淺析山區高速公路高邊坡運營期監控技術

摘要：山區高速公路地形復雜，高邊坡穩定性問題十分突出，雖然在建設期已采取了必要的支護措施，但在一些不可確定因素作用下，邊坡也可能出現變形甚至失穩，因此采取科學手段實施高邊坡監控尤為重要，本文主要分析介紹了山區高速公路路塹高邊坡運營期監控技術。

關鍵詞：山區高速；高邊坡；運營期；監控

1 高邊坡監控的必要性

建設時期公路路基在開挖過程中，進行了大量的開挖切坡和填筑，在客觀上為道路的坍塌、滑動以及泥石流等地質災害創造了條件，大部分邊坡在長期的重力作用下，已處于平衡狀態，當邊坡開挖時，在應力的釋放、可能的殘余構造應力的釋放或卸荷的作用下，邊坡內部的地應力狀態將重新調整，并將改變邊坡原有的平衡狀態，使得邊坡坡體產生應力集中區和拉應力區，對邊坡的穩定不利，此時邊坡將會通過變形的方式將應力重分布表現出來，并期望通過變形達到新的平衡狀態。如果難以達到平衡時，邊坡坡體的變形將持續加劇，最終超過邊坡的自穩能力，導致邊坡失穩破壞。即使對開挖邊坡進行了相應的支護措施，但是由于邊坡內部的應力重新調整的過程是一個非常緩慢的過程，邊坡仍將持續變形直到最終達到平衡狀態，所以在高速公路運營過程中，很有必要對重點邊坡進行長期的動態監測，通過檢測數據實時掌握邊坡的穩定性情況。

2 高邊坡監控技術發展趨勢

20世紀50年代以來，工程界逐步認識到巖土工程事故大多是由于基礎失穩引起的，對基礎進行現場監測，及時得到基礎信息并采取相應的防范補救措施，可以預報、預防事故的發生，現場監測方法逐漸得到重視，20世紀70年代以來，對現場監測項目的確定，監測儀器的選擇、布置，監測儀器的埋設技術，以及觀測方法和觀測資料的整理分析等方面的研究工作大大加強，進入20世紀90年代，現場監測的硬件和軟件迅速發展，范圍不斷擴大，監測自動化系統，數據處理系統，資料分析系統，安全預報系統不斷完善，工程設計采用新的可靠度設計理論方法以來，現場監測作為必要手段，成為提供設計依據，優化設計和可靠度評價不可缺少的一部分。

3 高邊坡監控系統的建立原則及主要目標

3.1、系統建立原則

以系統工程為指導思想，以原型調研為基礎，以變形-破壞預測預報模型為核心，利用現代監測技術及GIS系統開發技術，實現高邊坡安全監控系統集成，實現高邊坡安全管理自動化的原則。

3.2、高邊坡監控主要目標

（1）為邊坡工程施工和運行安全提供保障；

（2）評價邊坡理論分析結果，指導邊坡工程支護措施和施工工序等的客觀標準，實現信息化設計與施工；

（3）為物理力學參數的反算提供數據支持；

（4）宏觀把握邊坡穩定性狀態；

（5）基于所獲取的監測數據，預測邊坡變形的發展趨勢；

（6）檢驗邊坡治理效果。

4 高邊坡監控技術

4.1、技術簡介

將重點高邊坡地質調查數據，設計、施工信息等進行整合，建立高邊坡信息數據庫，通過在高邊坡中埋設多點位移計、測縫計、測斜孔、雨量計以及錨索測力計等監測器，對影響邊坡穩定性的因素和邊坡變形及內力情況進行監測，基于GPRS無線數據傳輸平臺及Internet網絡，通過系統測量軟件，實現無線自動化邊坡監測數據采集，根據所獲取的監測數據，分析預測邊坡變形趨勢，通過系統平臺完成信息匯集與后期處理，從而完成預警模型的構建、失穩分析判據的建立。

4.2、監控儀器

常用的高邊坡監控儀器主要包括多點位移計、測縫計、雨量計和錨索測力計以及讀數儀。

（1）多點位移計

多點位移計用于觀測邊坡內部各測點沿鉆孔軸線方向的位移，提供邊坡表面和內部的位移分布，確定邊坡的變形是否穩定。當坡體產生變形，位移計兩端伸長或壓縮，帶動位移傳感器鋼弦處于張拉或松弛狀態，鋼弦頻率產生變化，受拉時頻率增高，受壓時頻率降低。

（2）測縫計

測縫計是測量結構接縫開度或裂縫兩側塊體間相對移動的觀測儀器，振弦式測縫計常用振弦式位移傳感器改裝而成。振弦式傳感器的敏感元件是一根金屬絲弦，與傳感器受力部件連接固定，利用振弦的自振頻率與振弦所受到的外加張力關系式測得各種物理量。

（3）錨索測力計

錨索測力計本身為高強度的合金鋼圓筒，內置3或4個高精度振弦式傳感器，傳感器由不銹鋼護管保護。傳感器可以測量作用在錨索測力計上的總荷載，同時通過測讀各傳感器，還可以測出不均勻或偏心荷載分布情況。錨索測力計采用全防水密封結構設計，可以在露天或野外工作。

（4）讀數儀（頻率計）

測定各儀器的頻率（或頻率模數）并按公式計算觀測物理量。

4.3、無線自動化監測技術的應用

邊坡監測布置大量的監測儀器，通過GPRS無線數據傳輸模塊，將現場監測儀器所獲取的實時監測數據傳回監測數據匯集平臺。GPRS無線數據傳輸是基于公眾移動通訊平臺及Internet的一種解決方案，只要現場有手機信號并開通GPRS服務，即可通過Internet接入對現場監測儀器進行管理及數據采集。GPRS無線數據傳輸的優點是不受通訊距離及地形的限制，可實現真正意義上的遠程遙測及管理，從而達到無線化自動監測的目的。

