GNSS自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在高速路邊坡表面位移監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

榮美 黎付安 滿新耀

摘要：為了實(shí)時(shí)有效監(jiān)測(cè)邊坡穩(wěn)定狀態(tài)，文章依托廣西某高速公路邊坡實(shí)例，使用GNSS自動(dòng)化在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，結(jié)合邊坡巖土特征、坡體變形特征制定監(jiān)測(cè)方案，實(shí)現(xiàn)邊坡表面位移實(shí)時(shí)、全天候監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)周期數(shù)據(jù)分析結(jié)果表明，BD03、BD04監(jiān)測(cè)點(diǎn)坡體位移變形最大，變形范圍為500～750 mm，BD08監(jiān)測(cè)點(diǎn)坡體位移變形最小，變形量為3.1 mm，其他監(jiān)測(cè)點(diǎn)也發(fā)生不同程度位移變形。該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能自動(dòng)化、實(shí)時(shí)、高效地監(jiān)測(cè)邊坡?tīng)顟B(tài)，為評(píng)估邊坡變形穩(wěn)定狀態(tài)和分析變形發(fā)展趨勢(shì)及災(zāi)害預(yù)防處置提供參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞 高速公路邊坡;GNSS;變形監(jiān)測(cè)

0 引言

高速公路建設(shè)過(guò)程中，人為地改變自然環(huán)境地貌，使巖土原有應(yīng)力發(fā)生變化，容易導(dǎo)致公路邊坡出現(xiàn)失穩(wěn)[1]。若對(duì)失穩(wěn)邊坡不進(jìn)行及時(shí)監(jiān)測(cè)或防治，會(huì)使高速公路運(yùn)營(yíng)管理存在較大安全隱患。因此，為保障高速公路安全運(yùn)營(yíng)，采取科學(xué)有效的監(jiān)測(cè)手段或方式，對(duì)失穩(wěn)邊坡進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)預(yù)警是非常重要的。同時(shí)，監(jiān)測(cè)手段需要考慮精度、效率、成本、安全等問(wèn)題，而GNSS（Global Navigation Satellite System，GNSS）全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)自動(dòng)化在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化監(jiān)測(cè)、實(shí)時(shí)解算、自動(dòng)檢核限差與自動(dòng)報(bào)警等功能[2]，可較好滿足高速公路邊坡變形監(jiān)測(cè)等情況。本文以廣西某高速公路邊坡為依托，使用GNSS自動(dòng)化在線監(jiān)測(cè)手段，對(duì)該邊坡變形位移進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，進(jìn)行監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析及預(yù)警，為邊坡防護(hù)治理方案和應(yīng)急處置決策等提供參考依據(jù)。

1 GNSS自動(dòng)化在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與工作原理

1.1 工作原理

GNSS能夠?qū)Φ厍虮砻娴目臻g對(duì)象進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，獲取空間對(duì)象的三維坐標(biāo)、速度和時(shí)間等信息，實(shí)現(xiàn)空間對(duì)象的連續(xù)實(shí)時(shí)導(dǎo)航、定位和授時(shí)[3]。現(xiàn)今，GNSS在大地測(cè)量、精密工程測(cè)量、地殼形變監(jiān)測(cè)、石油勘探等領(lǐng)域已得到廣泛應(yīng)用[4]。本文使用GNSS自動(dòng)化在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)邊坡的表面位移進(jìn)行實(shí)時(shí)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)，獲取監(jiān)測(cè)點(diǎn)表面位移變化數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理分析與評(píng)估，達(dá)到監(jiān)測(cè)邊坡穩(wěn)定性的效果。該系統(tǒng)的工作原理是：各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的GNSS傳感器元件與參考點(diǎn)的GNSS傳感器元件實(shí)時(shí)捕獲GNSS信號(hào)，數(shù)據(jù)傳輸裝置將信息實(shí)時(shí)發(fā)送到監(jiān)測(cè)平臺(tái)的控制中心，控制中心服務(wù)器GNSS高精度衛(wèi)星解算軟件實(shí)時(shí)差分解算出監(jiān)測(cè)點(diǎn)三維坐標(biāo)，數(shù)據(jù)分析模塊將各監(jiān)測(cè)點(diǎn)實(shí)時(shí)三維坐標(biāo)與初始坐標(biāo)進(jìn)行對(duì)比分析，得到監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移變化量，并將其位移變化量與預(yù)設(shè)的預(yù)警值比較，超出預(yù)警值則進(jìn)行報(bào)警。

