北斗高精度遠程自動化監(jiān)測預警系統(tǒng)的應用

■文/圖｜漢中市公路局 龔建利

近期，漢中市公路局在國道210線漢中西檀段高邊坡應急治理工程中應用了北斗高精度遠程自動化監(jiān)測預警系統(tǒng)，為高邊坡地質(zhì)災害治理監(jiān)測探索了新方法、新路徑。

北斗高精度遠程自動化監(jiān)測是一種全新的監(jiān)測方法，其最大優(yōu)點是測量絕對位移，量程沒有限制，監(jiān)測儀器性能穩(wěn)定，基本不需要維護，全天候運行，數(shù)據(jù)自動傳到電腦和手機，可實時掌握變形動態(tài)，與人工監(jiān)測相比具有明顯技術(shù)優(yōu)勢，被廣泛應用于公路工程安全監(jiān)測全過程中。國道210線陜西省漢中市西鄉(xiāng)檀木壩段（以下簡稱“西檀段”）高邊坡災毀應急治理工程前期、施工和后期中的監(jiān)測就應用了北斗高精度遠程自動化監(jiān)測預警系統(tǒng)。

表1 主要監(jiān)測儀器一覽

北斗高精度遠程自動化監(jiān)測預警系統(tǒng)

北斗高精度遠程自動化監(jiān)測預警系統(tǒng)采用高精度北斗RTK監(jiān)測、GNSS監(jiān)測站、拉線式位移計監(jiān)測、錨桿拉力計、自動雨量監(jiān)測、視頻監(jiān)控等技術(shù)，實現(xiàn)遠程自動化監(jiān)測。監(jiān)測數(shù)據(jù)通過GPRS傳輸?shù)奖O(jiān)測云平臺，可通過電腦、手機終端登錄查看監(jiān)測數(shù)據(jù)，獲得預警信息，實時掌握變形動態(tài)，并可自動以短信方式發(fā)送預警信息。

GNSS監(jiān)測站中的位移一體機用于監(jiān)測三維位置坐標的動態(tài)，變化在誤差范圍內(nèi)（精度0.1毫米），若其均值保持不變，則認為邊坡未發(fā)生變形。拉線式位移計和深部位移均監(jiān)測相對位移，根據(jù)變形趨勢和累計變形量評定穩(wěn)定性。鋼筋計主要監(jiān)測錨桿拉力，拉力值發(fā)生突然增大或減小則反映邊坡應力迅速調(diào)整，預示著邊坡不穩(wěn)定。相反，拉力值保持基本不變，說明邊坡穩(wěn)定。

位移監(jiān)測具有精度高、易實施等優(yōu)勢，是多種因素作用的結(jié)果，能綜合反映邊坡穩(wěn)定性狀態(tài)。利用位移量預警邊坡穩(wěn)定狀態(tài)時，其思路是利用邊坡變形曲線的形態(tài)和趨勢分析邊坡變形發(fā)展階段，并結(jié)合邊坡演化規(guī)律預警邊坡穩(wěn)定性。

由于采用了智能化遠程監(jiān)測系統(tǒng)，獲得的數(shù)據(jù)精度和可靠性可大為增加。同時可實現(xiàn)全天候、連續(xù)監(jiān)測，監(jiān)測頻率遠遠優(yōu)于人工監(jiān)測，正常條件下監(jiān)測頻率為每小時1次。如遇變形加速等特殊情況時，可遠程設置監(jiān)測頻率為每10分鐘1次。北斗高精度遠程自動化監(jiān)測預警系統(tǒng)可根據(jù)預警模型計算結(jié)果設置閾值自動分級報警，預警時提供對策建議。

設計安裝方案

西檀段高邊坡應急治理工程高度168米，寬約170米，厚度10米至30米，卸載土石方總量約為43萬立方米，防治工程的安全等級為一級，該滑坡性質(zhì)屬于軟巖蠕滑拉裂型滑坡。由于滑坡體規(guī)模大，又處于高位，一旦滑動必然造成國道210線中斷，可能阻塞涇洋河道，威脅西鎮(zhèn)高速公路高架橋梁安全，而且該公路平均每15分鐘就有一趟客運班線大巴車通過，通行風險極大。為了保障司乘的通行安全，避免或減少滑坡對國道210線司乘的危害，減少不必要的經(jīng)濟損失，安裝北斗高精度自動化監(jiān)測預警系統(tǒng)提前預警十分必要。

施工期間監(jiān)測設備布設圖

根據(jù)《公路滑坡防治設計規(guī)范》（JTG/T 3334-2018）的要求，西檀段安裝的北斗高精度遠程自動化監(jiān)測預警系統(tǒng)對地表位移、深部位移、地下水動態(tài)、支擋結(jié)構(gòu)物位移和預應力錨索應力均做了監(jiān)測，符合規(guī)范的要求，同時也宜收集降雨量資料或建立觀測站。通過前期對地質(zhì)條件的分析，結(jié)合治理工程設計，施工階段及運營階段監(jiān)測主要包括：地表位移、深部位移、雨量、結(jié)構(gòu)傾斜、錨桿應力、視頻監(jiān)控。

