǎn)處溫度偏差和最大累計(jì)水平位移量

（三）滑坡原因分析

從內(nèi)因和外因兩方面分析該滑坡活動的影響因素。內(nèi)因方面：（1）地質(zhì)因素，該滑坡體表面到-25～-20m深度范圍為強(qiáng)風(fēng)化巖土層，其下為中風(fēng)化～微風(fēng)化巖石層，存在分界面，上部強(qiáng)風(fēng)化巖土層易被地表水滲透，從而導(dǎo)致自重增加，且粘聚力和內(nèi)摩擦角減小[10-12]，使得滑坡體沿巖土分界面發(fā)生相對移動；（2）邊坡形態(tài)，易靖松等[13]（P275-280）研究結(jié)果顯示，對滑坡貢獻(xiàn)率較高的影響因素有斜坡坡度約10°～20°，順向坡斜坡結(jié)構(gòu)、砂質(zhì)硬巖夾軟巖的巖體結(jié)構(gòu)、匯流面積，水流沖蝕等。從圖1可以看出，該邊坡下部因修建公路，曾進(jìn)行削坡和支護(hù)處理，因此下部較為陡峭，上部因修建墳場而坡度較為平緩且地表裸露，更有利于地表水入滲而造成滑坡風(fēng)險增加；（3）支護(hù)結(jié)構(gòu)老化，從圖2和圖3可以看出，邊坡下部支護(hù)結(jié)構(gòu)因齡期出現(xiàn)老化，滑坡活動導(dǎo)致局部漿砌片石脫落，護(hù)坡表面出現(xiàn)裂縫，冠梁斷裂，錨桿脫落失效，這些情況進(jìn)一步加劇了滑坡發(fā)生的可能性。

外因方面：（1）短時集中強(qiáng)降雨，該滑坡位于福建省三明市，此區(qū)域5～6月為主雨季，8～9月受臺風(fēng)影響，均易出現(xiàn)短時集中強(qiáng)降雨情況，誘發(fā)邊坡發(fā)生滑動，研究表明，在降雨強(qiáng)度相等的情況下，單峰降雨的水文響應(yīng)速度和穩(wěn)定性破壞速率大于均勻降雨。[14]（P297-304）單峰降雨能在短時間內(nèi)使邊坡失穩(wěn)，導(dǎo)致暴雨與滑坡同步。邊坡就是在5～6月份主雨季期間發(fā)生較大變形而引起重視，才進(jìn)行后續(xù)監(jiān)測的；（2）公路重車振動，Cui等[15,16]的研究表明，振動是誘發(fā)滑坡發(fā)生的重要因素之一。國道534線K318+550～K318+756段右側(cè)滑坡位于三明市區(qū)和大田縣之間，大田縣出產(chǎn)的煤等燃料需通過此條公路運(yùn)輸?shù)饺鞲鞯?，這些運(yùn)輸車輛動輒重達(dá)30至50噸，通過滑坡下方的公路時，不可避免地會產(chǎn)生振動，加劇滑坡活動風(fēng)險；（3）墳?zāi)箙^(qū)，上部因修建墳場而進(jìn)行平整，原有植被遭到破壞，使得持續(xù)降雨時，雨水更容易滲透到坡體上部巖土體中，增加滑坡風(fēng)險。

四、結(jié)論

為探求一種基于GPRS無線傳輸?shù)墓坊逻h(yuǎn)程自動監(jiān)測方法，本文選取福建省三明市境內(nèi)的國道534線K318+550～K318+756段右側(cè)滑坡進(jìn)行了研究，探討了GPRS無線傳輸技術(shù)用于滑坡遠(yuǎn)程自動化監(jiān)測的可行性，并進(jìn)行了該滑坡的深孔位移和地表變形的遠(yuǎn)程自動化監(jiān)測，將其結(jié)果和相應(yīng)位置的人工深孔位移監(jiān)測結(jié)果對比，從內(nèi)因和外因兩方面分析該滑坡活動產(chǎn)生的原因。通過以上研究，可得出如下結(jié)論：

（1）該滑坡處于發(fā)展階段，但各測點(diǎn)變形有較大差異，ZK6測點(diǎn)的累計(jì)水平位移值最小，ZK3測點(diǎn)的深部累計(jì)水平位移最大值達(dá)36.41mm，ZK7測點(diǎn)的淺部累計(jì)水平位移最大值115.42mm，需進(jìn)一步進(jìn)行監(jiān)測分析；

（2）人工監(jiān)測和GPRS自動化監(jiān)測結(jié)果整體上較為一致，均具有可靠性，但后者受測試儀器損壞等因素的干擾小，且有更好的快速性、連續(xù)性和精準(zhǔn)度，更有利于滑坡災(zāi)害的及時預(yù)報預(yù)警；

（3）滑坡活動的內(nèi)因主要包括地質(zhì)因素、邊坡形態(tài)和支護(hù)結(jié)構(gòu)老化，外因主要包括短時集中強(qiáng)降雨、公路重車振動和上部坡體修建墳?zāi)箙^(qū)導(dǎo)致的植被破壞和場地平整等。