陸衛(wèi)東

（上海浦海測(cè)繪有限公司，上海 210399）

0 引言

我國(guó)高速公路、高鐵等交通設(shè)施的建設(shè)發(fā)展，改變了其穿越地區(qū)的原有地貌構(gòu)造，產(chǎn)生了較多邊坡結(jié)構(gòu)。邊坡因其獨(dú)特結(jié)構(gòu)，普遍具有較高的風(fēng)險(xiǎn)性，通常采用錨桿框架、掛網(wǎng)等措施進(jìn)行安全防護(hù)，但邊坡長(zhǎng)期受到雨水沖刷，不可避免會(huì)產(chǎn)生位移變形，當(dāng)變形量較大時(shí)，則會(huì)產(chǎn)生安全隱患，甚至造成邊坡失穩(wěn)。為對(duì)邊坡安全狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)掌握，需采用一定的技術(shù)方法對(duì)邊坡變形信息進(jìn)行準(zhǔn)確獲?。?］，實(shí)時(shí)監(jiān)控邊坡變形情況，預(yù)防安全事故發(fā)生。傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)方法多采用人工測(cè)量方式，監(jiān)測(cè)人員手持全站儀、水準(zhǔn)儀、測(cè)斜儀等儀器設(shè)備，對(duì)邊坡進(jìn)行安全監(jiān)測(cè)［2］，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，數(shù)據(jù)生產(chǎn)周期長(zhǎng)，監(jiān)測(cè)成果具有一定的滯后性，時(shí)效性較差。物聯(lián)網(wǎng)傳感技術(shù)的發(fā)展為邊坡安全實(shí)時(shí)監(jiān)控提供了新的技術(shù)手段，以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為基礎(chǔ)，將各個(gè)類型的底層監(jiān)測(cè)元件和監(jiān)測(cè)傳感器緊密相連，輔以多傳感器融合技術(shù)、邊緣解算技術(shù)、無(wú)線通信技術(shù)、云解算技術(shù)等，構(gòu)建邊坡自動(dòng)化安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)時(shí)獲取邊坡安全數(shù)據(jù)，保障邊坡結(jié)構(gòu)及周邊環(huán)境安全。

相較于傳統(tǒng)人工監(jiān)測(cè)，邊坡自動(dòng)化安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有全天候、時(shí)效性高、無(wú)需人工干預(yù)等優(yōu)勢(shì)，通過在邊坡高風(fēng)險(xiǎn)位置安裝自動(dòng)化監(jiān)測(cè)設(shè)備，如GNSS 接收機(jī)、雨量計(jì)、自動(dòng)化測(cè)斜儀等，依據(jù)預(yù)先設(shè)定的規(guī)則對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行高頻率采集，利用邊緣解算對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行去噪、過濾，剔除異常值，然后通過多方式組網(wǎng)將原始觀測(cè)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)端發(fā)送至云端，由云網(wǎng)關(guān)進(jìn)行數(shù)據(jù)檢校、平差處理、擬合計(jì)算等，最終由專業(yè)監(jiān)測(cè)云平臺(tái)對(duì)外進(jìn)行監(jiān)測(cè)成果可視化展示［3］。邊坡自動(dòng)化安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)需要具備實(shí)時(shí)預(yù)警功能，當(dāng)邊坡變形速率或累計(jì)變形量超過預(yù)先設(shè)定的限值時(shí)，需在第一時(shí)間將預(yù)警信息推送給相關(guān)負(fù)責(zé)人，便于及時(shí)采取措施，以防發(fā)生邊坡安全事故。

本次研究在充分獲取邊坡安全監(jiān)測(cè)需求的前提下，設(shè)計(jì)開發(fā)邊坡自動(dòng)化安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)系統(tǒng)架構(gòu)和作業(yè)原理進(jìn)行詳細(xì)闡述，驗(yàn)證自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在邊坡監(jiān)測(cè)中的可行性及優(yōu)勢(shì)，并采用某邊坡工程監(jiān)測(cè)項(xiàng)目對(duì)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的成果準(zhǔn)確性進(jìn)行分析，進(jìn)一步驗(yàn)證其自動(dòng)化監(jiān)測(cè)成果的可靠性，為高邊坡安全監(jiān)測(cè)提供切實(shí)可行的解決方案。