1.2 GNSS自動(dòng)化在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

GNSS自動(dòng)化在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要是以高速公路邊坡為監(jiān)測(cè)對(duì)象，針對(duì)高速公路邊坡的特殊性進(jìn)行研發(fā)的技術(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)平臺(tái)主要由集成式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、無(wú)線式數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)、GNSS高精度衛(wèi)星數(shù)據(jù)解算軟件、專業(yè)式數(shù)據(jù)分析預(yù)警系統(tǒng)、移動(dòng)式防災(zāi)巡檢系統(tǒng)和系統(tǒng)服務(wù)管理平臺(tái)等組成。集成式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要由測(cè)地型接收機(jī)、太陽(yáng)能供電系統(tǒng)、避雷針和其他安全防護(hù)裝置組成，以精確監(jiān)測(cè)邊坡變形為目的，應(yīng)將其安裝位置進(jìn)行混凝土澆筑加固，確保地基穩(wěn)定性，在監(jiān)測(cè)墩附近安置避雷針，保護(hù)監(jiān)測(cè)裝置。測(cè)地型接收機(jī)內(nèi)置高精度GNSS接收模塊與衛(wèi)星信號(hào)降噪濾波程序，以捕獲高質(zhì)量的衛(wèi)星數(shù)據(jù)。無(wú)線式數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)通過(guò)SIM卡使用GPRS通信方式將GNSS主機(jī)與控制中心連接，實(shí)時(shí)將GNSS信號(hào)接收機(jī)獲取的衛(wèi)星數(shù)據(jù)傳輸?shù)娇刂浦行倪M(jìn)行云存儲(chǔ)，以保證監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)完整性。GNSS高精度衛(wèi)星數(shù)據(jù)解算軟件使用高精度解算程序?qū)πl(wèi)星數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)解算，增強(qiáng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)時(shí)效性。專業(yè)式數(shù)據(jù)分析預(yù)警系統(tǒng)對(duì)解算數(shù)據(jù)分析處理，將監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移變形量與預(yù)警閾值對(duì)比，若變形量超過(guò)預(yù)警閾值，則通過(guò)短信、郵件、聲光報(bào)警裝置等方式進(jìn)行報(bào)警。移動(dòng)式巡檢系統(tǒng)由高速公路高危邊坡監(jiān)測(cè)責(zé)任人定期對(duì)災(zāi)害隱患點(diǎn)進(jìn)行實(shí)地監(jiān)測(cè)和排查，建立長(zhǎng)期的專業(yè)調(diào)查記錄。系統(tǒng)服務(wù)管理平臺(tái)可遠(yuǎn)程實(shí)現(xiàn)對(duì)監(jiān)測(cè)設(shè)備進(jìn)行參數(shù)的配置、調(diào)試、故障排查和升級(jí)，實(shí)現(xiàn)集成自動(dòng)化與智能化。

