基于北斗技術(shù)的高邊坡兩級(jí)安全監(jiān)測(cè)方案設(shè)計(jì)研究

王晨

摘要：文章針對(duì)新建公路路段存在的高挖邊坡和高填路基邊坡在施工及運(yùn)營(yíng)過(guò)程中可能存在的滑塌引起施工和運(yùn)營(yíng)安全事故的問(wèn)題，結(jié)合當(dāng)前基于北斗高精度定位技術(shù)和智能傳感技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)及大數(shù)據(jù)、云計(jì)算技術(shù)的高邊坡安全監(jiān)測(cè)云平臺(tái)，從科學(xué)性、安全性、適用性和經(jīng)濟(jì)性的角度，提出了高邊坡二級(jí)安全監(jiān)測(cè)建議方案，為類(lèi)似項(xiàng)目提供參考。

關(guān)鍵詞：北斗高精度定位;邊坡;安全監(jiān)測(cè);位移監(jiān)測(cè)

0 引言

邊坡是指土體或巖體在自然作用或人為作用下形成的具有一定傾斜度的臨空面[1]。工程建設(shè)中遇到的自然邊坡和人工邊坡，可能發(fā)生滑坡，直接影響到工程安全[2]。惡劣的地質(zhì)災(zāi)害嚴(yán)重影響交通運(yùn)營(yíng)安全，造成較大的人員傷亡，產(chǎn)生了巨大的經(jīng)濟(jì)財(cái)產(chǎn)損失，形成惡劣的社會(huì)影響，如2008年杭州地鐵崩塌事件、廣西鳳山縣山體滑坡事件、深圳2015年渣土堆積場(chǎng)滑坡事件等，因此滑坡地質(zhì)災(zāi)害一直是社會(huì)高度關(guān)注的問(wèn)題之一。在建設(shè)過(guò)程中要對(duì)高陡邊坡進(jìn)行針對(duì)性的設(shè)計(jì)和監(jiān)測(cè)，對(duì)滑坡進(jìn)行防治設(shè)計(jì)和處理，遵循“以防為主、防治結(jié)合”的原則，因地制宜，采取綜合治理措施，保證滑坡的穩(wěn)定[3]，而其中最重要最常見(jiàn)的手段是對(duì)邊坡進(jìn)行監(jiān)測(cè)。目前常見(jiàn)的邊坡監(jiān)測(cè)參數(shù)包括環(huán)境監(jiān)測(cè)、表面位移監(jiān)測(cè)、深層土體位移監(jiān)測(cè)、水位監(jiān)測(cè)等。在所有監(jiān)測(cè)指標(biāo)中，位移參數(shù)是最直接最重要的判別評(píng)估參數(shù)，其中表面位移監(jiān)測(cè)手段包括全站儀、GPS[4]、北斗、CCD技術(shù)[5]、地面激光掃描技術(shù)[6]、合成孔徑雷達(dá)干涉技術(shù)[7]、數(shù)字近景攝影測(cè)量技術(shù)[8]等。目前對(duì)位移監(jiān)測(cè)最成熟的技術(shù)仍然是北斗或GPS手段。隨著北斗衛(wèi)星升空組網(wǎng)，北斗已進(jìn)入高密度網(wǎng)時(shí)代，其定位精度和授時(shí)精度與美國(guó)GPS相媲美。自從北斗衛(wèi)星系統(tǒng)建成以來(lái)，便開(kāi)始應(yīng)用于中國(guó)及周邊地區(qū)的交通運(yùn)輸、應(yīng)急救援、森林防火、水利水電、海洋漁業(yè)、油氣運(yùn)輸、部隊(duì)指揮等領(lǐng)域，并取得了一定的成果，在鐵路沉降監(jiān)測(cè)、機(jī)場(chǎng)沉降監(jiān)測(cè)、橋梁沉降監(jiān)測(cè)方面也取得了一定的進(jìn)展。本文討論內(nèi)容即基于北斗技術(shù)的路段邊坡分級(jí)安全監(jiān)測(cè)方案設(shè)計(jì)研究。

