GNSS技術在公路地質災害監測中的應用

李明智，巫星德，劉先林

(1.廣西交通設計集團有限公司，廣西 南寧 530029；2.廣西路橋工程集團有限公司，廣西 南寧 530200)

0 引言

據2018年地質災害調查評價結果，96.65%的廣西陸地面積屬地質災害易發區，其中地質災害高、中易發區占比達42.3%，在這些地區開展公路建設，存在很高的風險，一旦產生公路地質災害，不僅嚴重影響工程安全，還嚴重威脅周邊環境乃至人身財產安全，帶來惡劣的社會影響[1-2]。

提前感知與防范，是防治公路地質災害的最有效手段。邊坡的失穩破壞，往往需要經歷蠕變、勻速運動、加速運動至破壞的發展過程[3]，在這個過程中，位移變形是其最明顯的特征，只要獲取到公路邊坡的位移變形信息，就可以采取措施有效地避免邊坡失穩的發生。傳統的高速公路邊坡變形的獲取主要依靠全站儀、測斜儀等人工定期監測手段，但是在復雜特殊條件下，這些方法存在明顯的不足，其主要缺點是要求相關工作人員必須到達現場才能進行觀測，往往會存在監測頻率低、工作效率低、無法有效預警的缺點[4]。

GNSS全稱是全球導航衛星系統(Global Navigation Satellite System)，是泛指所有的衛星導航系統，主要包含美國的GPS、俄羅斯的Glonass、歐洲的Galileo、中國的北斗衛星導航系統[5]。其通過衛星信號進行定位，并結合物聯網技術，將定位數據通過無線網絡發回云平臺，采用自動化平臺自動實現對監測數據的自動采集、成圖與預警，實現全過程的自動化與智能化，大大提高了監測的時效性與預警的準確性[6-7]。

1 GNSS定位原理與監測系統設計

1.1 GNSS定位原理

GNSS系統定位的基本原理是利用測距交會確定點位。當GNSS接收機接收到衛星信號時，衛星坐標與信號傳播時間為已知量，通過信號傳播時間可求出衛星與GNSS接收機的距離。因此，在三維空間中，GNSS接收機的可能位置構成一個球面。

當測到兩顆衛星的距離時，接收機的可能位置被確定于兩個球面相交構成的圓上；當得到第三顆衛星的距離后，球面與圓相交得到兩個可能的點；第四顆衛星用于確定接收機的準確位置。因此，如果接收機能夠得到四顆GPS衛星的信號，就可以進行定位；當接收到信號的衛星數目>4時，可以優選四顆衛星計算位置，如圖1所示。

圖1 單點定位原理示意圖

受到衛星軌道誤差、電離層延遲、大氣折射效應等影響，僅使用單點定位時，定位精度為數米級，無法滿足地質災害監測需求。為提高定位精度，地質災害監測中一般采用靜態解算的方法，其基本原理為在監測站附近穩定區域安裝設備作為基準站，基準站與監測站的數據同時傳回解算平臺，進行長時間的靜態解算，可得到毫米級別的位移信息。

1.2 監測系統的設計

采用全自動的監測方法進行監測，使用太陽能對現場設備進行供電，通過無線網絡的方式，將所有接收機數據傳輸至服務器進行解算，解算后傳輸至自動化監測預警平臺進行預警與展示，最終實現對整個邊坡的實時監測與自動預警。系統主要由4個部分構成：GNSS接收機、供電系統、解算平臺與客戶端。 各組成部分主要參數如下：

GNSS接收機：采用三星八頻GNSS接收機，可以接收并聯合處理北斗BDS B1B2B3、GPS L1L2L3、GLONASS L1L2數據，平面定位精度2.5 mm+1 ppm，高程定位精度5 mm+1 ppm，設備功率2 W，數據采集間隔60 s，每30 min提供一次解算結果。