5 高邊坡監控系統軟件的開發與應用

5.1、系統軟件平臺集成開發

（1）電子地圖模塊

電子地圖主要提供基于GIS的部分基礎操作功能的實現，包括地圖縮放、漫游、全圖、導航、鷹眼、放大鏡、測量以及圖層控制等功能，其主要目的是為了提供基礎數據展示，對滑坡發育分布規律的宏觀把握。

（2）基本信息錄入模塊

為了保證系統的正常運行，需要基本信息數據的支撐，在系統的運行過程中，也需要不斷的收集新、更數據，以便達到系統設計的預期目的，并基于此建成完善邊坡綜合地學信息數據庫，為后續模型分析、災害預警等提供數據支持。

（3）單體邊坡綜合信息模型模塊

單體邊坡綜合信息模型模塊的主要功能是通過對專題數據的統計分析，建立單體邊坡的綜合地質模型，供檢索、查詢及后續分析使用。

（4）監測數據分析模塊

監測數據分析模塊的主要功能是根據邊坡最新監測數據（雨量、位移、應力等），實時分析降雨與滑坡變形的關系，自動生成降雨量、降雨時間與滑坡變形、應力變化的關系曲線。

在監測數據的后期分析中，可以將不同監測儀器返回的監測數據疊加到同一張圖上顯示，分析各個監測儀器數據變化趨勢的相互關系。

（5）邊坡變形-破壞預警模塊

在地質災害的預警研究中，災變規律的研究是基礎，而災害的臨界預報則是建立在災變規律研究基礎之上的。通過對位移-時間曲線的分析來預測邊坡的變形發展趨勢。

（6）安全管理及應急決策模塊

預警等級分為5個等級，分別為：安全級（綠色）、注意級（藍色）、警示級（黃色）、警戒級（橙色）以及警報級（紅色）。在系統中，根據邊坡實時的雨量、位移、錨索測力計等監測數據，采用各種邊坡預警模型對監測數據進行處理分析，以評價邊坡穩定性狀況，判斷邊坡處于哪一種預警等級，為下一步應急決策提供相關技術支持。預警信息可以通過短信或郵件的方式發送到相應的負責人。

（7）數據管理模塊

數據管理模塊主要是對系統數據的維護工作，主要包括管理部門、管理人員、威脅對象等基本信息，已經發布的預警信息管理，可以對某一邊坡的歷史預警信息進行對比分析。

5.2、監測獲取數據處理

（1）建立支持高邊坡監測預警和安全管理的地學信息數據庫

針對邊坡的多因素綜合作用的特點，建立公路邊坡綜合地學信息數據庫，實現公路邊坡大量地質信息的綜合管理數據庫。

（2）基于GIS建立支護后運營期高邊坡穩定性評價模型及預警預報模型

通過定性與定量分析降雨、變形、受力三種監測曲線關系，獲得此三類監測數據的相互作用關系。在監測數據統計分析的基礎上，分別建立對應的單因素監測預警模型。通過構建邊坡降雨-變形耦合數值模型，分析邊坡降雨與變形相互之間的關系，并根據邊坡變形控制理論確定其臨界預警值。以此單因素監測預警模型為依據，利用數學模糊綜合評價方法建立邊坡安全預警綜合模型。

（3）建立基于WEB-GIS的邊坡安全管理及應急決策指揮系統

基于Web-GIS建立高速公路高邊坡安全管理及應急決策指揮系統，實現如下相關功能：

①實現系統的電子地圖功能，包括基本的GIS操作和查詢功能；

②分析處理系統自動獲取的實時監測數據，根據最新監測結果實時分析降雨與邊坡變形的關系，自動生成降雨量、降雨時間與邊坡變形的關系曲線；

③在單體邊坡綜合信息模型的基礎上，根據邊坡監測工作中所獲得的變形位移監測數據，通過相應的預測耦合模型，對公路邊坡穩定性發展趨勢進行預測；

④將各類監測數據、邊坡穩定性評價結果及其屬性數據、空間數據通過互聯網發布，用戶能夠在客戶端進行數據查詢，瀏覽各監測儀器的實時數據與歷史數據，在電子地圖上瀏覽公路邊坡安全評價結果，并借此實現應急決策管理的現代化水平。

6 高邊坡監控技術總體應用評價

對公路邊坡進行監測，可以宏觀把握邊坡穩定性狀態，預測邊坡變形發展趨勢，為邊坡安全預警、穩定性評價等提供數據支持，實現信息化設計與施工，在邊坡中布設的眾多監測儀器，實現了基于GPRS的無線自動化監測，為預測邊坡穩定狀態和發展趨勢及進一步的預警決策提供基礎數據。

基于GIS的山區高速公路路塹高邊坡運營期監控技術將對全國高速公路高邊坡的運營期監測、穩定性評價、安全管理等方面產生重要的影響，為規范高邊坡勘察、設計、施工等信息收集，提高高邊坡監測、預警預報、安全管理等技術水平提供強有力的技術支撐。

參考文獻：

[1] 劉明，汪家林，董建輝.某通透肋式拱梁隧道邊坡穩定性監測分析.山西建筑，2008，34（25）：321-322.

[2] 何朝陽，巨能攀，黃健.基于Web-GIS的公路邊坡安全管理及應急決策系統研究與實現.地質災害與環境保護，2012，23（1）：91-94.

[3] 劉文慶.公路高邊坡監測數據自動化處理系統.地質災害與環境保護，2013，24（2）：101-106.