1 工程背景

某新建高速公路推薦方案有填方高度≥20 m邊坡11段（見(jiàn)表1），挖方邊坡需要采用特殊防護(hù)設(shè)計(jì)的路塹邊坡主線14段，互通及服務(wù)區(qū)4段（見(jiàn)表2），累計(jì)長(zhǎng)度為7 788 m。高路堤邊坡方案滿(mǎn)足路基安全穩(wěn)定性要求，而且經(jīng)濟(jì)合理，與地形環(huán)境協(xié)調(diào)，技術(shù)成熟，在廣西多條已建高速公路中取得良好效果。路塹邊坡受構(gòu)造、巖性影響，路線區(qū)滑塌數(shù)量較少，以沿巖土界面淺層滑塌為主，部分為軟質(zhì)巖的順層滑動(dòng)，滑塌體結(jié)構(gòu)較松散，厚度一般為2.0～6.0 m，多發(fā)生在土層、破碎的砂頁(yè)巖分布路段。根據(jù)《高速公路路塹高邊坡工程施工安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指南》進(jìn)行初步風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，表1、表2中的邊坡風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估值均在Ⅲ類(lèi)以上，有進(jìn)行邊坡安全監(jiān)測(cè)的必要性。

2 路段邊坡分級(jí)監(jiān)測(cè)方案設(shè)計(jì)

土質(zhì)或巖質(zhì)邊坡在環(huán)境、水及外荷載作用下發(fā)生緩慢的變形或位移，當(dāng)位移達(dá)到一定臨界值時(shí)，滑坡發(fā)生。因此在邊坡監(jiān)測(cè)方案中，位移監(jiān)測(cè)尤為重要。一個(gè)完備的邊坡監(jiān)測(cè)方案一般包括體表位移監(jiān)測(cè)、深層位移監(jiān)測(cè)、裂縫監(jiān)測(cè)、雨量監(jiān)測(cè)、視頻監(jiān)測(cè)等內(nèi)容，測(cè)點(diǎn)較多，投資較大。然而一條線路的邊坡因?yàn)楦髯詶l件不一樣，有的邊坡穩(wěn)定性較好，有的較差，是否發(fā)生滑坡需要時(shí)間檢驗(yàn)。針對(duì)解決邊坡監(jiān)測(cè)需求與項(xiàng)目投資的關(guān)系，本文提出分級(jí)監(jiān)測(cè)方案，即在邊坡形成之初，以地表位移進(jìn)行監(jiān)測(cè)，采用北斗安全監(jiān)測(cè)技術(shù)，每個(gè)邊坡根據(jù)高度和長(zhǎng)度，精選測(cè)點(diǎn)，在預(yù)計(jì)滑坡體軸線上布設(shè)若干個(gè)北斗監(jiān)測(cè)點(diǎn)，達(dá)到坡體位移監(jiān)測(cè)目的。在監(jiān)測(cè)到坡體有較大位移或者位移趨勢(shì)明顯時(shí)，將此邊坡確定為重點(diǎn)邊坡，啟動(dòng)二級(jí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的踏勘，增加北斗位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)、深層位移監(jiān)測(cè)測(cè)點(diǎn)和水位監(jiān)測(cè)測(cè)點(diǎn)，在可能出現(xiàn)裂縫的位置增設(shè)裂縫監(jiān)測(cè)測(cè)點(diǎn)，并根據(jù)需要增設(shè)CCTV進(jìn)行坡體視頻監(jiān)測(cè)。以某個(gè)邊坡為例，二級(jí)響應(yīng)分級(jí)監(jiān)測(cè)方案如圖1所示。

二級(jí)方案比一級(jí)方案增加北斗測(cè)點(diǎn)兩個(gè)，深層土體位移測(cè)點(diǎn)4個(gè)，雨量監(jiān)測(cè)測(cè)點(diǎn)1個(gè)，視頻監(jiān)測(cè)測(cè)點(diǎn)1個(gè)，項(xiàng)目投入較一級(jí)方案成倍增長(zhǎng)，但是對(duì)滑坡體的各個(gè)技術(shù)參數(shù)監(jiān)測(cè)較為詳細(xì)。