2 工程項(xiàng)目概況

該邊坡位于廣西某高速公路K195+100～K196+60段下行線，屬于路塹地段。路塹開(kāi)挖后的邊坡在經(jīng)過(guò)多年雨季的持續(xù)作用下發(fā)生滑坡，滑坡段沿公路軸線總長(zhǎng)806 m，包含6個(gè)滑坡變形體，分別標(biāo)識(shí)為1～6號(hào)變形體。滑坡區(qū)為低山丘陵地貌，地處山間河岸斜坡，斜坡海拔高度為160～319 m，往西及西南傾斜，原始地形坡度一般為25°～55°。滑坡坡腳有沙子河由北向南流淌，河岸呈弧狀彎曲，在山區(qū)地段由于受強(qiáng)烈構(gòu)造作用及河流的強(qiáng)烈切割而形成“V”字形河谷。滑坡區(qū)發(fā)育多條沖溝，近東西走向，長(zhǎng)度約為30～150 m，寬度約為1.0～2.5 m，切割深度為1.5～3.0 m，植被茂盛。滑坡區(qū)主要為堆填區(qū)，自然堆積后，簡(jiǎn)單碾壓，形成人工填土邊坡。滑坡區(qū)已出現(xiàn)不同程度的病害現(xiàn)象，而且滑坡體下方為居民區(qū)，存在較大的安全隱患。現(xiàn)場(chǎng)勘查到的病害有：（1）滑坡體5號(hào)變形體局部漿砌石重力式擋土墻坡腳側(cè)移擠壓公路邊溝，樁頂平臺(tái)隆起，最大隆起高度為1.0 m多;（2）滑坡還處于不斷發(fā)育成長(zhǎng)過(guò)程中，地表水時(shí)常灌入坡體，水壓力較大，水從坡腳滲出;（3）坡體坡面不斷蠕動(dòng)拉裂、沉陷，發(fā)生拉裂、塌陷長(zhǎng)度約80 m，塌陷落差最大處約為1.8 m;（4）部分土體已發(fā)生滑塌，可能存在小滑坡體從樁頂剪出的風(fēng)險(xiǎn)，且部分山體中有裂縫分布，裂縫寬度約30～50 cm，南側(cè)涵洞處路面發(fā)生明顯裂縫，長(zhǎng)度約3 m;（5）滑坡防護(hù)擋墻和抗滑樁處發(fā)生小部分破裂現(xiàn)象。

3 監(jiān)測(cè)方案

3.1 監(jiān)測(cè)內(nèi)容

根據(jù)以往勘測(cè)資料和現(xiàn)場(chǎng)踏勘情況可知，降雨滲透是引起邊坡位移的主要因素，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)工程實(shí)際確定監(jiān)測(cè)內(nèi)容為地表位移監(jiān)測(cè)、降雨量監(jiān)測(cè)和視頻監(jiān)控。主要重點(diǎn)分析地表位移監(jiān)測(cè)（如表1所示）。

3.2 監(jiān)測(cè)方案

根據(jù)邊坡巖土特征和已發(fā)生坡體變形特征，沿坡體變形區(qū)域布設(shè)4個(gè)監(jiān)測(cè)斷面（1-1、2-2、3-3、4-4），每個(gè)斷面布設(shè)GNSS地表位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)。地表位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)共布設(shè)9個(gè)（基準(zhǔn)點(diǎn)1個(gè)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)8個(gè)），基準(zhǔn)點(diǎn)布設(shè)于附近居民房頂，監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)于每個(gè)斷面1～3個(gè)（如下頁(yè)圖1所示）。雨量監(jiān)測(cè)點(diǎn)與基準(zhǔn)點(diǎn)一起布設(shè)，共用供電系統(tǒng)，視頻監(jiān)控布設(shè)于坡體對(duì)面的路基上。

3.3 監(jiān)測(cè)周期與頻率

邊坡監(jiān)測(cè)以穩(wěn)定控制為主，達(dá)到預(yù)警的目的，必須保證一定的監(jiān)測(cè)密度，以能夠連續(xù)地觀測(cè)邊坡的動(dòng)態(tài)位移。監(jiān)測(cè)周期為12個(gè)月，監(jiān)測(cè)頻率為每天一次。該系統(tǒng)為24 h實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，監(jiān)測(cè)頻率應(yīng)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整。

3.4 監(jiān)測(cè)預(yù)警設(shè)置

對(duì)于邊坡監(jiān)測(cè)預(yù)警值的設(shè)置，目前來(lái)說(shuō)沒(méi)有普適性的預(yù)警機(jī)制，一般是結(jié)合邊坡安全風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)與其周邊環(huán)境、邊坡工程施工狀況和運(yùn)營(yíng)期狀態(tài)及以往監(jiān)測(cè)案例經(jīng)驗(yàn)等確定邊坡監(jiān)測(cè)等級(jí)[5-6]，并對(duì)相關(guān)監(jiān)測(cè)內(nèi)容等進(jìn)行預(yù)警。預(yù)警級(jí)別分為紅色、橙色、黃色、藍(lán)色等四個(gè)。具體預(yù)警級(jí)別如表2所示。

4 地表位移監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

在本文GNSS自動(dòng)化在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的總體累計(jì)位移變形量是以初期監(jiān)測(cè)坐標(biāo)值為初始參考值來(lái)計(jì)算監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位移變化量的。X方向（North）為北方向，Y方向（East）為東方向，H方向表示沉降。

