GNSS技術在高速公路高邊坡監測中的應用探索

程 曦

(中建材西南勘測設計有限公司，四川 成都 610000)

0 前 言

高速公路中，高邊坡受到雨水的影響，易出現失穩垮塌的情況，嚴重影響行車安全。采用傳統的方法監測高邊坡時，因環境的限制，從而使監測結果的準確性大幅度降低。為解決這一問題，可在邊坡監測中引入先進的GNSS技術，通過該技術對邊坡位移監測系統加以優化改進，完善系統性能，滿足高邊坡監測工作需要。

1 GNSS技術的應用優勢

1.1 GNSS系統

全球衛星導航系統，即GNSS系統，主要由空間部分、控制部分和用戶部分構成。其中，空間部分由多顆不同軌道衛星組成，各軌道之間相互交叉，處于同一軌道中的多個衛星之間是相對靜止狀態，在相鄰軌道上的衛星升交距角相差30°[1]；控制部分由監測站、主控站、注入站構成，用于控制衛星的運行狀態，調整衛星姿態和軌道高度，保證衛星定位與導航的精度；用戶部分通過GNSS接收機接收監控站發送的衛星信號，通過算法解析信號，實現定位與導航功能。

1.2 應用優勢

在高速公路高邊坡監測中運用GNSS技術，能夠充分發揮出無線傳輸的優勢，提高監測的時效性，其應用優勢體現在以下方面。

1.2.1 基準點選址要求低

傳統邊坡監測方法對基準站選址要求較高，需保證監測點與基準點位置相同，但是在實際地形地貌客觀條件的約束下，增加了基準點的選擇難度。而GNSS技術對基準站選址無特殊限制，不需要保證監測點與基準點處于同一地點，僅要求基準點必須位于無遮擋的開闊場地，即使遠離監測點也可以完成監測任務，節省了基準點選址時的人力、物力投入。

1.2.2 監測精度高

GNSS技術對邊坡變形的監測精度明顯高于傳統監測方法，并且監測精度不受環境變化、人為活動的影響，能夠增強監測結果的穩定性和可靠性。在基線長度發生變化的情況下，監測精度也會隨之發生變化，當基線長度小于50 km時，監測精度為(1～2)×10-6；當基線長度為100～500 km時，監測精度為10-6～10-7。

1.2.3 三維監測位置變化

傳統的邊坡監測需要人工監測邊坡平面位移和深部位移，在監測過程中受降雨、陽光、空氣等監測環境的影響，難以統一在同一時間節點對同一監測點的監測標準，并且還會增加作業難度和工作量。而應用GNSS技術能夠在同一時間點從X、Y、Z三個方向對監測點進行監測，快速得出邊坡平面位移和深部位移的速度[2]。

1.2.4 監測效率高

傳統的邊坡監測方法在監測定位基線時，要根據不同的監測精度要求耗用長短不同的監測時間，一般在1～3 h。而應用GNSS技術進行邊坡監測，不會受到環境、地點、時間以及監測精度要求的限制，只需要耗用幾分鐘就能夠完成監測任務，并且還可以實現實時監測功能。

1.2.5 監測智能化程度高

在GNSS技術快速發展的背景下，系統中的信號接收元件更加集成化、小型化，監測人員在掌握儀器操作流程的基礎上便能夠自動化、智能化完成監測數據的統計、分析工作，呈現監測數據報表，用圖形展示監測數據變化，為高速公路工程建設提供決策依據。

2 基于GNSS技術的高速公路高邊坡監測

2.1 工程概況

某高速公路的邊坡位于路線左幅左側，該邊坡的長度和高度分別為200、60 m，共分三級，每一級的高度全部相同，為20 m，坡率依次為1∶0.75、1∶1和1∶1。由該邊坡的地質勘察資料得知，其所在地區為丘陵地貌，邊坡施工前，山體植被較為發育，邊坡局部修整時，導致部分植被遭到破壞。

2.2 邊坡監測方案

2.2.1 邊坡監測依據

1)監測頻率。本工程根據《工程測量規范》(GB 50026—2007)和《建筑邊坡工程技術規范》(GB 50330—2002)中的相關要求，確定自動監測頻率：每天觀測2次；連續3 d降雨且降雨量超過50 mm/d時，每天觀測4次；表層或深層位移分別發出一級、二級、三級預警時，分別對應的每天觀測次數為8、12次和24 h連續觀測[3]。

2)監測原則。在本工程邊坡關鍵部位布設監測點，要求關鍵部位為邊坡巖土體位置變動的代表性部位；保護坡體上暴露在外的監測設備，避免出現運行故障；在穩定性較好的巖石上設置測量基準控制點，要求基準控制點不在監測邊坡范圍內；根據邊坡實際情況確定監測方法，選用實用性、耐用性和便捷性較強的監測儀器。