通過(guò)對(duì)邊坡二級(jí)響應(yīng)監(jiān)測(cè)案例進(jìn)行分析研究，發(fā)現(xiàn)二級(jí)監(jiān)測(cè)方案測(cè)點(diǎn)數(shù)量一般是一級(jí)監(jiān)測(cè)方案的2～3倍以上，同時(shí)系統(tǒng)工程造價(jià)也同幅增長(zhǎng)。一級(jí)監(jiān)測(cè)做初步監(jiān)測(cè)，解決工程中的位移監(jiān)測(cè)問(wèn)題，二級(jí)監(jiān)測(cè)方案為已確定的滑坡體做完整的數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)，對(duì)滑坡體的形成、發(fā)展及滑坡發(fā)生全過(guò)程研究提供完整的數(shù)據(jù)依據(jù)，并可在關(guān)鍵時(shí)刻提供及時(shí)預(yù)警，做好防災(zāi)減災(zāi)工作，減少人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。從經(jīng)濟(jì)性分析，在不確定滑坡趨勢(shì)情況下，采用二級(jí)監(jiān)測(cè)方案成本巨大，一般項(xiàng)目難以承受，從而大部分的高邊坡被放棄進(jìn)行自動(dòng)化監(jiān)測(cè)，而僅僅針對(duì)難度大的邊坡進(jìn)行安全監(jiān)測(cè)，覆蓋面較差，安全隱患較大。而采用兩級(jí)邊坡監(jiān)測(cè)方案，每個(gè)Ⅲ級(jí)均有針對(duì)性的測(cè)點(diǎn)，每確定一個(gè)滑坡體，對(duì)其進(jìn)行二級(jí)監(jiān)測(cè)，針對(duì)性更強(qiáng)，能夠滿(mǎn)足有限經(jīng)費(fèi)對(duì)工程需求的普適性要求。因此采用兩級(jí)安全監(jiān)測(cè)方案對(duì)本路段的路堤邊坡和路塹邊坡進(jìn)行監(jiān)測(cè)，具有良好的經(jīng)濟(jì)性、安全性和適用性。

3 基于北斗技術(shù)和云計(jì)算技術(shù)的邊坡安全監(jiān)測(cè)方案設(shè)計(jì)研究 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)滿(mǎn)足一定的原則，盡量做到可靠、經(jīng)濟(jì)、合理。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是提供獲取橋隧坡結(jié)構(gòu)信息的工具，使決策者可以針對(duì)特定目標(biāo)做出正確的決策，系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則包括：有效性、可靠性、先進(jìn)性、可操作和易于維護(hù)性、開(kāi)放性和兼容性、經(jīng)濟(jì)性以及具備遠(yuǎn)程升級(jí)功能。歸納為“技術(shù)可行、實(shí)施可能、經(jīng)濟(jì)合理”的十二字方針，使得監(jiān)測(cè)系統(tǒng)做到可用、實(shí)用、好用，充分發(fā)揮作用，為公路養(yǎng)護(hù)管理及結(jié)構(gòu)的安全運(yùn)營(yíng)提供數(shù)據(jù)和技術(shù)上的支持。

邊坡監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由監(jiān)測(cè)站子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)中心子系統(tǒng)（云平臺(tái)）、客戶(hù)端子系統(tǒng)組成，具備實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)分析、信息共享、自動(dòng)預(yù)警等功能。系統(tǒng)軟件操作人性化、智能化程度高、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、工作效率高，可以根據(jù)用戶(hù)實(shí)際需求進(jìn)行深度定制，非常適合各類(lèi)工程結(jié)構(gòu)的在線實(shí)時(shí)安全監(jiān)測(cè)和預(yù)警，系統(tǒng)架構(gòu)組成見(jiàn)圖2。

監(jiān)測(cè)站子系統(tǒng)由北斗位移監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、深層水平位移監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、雨量計(jì)、錨桿拉力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、裂縫位移監(jiān)測(cè)計(jì)、視頻監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等組成。為滿(mǎn)足不同項(xiàng)目的需求，各個(gè)子系統(tǒng)做成標(biāo)準(zhǔn)模塊，固化傳感器的類(lèi)型和型號(hào)、采集儀的型號(hào)、接口程序、數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)和報(bào)告出版系統(tǒng)。項(xiàng)目中用到的傳感器監(jiān)測(cè)功能，則在對(duì)應(yīng)云平臺(tái)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中選用對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)模塊，平臺(tái)系統(tǒng)在項(xiàng)目二級(jí)響應(yīng)監(jiān)測(cè)中增減監(jiān)測(cè)參數(shù)時(shí)方便、快捷。

