某邊坡工程在線監測系統的應用分析

王 波，鄧 亞，李秀春，張 果

（四川長瑞土木工程檢測有限公司，四川 成都 611130）

0 引言

高速公路路面寬、車道多和通行能力大，還能很大程度上帶動沿線的經濟發展，是國家交通運輸重要組成部分。為了保證仁沐新高速公路建設期施工安全和運營期的通行安全，有必要對高速路上的地質災害體進行監測。通過對仁沐新 LJ23 標 LK40+980～LK41+117 段滑坡建立一個先進實用的在線監測系統，可極大地延拓災害體的監測內容，并可連續地、在線地對災害體狀態進行監測和評估。

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，暴雨工況下處于欠穩定～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，可能導致巖土界面與覆蓋層土體的力學性質下降，使滑體沿巖土界面產生滑動。

2 監測點及斷面布置

1）滑坡體降雨量（見圖 1 中雨量計）。測點布置在附近相對穩定位置，可視現場情況而定，布置一個雨量計即可。

圖1 測點布置示意圖

2）滑坡體地下水位（見圖 1 中孔隙水壓力計）。測點一般布置在地質條件差及鴻溝處、富水位置［1］，或布置在土體內部位移測點處，也可布置在土體內部位移測點底部。為使分析數據更加合理，從節約成本和集成方便等方面考慮，本工程地下水位測點共用測斜管。每條測線布置 1 個測點。

3）滑坡體表面位移（見圖 1 中 GPS 監測站）。針對治理后的滑坡，選中間斷面布置 3 個測點，此外在穩定位置布置 1 個基點。

4）滑坡體內部位移（見圖 1 中固定式測斜儀）。測點鉆孔布置在地表位移測點處，利用百米鉆機進行鉆孔，鉆孔深度自坡上至坡下分別為 10 m、8 m 和 6 m。每個測孔布置 3 個測點。

3 儀器設備及其工作原理

監測所使用的主要儀器設備如表 1 所示。

表1 主要儀器設備及用途表

3.1 雨量計工作原理

降雨時承水器收集雨量至儲水缸，并通過容柵位移傳感器檢測水位，從而計算降雨量。

3.2 孔隙水壓計工作原理

孔隙水壓計主要是由一個線圈、承壓膜、鋼弦、夾弦器以及透水石組成，其中承壓膜與鋼弦相連，鋼弦上被預加一定張力固定于傳感器內。根據經典弦原理，鋼弦在弦長及受力一定情況下，其固有頻率是固定的。當弦長一定時，鋼弦固有頻率的平方只同弦的張力成正比關系。外界水壓通過透水石作用于滲壓計承壓膜上，使其發生微小變形，從而導致與承壓膜相連接的鋼弦張力發生變化，其固有頻率亦隨之改變。鋼弦固有頻率的平方與膜片上水壓力成正比關系，通過測量鋼弦頻率的變化，即可得知被測滲水壓力大小，0.01 MPa 相當于 1 m 高水柱壓強，故通過孔隙水壓計可知水位，水壓大小計算式表達如式（1）所示，且暫不考慮溫度補償。

式中：P 為孔隙水壓力，kPa；K 為標定系數，kPa/Hz2；fo為固有頻率，Hz；ft為受力后的頻率，Hz。

3.3 GNSS 工作原理

通過對 GNSS 接收機控制下達命令，實現對某一時刻衛星數據的接收，可進行實時位移監測，也可根據需求設置指定時間段進行采集，一般設置為 30 min。GNSS 系統由空間部分、地面控制部分、用戶部分 3 部分組成。

系統空間部分主要為各軌道平面上的多顆衛星，每顆衛星都發出用于導航定位的信號［2］。

地面控制部分由若干個跟蹤站組成，通過各監控站（見圖 2）對 GNSS 的觀測數據計算衛星的星歷和衛星鐘的改成參數等，并將這些數據通過注入站注入到衛星中；同時對衛星進行控制，對衛星發布指令。

（a）監控站觀測墩 （b）監控站信號發射裝置

用戶部控制部分由 GNSS 接收機、數據處理軟件及相應的用戶設備組成，接收 GNSS 衛星所發出的信號，并利用這些信號，通過解算等進行導航定位等工作。

3.4 固定式測斜儀工作原理

通過測得每一個預埋傳感器位置處的水平位移量，求出位移曲線，便可知道每一位置處的水平位移量（見圖 3）。

圖3 土體內部測斜原理

以 4 倍 H0深度為例，L5 為最底部測點，也是最底部導輪式固定測斜儀的頂端，距離孔底的高度為 H，測得的角度偏移量為 θ，則 L5=H×tanθ，L4 處角度偏移量為 β，則 L4=H0×tanβ+L5，采用此方法分別計算導輪固定測斜儀位置處的偏移量，擬合曲線，則可計算出任意深度導輪式固定測斜儀埋設位置處的坡體水平位移。當以地表為起算點時，方法類似。

4 系統數據采集、傳輸、處理

4.1 數據采集

現場主要為數字信號和模擬信號 2 種信號模式，通過相應的傳感器進行信號采集，具體傳感器數量如表 2 所示。

表2 傳感器數量

采樣間隔可根據需要，人工設置時間段。常規條件下每 30 min 采集一次。當發生意外情況或者數據超過一定限值時，可適當提高采集頻率，例如 10 min 采集一次或者 5 min 采集一次。

4.2 數據傳輸方式

現場所有無線傳感器設備采集的相關數據信號均可通過成熟的 GPRS/3G/4G 無線網絡技術進行傳輸，再通過靈活地控制設備的采集制度，進行遠程控制。直接通過無線傳輸模塊實現對現場設備數據的采集和控制，簡單方便。