本文地表位移監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析起止時(shí)間為2019-05-01至2019-09-01，共4個(gè)月時(shí)間。[FL）0]

DB01～08監(jiān)測(cè)點(diǎn)的累計(jì)位移變形-時(shí)間曲線如圖2～9所示。由監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可知：

（1）DB08監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移基本無(wú)明顯變化。由此可見(jiàn)，古滑坡范圍區(qū)段內(nèi)高速公路路面結(jié)構(gòu)相對(duì)穩(wěn)定。

（2）DB01～07監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移存在兩個(gè)明顯的突變時(shí)間點(diǎn)，分別是6月27日和7月1日，監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移主要發(fā)生在6月27日以后。由此可見(jiàn)，5月1日至6月27日期間，古滑坡體變形以蠕變?yōu)橹鳎?月27日以后，古滑坡體出現(xiàn)明顯的土體變形。

（3）X方向（North），DB03～DB07位移相對(duì)比較明顯，且DB03和DB07向北偏移，DB04～DB06向南偏移。DB03 X方向累積位移約250 mm，DB04～DB07 X方向累積位移約20 mm，DB08X方向累積位移為6.6 mm。可見(jiàn)，X方向上主要是3～5號(hào)滑坡體發(fā)生了位移，且各滑坡體位移方向并不一致，存在局部淺表滑坡的可能。

（4）Y方向（East），DB01～07監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移都很明顯，且都是向西偏移。其中DB03、DB04的Y方向累積位移在500～750 mm之間;DB01、DB02和DB05～07Y方向累積位移在60～150 mm之間;DB08Y方向累積位移3.1 mm。可見(jiàn)3號(hào)滑坡體存在明顯的局部淺表滑坡跡象，應(yīng)立即采取處治措施。

（5）H方向，DB03明顯下沉;DB01和DB04輕微下沉;DB05、DB07存在相對(duì)較明顯的上隆;DB02先下沉后上隆，且總體變化不大;DB06變化較小;DB08無(wú)明顯變化。

由此可見(jiàn)，各滑坡體的滑動(dòng)面深度并不一致：3號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)滑坡體的滑動(dòng)面深度較大，4號(hào)和5號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)滑坡體的滑動(dòng)面深度較小，1號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)滑坡體的滑坡可能性較小，8號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)滑坡體最穩(wěn)定。

5 結(jié)語(yǔ)

本文依托廣西某高速公路邊坡實(shí)例，使用GNSS自動(dòng)化在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)邊坡表面位移進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，經(jīng)分析得出如下結(jié)論：

（1）GNSS自動(dòng)化在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)自動(dòng)采集與傳輸、云存儲(chǔ)和解算等功能，為評(píng)估邊坡穩(wěn)定狀態(tài)奠定基礎(chǔ)。

（2）對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行分析得出：BD03、BD04監(jiān)測(cè)點(diǎn)存在較大的位移變形，DB08監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移變形最小，變形情況與現(xiàn)場(chǎng)勘查結(jié)果相符。這表明GNSS自動(dòng)化在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能獲取可靠的、精度高的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，為評(píng)估邊坡穩(wěn)定性提供可靠的數(shù)據(jù)支撐，可較好預(yù)測(cè)邊坡變形發(fā)展趨勢(shì)。

（3）GNSS自動(dòng)化在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)成功對(duì)邊坡地表位移變形超限進(jìn)行了報(bào)警，表明該系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)有效監(jiān)測(cè)邊坡動(dòng)態(tài)，掌握邊坡安全現(xiàn)狀，為預(yù)防災(zāi)害發(fā)生提供重要參考依據(jù)。

（4）本監(jiān)測(cè)系統(tǒng)存在周圍環(huán)境影響因素，受高壓電塔、工作面積水影響產(chǎn)生多路徑效應(yīng)，太陽(yáng)能供電系統(tǒng)受氣候因素限制，后續(xù)監(jiān)測(cè)需要對(duì)其改進(jìn)優(yōu)化。

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作者簡(jiǎn)介：榮 美（1970—），高級(jí)工程師，研究方向：工業(yè)電氣自動(dòng)化;

黎付安（1993—），碩士，研究方向：測(cè)繪工程;

滿新耀（1980—），高級(jí)工程師，碩士，研究方向：高速公路建設(shè)與養(yǎng)護(hù)管理。