1 自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 需求分析

邊坡自動(dòng)化安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)旨在解決邊坡常規(guī)人工監(jiān)測(cè)頻率低、時(shí)效性差等問題，在保證監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)精度滿足要求的前提下，采用一定技術(shù)方法將數(shù)據(jù)采集、解析等過程自動(dòng)化，降低人工投入，提高監(jiān)測(cè)效率。本次研究通過多方調(diào)研及實(shí)際應(yīng)用等方式，匯總業(yè)主及監(jiān)測(cè)人員對(duì)邊坡自動(dòng)化安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的真實(shí)需求，以期解決邊坡監(jiān)測(cè)現(xiàn)存問題。本次研究搜集匯總的邊坡自動(dòng)化安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)需求如下：

1）方便安裝實(shí)施。邊坡自動(dòng)化安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)安裝實(shí)施應(yīng)盡量做到簡(jiǎn)捷、方便，盡可能降低現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備安裝時(shí)間，減少現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施工作強(qiáng)度，且設(shè)備安裝應(yīng)有作業(yè)規(guī)范參考，不得出現(xiàn)危險(xiǎn)作業(yè)。

2）降低環(huán)境影響。自動(dòng)化監(jiān)測(cè)設(shè)備的安裝不得損壞邊坡現(xiàn)場(chǎng)及周邊生態(tài)環(huán)境，應(yīng)盡量使用小型化監(jiān)測(cè)設(shè)備［4］，降低對(duì)生態(tài)環(huán)境影響，且自動(dòng)化監(jiān)測(cè)設(shè)備應(yīng)采用環(huán)保材料，不得對(duì)環(huán)境造成污染。

3）成果準(zhǔn)確安全。邊坡監(jiān)測(cè)的核心在于獲取準(zhǔn)確可靠的變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，無(wú)論采取何種監(jiān)測(cè)方法，需確保監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠；同時(shí)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)需具有較高的安全性，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)應(yīng)支持多方式備份，便于追蹤溯源。

4）簡(jiǎn)易操作流程。自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置、配置更改、數(shù)據(jù)查詢、數(shù)據(jù)下載等操作應(yīng)簡(jiǎn)單便捷，人機(jī)交互直觀方便，無(wú)需操作人員具有較強(qiáng)的專業(yè)性，只要經(jīng)簡(jiǎn)單培訓(xùn)后，即可對(duì)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行日常運(yùn)維及數(shù)據(jù)查閱等。

1.2 設(shè)計(jì)原則

邊坡自動(dòng)化安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)從以上統(tǒng)計(jì)需求出發(fā)，在確保監(jiān)測(cè)成果高效準(zhǔn)確的前提下，最大程度提升系統(tǒng)使用人員的操作便捷性，系統(tǒng)主要設(shè)計(jì)原則如下：

1）一致性。邊坡自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)滿足規(guī)范要求，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、變量命名、函數(shù)接口等均應(yīng)具有較高的一致性，便于系統(tǒng)各板塊間邏輯交互及系統(tǒng)規(guī)范化管理，同時(shí)方便后續(xù)對(duì)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行維護(hù)與升級(jí)。

2）安全性。自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠獲取邊坡空間絕對(duì)位置、氣象條件等基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)信息，故系統(tǒng)設(shè)計(jì)開發(fā)過程中需確保數(shù)據(jù)成果具有較高的安全性，且在邊坡長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)過程中，自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)需具有較高的穩(wěn)定性及可靠性。

3）便捷性。邊坡位移自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包括硬件和軟件兩大部分，盡量使用小型化監(jiān)測(cè)設(shè)備，確保安裝過程較為方便快捷，便于作業(yè)人員進(jìn)行快速安裝，且使用環(huán)保材料，以減少對(duì)現(xiàn)場(chǎng)生態(tài)環(huán)境的影響；軟件部分尤其是監(jiān)測(cè)云平臺(tái)，須具備友好的交互界面，簡(jiǎn)單直觀，滿足非專業(yè)人員使用操作需求。

