焦盼飛

摘 要：利用精度為1mm的拉索式位移計(jì)和精度為0.1mm的雨量計(jì)測(cè)量公路邊坡的表面位移和降雨量，并將測(cè)量數(shù)據(jù)通過(guò)GPRS系統(tǒng)傳送到遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)，以實(shí)現(xiàn)公路滑坡的實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)控和預(yù)警。同時(shí)采用太陽(yáng)能供電設(shè)備為整個(gè)系統(tǒng)提供電力。該系統(tǒng)具有經(jīng)濟(jì)、節(jié)能、自動(dòng)化、高效等優(yōu)點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：公路滑坡；實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)控；預(yù)警

引言

中國(guó)山區(qū)面積是全國(guó)面積的69%。公路滑坡是山區(qū)最常見(jiàn)的自然災(zāi)害。公路滑坡造成交通堵塞，人員傷亡，經(jīng)濟(jì)損失和環(huán)境破壞。隨著無(wú)線通信技術(shù)的發(fā)展，遠(yuǎn)程監(jiān)控和預(yù)警系統(tǒng)被開(kāi)發(fā)并應(yīng)用于水電站，采礦和隧道。但在公路工程中并不常用。實(shí)際上，公路邊坡的特點(diǎn)是沿路分布，區(qū)間長(zhǎng)，規(guī)模小，數(shù)量多并且缺乏統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。這就導(dǎo)致了監(jiān)控成本高，預(yù)警困難。目前，常用的檢測(cè)方法依舊是手動(dòng)操作，不能夠在糟糕的環(huán)境和氣候條件中獲取數(shù)據(jù)。盡管GPS可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控，但精度只有3-5mm。

本文介紹一種遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)和預(yù)警系統(tǒng)，硬件系統(tǒng)是由位移計(jì)，網(wǎng)格雨量計(jì)，數(shù)據(jù)采集和傳輸單元，太陽(yáng)能供電設(shè)備集成。本文介紹的實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)和預(yù)警系統(tǒng)具有低成本，節(jié)能，自動(dòng)化程度高，高效的優(yōu)點(diǎn)。

1 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)介紹

該系統(tǒng)主要包括位移計(jì)、雨量計(jì)、數(shù)據(jù)采集和傳輸單元。數(shù)據(jù)傳輸主要基于GPRS系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。GPRS是一種基于全球移動(dòng)通信系統(tǒng)的無(wú)線分組交換服務(wù)系統(tǒng)。它可以提供點(diǎn)對(duì)點(diǎn)，廣域無(wú)線互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議連接。在GSM覆蓋的任何地方，GPRS可用于提供強(qiáng)大的便捷的數(shù)據(jù)傳輸方案。

數(shù)據(jù)收集器從觸發(fā)式位移計(jì)和網(wǎng)格雨量計(jì)采集數(shù)據(jù)，并輸送數(shù)據(jù)到GPRS模塊，該模塊負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)換并傳輸至GPRS無(wú)線基站。通過(guò)數(shù)據(jù)接收軟件，監(jiān)測(cè)和控制中心的服務(wù)器可以從互聯(lián)網(wǎng)實(shí)時(shí)接收數(shù)據(jù)，并且儲(chǔ)存數(shù)據(jù)到數(shù)據(jù)庫(kù)，以供數(shù)據(jù)管理、查詢(xún)、分析和網(wǎng)絡(luò)共享。

1.1 拉索式位移計(jì)

拉索式位移計(jì)是用來(lái)測(cè)量待測(cè)點(diǎn)與相對(duì)固定點(diǎn)之間的相對(duì)位移。測(cè)量精度為1mm，測(cè)量范圍為400mm。當(dāng)拉索超過(guò)1mm，將觸發(fā)脈沖信號(hào)并發(fā)送到發(fā)射機(jī)。短距離無(wú)線通信功能可以在數(shù)米距離不用電纜。通常對(duì)于一個(gè)滑坡而言，若干位移計(jì)需要監(jiān)測(cè)不同位置的位移。為了方便聯(lián)網(wǎng)工作，在發(fā)射器和接收器之間設(shè)立短距離的無(wú)線通信裝置。接收器可以同時(shí)從8個(gè)發(fā)射器接收無(wú)線信號(hào)，然后發(fā)送到具有標(biāo)準(zhǔn)通信接口RS-232的收集器。

1.2 網(wǎng)格式雨量計(jì)

高精度的網(wǎng)格式位移傳感器被用于網(wǎng)格式雨量計(jì)，可以將分辨率和測(cè)量精度分別提高到0.01mm和0.1mm。在水容器中兩個(gè)電動(dòng)閥門(mén)可以自動(dòng)控制雨量的進(jìn)入和排出。并且這種設(shè)計(jì)可以防止雨量的流失，即使在暴雨天氣下。這種雨量流失常發(fā)生在虹吸和桶狀雨量器。

