北斗高精度遠(yuǎn)程自動(dòng)化監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)的應(yīng)用

■文/圖｜漢中市公路局 龔建利

近期，漢中市公路局在國(guó)道210線漢中西檀段高邊坡應(yīng)急治理工程中應(yīng)用了北斗高精度遠(yuǎn)程自動(dòng)化監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)，為高邊坡地質(zhì)災(zāi)害治理監(jiān)測(cè)探索了新方法、新路徑。

北斗高精度遠(yuǎn)程自動(dòng)化監(jiān)測(cè)是一種全新的監(jiān)測(cè)方法，其最大優(yōu)點(diǎn)是測(cè)量絕對(duì)位移，量程沒有限制，監(jiān)測(cè)儀器性能穩(wěn)定，基本不需要維護(hù)，全天候運(yùn)行，數(shù)據(jù)自動(dòng)傳到電腦和手機(jī)，可實(shí)時(shí)掌握變形動(dòng)態(tài)，與人工監(jiān)測(cè)相比具有明顯技術(shù)優(yōu)勢(shì)，被廣泛應(yīng)用于公路工程安全監(jiān)測(cè)全過程中。國(guó)道210線陜西省漢中市西鄉(xiāng)檀木壩段（以下簡(jiǎn)稱“西檀段”）高邊坡災(zāi)毀應(yīng)急治理工程前期、施工和后期中的監(jiān)測(cè)就應(yīng)用了北斗高精度遠(yuǎn)程自動(dòng)化監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)。

表1 主要監(jiān)測(cè)儀器一覽

北斗高精度遠(yuǎn)程自動(dòng)化監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)

北斗高精度遠(yuǎn)程自動(dòng)化監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)采用高精度北斗RTK監(jiān)測(cè)、GNSS監(jiān)測(cè)站、拉線式位移計(jì)監(jiān)測(cè)、錨桿拉力計(jì)、自動(dòng)雨量監(jiān)測(cè)、視頻監(jiān)控等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程自動(dòng)化監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)通過GPRS傳輸?shù)奖O(jiān)測(cè)云平臺(tái)，可通過電腦、手機(jī)終端登錄查看監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，獲得預(yù)警信息，實(shí)時(shí)掌握變形動(dòng)態(tài)，并可自動(dòng)以短信方式發(fā)送預(yù)警信息。

GNSS監(jiān)測(cè)站中的位移一體機(jī)用于監(jiān)測(cè)三維位置坐標(biāo)的動(dòng)態(tài)，變化在誤差范圍內(nèi)（精度0.1毫米），若其均值保持不變，則認(rèn)為邊坡未發(fā)生變形。拉線式位移計(jì)和深部位移均監(jiān)測(cè)相對(duì)位移，根據(jù)變形趨勢(shì)和累計(jì)變形量評(píng)定穩(wěn)定性。鋼筋計(jì)主要監(jiān)測(cè)錨桿拉力，拉力值發(fā)生突然增大或減小則反映邊坡應(yīng)力迅速調(diào)整，預(yù)示著邊坡不穩(wěn)定。相反，拉力值保持基本不變，說明邊坡穩(wěn)定。

位移監(jiān)測(cè)具有精度高、易實(shí)施等優(yōu)勢(shì)，是多種因素作用的結(jié)果，能綜合反映邊坡穩(wěn)定性狀態(tài)。利用位移量預(yù)警邊坡穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，其思路是利用邊坡變形曲線的形態(tài)和趨勢(shì)分析邊坡變形發(fā)展階段，并結(jié)合邊坡演化規(guī)律預(yù)警邊坡穩(wěn)定性。

由于采用了智能化遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，獲得的數(shù)據(jù)精度和可靠性可大為增加。同時(shí)可實(shí)現(xiàn)全天候、連續(xù)監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于人工監(jiān)測(cè)，正常條件下監(jiān)測(cè)頻率為每小時(shí)1次。如遇變形加速等特殊情況時(shí)，可遠(yuǎn)程設(shè)置監(jiān)測(cè)頻率為每10分鐘1次。北斗高精度遠(yuǎn)程自動(dòng)化監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)可根據(jù)預(yù)警模型計(jì)算結(jié)果設(shè)置閾值自動(dòng)分級(jí)報(bào)警，預(yù)警時(shí)提供對(duì)策建議。