4）兼容性。邊坡安全自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)需具有較高的兼容性，支持多源數(shù)據(jù)交互存儲(chǔ)，便于與其他自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)或監(jiān)測(cè)云平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)對(duì)接。

1.3 系統(tǒng)架構(gòu)

邊坡自動(dòng)化安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)整體而言包含硬件和軟件兩大板塊，硬件板塊主要是指安裝在現(xiàn)場(chǎng)的傳感器、采集器、天線模塊及電源裝置等，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)傳輸；軟件板塊主要是對(duì)現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)設(shè)備進(jìn)行行為控制，并對(duì)其采集的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行解析計(jì)算，然后進(jìn)行可視化展示如圖1 所示。依據(jù)監(jiān)測(cè)對(duì)象的不同，邊坡自動(dòng)化安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)又可劃分為多個(gè)子系統(tǒng)，如，地表位移監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)、內(nèi)部位移監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)、降雨量監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)、裂縫監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)等，各子系統(tǒng)綜合利用傳感器、采集器、云平臺(tái)等軟硬件模塊，形成獨(dú)立監(jiān)測(cè)站，綜合獲取解析邊坡變形情況。

圖1 邊坡自動(dòng)化安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)整體架構(gòu)

2 工程項(xiàng)目應(yīng)用

2.1 項(xiàng)目概況

本次研究以某高速公路邊坡為研究對(duì)象，采用自動(dòng)化安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)其進(jìn)行變形監(jiān)測(cè)。該高速公路邊坡位于地形起伏較大的山地區(qū)域，邊坡相對(duì)較長(zhǎng)，最大高度約為45 m；邊坡主要巖體有軟巖及較軟巖，局部地區(qū)存在硬質(zhì)巖。該邊坡為六級(jí)邊坡，一到三級(jí)邊坡的坡比為1∶0.75，四到六級(jí)邊坡的坡比為1∶1，各級(jí)邊坡均采用防護(hù)措施進(jìn)行安全防護(hù)，其中，一級(jí)、四級(jí)和五級(jí)邊坡防護(hù)形式為錨桿框架梁，二級(jí)和三級(jí)邊坡為錨索框架，六級(jí)邊坡采用掛雙網(wǎng)噴有機(jī)基材進(jìn)行安全防護(hù)，安全系數(shù)相對(duì)較高。但邊坡高度相對(duì)較高時(shí)，危險(xiǎn)系數(shù)也高，一旦發(fā)生較大變形會(huì)導(dǎo)致高速公路發(fā)生破壞，引發(fā)交通事故，故需要對(duì)其進(jìn)行跟蹤監(jiān)測(cè)，獲取邊坡變形信息。

2.2 邊坡地表位移自動(dòng)化監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)

本次研究采用GNSS 自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)邊坡地表位移進(jìn)行全天候?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)［5］，其原理為利用BDS導(dǎo)航定位衛(wèi)星獲取邊坡上布設(shè)的GNSS 監(jiān)測(cè)站和穩(wěn)定區(qū)域內(nèi)基準(zhǔn)站之間的相對(duì)空間位置信息，以獲取大量原始觀測(cè)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，對(duì)其進(jìn)行去噪、平差、擬合等處理，生成較為準(zhǔn)確可靠的坐標(biāo)數(shù)據(jù)，將每次監(jiān)測(cè)坐標(biāo)與監(jiān)測(cè)點(diǎn)初值進(jìn)行對(duì)比作差即可得到該點(diǎn)位累計(jì)變化量。本次研究在高速公路邊坡主要風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域布設(shè)了4 個(gè)地表位移自動(dòng)化監(jiān)測(cè)點(diǎn)，點(diǎn)位分布如圖2（a）所示；GNSS 接收機(jī)采用太陽(yáng)能供電，以立桿形式安裝，組織形式如圖2（b）所示。

