沉降自動監測系統在高邊坡監測中的應用研究

李桂明

摘要：自動化監測因其高效及節能性，越來越受到重視，本文通過分析高邊坡沉降自動化監測系統組成、對比分析高邊坡自動監測系統及人工監測采集數據，說明了該沉降自動化監測系統監測精度高，適用性好，能廣泛應用于偏于地區及高危邊坡，具有遠大的應用前景。

Abstract： Because of its high efficiency and energy saving， automatic monitoring has attracted more and more attention. This paper analyzes the composition of the automatic monitoring system for high slope settlement， comparatively analyzes the automatic monitoring system and manual monitoring and data collection for high slopes. It shows that the settlement automatic monitoring system has high monitoring accuracy and good applicability. It can be widely used in partial areas and high-risk slopes， and has great application prospects.

關鍵詞：高邊坡;自動監測系統;人工監測;對比分析

Key words： high slope;automatic monitoring system;manual monitoring;comparative analysis

中圖分類號：U416.14? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2020）32-0214-03

0? 引言

邊坡監測工作對工程設計、施工及確保后期安全運營具有重要意義，邊坡監測的主要有以下幾個方面：①通過監測的數據評估邊坡在建設和運營過程中的穩定性;②通過分析監測數據及時發現可能出現的滑坡、滑移及蠕變，預測滑坡形成的規模，滑移的方向，可能發生的時間及造成的破壞性;③通過監測數據的積累，為后續類似邊坡的設計研究提供參考[1]。

采用傳統人工監測手段工作周期較長，數據采集及處理分析工作工程量大，人工成本高，且容易出現信息反饋不及時影響災害處置效率。采用自動化監測系統可有效解決上述問題。本文采用沉降自動監測系統對光澤縣高邊坡沉降位移進行監測，通過人工監測數據與自動采集數據比較，來研究該系統在高邊坡監測過程中的精度。

1? 工程及地質概況

本次監測邊坡位于光澤縣二級公路段，設計樁號為K4+760～K4+840，邊坡長度為120m，高度為62.5m，為6級巖質邊坡，見圖1。

場址區為剝蝕-侵蝕丘陵坡麓地貌，山坡自然坡度為25～45°，半坡到坡腳見大面積碎塊狀強-中風化花崗巖裸露，植被較發育，地質構造條件較為簡單，未見斷裂發育，也未見有滑坡、崩塌等不良地質作用。

據工程地質調查及鉆探成果，場址區上覆坡積含碎石粉質黏土（Qdl），下伏基巖為燕山期（γ52 （2））花崗巖。

2? 監測方案

2.1 監測儀器及方法

本次邊坡安全監測方案采用自動化監測系統。在監測區域沿等近似等高線布設監測設備來實時監測邊坡的淺表沉降量，每個邊坡布設若干條近似等高測線。以此來驗證該監測部位的穩定狀況。邊坡自動化監測系統自下而上分為數據采集層（測點）、數據傳輸層（遠程傳輸數據）和數據管理層（數據處理及分析）。系統的組成圖見圖2。

2.1.1 數據采集層

數據采集層主要由現場測點及輔助的連接裝置組成。沉降測點采用壓差式的原理，利用重力作用下靜止平衡流體系統中任意兩點相對高程變化將引起兩點間流體壓強差值變化來建立流體應力（靜壓強）與沉降量值的對應函數關系，達到沉降測試的目的[2]。如圖3所示沉降一條測線中僅存在儲水罐一處自由液面，基準點與待測監測點均通過專用水管連接到儲罐，當監測點產生沉降，液面高度發生變化時，對應沉降罐內置的高精度壓力傳感器便能感知到液體靜壓力的變化[3]。根據下式：

由于同時采集器定時讀取每個測點及基準點的數據，從而自動計算每個測點相對基準點的高程變化。

通過溫度補償及特殊的濾波算法，該系統可以實現極高的長期精度，特別適用于需要長期有效監測微小沉降的應用場合。

該儀器采用全密封設計，可埋設于地底，測點易于安裝防護，全測量系統僅存在儲水罐一處自由液面，最小化液體蒸發腐化等問題，儀器為全數字量輸出，實現免維護的有效長期自動化監測。

