高速公路邊坡實時監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)建設(shè)研究與工程應(yīng)用

楊雋 呂偉 左華平

（1.江西省贛南公路勘察設(shè)計院有限公司，江西 贛州 341001；2.江西通慧科技集團股份有限公司，江西 南昌 330100）

本文結(jié)合研究路段邊坡實時監(jiān)測實踐，應(yīng)用IntelliJ IDEA開發(fā)環(huán)境和mysql server數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ)，利用JAVA語言開發(fā)出了邊坡地質(zhì)災(zāi)害實時監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)，實現(xiàn)了對現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集、解析、數(shù)據(jù)分析、監(jiān)測成果輸出等功能，為邊坡的運營期安全狀況監(jiān)測提供了樣本。

一、系統(tǒng)功能需求

邊坡實時監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)主要是通過5G傳輸技術(shù)、智能傳感設(shè)備、云計算等技術(shù)遠程實時采集并分析數(shù)據(jù)，為邊坡運維期的安全狀況進行評估。監(jiān)測項目主要包括GNSS表面位移監(jiān)測、雨量監(jiān)測、傾斜監(jiān)測、深層水平位移等，能夠通過閾值設(shè)置的方式直觀地顯示邊坡工程的穩(wěn)定性，并在失穩(wěn)前，提前預(yù)警并及時將信號發(fā)送給管理方。

二、系統(tǒng)架構(gòu)

邊坡實時監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、設(shè)備管理系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)、圖形繪制系統(tǒng)、預(yù)警預(yù)報系統(tǒng)、工程資料在線查詢等模塊組成。預(yù)警監(jiān)測系統(tǒng)總體框架如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體框架

（一）數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

邊坡現(xiàn)場實時監(jiān)測項較多，不同傳感器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通過DTU無線采集或者網(wǎng)關(guān)采集，采集后數(shù)據(jù)實時傳輸?shù)皆品?wù)器，用于后續(xù)的數(shù)據(jù)處理。

（二）數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)

數(shù)據(jù)對于邊坡的穩(wěn)定性評估至關(guān)重要，在數(shù)據(jù)處理模塊嵌入毛刺過濾算法，可以提高邊坡穩(wěn)定性評估數(shù)據(jù)的可靠性。通過拉依達準則除去不符合整個時間序列中的異常數(shù)據(jù)，使得數(shù)據(jù)更加平滑，為后續(xù)邊坡穩(wěn)定性穩(wěn)定評估奠定基礎(chǔ)。

（三）預(yù)警預(yù)報系統(tǒng)

建立邊坡預(yù)警系統(tǒng)的目的是當(dāng)邊坡外界條件發(fā)生變化時，邊坡處于失穩(wěn)或即將失穩(wěn)的狀態(tài)，系統(tǒng)能自動根據(jù)處理的實時監(jiān)測數(shù)據(jù)提前發(fā)出預(yù)警信息，最大可能避免不必要的人員和財產(chǎn)損失。目前該系統(tǒng)已經(jīng)嵌入了預(yù)警預(yù)報系統(tǒng)，當(dāng)數(shù)據(jù)超閾值，系統(tǒng)會自動推送郵件、電話和短信告警。

三、工程應(yīng)用

（一）工程概況和測點布置

東坑隧道左線出口右側(cè)邊坡為6級高邊坡，根據(jù)邊坡監(jiān)測的需要，共布置一個雨量監(jiān)測、兩個角度傾斜監(jiān)測、兩個表面位移監(jiān)測、兩個深層位移監(jiān)測孔，一個視頻監(jiān)控。圖2為邊坡監(jiān)測現(xiàn)場布點圖。

圖2 邊坡監(jiān)測現(xiàn)場布點圖

（二）邊坡雨量監(jiān)測

邊坡采用壓電式雨量計，通過對單個雨滴重量進行測算，從而計算該地區(qū)降雨量。

（三）表面位移監(jiān)測

借助我國自主研發(fā)的北斗高精度定位技術(shù)，通過安裝在野外的GNSS監(jiān)測站能實時獲取監(jiān)測點的坐標，從而形成對滑坡體的毫米級變形監(jiān)測。通過系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理、圖形繪制模塊得到整個邊坡的位移變形情況。圖3為位移-時間監(jiān)測趨勢圖。

通過對圖3分析可知，GNSS表面位移監(jiān)測在水平方向的監(jiān)測數(shù)值在-4mm～4mm之間波動，豎直方向的監(jiān)測數(shù)值在-7mm～6mm之間波動，監(jiān)測數(shù)據(jù)趨勢圖未出現(xiàn)明顯的變化趨勢，可認為邊坡目前是穩(wěn)定的，沒有滑動的風(fēng)險。

圖3 位移-時間監(jiān)測趨勢圖

（四）深層水平位移監(jiān)測

通過測量邊坡孔內(nèi)雙軸測斜管軸線與鉛垂線的夾角變化，從而計算土層在各點不同垂直方向的水平位移；由測斜管底部測點開始逐段累加，可得到任一深度的水平實際位移。利用深層水平累計位移趨勢圖可找出潛在的滑動面及位移變化情況。圖4為深層水平累計位移監(jiān)測趨勢圖。

圖4 深層X/Y方向水平累計位移監(jiān)測趨勢圖

通過對圖4分析可知，深層水平位移監(jiān)測在X水平方向的累計位移變化在-0.4mm～0.4mm之間波動，在Y水平方向的累計位移變化在0mm～-5mm之間波動（負號表示坡體潛在滑動方向），深度-1.5m的累計位移存在較明顯趨勢變化，但由于累計位移數(shù)值較小，后續(xù)需要持續(xù)觀察，由此可以認為邊坡目前是穩(wěn)定的。

（五）傾斜監(jiān)測

在實際的運營監(jiān)測中，對邊坡的傾斜角度監(jiān)測具有重要的現(xiàn)實意義，通過角度的位移變化可以判斷邊坡是否存在潛在的滑動風(fēng)險。圖5為角度-時間監(jiān)測趨勢圖。

圖5 角度-時間監(jiān)測趨勢圖

通過對圖5 分析可知，邊坡傾斜監(jiān)測在X 水平方向的角度在-0.4°～0.1°之間波動，在Y水平方向的角度在-0.4°～0.1°之間波動，監(jiān)測數(shù)據(jù)趨勢圖未出現(xiàn)明顯的趨勢變化，可認為邊坡目前是穩(wěn)定的，沒有滑動的風(fēng)險。

四、結(jié)語

根據(jù)邊坡的運維監(jiān)測應(yīng)用得出，該系統(tǒng)在數(shù)據(jù)采集、設(shè)備管理、圖形繪制方面能很好地進行運用，為邊坡的安全監(jiān)測提供了堅定的軟件基礎(chǔ)。根據(jù)邊坡地形、地質(zhì)條件和其他因素，布置雨量監(jiān)測、角度傾斜監(jiān)測、GNSS表面位移監(jiān)測、深層水平位移監(jiān)測等監(jiān)測項，有效監(jiān)測了邊坡在運營期的安全狀況。