基于北斗技術的高邊坡兩級安全監測方案設計研究

王晨

摘要：文章針對新建公路路段存在的高挖邊坡和高填路基邊坡在施工及運營過程中可能存在的滑塌引起施工和運營安全事故的問題，結合當前基于北斗高精度定位技術和智能傳感技術、物聯網技術及大數據、云計算技術的高邊坡安全監測云平臺，從科學性、安全性、適用性和經濟性的角度，提出了高邊坡二級安全監測建議方案，為類似項目提供參考。

關鍵詞：北斗高精度定位;邊坡;安全監測;位移監測

0 引言

邊坡是指土體或巖體在自然作用或人為作用下形成的具有一定傾斜度的臨空面[1]。工程建設中遇到的自然邊坡和人工邊坡，可能發生滑坡，直接影響到工程安全[2]。惡劣的地質災害嚴重影響交通運營安全，造成較大的人員傷亡，產生了巨大的經濟財產損失，形成惡劣的社會影響，如2008年杭州地鐵崩塌事件、廣西鳳山縣山體滑坡事件、深圳2015年渣土堆積場滑坡事件等，因此滑坡地質災害一直是社會高度關注的問題之一。在建設過程中要對高陡邊坡進行針對性的設計和監測，對滑坡進行防治設計和處理，遵循“以防為主、防治結合”的原則，因地制宜，采取綜合治理措施，保證滑坡的穩定[3]，而其中最重要最常見的手段是對邊坡進行監測。目前常見的邊坡監測參數包括環境監測、表面位移監測、深層土體位移監測、水位監測等。在所有監測指標中，位移參數是最直接最重要的判別評估參數，其中表面位移監測手段包括全站儀、GPS[4]、北斗、CCD技術[5]、地面激光掃描技術[6]、合成孔徑雷達干涉技術[7]、數字近景攝影測量技術[8]等。目前對位移監測最成熟的技術仍然是北斗或GPS手段。隨著北斗衛星升空組網，北斗已進入高密度網時代，其定位精度和授時精度與美國GPS相媲美。自從北斗衛星系統建成以來，便開始應用于中國及周邊地區的交通運輸、應急救援、森林防火、水利水電、海洋漁業、油氣運輸、部隊指揮等領域，并取得了一定的成果，在鐵路沉降監測、機場沉降監測、橋梁沉降監測方面也取得了一定的進展。本文討論內容即基于北斗技術的路段邊坡分級安全監測方案設計研究。

1 工程背景

某新建高速公路推薦方案有填方高度≥20 m邊坡11段（見表1），挖方邊坡需要采用特殊防護設計的路塹邊坡主線14段，互通及服務區4段（見表2），累計長度為7 788 m。高路堤邊坡方案滿足路基安全穩定性要求，而且經濟合理，與地形環境協調，技術成熟，在廣西多條已建高速公路中取得良好效果。路塹邊坡受構造、巖性影響，路線區滑塌數量較少，以沿巖土界面淺層滑塌為主，部分為軟質巖的順層滑動，滑塌體結構較松散，厚度一般為2.0～6.0 m，多發生在土層、破碎的砂頁巖分布路段。根據《高速公路路塹高邊坡工程施工安全風險評估指南》進行初步風險評估，表1、表2中的邊坡風險評估值均在Ⅲ類以上，有進行邊坡安全監測的必要性。

2 路段邊坡分級監測方案設計

土質或巖質邊坡在環境、水及外荷載作用下發生緩慢的變形或位移，當位移達到一定臨界值時，滑坡發生。因此在邊坡監測方案中，位移監測尤為重要。一個完備的邊坡監測方案一般包括體表位移監測、深層位移監測、裂縫監測、雨量監測、視頻監測等內容，測點較多，投資較大。然而一條線路的邊坡因為各自條件不一樣，有的邊坡穩定性較好，有的較差，是否發生滑坡需要時間檢驗。針對解決邊坡監測需求與項目投資的關系，本文提出分級監測方案，即在邊坡形成之初，以地表位移進行監測，采用北斗安全監測技術，每個邊坡根據高度和長度，精選測點，在預計滑坡體軸線上布設若干個北斗監測點，達到坡體位移監測目的。在監測到坡體有較大位移或者位移趨勢明顯時，將此邊坡確定為重點邊坡，啟動二級監測系統，通過對現場的踏勘，增加北斗位移監測點、深層位移監測測點和水位監測測點，在可能出現裂縫的位置增設裂縫監測測點，并根據需要增設CCTV進行坡體視頻監測。以某個邊坡為例，二級響應分級監測方案如圖1所示。

二級方案比一級方案增加北斗測點兩個，深層土體位移測點4個，雨量監測測點1個，視頻監測測點1個，項目投入較一級方案成倍增長，但是對滑坡體的各個技術參數監測較為詳細。