系統主要采用無線電磁波數傳模塊進行無線傳輸，該無線傳輸模塊是由無線數傳終端和無線數傳主機組成，依靠成熟的 GPRS/3G/4G 網絡，在網絡覆蓋內區域內可以快速組建數據通訊，實現實時遠程數據傳輸［3］。FS-DTU 系列通訊模塊支持 AT 指令集，采用通用標準串口對模塊進行設置和調試，提供標準的 RS232/485 接口，其工作參數如表 3 所示。

4.3 數據處理

信號在采集前與采集后均可進行數據處理，數據處理有濾波、分析等以下功能。

1）信號實時顯示。

表3 無線參數模塊技術指標

2）實時數據采集。隨機自動采樣、觸發采樣，多次觸發采樣，采樣時間和采樣數據長度自由設定，采樣時可以實時觀察波形的變化。

3）數字濾波。低通，高通，帶通，帶阻濾波。

4）幅域統計。信號幅域特征參數可用最大值、最小值、平均值、有效值、均方值、方差、標準差等值來描述。

5）時域、頻域分析。可對動態信號進行時域、頻域范圍的不同類型分析，可進行不同點數的 FFT 分析。

6）相關分析。可對各系統間信號的相關性進行分析。

如圖 4 所示，系統由感知響應層、傳輸層和數據運用層 3 部分組成，又可分為傳感器子系統、數據采集子系統、數據傳輸子系統（見圖 5）、數據庫子系統、數據處理與控制子系統、安全評價和預警子系統。通過各個層相互協調，實現系統的各種功能。

圖4 在線監測系統拓撲圖

圖5 數據傳輸子系統結構圖

5 監測數據分析

5.1 雨量監測

2020年 4 月 6 日～6 月 29 日時間段中雨量監測結果如圖 6 所示。4 月 6 日雨量監測值為 51.5 mm；4 月 13 日雨量監測值為 307.9 mm；5 月 4 日雨量監測值為 130.6 mm；5 月 25 日雨量監測值為 84.3 mm；6 月 8 日雨量監測值為 85.0 mm；6 月 15 日雨量監測值為 184.1 mm；6 月 29 日雨量監測值為 323.7 mm。

圖6 雨量趨勢圖

5.2 地下水位監測

4 月 6 日～6 月 29 日時間段中地下水位監測結果如圖 7 所示。4 月 6 日～4 月 8 日監測值在 3.898～3.959 m 之間；4 月 8 日～4 月 13 日監測值由 3.908 m 增至 7.184 m；4 月 13 日～4 月 25 日監測值在 7.184～6.745 m 之間；4 月25 日～5 月 2 日監測值由 6.745 m 降至 3.776 m；5 月 2 日～6 月 2 日監測值在 3.367～3.776 m之間；6 月 2 日～6 月8 日監測值由 3.940 m 增至 5.531 m；6 月 8 日～6 月 29 日監測值在 5.143～5.724 m 之間。

圖7 地下水位趨勢圖

5.3 表面位移監測（測點 01）

4 月 6 日～6 月 29 日時間段中表面位移監測結果如圖 8 所示。4 月 6 日～6 月 29 日監測點 01-X 方向監測值在 3.50 ～4.60 m m之間；4 月 6 日～6 月 29 日監測點 01-Y 方向監測值在 -0.10 ～1.00 mm 之間；4 月 1 日～6 月 30 日監測點 01-Z 方向監 測值在-3.90～-2.30 mm 之間。

5.4 內部位移監測（測點CX 2-1、CX 2-2、CX 2-3）

4 月 6 日～6 月 29 日時間段中內部位移監測結果如圖 9～12 所示：4 月 6 日～6 月 29 日時間段內監測點 CX2-1、CX2-2、CX2-3 各個方向檢測值變化均在 ±2.5 mm 內并趨于穩定。

圖8 測點 01 表面位移趨勢圖

圖9 測點 CX2 在 X 方向上的的位移趨勢圖

圖10 測點 CX2 在 X 方向上的累積位移

圖11 測點 CX2 在 Y 方向上的的位移趨勢圖

結合 4 月 6 日～6 月 29 日時間段內的監測數據可知：該邊坡表面位移和內部位移變化量均較小，已趨于穩定狀態。該邊坡暴雨后地下水位變化明顯，結合當地地質條件分析，易發生土體沉降。建議增加分層沉降監測，以完善該在線監測系統。

圖12 測點 CX2 在 Y 方向上的累積位移

6 結語

通過在線監測系統對仁沐新高速公路 LJ23 標LK40+894～LK41+109.52 滑坡及崩積體的雨量、地下水位、表面位移、內部位移進行實時監測，對在線監測系統進行如下分析總結，以期為今后的邊坡工程監測提供一定的經驗借鑒。

1）科學先進性。該在線監測系統綜合傳感技術、網絡通信技術、信號處理和分析技術、數學理論和結構分析理論等多個學科領域。

2）時效性。可連續地、在線地對災害體狀態進行監測和評估。

3）兼容性。能夠同時與交通工程、管理養護等系統對接，實現信息共享，從而使得公路管理和養護維修資源能夠得到合理的利用和配置，為降低滑坡維護成本提供科學技術依據，保證滑坡的檢查維修策略制訂具有針對性、及時性和高效性。

4）系統可操作性。該在線監測系統易于管理、易于操作，對操作維護人員的技術水平及能力不應要求過高，方便更新換代。

5）使用經濟性。與其他傳統人工監測方法相比既大大節省了項目的成本和后期基礎設施維護所需要投入的人力及物力，又能最大限度發揮出實際監測的效果。

6）由于傳感器埋設于結構體中，損壞后維修、更換較為麻煩；極端天氣下（如雷暴天氣）數據傳輸較緩慢。Q