公路高邊坡穩定性遠程監控技術研究

于遠亮，靳 靜

(河北科技大學建筑工程學院，河北石家莊 050018)

結合邢汾高速公路工程實際，綜合運用理論分析［1-4］，對公路邊坡進行災害安全監測預報，并編制了具體的地質災害監測技術方案。通過對公路項目邊坡災害安全監測預報，能準確掌握其變形和運動規律，優化設計方案，實現動態設計與施工，保證治理措施的安全可靠和經濟合理，避免因地質災害造成的工程人員傷亡等事故［5-7］。

1 工程概況

邢汾高速公路邢臺至冀晉界段位于河北省邢臺市、邢臺縣、沙河市境內，場地屬剝蝕構造丘陵地貌，地形起伏略大，高填方、深挖方、半填半挖路段多。依據《公路路基設計規范》(JTG D30—2004)，土質挖方邊坡切坡高度超過20 m、巖質挖方邊坡切坡高度超過30 m以及不良地質、特殊巖土地段的挖方邊坡，應進行個別勘察設計［8］。在邢汾高速公路山區段選擇有代表性的5個邊坡斷面埋設遠程監控設備，進行邊坡的地質災害安全監控工作。具體的邊坡里程和高度情況見表1。

表1 邊坡斷面里程及切坡高度統計表Tab.1 Tables of the slope length and slope cutting

2 監測項目和內容

根據邢汾高速公路項目現場情況，擬采取邊坡巖體深層位移動態監測，并利用小型氣象站進行降水量監測。邊坡巖體深層位移監測是通過在邊坡上深層鉆孔，孔內放置測管，利用管內不同深度處埋設的固定式測斜儀以及邊坡頂部設置DSC無線數據系統進行的。在每個監測斷面位置安裝一套翻斗式雨量計進行降水量監測。

遠程監測的特點是無人值守自動化監測，并可以根據觀測結果和現場環境情況在控制中心遠程調整觀測頻率。初步設定現場監測頻率見表2。

表2 邊坡施工各階段穩定性監測頻率Tab.2 Stability monitoring frequency in each stage of slope construction

警戒值應根據工程現場具體地質和周邊環境情況而定，表3是依據現場地質情況設定，并參考國內外滑坡監測的變形速率資料［9-11］，借鑒陜西隴縣李家下滑坡中滑坡表面觀測點位移監測項目［12］，最終確定邊坡深部水平位移變形速率為監測項目警戒值的參考值，供監測工作初期參考，在施工過程中應根據現場情況予以修正。

表3 邊坡穩定性監測警戒值Tab.3 Alert value of slope stability monitoring

當邊坡位移速率突然增大或者達到表3的警戒值時應對邊坡的安全性及時預警并采取相應的技術措施。

3 監測點布置及措施

3.1 測管埋設

埋設測管時注意管內導槽所對方向。管內導槽是個十字型，埋設時保證導槽一方開口垂直路基，尤其注意接頭處導槽要對齊，如圖1所示。等測管穩定一段時間至測管周圍的砂不再沉降時再安裝傳感器，如圖2所示。注意控制埋設第1個傳感器的位置，傳感器之間用不銹鋼加長桿連接，測桿之間用萬向節相連，最上面一個傳感器可用一根鋼絲連接到管口方便以后對儀器維護的檢查。

圖1 測斜管的埋設和接頭Fig.1 Burying and joint of the inclinometer

圖2 固定測斜儀Fig.2 Fixed inclinometer

3.2 雨量計埋設

在邊坡監測斷面周圍穩定的位置澆筑一個混凝土平臺，用膨脹螺栓將雨量計固定在平臺上。雨量計安裝好后，將傳感器連接到采集系統上，進行調試。調試完畢后，可正常投入使用。

3.3 無線數據收發模塊的安裝

將圖3的無線數據收發模塊(DTU)兩顆螺釘擰開，安裝SIM卡。天線應從密封箱外，引入接頭接到模塊上。天線主體放置在有手機信號的地方。上網手機模塊可放置在密封箱中，并固定，見圖4。