通過對邊坡二級響應監測案例進行分析研究，發現二級監測方案測點數量一般是一級監測方案的2～3倍以上，同時系統工程造價也同幅增長。一級監測做初步監測，解決工程中的位移監測問題，二級監測方案為已確定的滑坡體做完整的數據監測，對滑坡體的形成、發展及滑坡發生全過程研究提供完整的數據依據，并可在關鍵時刻提供及時預警，做好防災減災工作，減少人員傷亡和財產損失。從經濟性分析，在不確定滑坡趨勢情況下，采用二級監測方案成本巨大，一般項目難以承受，從而大部分的高邊坡被放棄進行自動化監測，而僅僅針對難度大的邊坡進行安全監測，覆蓋面較差，安全隱患較大。而采用兩級邊坡監測方案，每個Ⅲ級均有針對性的測點，每確定一個滑坡體，對其進行二級監測，針對性更強，能夠滿足有限經費對工程需求的普適性要求。因此采用兩級安全監測方案對本路段的路堤邊坡和路塹邊坡進行監測，具有良好的經濟性、安全性和適用性。

3 基于北斗技術和云計算技術的邊坡安全監測方案設計研究 系統的設計應滿足一定的原則，盡量做到可靠、經濟、合理。監測系統是提供獲取橋隧坡結構信息的工具，使決策者可以針對特定目標做出正確的決策，系統設計原則包括：有效性、可靠性、先進性、可操作和易于維護性、開放性和兼容性、經濟性以及具備遠程升級功能。歸納為“技術可行、實施可能、經濟合理”的十二字方針，使得監測系統做到可用、實用、好用，充分發揮作用，為公路養護管理及結構的安全運營提供數據和技術上的支持。

邊坡監測系統主要由監測站子系統、數據中心子系統（云平臺）、客戶端子系統組成，具備實時監測、數據分析、信息共享、自動預警等功能。系統軟件操作人性化、智能化程度高、實時性強、工作效率高，可以根據用戶實際需求進行深度定制，非常適合各類工程結構的在線實時安全監測和預警，系統架構組成見圖2。

監測站子系統由北斗位移監測系統、深層水平位移監測系統、雨量計、錨桿拉力監測系統、裂縫位移監測計、視頻監測系統等組成。為滿足不同項目的需求，各個子系統做成標準模塊，固化傳感器的類型和型號、采集儀的型號、接口程序、數據分析系統和報告出版系統。項目中用到的傳感器監測功能，則在對應云平臺監測系統中選用對應的標準模塊，平臺系統在項目二級響應監測中增減監測參數時方便、快捷。

4 路段北斗監測方案分析研究

根據分級監測方案，設計依托工程路段11個路堤邊坡和14個路塹邊坡進行監測方案設計，因為是新建項目，在邊坡形成后一定時間內具有一定的穩定性，無法確定某個邊坡具有較為明顯的滑坡趨勢，所以根據本文第2節內容，進行一級響應監測方案設計。采用北斗技術及云平臺進行監測，云平臺監測系統為固化模塊，已經開發完成，選用系統所需的數據采集模塊、傳輸模塊、數據存儲模塊、數據分析模塊、數據報告處理模塊、數據發布模塊、系統預警模塊即可。方案中傳感系統采用北斗監測設備進行位移監測，滿足邊坡位移監測精度要求較高，水平方向要求在±2 mm+ppm，高程方向要求精度在±4 mm+ppm，采用光伏發電+電池進行供電模式，要求續航時間達到30 d以上，系統穩定性滿足要求。

北斗安全監測系統的方案優化主要在于基準點的布置方向。GNSS監測算法要求距離測點2 km范圍內有一個基站作為參考，測點的位移即基站的相對位移，如何在路段選擇合適的點建立基站，控制基站總數，是本次方案優化研究的主要內容。

根據初步設計圖紙，對涉及路堤邊坡和路塹邊坡進行一級響應監測，全路段設置北斗監測點101個，基準點經過優化，測點數量節省18個，因此對邊坡測點的優化是路段邊坡監測方案設計中的重要內容，除了上表中對基準點的優化設計外，還可以對每個邊坡結合邊坡斷面、高度、邊坡類型、巖土特性進行優化設計，達到安全、經濟、全面的目的（見表3）。

5 結語

（1）基于北斗技術和云計算技術的邊坡安全監測平臺在路段邊坡監測中能較好地滿足業務需求，實現對多邊坡的同步監測;

（2）針對路段監測經費有限的問題，提出兩級安全監測方案，兩級邊坡安全監測具有安全性、經濟性;

（3）依托背景工程，選取部分特殊邊坡，對兩級方案的測點總數和監測指標進行比較分析，證明兩級監測方案的可行性，建議在項目中實施驗證。

參考文獻：

[1]唐輝明.工程地質學基礎[M]. 武漢：中國地質大學出版社，2007.

[2]劉永莉.分布式光纖傳感技術在邊坡工程監測中的應用研究[D].杭州：浙江大學，2011.

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[8]李 寧.基于數字攝影和圖像分析的邊坡監測預報研究[D].鄭州：鄭州大學，2006.

收稿日期：2020-06-02