自動化在線監測系統在高速公路邊坡監測中的應用

莊旭東

（廣東賽達交通科技股份有限公司，廣東廣州510630）

0 引言

在公路建設中，邊坡地質條件在前期勘察工作中難以認識透徹，且邊坡的穩定性易受環境因素影響。尤其是山區巖土邊坡，由于地質情況復雜、工程規模大，巖土問題眾多，需要對這些部位進行重點監測，以最低或工程可以接受的成本達到預期的監測目的。

邊坡監測方法在實際應用中已十分成熟，但數據的采集普遍需要人工定期到現場進行，使得邊坡監測缺乏實時性。在很多情況下，不穩定邊坡處于邊遠地區，監測人員很難到達，尤其是在滑坡的臨發階段，存在著眾多危險。而采用在線監測系統可以讓觀測人員遠離危險，確保高速公路的安全與高效。本文以曲靖東南過境公路為例，就自動化在線監測系統在高速公路邊坡監測中的應用進行探討。

1 項目概況

曲靖東南過境公路東過境段項目，本次所監測的5個邊坡，目前均采用錨桿（索）格梁植草坡面防護方案。

2 邊坡開挖防護施工情況及監測的意義

各邊坡開挖防護施工情況如表1所示。

表1 各邊坡開挖防護施工的起訖時間表

各邊坡在施工過程中均不同程度出現了失穩滑坡問題，導致支護方案發生了變更。

通過現場失穩滑坡分析，需要對這些部位進行重點監測，為了不受天氣影響實時監測，在惡劣環境下仍保證數據穩定，確保邊坡施工安全穩定，經研究決定，在高速公路邊坡監測中采用自動化在線監測系統。

3 自動化在線監測系統結構組成

從業務邏輯角度，自動化在線監測系統可以分為感知層、網絡層和應用層三個層面。其中，感知層由現場傳感器網絡組成。網絡層采用高速公路專用通信系統網絡；而應用層的工作分為監測對象服務和用戶服務兩個層次，在監測對象服務層，實現數據的正常接收、計算、存儲，保證數據和系統應用的穩定、可靠。

4 技術實現

本項目分布式光纖監測系統采用布里淵光時域分析（BOTDA）技術，如圖1所示。當光纖注入一束激光，光纖中每點均會發生布里淵光散射效應，布里淵散射光的中心頻率漂移量與光纖各點的軸向應變呈線性關系。利用相應的解調和分析技術可以實現光纖中每一點應變的分布式檢測。

圖1 BOTDA基本結構原理

本項目現場實施時將應變光纖組成的光纖傳感網絡貼敷于山體邊坡表面或邊坡內部，當邊坡結構發生微小形變時，將影響應變光纖受激布里淵（Brillouin）散射效應頻移的改變；布里淵頻移變化量與光纖應變的變化量成線性正比關系，通過光纖應變量的實時監測，系統實時計算一個監測周期內的邊坡結構形變量，而通過長期數據的存儲、提取與分析，可獲得邊坡形變變化量及變化趨勢，為保障邊坡結構穩定安全提供可靠的數據支持。

5 公路邊坡監測

5.1 邊坡表面變形監測

滑坡是坡體的應力狀態發生變化時，邊坡介質發生不同方式、不同規模和不同程度的變形，當變形發展到一定程度，在坡體內形成貫通性滑面時的變動。因此，邊坡變形是邊坡穩定性狀態的一個重要特征。監測邊坡表面變形及其趨勢發展，是初步判斷邊坡穩定狀況的一個必要手段。

由于本次監測的5個邊坡均采用了錨桿（索）格梁支護方案對邊坡的穩定性進行防護，因此，該5個邊坡的表面變形監測均采用對格梁變形的監測來實現。

5.2 邊坡深部變形監測

本次方案中對于深部變形監測的傳感光纖的布設，是利用鉆孔內的測斜管作為載體。鉆孔完成后，在安放測斜管的同時，選取邊坡主滑動方向上的兩個測斜管刻槽，將特殊封裝的傳感光纖捆綁在刻槽內，同時向下放入鉆孔孔內。

測斜管在滑坡推力作用下將發生變形，通過監測測斜管的變形來反映滑坡體的深部變形。測斜管發揮著抗滑及信息載體的復合作用。利用測斜管變形監測數據，反演滑坡推力的分布形式、滑面位置；通過測斜管所處的狀態，評價滑坡體的安全狀態。

根據本項目邊坡實際情況，邊坡監測主要選取的監測項包括：支護結構變形監測、表面位移監測、內部位移監測。邊坡具體監測項目及采取的相應措施如表2所示。

表2 監測參數及采取的相應措施

5.3 系統總體架構圖

本項目自動化在線監測系統總體架構如圖2所示。

圖2 系統總體架構圖

系統路由為：各邊坡現場分布式應變光纖監測網→光纖接線盒→通信光→BOTDA主機→數據采集通信服務器→中心以太網交換機→計算機應用系統（邊坡監控工作站、APP移動互聯終端服務等）。

可以實現邊坡變形實時監測、實時預警、PC監控工作站應用管理、基于互聯網+的移動互聯終端APP實時監測及報警服務等功能。

5.4 邊坡現場分布式光纖布設方案

結合現場格梁的排布情況，選取各邊坡的重點范圍，設置出經濟合理的光纖布設方式。在重點位置設置邊坡深部變形監測孔，在該范圍內的格梁刻槽埋設光纖，并與各測斜孔的光纖串聯成整體，對其進行監測。

由于光纜不抗拉，怕扭力，彎曲產生損耗，因此必須嚴格按照以下幾條進行鋪設：

（1）必須避免光纜受力，采用主動放線，絕不可被動放線。放線過程中不可對應變光纜施加較大張力，以免拉出彈性范圍。使用盤線架為佳，如無盤線架，可在光纜盤孔內穿入管棒，兩人手持管棒，轉動光纜盤放線。

（2）避免光纜受到較大側壓，如人為踩踏、被重物所壓或受到撞擊。

（3）應變光纜在成纜過程中已施加一定的預應力，可以測量較小的壓應變（收縮），如需測量較大壓應變需在鋪設時施加一定的張力。

（4）測量拉應變時，在鋪設過程中應在自由態基礎上施加較小張力，以確保在應變發生初期，也能得到理想的應變數據。

6 結語

分布式光纖監測系統應用于高速公路邊坡穩定性的遠程自動化在線監測，取得了較好的效果。本項目采用布里淵光時域分析（BOTDA）技術，現場實施時將應變光纖組成的光纖傳感網絡貼敷于山體邊坡表面或邊坡內部，當邊坡結構發生微小形變時，通過光纖應變量的實時監測及長期數據的存儲、提取與分析，為保障邊坡結構穩定安全提供可靠的數據支持。

邊坡監測目前在曲靖東南過境高速公路運用，取得了很好的效果，得到業主及交通集團的好評，在云南省已有多條高速公路簽訂邊坡監測合同。