圖3 SIM卡安裝圖Fig.3 Installation diagram of SIM card

圖4 GPRS天線連接圖Fig.4 Connection diagram of GPRS antenna

3.4 安裝注意事項

所有采集、發送裝置盡量隱蔽安裝。對于測試元件，將派專人保護，定期巡查現場測試元件是否破壞或是發生不穩情形。一旦破壞，及時整修，確保監測工作的連續穩定進行。

4 遠程監控系統的建立

借鑒鐵路部門交通災害預警管理模式［13］，山區高邊坡安全遠程自動監測系統主要由監測現場站、移動通訊網絡、監測中心站3部分組成。現場站主要由現場信號傳感模塊、采集模塊、遠程數據傳輸模塊、小型氣象站、供電模塊、儀器保護箱等組成，監測中心站主要由服務器、無線信號接收儀、若干客戶查詢計算機和打印機組成。現場站和監測中心站之間通過移動通信GSM網絡的GPRS方式進行數據的發送和傳輸，如圖5所示。邊坡的安全監控工作流程如圖6所示。

圖5 遠程監控系統各模塊功能Fig.5 Function of each module in the remote monitoring system

圖6 邊坡安全監控工作流程圖Fig.6 Flow chart of slope safety monitoring work

本自動監測系統變形測試量程為300 mm，在此量程范圍內，變形測試誤差小于1 mm。現場信號采集模塊能夠同時采集32路電感調頻類智能數碼傳感器的輸出信號;采樣周期可人工控制與調整，同時根據小型氣象站傳遞信息，及時調整數據采集周期，如雨雪天氣監測中心可隨時調整數據采集周期;測試儀器能按照規定的時間實現自動測量和數據存儲功能。為防止數據丟失，現場信號采集模塊能存儲1年的采集數據，現場信號采集模塊具有在測試現場與筆記本電腦相連下載采集數據的功能，能夠在室內完成數據的下載。

能夠利用GSM網絡將現場的采集數據自動傳輸到主監測中心，并具有自動傳送、實時傳送、系統預約、系統狀態信息發送的功能。主監測中心能夠實現數據的自動接收、修改系統參數、控制系統的采集時間間隔和傳輸時間等;并根據需要進行實時采集與傳輸、自動診斷現場采集終端的工作狀態;實現多臺現場采集終端的數據接收、數據轉換、數據分析處理工作;實現溫度采集結果的自動分析處理功能;控制現場采集終端進行系統的自校準。

5 監測數據處理

數據采用DSC無線數據系統軟件進行儲存與處理。軟件定時接收監測數據，并可生成各種報表以及每個測點、每個測孔的位移變化曲線。在數據達到警戒值時及時發出警報。

在監測過程中，實時對監測數據進行整理和分析，以監測通報、周報的形式送達有關各方。工程結束后，提交完整的監測總報告及電子文檔。當監測數據異常，超出預警值或位移-時間曲線出現不穩定征兆時，在監測完成24 h內發出監測通報，及時向有關部門和人員報告。在工程監測過程中，實時對監測結果進行整理。在施工完成后，及時對監測工作進行總結，在要求時間內將監測總報告提交給相關部門。

6 結語

本文闡述了邢汾高速公路深挖路塹邊坡地質災害安全監控技術的原理和實現過程。依據邢汾高速公路現場勘察資料和相關規范選取30 m以上高挖方邊坡中5個地質條件不穩定的較危險邊坡進行地質災害遠程監控，確定了監測項目為深部位移和環境降雨量監測，介紹了監測儀器的埋設安裝步驟及保護措施，提出了遠程監控系統的功能和工作流程。研究成果對保障深挖路塹邊坡的安全穩定具有一定的指導意義。

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