山區(qū)高速公路邊坡施工監(jiān)測系統(tǒng)方案設(shè)計

肖立江

（浙江交工集團股份有限公司， 浙江 杭州 311103）

0 引言

山區(qū)高速公路邊坡施工過程中的穩(wěn)定與安全是邊坡施工中需重點關(guān)注的內(nèi)容，尤其在西南山區(qū)，由于地質(zhì)情況復(fù)雜，降雨量大，高邊坡在施工過程中容易發(fā)生滑坡、坍塌等病害，因此，采用有效的監(jiān)測手段來保證邊坡施工過程中的穩(wěn)定與安全便十分必要。傳統(tǒng)的監(jiān)測主要通過經(jīng)緯儀、全站儀、GPS等儀器監(jiān)測各級邊坡的位移情況，通過與理論值進行比較從而判斷邊坡的穩(wěn)定與安全，其存在的主要問題是間斷測量、判斷指標(biāo)單一等。針對傳統(tǒng)方法存在的問題，國內(nèi)外學(xué)者根據(jù)邊坡結(jié)構(gòu)物的特點，從邊坡巖性、結(jié)構(gòu)特點出發(fā)，設(shè)計開發(fā)各類邊坡監(jiān)測系統(tǒng)，如基于邊坡結(jié)構(gòu)體位移為首要監(jiān)測參數(shù)的監(jiān)測系統(tǒng)[1]、基于巖質(zhì)邊坡的監(jiān)測系統(tǒng)等[2]。

本文基于廣西天峨至巴馬高速公路NO.4合同段中邊坡施工實際，設(shè)計一套邊坡監(jiān)測系統(tǒng)，以解決傳統(tǒng)邊坡監(jiān)測存在的不足。

1 工程概況

廣西天峨至巴馬高速公路NO.4合同段位于廣西鳳山縣鳳城鎮(zhèn)境內(nèi)，其中建設(shè)主線長度16.4km，連接線長度10.2km，主線按高速公路建設(shè)；主線設(shè)計速度100km/h，路基寬度33.5m，雙向六車道設(shè)計，連接線設(shè)計速度為60km/h，雙向四車道設(shè)計。全線高填深挖路基路段共3143m（左幅2073m，右幅1070m），最大邊坡高度62.92m，代表地質(zhì)主要為：表層為褐黃色硬塑狀黏土，厚2.5～3.5m，基巖為三迭系中統(tǒng)褐黃色泥質(zhì)粉砂巖，強風(fēng)化，薄層狀構(gòu)造，巖體破碎，巖質(zhì)較軟。

2 邊坡監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計的目標(biāo)及原則

2.1 監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計的目標(biāo)

根據(jù)施工及安全的需要，擬定施工監(jiān)測參數(shù)，對于邊坡施工的監(jiān)測，主要考慮邊坡土體的穩(wěn)定，通常通過監(jiān)測土木表面及內(nèi)部位移作為控制指標(biāo)，同時監(jiān)測影響土體性質(zhì)的因素，主要有滲流量、降雨量、土體裂縫及土體含水率。通過對直接因素和間接因素的監(jiān)測，掌握邊坡內(nèi)部位移變化及其變化速率，結(jié)合表面綜合位移信息可確定邊坡整體位移變形情況。

2.2 監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計的原則

監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計需滿足以下幾個原則：

（1）技術(shù)標(biāo)準化：系統(tǒng)的設(shè)計應(yīng)使用通行的、廣為接受的技術(shù)和方法，保證系統(tǒng)可擴展、可升級的能力；

（2）結(jié)構(gòu)標(biāo)準化：系統(tǒng)的設(shè)計應(yīng)當(dāng)遵循先進、成熟、被廣為應(yīng)用和驗證的架構(gòu)，降低系統(tǒng)的設(shè)計風(fēng)險；

（3）接口標(biāo)準化：系統(tǒng)在設(shè)計上，應(yīng)當(dāng)符合國家對應(yīng)用系統(tǒng)接口系統(tǒng)的要求，滿足不同系統(tǒng)之間連接和交互的需要；

（4）數(shù)據(jù)標(biāo)準化：系統(tǒng)使用的數(shù)據(jù)，如電子文檔、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)等，要符合國家相關(guān)行業(yè)標(biāo)準的要求；

（5）模塊標(biāo)準化：是指模塊結(jié)構(gòu)標(biāo)準化和模塊接口標(biāo)準化，保證系統(tǒng)模塊的可組合性和可互換性特征。

3 系統(tǒng)設(shè)計

3.1 總體技術(shù)方案

邊坡監(jiān)測系統(tǒng)主要由各監(jiān)測參數(shù)設(shè)置的一體化監(jiān)測站設(shè)備、現(xiàn)場通信設(shè)備、監(jiān)控中心，配合基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、云計算的監(jiān)測與數(shù)據(jù)匯集平臺、多種多樣的用戶終端信息設(shè)備及應(yīng)用軟件等主要部分組成。

