彭松， 劉建坤*， 張?jiān)讫垼?常丹， 孫兆輝

(1.中山大學(xué)土木工程學(xué)院， 廣州 510275； 2. 中國(guó)鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司， 天津 300308)

全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(global navigation satellite system，GNSS)作為新型的國(guó)家基礎(chǔ)設(shè)施[1]，具有保障國(guó)家安全和促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要作用。北斗三號(hào)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(BeiDou-3 navigation satellite system，BDS-3)組網(wǎng)完成，領(lǐng)先于歐盟的伽利略衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(Galileo satellite navigation system，GALILEO)，成為繼美國(guó)的全球定位系統(tǒng)(global positioning system，GPS)和俄羅斯格洛納斯衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(global navigation satellite system，GLONASS)之后，能夠提供高精度授時(shí)、定位和導(dǎo)航服務(wù)的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。北斗三號(hào)星座共30顆衛(wèi)星，由3顆地球靜止軌道衛(wèi)星(geostationary satellite，GEO)、3顆傾斜地球同步軌道衛(wèi)星(inclined geosynchronous orbit，IGSO)和24顆中圓地球軌道衛(wèi)星(medium orbit earth satellite，MEO)組成[2-4]。

隨著工程建設(shè)的發(fā)展，監(jiān)測(cè)環(huán)境漸趨復(fù)雜多變，精度要求日益提高，邊坡變形監(jiān)測(cè)技術(shù)逐漸趨向自動(dòng)化、遠(yuǎn)程化和高精度[5]。司夢(mèng)元等[6]等針對(duì)公路高邊坡監(jiān)測(cè)難等問(wèn)題，采用三維激光掃描技術(shù)對(duì)邊坡進(jìn)行自動(dòng)化監(jiān)測(cè)，獲取邊坡整體和局部變形信息。孫嘉旭等[7]介紹了無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量的原理，總結(jié)了無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量在邊坡監(jiān)測(cè)中的最新研究進(jìn)展，展望了相關(guān)領(lǐng)域今后的研究方向。姚佳明等[8]利用合成孔徑雷達(dá)干涉測(cè)量(synthetic aperture radar interferometry，InSAR)技術(shù)對(duì)天水市滑坡進(jìn)行了識(shí)別和調(diào)查，并利用SBAS-InSAR對(duì)變形數(shù)據(jù)進(jìn)行了計(jì)算分析，發(fā)現(xiàn)了103處活動(dòng)性災(zāi)害，包括滑坡和地面沉降，并給出了滑坡變形趨勢(shì)的預(yù)測(cè)。三維激光掃描技術(shù)測(cè)量范圍為幾米到幾十米，難以勝任大范圍地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查和滑坡監(jiān)測(cè)。InSAR技術(shù)對(duì)于特定點(diǎn)位持續(xù)監(jiān)測(cè)會(huì)增加額外工作量，且進(jìn)行24 h不間斷變形監(jiān)測(cè)，數(shù)據(jù)量巨大，不適用于工程的小范圍固定點(diǎn)位的變形監(jiān)測(cè)[9-10]。無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量精度受無(wú)人機(jī)與目標(biāo)物的距離影響較嚴(yán)重，觀測(cè)大壩、大面積邊坡等需要移動(dòng)多次拍攝，費(fèi)時(shí)費(fèi)力[11-12]，且無(wú)法持續(xù)觀測(cè)。

