基于多源數據的公路邊坡穩定遠程實時監測系統設計

甘露，袁潤，賈偉

1.湖北省交通投資集團有限公司，湖北 武漢 430074；2.武漢工程大學資源與土木工程學院，湖北 武漢 430074；3.湖北省宜巴高速公路建設指揮部，湖北 宜昌 443700；4.中建三局集團有限公司，湖北 武漢 430002

基于多源數據的公路邊坡穩定遠程實時監測系統設計

甘露1，袁潤2，4，賈偉3

1.湖北省交通投資集團有限公司，湖北 武漢 430074；2.武漢工程大學資源與土木工程學院，湖北 武漢 430074；3.湖北省宜巴高速公路建設指揮部，湖北 宜昌 443700；4.中建三局集團有限公司，湖北 武漢 430002

針對傳統邊坡監測方法測量精度低、監測參數類型單一及自動化程度低等問題，提出了基于GPS技術的多源監測方法.首先建立現場監測單元，實時獲取多維參數；然后利用GPRS無線通信技術建立數據通信單元，實現現場監測數據的遠程自動化傳輸；最后利用計算機技術構建監測預警系統，實現監測數據存儲、分析及災害預警的功能，達到了監測的實時、自動化、全天候等要求.該系統能及時預測邊坡地質災害，發布預警信息，以減少人員與財產損失.

GPS技術；多源監測；GPRS

0 引言

隨著我國公路建設的快速發展，公路邊坡失穩事故頻繁發生，給社會經濟和人民生命安全造成了嚴重影響.因此，預防邊坡災害成為公路工程建設和運營過程中的必要環節［1］.

大山坡隧道邊坡位于宜昌市夷陵區官莊鎮境內，全長200m高約60m，為一五級邊坡.據區域地質資料及現場地質調繪結果，工程區所處大地構造位置屬于新華夏系第二沉降帶的次級構造－宜昌單斜凹陷之上，構造簡單，無區域性斷裂構造，屬穩定的構造區段.區內普遍出露白堊系地層，巖層產狀115°∠9°.工程區出露基巖為白堊系下統五龍砂巖，屬軟質巖類，力學強度較不均勻；表層零星分布第四系殘坡積粘性土等松散土層.水文地質條件比較簡單，主要為基巖裂隙水等，賦水性一般較弱.本監測系統以3S技術，電子技術，計算機技術為基礎，高效準確監測邊坡的實時動態并進行危險預警，為宜巴高速公路的安全施工和正常運營提供科學依據.

1 監測項目

在工程應用中，邊坡監測包括地表位移監測、地下變形監測、影響因素監測和宏觀地質監測等［2］.本系統結合大山坡隧道邊坡的結構特點和地質水文條件，選取邊坡位移、土體應力、間隙水壓對邊坡進行多源監測，確保監測信息全面有效.本系統的主要監測項目及設備如表1所示.

表1 主要監測項目及設備Table 1 Mainmonitoring projects and equipments

監測結果的準確性與監測位置的選取有一定關系.傳統的邊坡監測主要是施工監測，確保施工期邊坡的安全.本次監測著重于評價邊坡施工期和運營期的穩定性，對滑坡的邊界條件、滑坡規模、滑動方向、滑坡發生時間及危害程度等作出預測預警.因此，在邊坡位移監測中，首先估計主要滑動方向，按滑動方向及范圍確定測線；其次選取典型斷面，布置測線；再按測線布置相應監測點，通過空間布展形成監測網［3］.本系統中有5個位移監測點及1個監測基準點，基準站布設在周邊基巖.其中1號點位于2、3階層交接坡肩；2號點位于2階中心位置；3號點位于2階靠近山谷端；4號點位于4階中心位置；5號點位于4階邊坡靠近山谷端.具體位移監測點位置如圖1所示.

圖1 監測點位置示意圖Fig.1 Schematic diagram of themonitoring position

在土體應力監測和間隙水壓監測中，根據不良地質及有特殊要求的地段，在邊坡中心左右5m處各設置1個監控量測斷面，土壓力計和振弦式滲壓計分別位于監測斷面的1、2階處.

2 監測系統

監測系統主要由現場采集單元，信息傳輸單元，數據庫單元和計算機控制單元等四部分組成（圖2）.

圖2 監測系統圖示Fig.2 Diagram of themonitoring system

現場采集單元以微型處理器MCU作為控制核心，通過放大電路，測量電路連接監測設備采集數據，數據采集的頻率可由工程需要自行設定.在現場采集單元中，為解決GPS技術監測成本高的問題，本系統采用一機多天線技術.一機多天線技術利用微波開關，控制多個天線以分時復用的方式共享一臺GPS接收機，從而使一臺GPS接收機可以對多個測點監控，使昂貴的GPS接收機陣列轉變為天線陣列，使監測成本成倍降低［4］.

信息傳輸單元主要完成數據信息的傳輸工作.實際中，因考慮了遠距離無線通信穩定性和使用成本等因素，而選用GPRS通信設備.GPRS的英文全稱為General Packet Radio Service，中文含義為通用分組無線服務，它是利用“包交換”（Packet－Switched）的概念所發展出的一套無線傳輸方式. GPRS的最大優勢是它的數據傳輸速度，這是WAP數據傳輸不能比擬的，且因GPRS具有“永遠在線”的特點，也即用戶隨時與網絡保持聯系，這樣能保證數據在傳送過程中的快速、準確、可靠等明顯效果.現場采集的數據通過串行接口RS485傳輸至GPRS無線通信模塊后，由GPRS模塊將所有信息傳至數據庫中心，從而完成數據信息的高效快速傳輸，以達到遠程實時監控的要求.

