公路邊坡工程實時在線監測系統研究與應用

李秀春，鄧 亞，王 波

（四川長瑞土木工程檢測有限公司，四川 成都 611130）

我國平均每年發生滑坡和泥石流2萬余起、傷亡1000余人、受災人口90多萬，造成直接經濟損失20億～60億元。長期以來，我國路基邊坡的安全監測技術一直是公路修筑中的一個薄弱環節，但由于缺乏對安全監測技術的系統研究，沒有成熟的經驗供設計部門應用，因此只能用低等級公路的防護技術或借鑒其他部門的經驗來實施局部保護，缺乏綜合考慮，造成了巨大的經濟損失和不良的社會影響，有的甚至需要中斷交通，給人類的生產、生活及生命安全造成了極大的威脅[1]。為此，在公路邊坡的施工及后期運營過程中需要對相關危險區域進行實時監測，如果經由數據中心處理后的監測數據超出設置閾值范圍，應及時進行預警或報警，以最大限度地降低因可能發生的各種安全事故所造成的經濟損失[2]。

1 系統概述

1.1 系統工作原理及組成

公路邊坡工程實時在線監測系統利用計算技術，在云物互聯的基礎上構建的安全監測云，可兼容多類型硬件設備，通過本地系統集成接入互聯網，利用有線或無線傳輸方式傳入監測云平臺。云平臺為用戶提供真實的數據呈現并構建安全模型對邊坡進行智能診斷和安全分析，并通過平臺客戶端或手機App進行預警和報警。公路邊坡工程實時在線監測系統由傳感器子系統、數據采集子系統、數據傳輸子系統、數據庫子系統、數據處理與控制子系統和安全評價預警子系統組成[3]。系統組成及工作原理如圖1所示。

1.2 系統主要監測內容

公路邊坡工程實時在線監測系統主要監測內容如下：（1）環境監測，主要包括溫度濕度和雨量監測；（2）坡體變形監測，主要包括邊坡關鍵點的表面位移、內部位移等；（3）擋墻受力監測，主要包括擋墻的應變、錨桿（索）受力等；（4）擋墻變形監測，主要包括擋墻位移、傾斜等；（5）土壓力和孔隙水壓力監測；（6）水位監測；（7）裂縫監測。系統監測內容及網絡拓撲如圖2所示，各項監測內容監測指標及所用傳感器如表1所示。

1.3 系統實現功能

圖1 系統組成及工作原理示意圖

圖2 系統監測內容及網絡拓撲示意圖

表1 各監測內容監測指標及所用傳感器

公路邊坡工程實時在線監測系統主要實現功能如下：（1）24小時實時監測。對邊坡變形受力、坡體傾斜下滑、環境等全自動化在線監測，實時掌握邊坡整體施工（運行）的安全狀態。（2）多重分級預警。數據異常時，系統會觸發相應三級報警機制，第一時間以短信、傳真、廣播等形式通知用戶。（3）應急預案處理。從專家庫直接提取相應處理辦法，及時采取人員介入、封鎖道路等辦法，將安全隱患消除在萌芽狀態[4]。

2 工程實例分析

2.1 工程概況

G4216線仁壽經沐川至屏山新市（含馬邊支線）段高速公路LJ23合同段LK40+894～LK41+109.52段路線主要以填、挖形式通過，該段地質條件較復雜，簡述如下：LK40+860～LK40+980段內發育一基巖軟弱帶，軟弱帶內裂隙發育，地下水較發育，巖質極軟；LK40+925～LK40+975段發育一淺表層滑坡，滑坡平均厚度約4.0m，該滑坡天然狀態處于基本穩定狀態，暴雨工況下處于欠穩定至不穩定狀態；LK40+980～LK41+117段滑坡，滑坡狀態呈不規則長舌狀，滑坡坡體上分布梯級梯田，經驗算，滑坡天然及暴雨工況均處于整體穩定狀態。但由于沿巖土界面的地下水活動，因此可能導致巖土界面與覆蓋層土體的力學性質下降，從而使滑坡體沿巖土界面產生滑動。

2.2 現場部署方案

由于滑坡體呈狹長舌狀分布且存在兩個滑坡面，目前高速公路仍處于建設階段，且此路基段用于橋梁梁板預制場，路基下方坡下為居民住房，安全隱患較大。綜合各種因素影響，測點現場布置如圖3所示，監測內容及傳感器數量如表2所示。

圖3 測點現場布置示意圖

表2 監測內容及所用傳感器數量

2.3 數據分析

2020年3月27日至5月28日雨量監測數據趨勢圖如圖4所示，地下水位監測數據趨勢如圖5所示。

由圖4、圖5可知，2020年4月7日降雨量達到峰值114.300mm，系統進行了一級預警；隨著降雨量的增大，地下水位于2020年4月8日上漲2.896m，也超過了一級預警值。施工單位接到降雨量和水位預警后立即采取坡體上部增挖截水溝、坡腳采取加固等措施，2020年4月8日地表產生最大位移為X方向2.580mm、Y方向-6.86mm、Z方向11.540mm；土體內部產生最大位移為X方向4.027mm、Y方向-3.693mm均未達到三級預警值。另外，由于施工單位及時采取了有效的預防滑坡措施，在2020年5月1日降雨量達到106.700mm一級預警值時，地下水位、表面位移和土體內部位移監測數據均變化不明顯[5]。

圖4 雨量趨勢圖

圖5 地下水位趨勢圖

3 結束語

公路邊坡傳統監測面臨的主要困擾主要有高風險、高成本、低效率、服務差。公路邊坡工程實時在線監測系統很好地解決了目前傳統人工監測中的不足，并具有以下優點：監測零風險、低成本、高效率和服務及時。通過仁沐新高速公路工程LJ23合同段LK40+894～LK41+109.52段破碎堆積體工程案例的實時在線監測數據分析，驗證了公路邊坡工程實時在線監測系統的上述優點，并且能夠及時預警，從而減少不必要的安全事故和經濟損失。