2.1.2 數據傳輸層

數據傳輸層由現場數據采集遠傳箱與傳輸導線組成，數據采集箱與監測點間采用有線連接，采用485通訊方式，現場采集的數據實時本地保存，并可以將現場采集的數據以無線網絡（3/4G）實時傳輸到遠程數據管理平臺進行處理分析。每個邊坡獨立布設一套TH-DCB型數據采集遠傳箱。考慮現場供電穩定性的要求，每個邊坡均配置備用電池及一套太陽能供電系統。同時考慮到現場監測部位為野外，每個數據采集遠傳箱均布設防雷裝置。

2.1.3 數據管理層

數據管理層使用一套定制開發的“高邊坡自動監測數據管理平臺”，平臺布設于遠程服務器上。通過平臺對現場采集的數據進行統一管理。平臺將設計數據、施工現場狀況、監測設備分布情況、測量數據、試驗數據等進行統一管理，實時自動更新和統計并展現到管理人員眼前。既能為日常行業管理、安全事故的防治、預測、預報提供幫助，又能為行業的產業化升級提供安全保障方面的信息化支持。

2.2 測點布設

邊坡監測以儀器量測為主，并輔以人工巡查和宏觀調查。監測點應布設在坡體產生沉降易導致邊坡失穩的部位及容易受開挖影響部位進行布點[4]，同時應兼顧邊坡地質條件及潛在破壞模式。監測點應成網格狀，分成若干測線進行布設，測線沿等高線布設，每條測線高差約10m，測線可布設于每級邊坡的臺階上。考慮到坡頂沉降監測為邊坡監測的重要指標，如坡頂最高處與臺階高差大于5m但不足10m的，增設一條測線。

每條測線各布設一個基準點，每個監測邊坡設置采集遠傳系統一套，測點按照約15～25m的水平間距布設于等高的測線上，基準點及遠傳系統布設于邊坡側面穩定的基巖上，采用一套遠程數據軟件管理平臺。系統供電使用太陽能供電系統進行供電。本次共布設5條測線，每條測線布設1個基準點，共計5個基準點，測點數為17個，見圖4。

3? 監測數據對比分析

為了驗證沉降自動監測系統采集數據與人工監測的差別，在自動監測點D01、D05、D13同一位置布置人工監測點，人工監測點采用全站儀進行監測。選取2019年12月5日0點時刻數據作為自動監測系統初始數據，采集頻率采用系統默認1小時/次，同時人工采集頻率定為1天/次。通過對比分析D01、D05、D13監測點位2019年12月5日至2019年12月25日豎向位移，可以發現：①自動監測與人工監測豎向累積位移-時間曲線圖大致相似，可以得出該自動化監測系統能較好反應邊坡實際沉降;②本次人工監測數據要略小于自動化監測采集數據，這可能是人工監測過程單次監測誤差疊加所產生的。（圖5～圖7）

4? 結語

①對比分析自動監測與人工監測數據，說明該沉降自動監測系統能較好反應監測點位實際沉降變形，可廣泛應用于監測周期較長、頻率較高，數據采集及處理分析工作工程量大的工程，降低人工成本。

②該自動監測系統可完成數據自動采集并遠傳，配合遠程數據管理平臺，工程技術人員可于辦公室內實時了解被測邊坡的安全穩定狀況，通過內設單日變化量或累計變化量警戒值，可快速預警邊坡可能出現的災害，提前做好應對措施，提高災害處置效率，對于偏于地區及高危邊坡具有遠大的應用前景。

參考文獻：

[1]張曉煒.基于BOTDA的分布式光纖監測在邊坡工程中的應用研究.

[2]張文超，蘇謙，黃俊杰，王武斌，蔣薇.高速鐵路線下工程沉降差壓式精密測量系統[J].西南交通大學學報，2015，50（04）：669-675.

[3]張向霞，張中杰.虹梅南路越江隧道沉降監測研究[J].中國市政.

[4]景鋒.巖質高邊坡穩定性研究[D].武漢大學，2004.