數據庫單元接收數據信息后，將完成3項工作：a.監測數據預處理.由于現場監測的數據存在較多缺陷，數據庫中心將使用最小二乘法，三次樣條插值法和Mallat算法對這些數據進行預處理，完善監測數據；b.GPS數據解算.GPS接收機上傳的原始數據格式為RT17，RT17包含載波相位數據和星歷等數據.這些數據通過數據庫中心的實時解算才能得到監測需要的信息［5］.c.數據保存和輸出，所有處理解算后的數據將保存在數據庫中心并可輸出至監測終端.

計算機控制單元具有以下功能：a.數據采集管理.通過遠程傳輸指令給MCU，實時管理現場監測設備；b.數據分析.將采集的數據進行處理，生成過程線分析圖，斷面分析圖和安全評價分析圖；c.數據輸出.完成數據的整理，形成日報表并輸出到數據庫中；d.發布預警信息.根據數據分析圖和有限元建模確定的滑坡閾值進行預警反饋，預警的方式包括短信和電子郵件等.圖3所示為計算機控制系統主界面.

圖3 計算機控制系統主界面Fig.3 Main interface of the computer－control system

3 監測結果

監測系統獲取邊坡各項監測數據后，通過與已確定的滑坡閾值進行比對，可以判定邊坡的穩定程度和預警級別.在本系統中，為了得到較準確的滑坡閾值，采取有限元強度折減法進行數值分析，模擬軟件根據有限元的計算結果得到邊坡破壞滑動面和邊坡強度儲備安全系數［6］.根據摩爾－庫倫強度準則，邊坡的強度折減系數可表示為：

c為巖土體粘聚，φ為內摩擦角，ω即為強度折減系數.

自2012年7月監測系統安裝應用至今，獲取了多種邊坡監測數據，邊坡整體處于穩定狀態.圖4為2012年8月份邊坡應力監測圖，圖5為2012年8月份間隙水壓力監測圖，圖6為2012年8月份GPS水平位移監測圖.

通過ANSYS模擬分析可知，取安全系數F＝1.5時，1號監測點臨滑水平應力為652.7 kPa，2號監測點臨滑水平應力為317.2 kPa.在圖4中1號土壓力計最大數值為421.3 kPa，2號監測點最大數值為265 kPa，均不超過臨滑控制值，各點應力水平較低.

圖4 邊坡應力監測Fig.4 Slope stress－monitoring graph

圖5 間隙水壓力監測Fig.5 Interstitial water pressure－monitoring graph

在邊坡災害中，降雨和地下水會使間隙水壓有一定量的增加，從而使土體的有效應力減少，抗剪強度降低，土體的整體強度衰弱.在圖5中，間隙水壓力值整體平穩，其中1號滲壓計的最大值僅為615.3 kPa，小于監測控制值，對邊坡穩定的影響較小.

ANSYS模擬分析可知，取安全系數F＝1.5時，1號監測點臨滑位移X1＝25.69mm，2號監測點臨滑位移X2＝40.32 mm，3號監測點臨滑位移X3＝55.7mm，4號監測點臨滑位移X4＝30.29mm，5號監測點臨滑位移X5＝36.12mm.圖6中GPS水平位移值均小于臨滑值，邊坡各點處于穩定范圍內.

圖6 水平位移監測Fig.6 Horizontal displacementmonitoring graph

4 結語

宜巴高速公路邊坡穩定遠程多源實時監測系統采用GPS全站儀與土壓力計，振弦式滲壓計的組合，對公路邊坡多源監測，為進一步數據融合提供了信息基礎，提高了監測分析的準確性.現場監測設備通過微型處理器控制，可以按需調整采集頻率，降低了監測設備的工作負荷，提高其有效使用率.同時，在系統中使用GPRS無線通信技術和計算機控制技術，實現了監測的實時、自動化、全天候等要求.

本系統不僅能有效監測公路邊坡災害，而且可以推廣到鐵路、水庫、礦山等工程建設項目中.另外，采用該系統能及時預測邊坡地質災害，供政府部門采取措施整治，發布預警信息，有效避免交通安全和人民生命財產損失.

致謝

感謝湖北宜巴高速公路建設指揮部對本項目的支持！

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YANG Ming，YAO Lin－kan，LIU Cheng－long.The monitoring technology of external deformation of mountain highway slope［J］.Subgrade Engineering，2006（5）：54－55.（in Chinese）

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Design of real－timemonitoring system for freeway slope based on multisource remote

GAN Lu1，YUAN Run2，4，JIAWei3
1.Hubei Provincial Communications Investment Group Co.，Ltd，Wuhan 430074，China；2.School of Resource and Civil Engineering，Wuhan Institute of Technology，Wuhan 430074，China；3.The Construction Headquarters of Yichang to Badong Freeway，Yichang 443700，China；4.China Construction Third Engineering Bureau Co.，Ltd，Wuhan 430002，China

Aimed at the low measuring precision，single type ofmonitoring parameters and low automation，a multi-source data monitoring method based on GPS technology was proposed.Firstly，the on-site monitoring unit was established to obtain real-time multi-dimensional parameters.Then，the data communications unit was established by using GPRS wireless communication technology to realize automatic transmission of site monitoring data.Finally，themonitoring and warning system was established by using computer technology，to realize the function of storage and analysis ofmonitoring data and disaster warning，which meets the requirements of real-time，automated and all-weather detection，etc.The system can forecast slope geological disaster and release warning information promptly，which would reduce the personnel and property losses.

GPS technology；multisourcemonitoring；GPRS

TU196

A

10.3969/j.issn.1674-2869.2015.12.007

1674－2869（2015）12－0031－05

本文編輯：龔曉寧

2015－10－14

甘露（1983－），男，湖北蘄春人，工程師.研究方向：道路工程施工與管理.