1.3 數(shù)據(jù)采集和傳輸單元

數(shù)據(jù)采集和傳輸單元是由數(shù)據(jù)采集器，GPS模塊和太陽(yáng)能供應(yīng)設(shè)備組成。數(shù)據(jù)采集器從不同的傳感器收集數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成相同的格式然后發(fā)送到GPRS模塊。接通電源后將準(zhǔn)備好的域名錄在GPRS模塊并與域名系統(tǒng)服務(wù)器聯(lián)系，并找到監(jiān)控中心的IP地址，然后無(wú)線通信就可以建立了。

在陽(yáng)光充足的天氣，太陽(yáng)能電池板可以為蓄電池充電，為整個(gè)系統(tǒng)提供電力。在沒(méi)有陽(yáng)光的陰天，蓄電池可以支持系統(tǒng)持續(xù)工作大約20天。

2 監(jiān)測(cè)預(yù)警方法

2.1 位移預(yù)測(cè)

系統(tǒng)提供平滑模型進(jìn)行監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)預(yù)處理，灰色動(dòng)態(tài)模型和Verhulst反函數(shù)模型做短期預(yù)測(cè)，利用最小二乘擬合模型和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型做中長(zhǎng)期預(yù)測(cè)。

當(dāng)數(shù)據(jù)達(dá)到預(yù)先設(shè)定的臨界值時(shí)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)將閃爍四種顏色：藍(lán)色、橙色、黃色和紅色，分別對(duì)應(yīng)著四種預(yù)警級(jí)別。同時(shí)，預(yù)警的短消息會(huì)自動(dòng)發(fā)送到目標(biāo)手機(jī)。

2.2 位移預(yù)警方法

對(duì)于大多數(shù)山區(qū)公路滑坡，由于缺乏計(jì)算參數(shù)，比如力學(xué)參數(shù)，滲透系數(shù)和水土特征曲線，將給穩(wěn)定性分析計(jì)算造成困難。本文提出一種簡(jiǎn)化的方法。首先，邊坡機(jī)械參數(shù)的不同組合E、C、？準(zhǔn)（變形模量、內(nèi)摩擦角、粘聚力）被設(shè)計(jì)在合適的范圍內(nèi)。然后運(yùn)用有限元分析軟件PLAXIS對(duì)邊坡進(jìn)行強(qiáng)度折減分析和塑性分析。最后根據(jù)計(jì)算結(jié)果，建立邊坡安全系數(shù)與表面位移的關(guān)系，然后可以提出相應(yīng)的位移預(yù)警臨界值。

3 實(shí)際工程應(yīng)用

實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)和預(yù)警系統(tǒng)已經(jīng)應(yīng)用于陜西省漢中市G210楊家河段滑坡監(jiān)測(cè)中。2015年6月1日，在該路段邊坡上安裝了7個(gè)拉索觸發(fā)式位移計(jì)和一個(gè)網(wǎng)格式雨量計(jì)來(lái)監(jiān)控位移和降雨量。

根據(jù)上文提到的位移預(yù)警方法，通過(guò)數(shù)值計(jì)算不同參數(shù)組合，建立了表面位移和安全系數(shù)的關(guān)系。如圖1。A、B、C、D點(diǎn)是曲線的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，并且可以作為預(yù)警點(diǎn)。從六月一日到現(xiàn)在，最大的監(jiān)測(cè)位移是2mm，這就意味著滑坡是低風(fēng)險(xiǎn)。

2015年6月末，該地區(qū)遭到暴雨襲擊。該系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到位移和降雨量數(shù)據(jù)。雖然每天的最大降雨量達(dá)到80mm，最大有效降雨量達(dá)到110mm，位移沒(méi)有任何改變，這就意味著邊坡在暴雨下是穩(wěn)定的。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文提出的實(shí)施遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)和預(yù)警系統(tǒng)在山區(qū)公路邊坡地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警中具有低成本，節(jié)能，自動(dòng)化程度高，效率高的優(yōu)點(diǎn)。該系統(tǒng)具有邊坡三維地質(zhì)建模與可視化，數(shù)據(jù)查詢(xún)和繪圖，穩(wěn)定性計(jì)算，位移預(yù)測(cè)，實(shí)時(shí)預(yù)警的功能。工程應(yīng)用表明，該系統(tǒng)是成功的，它可以為公路運(yùn)輸提供安全保障，并減少環(huán)境破壞。

參考文獻(xiàn)

[1]文海家，張永興，柳源.滑坡預(yù)報(bào)國(guó)內(nèi)外研究動(dòng)態(tài)及發(fā)展趨勢(shì)[J].中國(guó)地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)報(bào)，2004，15（1）：1-4.

[2]張勇慧，李紅旭.基于表面位移的公路滑坡監(jiān)測(cè)預(yù)警研究[J].巖土力學(xué)，2010，31（11）：3671-3677.

[3]高華喜，殷坤龍.降雨與滑坡災(zāi)害相關(guān)性分析及預(yù)警預(yù)報(bào)閾值之探討[J].巖土力學(xué)，2007，28（5）：1055-1060.

[4]張衛(wèi)中，尹光志，等.失穩(wěn)路塹邊坡監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及其應(yīng)用[J].自然災(zāi)害學(xué)報(bào)，2008，17（3）：69-74.