設(shè)計(jì)安裝方案

西檀段高邊坡應(yīng)急治理工程高度168米，寬約170米，厚度10米至30米，卸載土石方總量約為43萬立方米，防治工程的安全等級(jí)為一級(jí)，該滑坡性質(zhì)屬于軟巖蠕滑拉裂型滑坡。由于滑坡體規(guī)模大，又處于高位，一旦滑動(dòng)必然造成國(guó)道210線中斷，可能阻塞涇洋河道，威脅西鎮(zhèn)高速公路高架橋梁安全，而且該公路平均每15分鐘就有一趟客運(yùn)班線大巴車通過，通行風(fēng)險(xiǎn)極大。為了保障司乘的通行安全，避免或減少滑坡對(duì)國(guó)道210線司乘的危害，減少不必要的經(jīng)濟(jì)損失，安裝北斗高精度自動(dòng)化監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)提前預(yù)警十分必要。

施工期間監(jiān)測(cè)設(shè)備布設(shè)圖

根據(jù)《公路滑坡防治設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG/T 3334-2018）的要求，西檀段安裝的北斗高精度遠(yuǎn)程自動(dòng)化監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)對(duì)地表位移、深部位移、地下水動(dòng)態(tài)、支擋結(jié)構(gòu)物位移和預(yù)應(yīng)力錨索應(yīng)力均做了監(jiān)測(cè)，符合規(guī)范的要求，同時(shí)也宜收集降雨量資料或建立觀測(cè)站。通過前期對(duì)地質(zhì)條件的分析，結(jié)合治理工程設(shè)計(jì)，施工階段及運(yùn)營(yíng)階段監(jiān)測(cè)主要包括：地表位移、深部位移、雨量、結(jié)構(gòu)傾斜、錨桿應(yīng)力、視頻監(jiān)控。

根據(jù)滑坡結(jié)構(gòu)及變形破壞特征、治理初步設(shè)計(jì)方案，布設(shè)3個(gè)監(jiān)測(cè)斷面，重點(diǎn)監(jiān)測(cè)兩個(gè)主斷面的相對(duì)位移，兩排鋼管樁的樁頂位移，錨桿拉力，深部位移，降雨量等，監(jiān)測(cè)采用目前最先進(jìn)的高精度北斗RTK等自動(dòng)化傳感器，實(shí)現(xiàn)24小時(shí)在線監(jiān)測(cè)、無線傳輸?shù)姆椒āＧ岸藗鞲衅鞑杉降臄?shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)采集儀，利用GPRS無線傳輸技術(shù)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆破脚_(tái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的儲(chǔ)存與共享，經(jīng)過預(yù)警系統(tǒng)軟件分析數(shù)據(jù)并自動(dòng)發(fā)出預(yù)警，實(shí)現(xiàn)無人值守、實(shí)時(shí)監(jiān)控的安全動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。

北斗高精度遠(yuǎn)程自動(dòng)化監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)充分考慮施工前期、施工中和運(yùn)營(yíng)期邊坡穩(wěn)定性，采用可靠監(jiān)測(cè)設(shè)備，選擇具有代表性的監(jiān)測(cè)剖面和監(jiān)測(cè)站點(diǎn)，從而使監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)能為動(dòng)態(tài)預(yù)警提供科學(xué)保障；系統(tǒng)正常運(yùn)行后應(yīng)易于管理、易于操作，對(duì)操作維護(hù)人員的技術(shù)水平及能力要求不高，方便更新或維修；利用最優(yōu)布控方式做到既節(jié)省項(xiàng)目成本、后期維護(hù)投入的人力及物力少，又能最大限度的發(fā)揮出實(shí)際監(jiān)測(cè)的效果。

表2 監(jiān)測(cè)內(nèi)容及指標(biāo)