供電系統：2×80 W太陽能板、60 AH蓄電池，可滿足連續陰雨天的24 h持續供電。

解算平臺：采用靜態解算，每60 min生成一次解算結果，采用非線性卡爾曼濾波算法進行濾波。

客戶端：采用B/S架構，支持網頁端與手機端查看，具有自動采集、成圖、智能預警、人工巡視、報表生成、綜合管理等功能。

2 典型監測成果

以廣西賀州至巴馬高速公路某邊坡為例，邊坡主要由三疊系下統地層組成，巖性為泥質砂巖，薄-中厚層構造，全-強風化為主，其中全風化層呈堅硬土狀，強風化層巖質較軟，巖體破碎，層厚>25.0 m，中風化巖層埋藏深，邊坡巖層產狀為335°/SW∠65°，為逆向坡。

在坡面上布置9個監測點，主斷面布置3個設備，兩側斷面各布置2個設備。基準站1臺，布置在距離監測點約200 m處的空曠地帶。監測點布置如圖2所示。

圖2 監測點布置圖

設備于2021年4月安裝，邊坡開挖至兩級，后根據邊坡開挖情況，逐級開挖，逐級安裝。經歷了邊坡變形開裂、局部失穩、應急搶險的過程，北斗位移監測站在此過程中采集了完整的變形數據，充分證明了其有效性，指導了現場施工，具體成果如下。

(1)邊坡位移方位獲取。北斗解算得到了三個數值，分別為：X(東方向)、Y(北方向)、Z(高程方向)，通過X、Y求反三角函數，可得到北斗監測站的位移方位。通過對比北斗監測站的位移方位與邊坡開挖方向，既可以驗證數據是否符合實際情況，排除明顯的壞點，也可以獲取邊坡的位移方位，針對性地采取措施。如圖3所示為兩個典型監測站求出的位移方位圖，可以看出北斗監測站位移方位角為50°(圖中散點)，邊坡坡面方位角也是50°(圖中箭頭)，這說明邊坡位移方位是完全朝著開挖的臨空方位，是由于邊坡開挖導致的巖土體位移。

(a)2-GNSS1監測站

(b)3-GNSS1監測站

(2)邊坡穩定性分析。如后頁圖4所示為監測點的累計位移-時間曲線，由該曲線可以看出邊坡的累計位移量與位移速率，通過累計位移量與位移速率可推斷出邊坡的穩定狀態。由圖4可以看出，設備自4月安裝以來，一直處于位移中，在4月18日至6月17日曲線處于平直上升段，整體處于勻速運動狀態，整體位移速率約為2.5 mm/d。此時，邊坡處于欠穩定狀態，但未達到失穩，監測方給出了橙色警戒，提醒現場注意及時采取措施，該過程中邊坡坡頂與坡面逐漸出現局部裂縫，且裂縫一直在發展。6月18日之后累計位移-時間曲線斜率明顯變大，邊坡進入了加速位移階段，位移速率約為50 mm/d，速率較前期大了20倍，此階段邊坡已經處于失穩的邊緣，觸發紅色警戒值，系統發出紅色警報。6月19日，邊坡發生局部垮塌。

(3)處置效果驗證。6月19日邊坡垮塌后，北斗顯示邊坡仍然保持著高速位移，位移速率整體保持在100 mm/d以上，隨時有發生二次垮塌的風險，為保障邊坡安全，相關單位進行了坡腳反壓搶險。6月25日，邊坡反壓至30 m，可以看出搶險反壓后，位移速率明顯降低，曲線整體趨向于平緩，而后位移速率降低趨勢明顯。至6月29日，位移曲線基本為一平直線，位移速率降為0，這說明搶險措施效果良好，邊坡已經處于安全狀態。通過北斗位移監測有效證明了搶險措施的有效性。

(a)2-GNSS1監測站

(b)3-GNSS1監測站

3 結語

本文以西部某高速公路典型邊坡為例，建立了GNSS自動化監測預警系統，對邊坡進行了全過程的監測預警，得到以下結論：

(1)通過結合GNSS定位技術與無線數據傳輸技術，可實現邊坡地表位移的自動化監測，有效提高了監測的時效性與預警的可靠性。

(2)通過分析GNSS位移方位圖，可了解邊坡的位移方位，為邊坡的處置提供參考。

(3)通過分析GNSS累計位移-時間曲線圖，得到累計位移量與實時位移速率，在施工期與運營期可以對邊坡的安全進行預警，在搶險期可以通過位移速率判斷搶險措施的有效性，實現信息化施工與動態設計。