GNSS 自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)所獲取的邊坡變形數(shù)據(jù)為X、Y、Z三個(gè)方向的累計(jì)變化量，其中，X、Y方向的合位移即為平面位移，Z方向的變化量即為垂直方向位移。本次研究選取BD03 和BD04 監(jiān)測(cè)點(diǎn)2019 年12 月3 日至2020 年2 月3 日共計(jì)兩個(gè)月的自動(dòng)化監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析研究，如圖3 所示。

圖3 GNSS 自動(dòng)化監(jiān)測(cè)點(diǎn)累計(jì)位移-時(shí)間曲線圖

由圖3 可知：BD03、BD04 監(jiān)測(cè)點(diǎn)累計(jì)位移變化可分為兩個(gè)階段：兩個(gè)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)點(diǎn)在2019 年12月3 日到2020 年1 月12 日間變形特征較為顯著，平面及垂直方向變形速率較大；其中，BD03 監(jiān)測(cè)點(diǎn)水平位移變形速率最高可達(dá)17.8 mm/d，垂直方向變形速率最高可達(dá)10.3 mm/d；BD04 監(jiān)測(cè)點(diǎn)水平位移變形速率最高可達(dá)4.1 mm/d，垂直方向變形速率最高可達(dá)13.4 mm/d；累計(jì)變形值大幅度增加，處于快速變形階段。2020 年1 月12 日至2020 年2 月3 日間，監(jiān)測(cè)點(diǎn)變形速率大大降低，位移-時(shí)間曲線呈現(xiàn)漸變收斂狀態(tài)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)水平位移和垂直位移均處于基本穩(wěn)定狀態(tài)，累計(jì)變形值緩慢增加，表示監(jiān)測(cè)點(diǎn)處于緩慢勻速變形階段。

本次自動(dòng)化監(jiān)測(cè)周期內(nèi)，BD03 監(jiān)測(cè)點(diǎn)水平方向累計(jì)變形量為196.9 mm，平均變形速率為3.3 mm/d，垂直方向累計(jì)變形量為45.0 mm，平均沉降速率為0.8 mm/d；BD04 監(jiān)測(cè)點(diǎn)水平方向累計(jì)變形量為71.3 mm，平均變形速率為1.2 mm/d，垂直方向累計(jì)變形量為18.6 mm，平均沉降速率為0.3 mm/d。監(jiān)測(cè)點(diǎn)累計(jì)位移量相對(duì)較大，邊坡變形監(jiān)測(cè)規(guī)范一級(jí)預(yù)警要求水平位移不大于40 mm，垂直方向位移不大于35 mm，因此兩個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)均觸發(fā)一級(jí)預(yù)警，并通知到相應(yīng)負(fù)責(zé)人，采取相關(guān)措施加強(qiáng)邊坡安全防護(hù)。

2.3 邊坡內(nèi)部位移自動(dòng)化監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)

GNSS 自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是對(duì)邊坡地表位移變形進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，無(wú)法獲取邊坡內(nèi)部深層結(jié)構(gòu)變形特征。本次研究采用固定式測(cè)斜儀對(duì)邊坡內(nèi)部位移進(jìn)行自動(dòng)化監(jiān)測(cè)，通過在監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置鉆孔埋設(shè)測(cè)斜管，將固定式測(cè)斜儀按照1 m 間距逐段連接，安裝至測(cè)斜管內(nèi)；采用RS485 總線進(jìn)行數(shù)據(jù)近場(chǎng)傳輸，匯聚到地表數(shù)據(jù)采集箱內(nèi)，進(jìn)行邊緣解算并遠(yuǎn)端發(fā)送至云端；內(nèi)部位移自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用太陽(yáng)能和蓄電池聯(lián)合供電方式，以鋼立柱形式進(jìn)行安裝。本次自動(dòng)化監(jiān)測(cè)布設(shè)了2 個(gè)內(nèi)部位移監(jiān)測(cè)斷面，共計(jì)6 個(gè)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)編號(hào)為ZK05～ZK07、ZK11～ZK13。

