史緒堂

(中國鐵建昆侖路橋建設(shè)有限公司 四川成都 610200)

1 引言

隨著中國經(jīng)濟的發(fā)展，包括公路在內(nèi)的多種基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)已經(jīng)進入快速發(fā)展階段。公路穿梭于各個城市和鄉(xiāng)村之間，途徑地質(zhì)復雜地區(qū)，面臨著多種地質(zhì)環(huán)境異常變化的威脅，而公路邊坡的失穩(wěn)塌落往往給道路安全造成不可逆轉(zhuǎn)的事故災(zāi)害[1]。邊坡危險與否、預(yù)防措施及時與否，牽動著整個道路與工程建設(shè)安全的成與敗，也對項目工程的安全性與可行性起著至關(guān)重要的作用，同時影響著工程的投資以及承建方的效益。通過對邊坡進行施工期至運營期的運維養(yǎng)護監(jiān)測，獲取危險邊坡多階段的真實數(shù)據(jù)，不僅能為后期運維時期突發(fā)異常時數(shù)據(jù)分析提供依據(jù)，也為邊坡的應(yīng)急管理以及養(yǎng)護策略建言獻策[2]。

2 實際工程應(yīng)用

(1)技術(shù)路線

根據(jù)蒲江至都江堰第五標段高速公路邊坡工程應(yīng)用要求，需要在實際工程中選取適宜的監(jiān)測內(nèi)容、選擇對應(yīng)的監(jiān)測儀器、設(shè)計合理的監(jiān)測方案、得到真實的監(jiān)測數(shù)據(jù)和反饋可靠的監(jiān)測結(jié)果。根據(jù)前期工勘的實際調(diào)查情況，制定該項目所應(yīng)用的技術(shù)路線見圖1。

圖1 技術(shù)路線

(2)工程準備

通過計算機技術(shù)支持，設(shè)計并開發(fā)高速公路邊坡監(jiān)測自動化預(yù)警系統(tǒng)，用戶可以實現(xiàn)對蒲都高速邊坡真實結(jié)構(gòu)監(jiān)測數(shù)據(jù)的查詢，包括查詢布點信息，各監(jiān)測點位項目信息概況，以及各監(jiān)測項數(shù)據(jù)累計變化值、變化速率以及變化趨勢，這對邊坡后期運維過程中的數(shù)據(jù)可靠性分析提供了有力支撐[3]。

前期勘測過程中，詳細調(diào)查蒲都高速公路邊坡的土體工勘地質(zhì)條件及水文地貌情況。

對蒲江至都江堰第五標段高速公路邊坡監(jiān)測地布設(shè)方案，主要有深層水平位移、地表位移、地下水位和雨量監(jiān)測項。

針對蒲都高速公路邊坡工程建設(shè)過程中所獲取的監(jiān)測數(shù)據(jù)，首先，應(yīng)對測點缺失部分進行預(yù)處理，異常部分進行異常分析以及處理，最后對預(yù)處理后的監(jiān)測成果以及多監(jiān)測項聯(lián)動分析進行可靠性檢驗。

3 監(jiān)測數(shù)據(jù)預(yù)處理

每次監(jiān)測結(jié)束后，應(yīng)及時對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行整理、計算，可獲得以下數(shù)據(jù):

變形監(jiān)測點的深層水平位移量；

地表位移點的表面位移量；

深層水平位移測點水位變化值；

降雨量數(shù)據(jù)；

宏觀巡視影像[4]。

3.1 監(jiān)測數(shù)據(jù)去噪處理

邊坡安全監(jiān)測工作中，監(jiān)測數(shù)據(jù)會受到雨雪、強風、地震等自然災(zāi)害對坡體本身的影響；監(jiān)測周期內(nèi)所發(fā)生的人為對土體的擾動，如施工鉆孔、地下作業(yè)等影響；監(jiān)測儀器受到自身信號抗干擾能力弱的影響、外界磁場影響以及遮蔽效果差等產(chǎn)生噪聲的影響。基于上述情況，監(jiān)測數(shù)據(jù)所繪制的時程曲線盡管能夠較大程度上反映邊坡實際變形情況，但曲線圖中也往往伴隨著呈鋸齒狀突變、階躍式抬升或下降以及無規(guī)律地上下波動等變化情況。為此，利用去噪方式預(yù)先對采集成果進行處理，有效保留監(jiān)測數(shù)據(jù)內(nèi)部實際的變形信息。

其原理上是含有噪聲的一維信號模型，可表示為:

其中，yi為含噪信號；fi為有用信號；zi為獨立同分布的噪聲信號，zi～iidN(0，1)，信號長度為n，噪聲一般為高頻次信號，在工程運用中fi一般為低頻信號。

小波去噪在邊坡應(yīng)用過程中，大致可分成三個步驟:

