GPS在高速公路路基高邊坡滑塌監(jiān)測中的應用

丁文輝，李玉忠

(1.廣西樂百高速公路有限公司，廣西 南寧 530022；2.河北建筑工程學院，河北 張家口 075000)

0 引言

近年來，隨著我國高速公路建設的飛速發(fā)展，路基高邊坡滑塌事件頻發(fā)，給國家造成了巨大的經(jīng)濟損失。滑坡作為比較嚴重的地質災害，其發(fā)生具有突發(fā)性，所以需要依靠邊坡監(jiān)測來保證安全。通過對路基高邊坡變形的監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，可以評價該邊坡的穩(wěn)定性，為建設單位和運營單位提供預報數(shù)據(jù)，保障高速公路安全高效運行。以往一般采用經(jīng)緯儀等傳統(tǒng)測量技術對邊坡位移進行間斷式監(jiān)測，且受到諸多因素的限制。近些年來，GPS技術得到了飛速發(fā)展，董來東利用GPS-RTK配合全站儀進行了基坑工程的位移監(jiān)測[1]；徐雪闡述了GPS技術在大壩監(jiān)測時的影響因素和具體操作辦法[2]；劉星等利用GPS技術對某教學樓的垂直度進行了監(jiān)測[3]。以上研究成果表明，利用GPS技術能夠對工程進行精準、連續(xù)位移監(jiān)測。本文就GPS技術在高速公路路基高邊坡滑塌監(jiān)測的應用進行研究，以期為類似工程提供參考。

1 GPS

1.1 GPS技術

GPS又稱全球定位系統(tǒng)，是一種可以提供準確的定位、測速和高精度的時間標準的導航系統(tǒng)，其主要由衛(wèi)星、地面基站和用戶設備組成。其中，衛(wèi)星有24顆，21顆為正常工作，3顆為備用；地面基站由一個主控站、4個天線站和6個監(jiān)測站組成。其基本原理是24顆衛(wèi)星以12 h的周期繞地球旋轉，地面上任意時刻、任意位置都可以同時觀測到4顆衛(wèi)星，通過接收基站到衛(wèi)星之間的距離和三維坐標中的距離公式，組成4個方程式，從而得到觀測點的精確位置、經(jīng)緯度和高程。GPS的主要功能有導航、定位、精確定時、工程施工(如道路、橋梁、隧道的工程測量等)、測繪等，具有快速、精準等特點。

鑒于強大的功能優(yōu)勢，GPS逐漸在各個領域被廣泛應用，如汽車導航、交通管理和巡更等方面。在道路工程中的應用主要是用于建立各種控制網(wǎng)及測定航測外控點等。隨著高速公路建設的迅速發(fā)展，GPS在道路工程勘測、施工和監(jiān)測領域也得到了長足的發(fā)展，尤其是對大型橋梁、隧道的工程勘測、施工、監(jiān)測，避免了常規(guī)測量方法的弊端，提高了測量的精度，同時縮短了工期。

1.2 GPS邊坡監(jiān)測應用技術

GPS高邊坡路基變形監(jiān)測系統(tǒng)就是利用高精度GPS監(jiān)測儀對邊坡的位移變形量進行監(jiān)測，并通過傳輸模塊將監(jiān)測數(shù)據(jù)實時回傳到監(jiān)測云平臺，對路基邊坡監(jiān)測數(shù)據(jù)進行處理分析，同時生成監(jiān)測報告。該系統(tǒng)主要包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)分析和結構顯示四個部分，能夠實現(xiàn)從數(shù)據(jù)采集到數(shù)據(jù)分析再到監(jiān)測結果顯示的全過程自動化。

邊坡路基發(fā)生滑塌時，GPS監(jiān)測系統(tǒng)及時發(fā)出報警，監(jiān)測人員緊急通知運營及施工、建設單位，為后續(xù)邊坡滑坡處理和保證運行車輛安全爭取寶貴的時間。通過高邊坡路基滑坡發(fā)生前后的變形監(jiān)測情況，為后續(xù)的滑塌邊坡處理提供了依據(jù)。通過GPS高邊坡路基監(jiān)測數(shù)據(jù)，綜合分析邊坡穩(wěn)定性，對邊坡安全狀態(tài)進行評估并提供依據(jù)。同時，為驗證高邊坡路基設計和施工工藝提供參考依據(jù)，從而進一步完善相似地質邊坡設計方案和施工工藝，保障高邊坡路基的穩(wěn)定和安全。

