楊德龍，王洪輝，黃凡，張貴宇，張兆義

（1.貴州省公路工程集團有限公司貴州貴陽550000；2.成都理工大學地質(zhì)災害防治與地質(zhì)環(huán)境保護國家重點實驗室，四川成都610059）

公路滑坡是常見的地質(zhì)災害，從目前可檢索文獻數(shù)據(jù)庫來看，對施工期、運營期公路邊坡進行監(jiān)測并成功預警的實例卻很少[1]。主要原因是公路邊坡點多、線長、規(guī)模小、缺乏詳細的地質(zhì)勘探資料、監(jiān)測費用高、預警難度大；加之施工工期一般不長，設(shè)計方、施工方往往更關(guān)注施工本身的進度、質(zhì)量，對于公路開挖邊坡失穩(wěn)監(jiān)測預警工作開展較少，導致了這類科學問題研究較少。

以貴州省畢節(jié)至威寧高速公路（以下簡稱畢威高速公路）第4～6合同段為例，由于本路段邊坡地形髙陡，病害規(guī)模較大，一旦坡體失穩(wěn)，將對現(xiàn)場施工人員生命和財產(chǎn)安全造成嚴重的威脅；同時，對安全事故的處理，必然會增加工程費用，影響工期。因此，開展施工期邊坡監(jiān)測預警，是確保施工安全的重要措施與手段。另一方面，施工期安全監(jiān)測預警是合理制定邊坡處治優(yōu)化方案的需要。通過邊坡地表與深部變形、位移及降雨量等方面監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，一方面可以更準確地把握邊坡穩(wěn)定性現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢，另一方面還能夠較為準確地確定邊坡變形的邊界條件，如變形范圍、發(fā)育深度等，使邊坡處治措施更有針對性。

就山區(qū)高速公路開挖邊坡基本特征而言，大多數(shù)為路塹邊坡，誘發(fā)的最典型地質(zhì)災害為滑坡災害，這類災害主要破壞機理在于變形及外界誘發(fā)因素，變形表現(xiàn)主要在地表裂縫擴張、深部位移增大等，外界誘發(fā)因素主要包括氣象、人為振動等，而局地強降雨最為嚴重[2]，往往誘發(fā)大規(guī)模地質(zhì)災害發(fā)生。

1 系統(tǒng)設(shè)計

根據(jù)山區(qū)高速公路開挖邊坡失穩(wěn)的基本特征，以及考慮到公路施工現(xiàn)場的實際情況，研制一套基于變形監(jiān)測與誘發(fā)因素監(jiān)測為主的公路邊坡監(jiān)測預警系統(tǒng)[3]，對于山區(qū)高速公路的建設(shè)及運營具有重要意義。

圖1所示為系統(tǒng)的原理框圖。

圖1 系統(tǒng)原理框圖Fig.1 Block diagram of the system

系統(tǒng)由傳感網(wǎng)SS（Sensor System）、傳輸網(wǎng)TS（Transmission System）、數(shù)據(jù)管理DMS（Data Management System）、報警（Alarm System）共4部分組成。

其中傳感網(wǎng)SS由傳感器陣列、信號調(diào)理電路[4]、數(shù)據(jù)采集、MCU單元組成，傳感器陣列分為兩類，一類為形變傳感，用于拾取公路開挖邊坡的變形特征，本系統(tǒng)采用地表裂縫位移傳感單元和傾斜度傳感單元構(gòu)成；另一類為誘發(fā)因素傳感，本系統(tǒng)重點研究了雨量傳感器，用于獲取局地強降雨信息。

傳輸網(wǎng)TS數(shù)據(jù)發(fā)送DSS和數(shù)據(jù)接收DRS兩部分，對于大多數(shù)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)而言，無外乎有線傳輸與無線傳輸兩種。考慮到山區(qū)高速公路的實際情況，本系統(tǒng)采用了無線傳輸方式中的GSM傳輸模式，此方式能夠很好地解決監(jiān)測現(xiàn)場的布線困難、拆裝移機、布線保護等難題。并且，根據(jù)實地調(diào)查發(fā)現(xiàn)，畢威高速公路第4～6合同段中國移動通信網(wǎng)絡信號覆蓋十分全面，手機信號強度良好，便于本系統(tǒng)的實際實施。