(1)選擇一個小波并根據(jù)實際情況確定分解的層數(shù)，對觀測數(shù)據(jù)作小波多尺度分解。

式中，y為觀測數(shù)據(jù)y1，y2，…，yn；f為有用信號f1，f2，…，fn；z為噪聲信號z1，z2，…，zn；W0為小波系數(shù)。

(2)對小波系數(shù)W0作閾值量化處理，如選取較為廣泛的閾值形式，則:

(3)對經(jīng)閾值量化處理后的小波系數(shù)作逆變換W－10重構(gòu)信號[5－6]:

即可得到受污染觀測數(shù)據(jù)信號去噪后的數(shù)據(jù)信號。

本文以邊坡固定測斜儀二級邊坡左側(cè)DL-1監(jiān)測實測值為例，探討小波去噪在邊坡變形數(shù)據(jù)預(yù)處理中的應(yīng)用。圖2為某段位移實測值去噪前后對比曲線。

圖2 實測值去噪前后曲線對比

經(jīng)過去噪后數(shù)據(jù)表征為以一條較為平滑曲線代替了含噪聲的鋸齒狀數(shù)據(jù)，一定程度上消除了突變、異常波動等情況，對結(jié)構(gòu)物所反映的位移變化提供了更具可靠性的特征信息；同時，也為后續(xù)坡體的風險性評判提供更為準確的監(jiān)測依據(jù)。

3.2 拉格朗日插值方法及應(yīng)用

(1)拉格朗日插值方法

深層水平位移監(jiān)測均廣泛應(yīng)用測斜儀，具有采集自動化、24 h不間斷監(jiān)測、精度高等優(yōu)點。但在實際工程應(yīng)用中，在完善施工過程存在的一些問題后會導致內(nèi)部測斜傳感器信號中斷或丟失，造成數(shù)據(jù)不連續(xù)，一些關(guān)鍵性表征數(shù)據(jù)會產(chǎn)生遺漏，從而影響對數(shù)據(jù)在后期運維階段的風險性判斷[7]。

拉格朗日插值法，具有適用性廣、可操作性強等優(yōu)點，在工程中發(fā)揮著重要作用。以導輪式測斜儀測得的邊坡深層水平位移測點監(jiān)測數(shù)據(jù)作為插值對象進行數(shù)據(jù)插補，實際數(shù)據(jù)并非理想的連續(xù)曲線，而是因工程發(fā)生的不同狀況造成數(shù)據(jù)缺失。因此在邊坡監(jiān)測發(fā)生數(shù)據(jù)中斷時，拉格朗日插值法應(yīng)用至關(guān)重要[8]。

(2)蒲都項目數(shù)據(jù)處理中的拉格朗日插值應(yīng)用蒲都項目中，深層水平位移監(jiān)測情況見表1。

表1 深層水平位移測點連續(xù)率統(tǒng)計

監(jiān)測周期內(nèi)，各測點由于現(xiàn)場供電問題影響，造成不同程度的數(shù)據(jù)缺失，總體連續(xù)率為70.09%。從數(shù)據(jù)缺失情況分析，其中斷的首尾兩端呈非線性特征變化。采用拉格朗日插值方法將缺失段前后的數(shù)據(jù)進行處理，插值公式為:

蒲都高速邊坡項目深層水平位移測點數(shù)據(jù)于2019年12月初發(fā)生部分缺失，通過計算機軟件統(tǒng)計其拉格朗日插值結(jié)果，見圖3。插值曲線較為平穩(wěn)地銜接了監(jiān)測數(shù)據(jù)前后變化趨勢。根據(jù)數(shù)據(jù)在采集過程中突發(fā)性地缺失以及前后兩曲線不同的波動情況，選擇合適的插值方法對數(shù)據(jù)進行處理，不僅能夠得到監(jiān)測項的完整數(shù)據(jù)表現(xiàn)情況，還可反映整個數(shù)據(jù)在缺失時段的變化趨勢，在實際工程監(jiān)測中有指導性意義[9]。

圖3 拉格朗日插值實例

4 監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行相應(yīng)處理后，選擇最近相鄰兩次監(jiān)測點觀測數(shù)據(jù)的差與最大誤差(取兩倍中誤差)進行對比，如觀測數(shù)據(jù)的差值在正常誤差范圍之內(nèi)可認為測點在傳感器監(jiān)測周期內(nèi)變化相對較小。但即使在最近相鄰兩次實測值之差不大，反映到曲線長期趨勢上來看，通過作出測點一次線性回歸方程后，若曲線呈明顯上升或下降趨勢時，同樣視為該監(jiān)測點位發(fā)生了實際位移，只是量級較小[10]。