2 工程應用

2.1 工程概況

某路基邊坡為高速公路橫切斜坡，路面設計高程約為614.674 m。該處路線走向約235°。根據(jù)設計提供的1∶2 000地形圖及路線縱斷面圖，挖方路段總長約為420 m，右側邊坡切坡高度約為61 m，坡度較高。邊坡為低山地貌，起伏大，地面高程相對高差約90 m。邊坡多為第四系殘積層覆蓋，下伏基巖為三疊系中統(tǒng)砂巖。巖石裂隙較發(fā)育，但分布不規(guī)則。邊坡范圍內(nèi)勘察鉆孔處無地表水，地下水主要為基巖裂隙水。

2.2 測點布置

高速公路高邊坡位移監(jiān)測點的布置要結合現(xiàn)場實際，具體問題具體分析，建立有效的監(jiān)測網(wǎng)。施工過程中，在該路基邊坡布設2個深孔位移監(jiān)測點、4個地表位移監(jiān)測點，以滿足道路通車以后對該邊坡的監(jiān)測需要。其中，SKJK01、SKJK02為深孔位移監(jiān)測點，DB01～DB04為地表位移監(jiān)測點。

2.3 數(shù)據(jù)處理和分析

2.3.1 滑塌邊坡監(jiān)測數(shù)據(jù)處理

現(xiàn)場GPS測點實時將位移數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)控中心，再通過網(wǎng)絡上傳到云平臺進行存儲。平臺對數(shù)據(jù)進行整理分析，而后進行圖表輸出和預警處理。

該段高邊坡路基因地質和強降雨原因，在試運營期間突然發(fā)生滑塌。滑坡體沿路線方向長40 m，垂直路線方向約70 m，高50 m，平均厚度約5 m，滑坡面積約2 800 m2，體積約1.4萬m3，造成高速公路通行中斷。根據(jù)塌方邊坡近期內(nèi)的變形監(jiān)測統(tǒng)計數(shù)據(jù)，滑坡發(fā)生前后各監(jiān)測點位移變化如圖1～6所示。

圖1 SKJK01、SKJK02測點深孔位移監(jiān)測曲線圖

圖2 SKJK01測點峰值位移與時間關系曲線圖

圖3 SKJK02測點峰值位移與時間關系曲線圖

圖4 DB01測點地表位移監(jiān)測曲線圖

圖5 DB03測點地表位移監(jiān)測曲線圖

圖6 DB04測點地表位移監(jiān)測曲線圖

2.3.2 滑塌邊坡監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

基于平臺處理數(shù)據(jù)，對高速公路高邊坡位移超限的測點歸類，而后進行分級預警，同時出報告、發(fā)預警。工程各參與方可以通過電腦、手機、文件等形式查看監(jiān)測數(shù)據(jù)和監(jiān)測報告。邊坡檢測日報如后頁表1所示。

表1 邊坡監(jiān)測日報示例表

通過對GPS監(jiān)測數(shù)據(jù)、變形曲線和監(jiān)測報告綜合分析滑塌邊坡穩(wěn)定狀態(tài)，DB01測點及DB04測點變形較小且累計變形數(shù)值較小，說明監(jiān)測點位處路基邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)，即兩側低矮邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。

SKJK01測點峰值位移速率達10.87 mm/d，為紅色警報狀態(tài)，深部位移速率仍處于較高狀態(tài)；DB03測點累計水平位移達60 mm，方向角為東偏南方向，累計垂直位移達16.5 mm，峰值水平位移速率為3.0 mm/d，峰值垂直位移速率為7.5 mm/d。

通過對SKJK01及DB03號監(jiān)測點監(jiān)測變形數(shù)據(jù)進行分析，該段高路基邊坡水平位移速率和垂直位移速率較快且累計位移較大，邊坡整體處于較危險狀態(tài)，有發(fā)生垮塌的風險，須及時對該段邊坡進行加固處理并對該段運行車輛進行交通管制，以確保過往車輛安全通行。

3 結語

高速公路高陡邊坡的穩(wěn)定安全對于交通運營、人民的生命財產(chǎn)等具有重要的影響，對其位移進行快速、有效的監(jiān)測就顯得尤為重要。本文以某高速公路高邊坡為背景，較為全面地介紹了GPS監(jiān)測系統(tǒng)，并將其應用于高速公路高邊坡位移監(jiān)測和坍塌預警的過程中，驗證了利用GPS對高速公路高陡邊坡進行位移監(jiān)測是可行的，且達到了較好的監(jiān)測效果，保障了高速公路運營安全。通過GPS多項觀測指標來綜合分析邊坡的穩(wěn)定情況，能更好地反映邊坡的實際情況。同時也能為類似工程提供參考依據(jù)。