數(shù)據(jù)管理DS主要用于監(jiān)測數(shù)據(jù)的管理，包括數(shù)據(jù)的實時可視化、快捷存儲、訪問、安全備份。

報警AS系統(tǒng)分為兩部分，一部分為現(xiàn)場報警，一部分為監(jiān)控室內(nèi)及遠程報警?，F(xiàn)場報警采用了高分貝、高亮度民用警報器，充分考慮了公路施工現(xiàn)場的嘈雜等干擾因素，提高預警響應能力[5]。監(jiān)控室內(nèi)報警采用了聲光報警，用于提醒監(jiān)控室值班人員啟動應急預案；另外，本系統(tǒng)增加了短信息遠程報警功能，通過PC軟件植入短信息發(fā)送模塊，當邊坡災害臨災時，以短信息的方式第一時間發(fā)送到相關(guān)管理者制定手機上，以便快速響應與決策，提高應急處置能力。

2 軟、硬件設(shè)計

2.1 傳感網(wǎng)

1）地表裂縫位移監(jiān)測單元采用拉繩位移傳感器MSP-1000，以電壓輸出方式反映位移變化，具有較好的線性度，線性精度達0.04%FS（Full Scale，滿量程刻度值），最大拉伸速度可達1 000 mm/s。位移傳感器結(jié)構(gòu)小巧，安裝空間尺寸小，外殼和線輪均經(jīng)過防腐處理，牽引繩為不銹鋼外敷特氟龍，非常適合在惡劣環(huán)境下工作，根據(jù)實際應用可選擇不同的量程（100～50 000 mm），可通過固定樁將傳感器跨接于裂縫兩端，傳感器拉伸端隨裂縫發(fā)育而變化。

2）傾斜度監(jiān)測單元傾斜度監(jiān)測單元采用了芬蘭VTI公司推出的SCA100T-D02雙軸傾角傳感器。該傳感器利用MEMS技術(shù)開發(fā)，集微型傳感器、微型機械結(jié)構(gòu)、信號處理和控制電路、通訊接口等于一體，其測量范圍±90度，單電源5 VDC供電，工作電流3 mA，比例電壓輸出；在采樣頻率為8 Hz及以下時，可獲得0.002°的輸出分辨率；11位數(shù)字SPI或模擬輸出；內(nèi)置溫度傳感器。SCA100T以其長期穩(wěn)定性好、溫度特性優(yōu)良、抗沖擊能力強的優(yōu)勢廣泛應用于雙軸平臺調(diào)平、傾斜測量及垂直方向的各種角度的測量中。

3）降雨監(jiān)測單元雨量傳感器采用容柵傳感器技術(shù)設(shè)計，容柵傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單、分辨率高、抗干擾能力強、動態(tài)響應速度快等優(yōu)點，適合在惡劣環(huán)境下工作。雨量傳感器實現(xiàn)了數(shù)字化輸出，提高了后繼數(shù)據(jù)采集電路分辨率。雨量監(jiān)測單元以C8051F350單片機為核心，可直接通過計數(shù)器輸入引腳記錄傳感器輸出脈沖數(shù)量。

2.2 傳輸網(wǎng)

基于體積小和功能可擴展性考慮，系統(tǒng)選用了Telit公司的GC864-DUAL-V2，該模塊提供標準的AT命令接口，開發(fā)簡便。硬件電路上，GC864提供CMOS電平的UART接口，可以直接與單片機的UART相連。對于野外監(jiān)測節(jié)點，為了實現(xiàn)無人值守監(jiān)測，GSM的開、關(guān)機均由單片機的GPIO控制邏輯電路實現(xiàn)。

2.3 數(shù)據(jù)管理

數(shù)據(jù)管理由操作顯示界面及數(shù)據(jù)庫兩部分組成，可實時顯示、存儲接收到的監(jiān)測信息。顯示包括數(shù)據(jù)顯示及圖形化顯示，軟件界面簡化美觀，具備良好的人機界面接口，可方便地進行數(shù)據(jù)查詢、監(jiān)測點和監(jiān)測區(qū)參數(shù)的設(shè)定、監(jiān)測數(shù)據(jù)表格形式導出、監(jiān)測數(shù)據(jù)圖形化導出、用戶管理和用戶權(quán)限管理等功能。圖2所示為監(jiān)測數(shù)據(jù)列表顯示界面。

圖2 專家系統(tǒng)軟件Fig.2 Diagram of the expert system software

2.4 報警單元

預警單元由聲光預警和短信預警兩部分組成。聲光報警器安裝在監(jiān)測節(jié)點現(xiàn)場，預警閾值預先嵌入至單片機，單片機將監(jiān)測信息值與預警閾值進行比較，當其等于或大于預警閾值時，啟動聲光報警器，提醒災區(qū)群眾及時撤離[2]。