利用監(jiān)測數(shù)據(jù)繪制深層水平位移點位水平位移量時序圖、水平位移量絕對值時序圖并進行一階線性回歸分析，同時關(guān)聯(lián)其余輔助監(jiān)測項數(shù)據(jù)，如雨量監(jiān)測，多維度評價邊坡監(jiān)測點受環(huán)境變化大小的真實性[11]。

(1)各監(jiān)測點位監(jiān)測周期內(nèi)實測位移量。

(2)繪制各深層水平位移測點位移－時間曲線圖，同時在時序圖中關(guān)聯(lián)其一次線性回歸擬合方程。

(3)根據(jù)前期工程實施概況，對邊坡深層水平位移測點變化進行可靠性分析。

4.1 降雨量監(jiān)測

在監(jiān)測周期內(nèi)(2019.12.01－2020.03.24)，蒲都高速公路邊坡所監(jiān)測到的總降雨量為37.4 mm，日平均降雨量為0.32 mm，最大日降雨量為2.7 mm(出現(xiàn)在2020.3.22)。未出現(xiàn)明顯降雨情況。

4.2 深層水平位移監(jiān)測

(1)位移量分析(見表2)

表2 深層水平位移描述性統(tǒng)計

監(jiān)測周期內(nèi)數(shù)據(jù)完整度較好，標準差較小，除個別點位由于外界干擾影響外，數(shù)據(jù)平穩(wěn)波動，真實可靠，能夠真實反映結(jié)構(gòu)物狀態(tài)。

(2)時程曲線圖及線性回歸方程分析實例

采用深層水平位移測點曲線及其一元線性回歸進一步分析變形監(jiān)測點的長期變形趨勢。

由圖4～圖5可知:深層水平位移測點變形緩慢，其回歸曲線呈現(xiàn)上升趨勢，在近四個月的時間，各測點中最大變形量約為0.8 mm。

圖4 一級邊坡右側(cè)DL-1平面位移量絕對值—時間曲線

圖5 二級邊坡中部DL-2平面位移量絕對值—時間曲線

個別點出現(xiàn)小幅度趨勢性上升，可能由于邊坡靠近道路，其間發(fā)生的環(huán)境影響以及道路狀態(tài)影響了邊坡穩(wěn)定性，也可能為土體內(nèi)部蠕動造成的影響。

多數(shù)深層水平位移點位受監(jiān)測設(shè)備精度影響，雖有波動，但變化基本保持平穩(wěn)。

總之，在四個月的監(jiān)測周期內(nèi)，各深層水平位移測點中，最大位移量在允許范圍內(nèi)，邊坡穩(wěn)定性良好。需防范的是惡劣環(huán)境狀況(如周邊地震事件與強降雨天氣)對邊坡穩(wěn)定性的潛在影響。

4.3 關(guān)聯(lián)分析

蒲都高速公路邊坡項目在監(jiān)測期間，根據(jù)雨量計所采集的信息分析，降雨頻發(fā)，多為小雨，小時降雨量在3 mm以內(nèi)。根據(jù)雨量情況與深層水平位移數(shù)據(jù)進行關(guān)聯(lián)分析，發(fā)現(xiàn)一致性并不明顯，未發(fā)現(xiàn)有降雨引發(fā)的位移變化趨勢(見圖6～圖7)[12]。

圖6 雨量與一級邊坡左側(cè)DL-1位移量對比關(guān)聯(lián)

圖7 雨量與三級邊坡DL-1位移量對比關(guān)聯(lián)

深層水平位移在監(jiān)測期內(nèi)，變化趨勢存在平穩(wěn)、上升與下降多種情況?？傮w而言，各測點圍繞基線上下波動，且基線變化緩慢，說明邊坡內(nèi)部土體在降雨時段未發(fā)現(xiàn)明顯位移。

5 結(jié)論

本項目邊坡智能實時監(jiān)測平臺利用復合傳感及局域自組網(wǎng)與無線傳輸技術(shù)，避免了單一監(jiān)測技術(shù)帶來的監(jiān)測不全面、系統(tǒng)性不足等問題，實現(xiàn)了邊坡系統(tǒng)性、全面、長期的實時在線監(jiān)測。

(1)蒲都高速在監(jiān)測周期內(nèi)，未發(fā)生強降雨等惡劣天氣情況，未出現(xiàn)滑坡、土體坍塌等自然災(zāi)害。80%以上的深層水平位移傳感器位移區(qū)間為0.16～2.46 mm，標準差在0.5以內(nèi)，較為穩(wěn)定。

(2)監(jiān)測期內(nèi)結(jié)構(gòu)物外部降雨量較為密集，小時降雨量較小，在2.7 mm以內(nèi)。選取深層水平位移與雨量關(guān)聯(lián)分析，未出現(xiàn)因降雨引發(fā)的明顯位移變化趨勢。