3)監測指標。本工程邊坡監測主要對表面位移和深層水平位移進行監測，以掌握邊坡變形、位移變化速率以及邊坡穩定性情況。

4)位移監測精度。在本工程邊坡監測中，巖質滑坡監測的水平位移監測點位誤差為6.0 mm，垂直位移監測高程誤差為3.0 mm，地表裂縫觀測誤差為0.5 mm；土質滑坡監測的水平位移監測點位誤差為12.0 mm，垂直位移監測高程誤差為10.0 mm，地表裂縫觀測誤差為5 mm。

2.2.2 監測方案

現場勘察本工程邊坡發現，一、二級邊坡土質松散，發生滲水、滑塌病害，邊坡穩定性較差。采用GNSS技術監測一、二級邊坡，利用GNSS系統自動采集和記錄邊坡表面和內部位移數據，具體監測方案為。

1)地表位移監測。結合本工程的現場勘察情況，將2～3條監測斷面布置到邊坡縱橫軸線上，每個監測斷面布設2個及其以上的監測點，當邊坡存在多余2處的滑坡變形區時布設監測網。本工程中，在垂直路線沿邊坡原滑動變形主方向布設2條監測斷面、5個監測點，用于監測地表位移和沉降。其中3個監測點在第1條監測斷面上，監測點間距為50 m，2個監測點在第2條監測斷面上，監測點間距為40 m；本工程中，選在離工程不遠處的1棟居民樓頂層布設1個基準點。

2)深層水平位移監測。在邊坡巖土體內部位移變化數據采集中采用固定式測斜儀，將測斜儀埋設到巖土體中，連接儀器電纜與數據自動采集系統，實時傳輸測量獲取的數據信息，掌握邊坡位移變化，對邊坡滑動面位置進行確定，監測邊坡穩定性情況。在本工程中，垂直路線沿邊坡原滑動變形主方向布設3條監測斷面、3個監測點，其中2個監測點布設在第1級平臺，相距65 m。1個監測點布設在第2級平臺的中間位置，距離邊體60 m。在布設測斜傳感器時，單孔孔深35 m，布設間距不得超過10.0 m。

2.3 監測系統安裝與調試

GNSS監測系統主要包括室內設備與室外設備部分，在安裝完畢后需進行調試。

2.3.1 室外設備

1)鉆孔。用鉆孔機鉆測斜孔，孔徑不得小于110 mm，測量成孔傾斜度，不得超過2°。

2)固定式測斜儀。在安裝固定式測斜儀時，用螺栓連接滑輪組與連接管，將滑輪組位于連接管底部；連接測量元件，將桿、測量元件放入測斜管；在上下游方向的卡槽中安放導輪，對導輪的朝向進行固定，使其與測斜方向一致；連接另一個連接管，使其達到預定的傳感器位置；安裝中間滑輪組、傳感器和連接桿，完成安裝任務后，對接電纜與數據存儲設備；在各個管口處采取必要的保護措施，安裝鐵盒，避免雜物進入孔內；用讀數儀對各個傳感器的運行狀態進行檢查，記錄檢測數據。

3)地表測斜儀。在監測點進行開挖，開挖深度在1.0 m左右，保證地層穩定。在穩定層上澆筑水泥，安裝地表測斜儀。

4)基準站。在地質堅硬區且遠離人類活動的區域安裝基準站，要求該區域交通便捷、周圍開闊，減少客觀環境因素和人為因素對衛星信號的影響。

5)防雷設施。在鍍鋅管的一端安裝避雷針，采用焊接工藝固定避雷針；焊接法蘭盤，制作地籠，地籠用于連接避雷針基座，固定到地面上；避雷針與基準站保持一定距離。

2.3.2 室內設備

在室內的監測系統中安裝相應硬件和軟件，包括監測數據信號接收器以及監測數據處理分析軟件，安裝后試運行軟硬件設備。

3 高邊坡GNSS監測系統的改進及應用

3.1 系統架構

3.1.1 系統改進思路

在高速公路建設過程中，為實時掌握高邊坡的穩定情況，并獲取邊坡的變形數據，應用GNSS技術，改進現有的邊坡監測管理系統，使系統的操作變得更加簡單，功能更加強大。系統改進時，要遵循實用性、經濟性等原則，設計出滿足用戶需要的功能模塊，簡潔易懂的系統界面。

3.1.2 改進后的系統架構

經過改進之后的高邊坡GNSS監測系統，采用較為流行的模塊化設計，將整個系統劃分為5個功能模塊，分別為邊坡信息、監測數據、余量采集、權限管理及預警。所有模塊通過配合，能夠實現邊坡變形監測。