邊坡內(nèi)部位移自動(dòng)化監(jiān)測(cè)是以高精度三軸傾角計(jì)為基礎(chǔ)，對(duì)邊坡內(nèi)部結(jié)構(gòu)不同深度X、Y、Z方向的傾角變化進(jìn)行高精度監(jiān)測(cè)，并將其轉(zhuǎn)換為各方向位移量（Δx，Δy，Δu，）從而對(duì)邊坡內(nèi)部結(jié)構(gòu)位移變形進(jìn)行跟蹤監(jiān)測(cè)。本次研究選擇ZK05 監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行數(shù) 據(jù)分析，測(cè)孔各深度累計(jì)位移-時(shí)間曲線，如圖4 所示。

圖4 ZK05 監(jiān)測(cè)點(diǎn)各深度累計(jì)位移曲線

由圖4 可知：截至2020 年5 月3 日，ZK05 監(jiān)測(cè)點(diǎn)累計(jì)變形值較大，各方向均已超過一級(jí)預(yù)警60 mm 要求，變形速率相對(duì)較大且無(wú)收斂趨勢(shì)。監(jiān)測(cè)點(diǎn)主要變形深度為邊坡內(nèi)部1～27 m 位置，其中1～7 m 位置變形最為顯著；7～27 m 位置變形逐漸減緩，隨深度增加，累計(jì)變形逐漸減小；27～45 m 位置累計(jì)變形相對(duì)較小，基本可忽略不計(jì)。該內(nèi)部位移測(cè)孔在靠近地表位置發(fā)生較大變形，已在第一時(shí)間通知到相關(guān)負(fù)責(zé)人，并采用一定措施進(jìn)行加強(qiáng)防護(hù)，后續(xù)該監(jiān)測(cè)點(diǎn)逐漸趨于穩(wěn)定，無(wú)較大變形發(fā)生。

2.4 降雨量自動(dòng)化監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)

當(dāng)降雨量較大時(shí)會(huì)對(duì)邊坡安全產(chǎn)生一定影響，本次研究采用翻斗式雨量計(jì)對(duì)邊坡區(qū)域降雨量進(jìn)行自動(dòng)化監(jiān)測(cè)，選擇2020 年1 月14 日—2020 年2月15 日降雨量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析研究如圖5 所示。其中，1 月15 日、1 月23 日、1 月24 日、2 月06 日和2月15 日降雨量較大，均超過20 mm，對(duì)比以上時(shí)間點(diǎn)GNSS 自動(dòng)化監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，降雨量較大時(shí)后續(xù)BD03 和BD04 地表位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)也出現(xiàn)較大變形，因此當(dāng)降雨量較大時(shí)，后續(xù)一段時(shí)間內(nèi)邊坡位移容易發(fā)生較大變形，邊坡安全風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)較大，需要通知到相關(guān)負(fù)責(zé)人，持續(xù)關(guān)注監(jiān)測(cè)點(diǎn)變形信息，如，存在較大安全隱患，及時(shí)啟動(dòng)應(yīng)急預(yù)案，加強(qiáng)邊坡安全防護(hù)，杜絕安全事故發(fā)生。

圖5 降雨量自動(dòng)化監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

3 結(jié)語(yǔ)

高邊坡安全是近年來(lái)備受關(guān)注的地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)問題，需采用一定技術(shù)方法對(duì)高邊坡變形特征及趨勢(shì)進(jìn)行跟蹤監(jiān)控。本文以物聯(lián)網(wǎng)傳感技術(shù)為基礎(chǔ)，充分融合北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位、無(wú)線通信、云解算等技術(shù)，從高邊坡監(jiān)測(cè)需求出發(fā)，設(shè)計(jì)開發(fā)邊坡自動(dòng)化安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，并成功應(yīng)用于某山區(qū)高速公路邊坡監(jiān)測(cè)項(xiàng)目。通過對(duì)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析研究，結(jié)合邊坡實(shí)際變形特征，驗(yàn)證了邊坡自動(dòng)化監(jiān)測(cè)成果的可靠性，為高風(fēng)險(xiǎn)邊坡全天候高精度監(jiān)測(cè)提供了可靠的技術(shù)方案。