根據(jù)滑坡結(jié)構(gòu)及變形破壞特征、治理初步設計方案，布設3個監(jiān)測斷面，重點監(jiān)測兩個主斷面的相對位移，兩排鋼管樁的樁頂位移，錨桿拉力，深部位移，降雨量等，監(jiān)測采用目前最先進的高精度北斗RTK等自動化傳感器，實現(xiàn)24小時在線監(jiān)測、無線傳輸?shù)姆椒?。前端傳感器采集到的?shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)采集儀，利用GPRS無線傳輸技術(shù)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆破脚_實現(xiàn)數(shù)據(jù)的儲存與共享，經(jīng)過預警系統(tǒng)軟件分析數(shù)據(jù)并自動發(fā)出預警，實現(xiàn)無人值守、實時監(jiān)控的安全動態(tài)監(jiān)測。

北斗高精度遠程自動化監(jiān)測預警系統(tǒng)充分考慮施工前期、施工中和運營期邊坡穩(wěn)定性，采用可靠監(jiān)測設備，選擇具有代表性的監(jiān)測剖面和監(jiān)測站點，從而使監(jiān)測數(shù)據(jù)能為動態(tài)預警提供科學保障；系統(tǒng)正常運行后應易于管理、易于操作，對操作維護人員的技術(shù)水平及能力要求不高，方便更新或維修；利用最優(yōu)布控方式做到既節(jié)省項目成本、后期維護投入的人力及物力少，又能最大限度的發(fā)揮出實際監(jiān)測的效果。

表2 監(jiān)測內(nèi)容及指標

監(jiān)測信息預警反饋

北斗高精度遠程自動化監(jiān)測預警系統(tǒng)，可依據(jù)邊坡監(jiān)測預警模型分析結(jié)果發(fā)布預警，設置四級預警體系，分別是紅色預警、橙色預警、黃色預警和藍色預警。西檀段自2020年6月15日上線運行北斗高精度遠程自動化監(jiān)測預警系統(tǒng)，通過數(shù)據(jù)分析表明邊坡處于基本穩(wěn)定狀態(tài)，維持了交通通行，保障了施工及城市間交通。2020年8月14日，該系統(tǒng)發(fā)出一次黃色預警，經(jīng)現(xiàn)場調(diào)查，邊坡上部裂縫加寬加長，危險性增加，但整體仍基本穩(wěn)定，仍保持公路暢通。之后于11月8日再次發(fā)出黃色預警，與現(xiàn)場變化情況相符。

2021年4月25日，北斗高精度遠程自動化監(jiān)測預警系統(tǒng)自動發(fā)出橙色預警短信。因判斷滑坡整體穩(wěn)定，橙色預警主要針對次級滑體，主要威脅坡腳施工及通行安全，對上部施工沒有影響。預警后施工單位派專門安全員在坡腳施工處觀察瞭望。5月4日，BDS-2絕對位移監(jiān)測表明位移持續(xù)逐步加速，水平累計位移曲線攀升，截至5月4日10時累計位移1369.38毫米，超過預先設定的紅色預警閾值，北斗高精度遠程自動化監(jiān)測預警系統(tǒng)于10時55分自動發(fā)出紅色預警。發(fā)出紅色預警后，相關(guān)單位緊急封閉交通，加強現(xiàn)場管理，為保證施工安全暫停了邊坡下方反壓平臺施工，加強監(jiān)測。同時，組織設計、施工、監(jiān)理等參加專題會議，研究評估現(xiàn)狀及制定對策。發(fā)出紅色預警后第5天，5月9日約5時30分）發(fā)生滑塌。

西檀段實景圖

西檀段災毀重建應急治理工程將北斗高精度遠程自動化監(jiān)測預警系統(tǒng)應用于公路交通安全保障和工程施工安全管理，由于準確可靠的超前預警，保障了國道210線西鎮(zhèn)段13個月的交通安全，產(chǎn)生了巨大社會效益；為西鎮(zhèn)高速公路建設保障了運輸通道，減少了施工便道建設投資至少1000余萬元，創(chuàng)造了巨大經(jīng)濟效益；在2021年5月4日提前5天發(fā)出紅色預警，由于封閉交通、撤離施工人員，避免了重大傷亡和財產(chǎn)損失；根據(jù)GNSS監(jiān)測結(jié)果，自2021年6月以來數(shù)據(jù)平穩(wěn)，波動一般不超過5毫米，均值穩(wěn)定，表明邊坡整體處于穩(wěn)定狀態(tài)。因此，北斗高精度遠程自動化監(jiān)測預警系統(tǒng)能夠很好地掌握施工過程中邊坡穩(wěn)定動態(tài)、反饋優(yōu)化設計，達到了理想治理效果，為交通安全、施工安全提供了智能化信息化服務，社會效益和經(jīng)濟效益顯著，在公路、鐵路、水利等高邊坡或滑坡風險管理中值得推廣應用。

四級預警體系及響應措施一覽表