監(jiān)測(cè)信息預(yù)警反饋

北斗高精度遠(yuǎn)程自動(dòng)化監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)，可依據(jù)邊坡監(jiān)測(cè)預(yù)警模型分析結(jié)果發(fā)布預(yù)警，設(shè)置四級(jí)預(yù)警體系，分別是紅色預(yù)警、橙色預(yù)警、黃色預(yù)警和藍(lán)色預(yù)警。西檀段自2020年6月15日上線運(yùn)行北斗高精度遠(yuǎn)程自動(dòng)化監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)，通過數(shù)據(jù)分析表明邊坡處于基本穩(wěn)定狀態(tài)，維持了交通通行，保障了施工及城市間交通。2020年8月14日，該系統(tǒng)發(fā)出一次黃色預(yù)警，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，邊坡上部裂縫加寬加長(zhǎng)，危險(xiǎn)性增加，但整體仍基本穩(wěn)定，仍保持公路暢通。之后于11月8日再次發(fā)出黃色預(yù)警，與現(xiàn)場(chǎng)變化情況相符。

2021年4月25日，北斗高精度遠(yuǎn)程自動(dòng)化監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)自動(dòng)發(fā)出橙色預(yù)警短信。因判斷滑坡整體穩(wěn)定，橙色預(yù)警主要針對(duì)次級(jí)滑體，主要威脅坡腳施工及通行安全，對(duì)上部施工沒有影響。預(yù)警后施工單位派專門安全員在坡腳施工處觀察瞭望。5月4日，BDS-2絕對(duì)位移監(jiān)測(cè)表明位移持續(xù)逐步加速，水平累計(jì)位移曲線攀升，截至5月4日10時(shí)累計(jì)位移1369.38毫米，超過預(yù)先設(shè)定的紅色預(yù)警閾值，北斗高精度遠(yuǎn)程自動(dòng)化監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)于10時(shí)55分自動(dòng)發(fā)出紅色預(yù)警。發(fā)出紅色預(yù)警后，相關(guān)單位緊急封閉交通，加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)管理，為保證施工安全暫停了邊坡下方反壓平臺(tái)施工，加強(qiáng)監(jiān)測(cè)。同時(shí)，組織設(shè)計(jì)、施工、監(jiān)理等參加專題會(huì)議，研究評(píng)估現(xiàn)狀及制定對(duì)策。發(fā)出紅色預(yù)警后第5天，5月9日約5時(shí)30分）發(fā)生滑塌。

西檀段實(shí)景圖

西檀段災(zāi)毀重建應(yīng)急治理工程將北斗高精度遠(yuǎn)程自動(dòng)化監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)應(yīng)用于公路交通安全保障和工程施工安全管理，由于準(zhǔn)確可靠的超前預(yù)警，保障了國(guó)道210線西鎮(zhèn)段13個(gè)月的交通安全，產(chǎn)生了巨大社會(huì)效益；為西鎮(zhèn)高速公路建設(shè)保障了運(yùn)輸通道，減少了施工便道建設(shè)投資至少1000余萬元，創(chuàng)造了巨大經(jīng)濟(jì)效益；在2021年5月4日提前5天發(fā)出紅色預(yù)警，由于封閉交通、撤離施工人員，避免了重大傷亡和財(cái)產(chǎn)損失；根據(jù)GNSS監(jiān)測(cè)結(jié)果，自2021年6月以來數(shù)據(jù)平穩(wěn)，波動(dòng)一般不超過5毫米，均值穩(wěn)定，表明邊坡整體處于穩(wěn)定狀態(tài)。因此，北斗高精度遠(yuǎn)程自動(dòng)化監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)能夠很好地掌握施工過程中邊坡穩(wěn)定動(dòng)態(tài)、反饋優(yōu)化設(shè)計(jì)，達(dá)到了理想治理效果，為交通安全、施工安全提供了智能化信息化服務(wù)，社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益顯著，在公路、鐵路、水利等高邊坡或滑坡風(fēng)險(xiǎn)管理中值得推廣應(yīng)用。

四級(jí)預(yù)警體系及響應(yīng)措施一覽表