其中各種監(jiān)測參數(shù)的一體化監(jiān)測站設(shè)備是系統(tǒng)架構(gòu)的基礎(chǔ)，用來測量實時監(jiān)測數(shù)據(jù)；現(xiàn)場通信設(shè)備與監(jiān)控中心及監(jiān)測數(shù)據(jù)匯集平臺建立通信聯(lián)系，上傳各監(jiān)測參數(shù)的監(jiān)測數(shù)據(jù)與設(shè)備狀態(tài)信息并下發(fā)終端的指令；監(jiān)控中心及數(shù)據(jù)匯集平臺接收各地監(jiān)測站設(shè)備采集上來的數(shù)據(jù)并通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)布數(shù)據(jù)（見圖1）。

3.2 主要設(shè)備選型

3.2.1 表面位移設(shè)備選型

表面位移（裂縫）測量是滑坡體自動監(jiān)測的重點內(nèi)容，選點主要考慮滑坡體上部后緣，兼顧滑坡面內(nèi)局部階梯面有明顯裂縫處，進行觸發(fā)式動態(tài)監(jiān)測。使用GPRS/CDMA/SMS/北斗衛(wèi)星等通訊方式進行數(shù)據(jù)傳輸，可通過本地或遠程讀取監(jiān)測站存儲的數(shù)據(jù)，支持遠程管理、命令下發(fā)等功能（見圖2）。

3.2.2 土體內(nèi)部位移監(jiān)測設(shè)備選型

土體深部位移自動監(jiān)測儀采用一體化設(shè)計，用于監(jiān)測滑體深部滑面位移變化情況，采用無線傳感器終端連接固定式測斜儀進行長期在線測量。使用GPRS/CDMA/SMS/北斗衛(wèi)星等通訊方式進行數(shù)據(jù)傳輸。通常采用測斜儀進行測量（見圖3）。

圖3 測斜儀工作原理

3.2.3 滲透量監(jiān)測設(shè)備選型

選用滲壓計埋設(shè)在基巖內(nèi)或安裝在測壓管、鉆孔中，實時監(jiān)測邊坡巖體的孔隙水壓力。

3.2.4 降雨量設(shè)備選型

選用翻斗式流量計測量降雨量。降雨流入翻斗，通過計算翻斗次數(shù)得到雨量大小。采集數(shù)據(jù)通過RS485通信接口電纜直接接入服務(wù)器或傳輸網(wǎng)絡(luò)。

3.3 功能設(shè)計

邊坡監(jiān)測預(yù)警中心及分中心平臺軟件主要由邊坡監(jiān)測預(yù)警平臺系統(tǒng)運行環(huán)境系統(tǒng)、實時監(jiān)測數(shù)據(jù)接收及匯集平臺、邊坡監(jiān)測預(yù)警管理系統(tǒng)（基于WEBGIS）三部分構(gòu)成。

3.3.1 邊坡監(jiān)測預(yù)警平臺系統(tǒng)運行環(huán)境監(jiān)測預(yù)警平臺系統(tǒng)擬采用了四層體系結(jié)構(gòu)。

（1）表現(xiàn)層。表現(xiàn)層只負責(zé)對數(shù)據(jù)層中的數(shù)據(jù)進行分析之后呈現(xiàn)給用戶，用戶可以根據(jù)自己的實際需求，按照規(guī)定的接口格式，開發(fā)符合自己需要的界面表現(xiàn)形式。

（3）業(yè)務(wù)邏輯層。業(yè)務(wù)邏輯層是本軟件系統(tǒng)的核心，主要作用是對通信層上傳的數(shù)據(jù)進行處理，并將處理后的數(shù)據(jù)按規(guī)定的接口格式送到數(shù)據(jù)層。具體功能包括接口的轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)的分析和數(shù)據(jù)格式的轉(zhuǎn)換等等。

（4）通信層。通信層的主要任務(wù)是從遙測站取得測報的原始數(shù)據(jù)，并下發(fā)從業(yè)務(wù)邏輯層傳來的需要下發(fā)到遙測站的命令。

3.3.2 實時監(jiān)測數(shù)據(jù)接收及匯集平臺系統(tǒng)

實時監(jiān)測數(shù)據(jù)接收及匯集平臺主要負責(zé)各種監(jiān)測數(shù)據(jù)接收、入庫、處理匯集的功能，其由通信模塊、控制模塊、數(shù)據(jù)模塊、管理模塊四部分構(gòu)成。