3.2 系統功能模塊的構建

3.2.1 邊坡信息模塊

在高邊坡監測工作的開展中，邊坡信息是不可或缺的基礎數據，確定監測方案和統計分析時，均需要使用到的邊坡信息，如幾何信息、結構信息等。構建的邊坡信息模塊能夠對邊坡的靜態和動態信息全面管理。利用該模塊，可對邊坡的所有信息進行查看，并且能錄入和編輯新的信息。傳統的邊坡信息展示方法為文字列表，這種方式的直觀性較差，界面也不友好。針對這一情況，在系統改進時，引入Map模塊，可在其中直觀查看與邊坡有關的所有信息。邊坡監測點的基礎信息由兩個小模塊組成，一個是信息列表，另一個是新增監測區，通過該模塊能夠對邊坡監測點相關數據進行修改和查詢。

3.2.2 監測數據模塊

1)數據錄入與導出。用戶進入該模塊可點擊菜單欄查看不同類型數據，上級用戶擁有修改、刪除下級用戶上傳數據的操作權限。數據錄入既可以選擇逐條錄入，也可以選擇批量上傳。在地表位移監測點的數據錄入中，監測人員點擊進入到“地表位移”頁面，單條添加數據，系統自動默認首次添加數據為基準值。監測人員也可以進入“批量上傳”頁面，將Excel模板中的數據信息導入到“數據列表”中；數據導出，用戶將查詢到的監測數據導出，自動轉換為Excel表格式。

2)數據顯示。系統直觀展示數據圖表，用戶根據瀏覽需求，選擇時間節點、監測點等關鍵檢索詞，查看相應監測點的位移變形量。在數據圖表功能中，可以顯示監測點隨著時間的變化監測點垂直位移、水平位移隨之發生的變化，確定三者之間的關系，生成位移曲線圖，并且曲線圖支持局部放大、全局縮小等多種瀏覽操作。

3)數據分析。數據分析包括關聯分析和對比分析，其中關聯分析要對各類導致邊坡失穩的監測數據進行關聯性分析，確定各個形變因素之間的關系；對比分析針對同一站點的不同時間段獲取的監測數據，系統要預設對比分析周期，用戶可以任取時間段自動生成監測數據對比分析圖。

3.2.3 雨量采集模塊

該模塊采用漏斗式雨量計，對監測區域進行中斷式測量，計算出總雨量。在漏斗式雨量計中安裝精度處理器，提高雨量計量精度。該模塊能夠自動保存中斷時記錄的雨量值和時間，模塊運行流程為：中斷開始→計取雨量測量精度值→讀取計量時間節點→計算總雨量→中斷結束。

3.2.4 系統管理模塊

該模塊結合高速公路管理的不同主體設置不同的管理操作權限，構建起四級監測體系，明確各個監測部門的系統操作權限，具體包括：一級監測主體為行政管理部門，有權瀏覽、管理和監測所有邊坡數據，結合下級單位上報的預警信息確定預警級別，決定部署邊坡處置工作；二級監測主體為高速公路管理單位，有權監測本單位管理范圍內公路邊坡數據，向行政管理部門上報預警信息，并落實行政管理部門的決策部署；三級監測主體為BOT公司，有權查詢瀏覽本公司承建路段的邊坡監測數據，深入到實地核實養護工區上報的預警信息，核實后向高速公路管理單位上報；四級監測主體為養護工區，有權瀏覽管理養護區范圍內的邊坡監測數據，根據預警模型確定預警等級，通過網絡、手機等平臺向BOT公司上報預警信息。

3.2.5 系統預警模塊

①閾值配置，該模塊中采用唯一的配置方式，在權限范圍添加新閾值后，會對原有閾值進行覆蓋，在站點添加閾值時，要點開站點列表，進入設置界面，通過新增按鍵添加閾值和通知方式，按照指定的格式通過Excel批量上傳站點管理配置信息；②告警配置，在添加閾值后，點擊閾值列表的操作欄配置告警通知方式，本系統提供短信通知功能，可以將預警信息及時發送到預設的用戶手機號上；③告警查詢，用戶在告警頁面查詢告警信息，可點擊報表按鍵，系統會自動按照等級、類型、站點等信息歸集標準對某一時間點的告警信息進行統計輸出。

3.3 高邊坡監測數據分析

從本工程的高邊坡中選取3個測點，通過改進后的系統對相關數據進行分析，具體如下：三個測點的變形情況相類似，分布形態為V字形，變形速度在某個時間段加快，經查該時間內降雨，三個測點最大的變形累計為64.68 mm，由此表明，監測斷面內的結構穩定性不足。通過對高邊坡較長時間的監測后得出如下結論：改進后的監測系統可以準確采集到邊坡的位移數據，數據的精度與規定要求相符，且未出現數據丟失的情況，證明改進后的系統在高邊坡監測中具有良好的可用性。

4 結束語

高速公路高邊坡監測是一項非常重要的工作，為提高監測結果的準確性，可對先進的GNSS技術加以合理應用，通過該技術對邊坡位移監測管理系統進行優化改進，提高系統的整體性能，滿足高邊坡監測需要。

[ID:013257]