4 路段北斗監(jiān)測(cè)方案分析研究

根據(jù)分級(jí)監(jiān)測(cè)方案，設(shè)計(jì)依托工程路段11個(gè)路堤邊坡和14個(gè)路塹邊坡進(jìn)行監(jiān)測(cè)方案設(shè)計(jì)，因?yàn)槭切陆?xiàng)目，在邊坡形成后一定時(shí)間內(nèi)具有一定的穩(wěn)定性，無(wú)法確定某個(gè)邊坡具有較為明顯的滑坡趨勢(shì)，所以根據(jù)本文第2節(jié)內(nèi)容，進(jìn)行一級(jí)響應(yīng)監(jiān)測(cè)方案設(shè)計(jì)。采用北斗技術(shù)及云平臺(tái)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，云平臺(tái)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)為固化模塊，已經(jīng)開(kāi)發(fā)完成，選用系統(tǒng)所需的數(shù)據(jù)采集模塊、傳輸模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、數(shù)據(jù)分析模塊、數(shù)據(jù)報(bào)告處理模塊、數(shù)據(jù)發(fā)布模塊、系統(tǒng)預(yù)警模塊即可。方案中傳感系統(tǒng)采用北斗監(jiān)測(cè)設(shè)備進(jìn)行位移監(jiān)測(cè)，滿(mǎn)足邊坡位移監(jiān)測(cè)精度要求較高，水平方向要求在±2 mm+ppm，高程方向要求精度在±4 mm+ppm，采用光伏發(fā)電+電池進(jìn)行供電模式，要求續(xù)航時(shí)間達(dá)到30 d以上，系統(tǒng)穩(wěn)定性滿(mǎn)足要求。

北斗安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的方案優(yōu)化主要在于基準(zhǔn)點(diǎn)的布置方向。GNSS監(jiān)測(cè)算法要求距離測(cè)點(diǎn)2 km范圍內(nèi)有一個(gè)基站作為參考，測(cè)點(diǎn)的位移即基站的相對(duì)位移，如何在路段選擇合適的點(diǎn)建立基站，控制基站總數(shù)，是本次方案優(yōu)化研究的主要內(nèi)容。

根據(jù)初步設(shè)計(jì)圖紙，對(duì)涉及路堤邊坡和路塹邊坡進(jìn)行一級(jí)響應(yīng)監(jiān)測(cè)，全路段設(shè)置北斗監(jiān)測(cè)點(diǎn)101個(gè)，基準(zhǔn)點(diǎn)經(jīng)過(guò)優(yōu)化，測(cè)點(diǎn)數(shù)量節(jié)省18個(gè)，因此對(duì)邊坡測(cè)點(diǎn)的優(yōu)化是路段邊坡監(jiān)測(cè)方案設(shè)計(jì)中的重要內(nèi)容，除了上表中對(duì)基準(zhǔn)點(diǎn)的優(yōu)化設(shè)計(jì)外，還可以對(duì)每個(gè)邊坡結(jié)合邊坡斷面、高度、邊坡類(lèi)型、巖土特性進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，達(dá)到安全、經(jīng)濟(jì)、全面的目的（見(jiàn)表3）。

5 結(jié)語(yǔ)

（1）基于北斗技術(shù)和云計(jì)算技術(shù)的邊坡安全監(jiān)測(cè)平臺(tái)在路段邊坡監(jiān)測(cè)中能較好地滿(mǎn)足業(yè)務(wù)需求，實(shí)現(xiàn)對(duì)多邊坡的同步監(jiān)測(cè);

（2）針對(duì)路段監(jiān)測(cè)經(jīng)費(fèi)有限的問(wèn)題，提出兩級(jí)安全監(jiān)測(cè)方案，兩級(jí)邊坡安全監(jiān)測(cè)具有安全性、經(jīng)濟(jì)性;

（3）依托背景工程，選取部分特殊邊坡，對(duì)兩級(jí)方案的測(cè)點(diǎn)總數(shù)和監(jiān)測(cè)指標(biāo)進(jìn)行比較分析，證明兩級(jí)監(jiān)測(cè)方案的可行性，建議在項(xiàng)目中實(shí)施驗(yàn)證。

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收稿日期：2020-06-02