（1）通信模塊。通信模塊主要以不同的通信方式和通信協(xié)議完成數(shù)據(jù)的接收與命令的下發(fā)，并將接收的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成統(tǒng)一的數(shù)據(jù)格式。

（2）控制模塊。控制模塊是對數(shù)據(jù)采集設(shè)備遠程控制模塊，主要完成對數(shù)據(jù)采集設(shè)備的遠程操作及操作結(jié)果的反饋。

（3）數(shù)據(jù)模塊。處理通信模塊輸出的數(shù)據(jù)，并根據(jù)存儲的設(shè)備信息及合成信息生成符合用戶需求的數(shù)據(jù)并輸出。

（4）管理模塊。通過Web實現(xiàn)對整個系統(tǒng)的統(tǒng)一管理，完成對設(shè)備的遠程操作，對異常數(shù)據(jù)集中處理，對設(shè)備的運行狀態(tài)進行實時查看和對設(shè)備信息的統(tǒng)一管理。

晚飯開始進行，祖輩坐在正桌正位，兒孫們圍坐在周圍，媳婦侍奉一家老小，忙前忙后，不能上桌。除夕晚飯菜肴豐富，但以手把肉為主，手把肉好的部位要首先請長輩們享用，長輩們也將肉切割成若干份分給晚輩們。吃飯時，晚輩不能先于長輩動筷子進食，這被視為對長輩不尊重、不懂規(guī)距。

3.3.3 監(jiān)測預(yù)警管理系統(tǒng)

邊坡監(jiān)測預(yù)警管理系統(tǒng)以各類邊坡數(shù)據(jù)和擬監(jiān)測區(qū)域基礎(chǔ)地形、地貌、地質(zhì)、氣象數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，以邊坡管理及預(yù)警業(yè)務(wù)為中心設(shè)計系統(tǒng)。由實時查詢展示模塊、數(shù)據(jù)分析模塊、預(yù)警模塊構(gòu)成。

（1）實時查詢展示模塊。實時查詢展示模塊主要基于電子地圖，對擬監(jiān)測區(qū)域邊坡隱患點監(jiān)測數(shù)據(jù)及信息實時查詢展示功能，為邊坡預(yù)警預(yù)報提供數(shù)據(jù)支持。

（2）數(shù)據(jù)分析模塊。高邊坡預(yù)警數(shù)據(jù)分析模塊是基于孕災(zāi)環(huán)境、致災(zāi)因子和承災(zāi)體對大氣降水為主導(dǎo)因素誘發(fā)的崩塌、邊坡、泥石流三大災(zāi)種進行分析研究和預(yù)報預(yù)警分析的系統(tǒng)。

根據(jù)邊坡的特點建立非線性動態(tài)組織系統(tǒng)模型數(shù)據(jù)處理的自組織模型、模糊信息優(yōu)化模型和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型等一系列模型。利用每個模型堅實的科學(xué)理論基礎(chǔ)，結(jié)合邊坡的特點，建立起災(zāi)害體的解算方法和失穩(wěn)機制。

（3）預(yù)警信息發(fā)布模塊。預(yù)警信息發(fā)布系統(tǒng)是及時向相關(guān)單位發(fā)布災(zāi)害預(yù)警信息，可通過微信、短信、郵件等方式發(fā)布，同時記錄預(yù)警日志。

3.4 通訊及供電設(shè)計

3.4.1 通訊系統(tǒng)設(shè)計

系統(tǒng)的通訊主要有有線通訊、無線通訊、混合通訊等幾種形式。針對邊坡監(jiān)測項目一般都處于野外，有線通訊相對比較難以實現(xiàn)，應(yīng)采用無線通訊的方式。無線通訊的方式是在現(xiàn)場設(shè)備的后端安裝無線傳輸模塊，一般可供選擇的無線模塊有WIFI、5G、GPRS等。

3.4.2 供電系統(tǒng)設(shè)計

優(yōu)先考慮采用太陽能供電系統(tǒng)。太陽能發(fā)電系統(tǒng)由太陽能電池組、太陽能控制器、蓄電池（組）組成。如輸出電源為交流220V或110V，還需要配置逆變器。

4 結(jié)束語

山區(qū)高速公路建設(shè)過程中不可避免地會涉及到大規(guī)模的邊坡結(jié)構(gòu)物，有必要通過監(jiān)測，避免高邊坡結(jié)構(gòu)體出現(xiàn)滑坡、坍塌對施工造成影響。本文通過構(gòu)建一種邊坡監(jiān)測系統(tǒng)，為山區(qū)邊坡施工安全提供切實可靠的監(jiān)測手段，為同類工程提供參考。