在啟動聲光報警器的同時，以短信群發(fā)的方式向指定人員發(fā)布預警信息，以便及時組織疏散災區(qū)群眾，最大限度減少人員傷亡及財產(chǎn)損失。

2.5 供電單元

由于本系統(tǒng)的監(jiān)測對象多處于較偏遠的山區(qū)及丘陵地帶，環(huán)境十分惡劣，市電供電十分困難，公路施工多數(shù)采用柴油發(fā)電機供電，無法保障夜間監(jiān)測需要。為此，本系統(tǒng)研發(fā)了基于太陽能+大容量鉛酸蓄電池的組合供電方式。該方式在白天日照充足的情況下，一部分直接給監(jiān)測系統(tǒng)供電，一部分由太陽能充電管理器通過光伏轉(zhuǎn)換電路將能源源源不斷地儲存到大容量蓄電池內(nèi)，待日照不足時再由蓄電池給監(jiān)測系統(tǒng)供電，實現(xiàn)整套系統(tǒng)的全天候連續(xù)監(jiān)測。充電管理器采用了單片式降壓型電池充電管理器LT3652，它可操作于4.95～32 V電壓寬范圍輸入，能夠給多種電池組配置充電，包括單節(jié)至3節(jié)串聯(lián)鋰離子/鋰聚合物電池、單節(jié)至4節(jié)串聯(lián)LiFePO4（磷酸鐵鋰）電池和高達14.4 V的密封鉛酸（SLA）電池。

2.6 軟件設(shè)計

1）監(jiān)測節(jié)點軟件設(shè)計采集節(jié)點軟件設(shè)計基于Silicon Laboratories IDE平臺，采用單片機C51語言開發(fā)，分為主函數(shù)和子函數(shù)模塊，主函數(shù)模塊依次調(diào)用各子函數(shù)，子函數(shù)模塊主要包括GPIO控制、數(shù)據(jù)采集、GSM模塊AT指令控制、電源管理控制。

2）上位機數(shù)據(jù)管理軟件設(shè)計上位機數(shù)據(jù)管理軟件包括實時顯示界面與數(shù)據(jù)庫管理兩部分。實時顯示界面采用VC++開發(fā)，界面美觀，易于操作；數(shù)據(jù)庫由Power Builder平臺開發(fā)設(shè)計，可在內(nèi)存、CPU能力和磁盤空間有限的情況下有效地運行，還包括多用戶支持、針對多CPU的伸縮性以及高級并發(fā)功能。

3 工程應用及結(jié)論[6]

本系統(tǒng)在黔畢威高速公路第4～6合同段部分開挖邊坡進行了地質(zhì)災害監(jiān)測應用。以第4標段K85+80～+220R邊坡為例，通過現(xiàn)場地質(zhì)調(diào)查，該斜坡為發(fā)育在玄武巖地層中的老滑坡。該處邊坡在開挖后，坡面局部性垮塌嚴重。在坡頂平臺出現(xiàn)多條橫坡向的拉張裂縫，坡頂平臺變形嚴重，出現(xiàn)明顯的下錯和平移，穩(wěn)定性較差。施工期間進行降雨量、傾斜度、地表裂縫等方面的監(jiān)測。

實際中，在滑坡后緣布置了1條裂縫監(jiān)測斷面，采用了3個地表裂縫位移監(jiān)測節(jié)點；在滑坡后緣布置1條固定傾斜度監(jiān)測斷面，監(jiān)測帶上間隔50 m安裝1套傾斜度監(jiān)測儀，采用了3個傾斜度監(jiān)測節(jié)點；根據(jù)滑坡體縱向長度，在滑坡的上部區(qū)域安裝了1套降雨量監(jiān)測儀，用于實時監(jiān)測局部降雨信息，分析降雨誘發(fā)因素對滑坡穩(wěn)定性影響，特別對于局地強降雨能夠發(fā)布預警，及時提醒周圍施工現(xiàn)場注意防范滑坡災害。該系統(tǒng)目前運行正常，從監(jiān)測數(shù)據(jù)來看，邊坡局部出現(xiàn)了一定的垮塌，局部地區(qū)裂縫擴張了10 mm左右，但從總體情況來看，該邊坡穩(wěn)定性較好，進一步失穩(wěn)的可能性較小。但根據(jù)公路建設(shè)的實際需要，仍需加強監(jiān)測，以自動化監(jiān)測系統(tǒng)為主，人工監(jiān)測為輔，可適當降低人工監(jiān)測頻率。

總體來說，本系統(tǒng)實現(xiàn)了山區(qū)高速公路開挖邊坡失穩(wěn)監(jiān)測預警的研制目標，完成了地表裂縫位移、傾斜度、降雨量傳感網(wǎng)，基于GSM的傳輸網(wǎng)，數(shù)據(jù)管理與現(xiàn)場報警等單元的研發(fā)。同時，針對野外工作環(huán)境，該系統(tǒng)采用了防水、耐腐蝕等技術(shù)設(shè)計，能夠較好地滿足實際應用要求。

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