GNSS依靠系統(tǒng)衛(wèi)星，能夠?qū)崿F(xiàn)全天候持續(xù)監(jiān)測(cè)，利用相對(duì)定位算法能夠?qū)崿F(xiàn)毫米至亞毫米的監(jiān)測(cè)定位精度[13-14]。通過(guò)布設(shè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)可以實(shí)現(xiàn)特定位置持續(xù)不間斷監(jiān)測(cè)，利用監(jiān)測(cè)點(diǎn)搭建監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)能夠?qū)崿F(xiàn)大壩、邊坡、高鐵等大范圍、長(zhǎng)距離監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)范圍靈活。Yang等[15]提出了一種新的GNSS監(jiān)測(cè)技術(shù)GNSS-R(GNSS reflectometry)，該技術(shù)通過(guò)接收變形體反射的GNSS信號(hào)來(lái)遠(yuǎn)程估計(jì)變形，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試表明，該技術(shù)可以觀測(cè)到亞厘米級(jí)的變形。邵沛涵等[16]利用初步設(shè)計(jì)的北斗三號(hào)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)公路高邊坡進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，通過(guò)對(duì)比BDS和GPS的解算結(jié)果發(fā)現(xiàn)，同時(shí)使用BDS-2和BDS-3的觀測(cè)精度和質(zhì)量與GPS相當(dāng)，且部分基線優(yōu)于GPS。姚仰平等[17]基于北斗衛(wèi)星定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)搭建了機(jī)場(chǎng)高填方變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。通過(guò)載波相位差分技術(shù)實(shí)現(xiàn)高精度定位，日定位時(shí)長(zhǎng)設(shè)定60 min的情況下北斗靜態(tài)相對(duì)定位垂直方向精度優(yōu)于3.6 mm，能夠滿足機(jī)場(chǎng)高填方變形監(jiān)測(cè)的需求。張雪林等[18]利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)設(shè)計(jì)了一種滑坡監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)自動(dòng)采集系統(tǒng)，以傳感器節(jié)點(diǎn)采集滑坡體位移數(shù)據(jù)，利用北斗短報(bào)文模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，彌補(bǔ)了野外數(shù)據(jù)采集的不足，但并沒(méi)有充分利用BDS-3高精度自動(dòng)化的優(yōu)勢(shì)。Notti 等[19]利用低成本GNSS接收機(jī)對(duì)意大利西北部的邊坡進(jìn)行持續(xù)性監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)精度達(dá)到毫米級(jí)，根據(jù)持續(xù)性監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)出滑坡起始階段，并建立了半自動(dòng)化程序用于預(yù)測(cè)邊坡變形趨勢(shì)以識(shí)別風(fēng)險(xiǎn)。

2020年7月，中國(guó)北斗三號(hào)全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)正式開(kāi)通，在全球范圍內(nèi)提供授時(shí)定位導(dǎo)航服務(wù)，北斗系統(tǒng)基于在亞太地區(qū)的高中低3種軌道混合星座布局和可視衛(wèi)星數(shù)量?jī)?yōu)勢(shì)，服務(wù)性能及定位精度顯著增強(qiáng)[20-22]。因此基于BDS在亞太地區(qū)的定位優(yōu)勢(shì)，構(gòu)建BDS遠(yuǎn)程邊坡監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)公路邊坡的開(kāi)挖變形進(jìn)行實(shí)時(shí)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)具有重要的工程價(jià)值和實(shí)際意義。現(xiàn)將探討B(tài)DS遠(yuǎn)程邊坡監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的構(gòu)成，并將系統(tǒng)應(yīng)用于公路邊坡開(kāi)挖工程的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，以驗(yàn)證系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性，檢驗(yàn)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)自動(dòng)化采集和傳輸?shù)哪芰?，證實(shí)其監(jiān)測(cè)精度的工程可用性。

1 工程概況

G336神木店塔至張板崖公路工程起于神木市店塔鎮(zhèn)高石崖塔，止于神木鎮(zhèn)張板崖，與既有G337相接，路線全長(zhǎng)32.21 km。所研究工程為該段公路E匝道邊坡工程，工程所屬地形圖和道路情況如圖1所示。

圖1 邊坡工程所屬地形圖Fig.1 Topographic map of slope project

該邊坡工程主要為巖質(zhì)邊坡，位于山前斜坡地帶，斜坡坡向約135°，開(kāi)挖邊坡綜合坡率約為46°。邊坡起止樁號(hào)為K0+000～K0+084，開(kāi)挖長(zhǎng)度84.0 m，中心最大開(kāi)挖高度為59.85 m，按照設(shè)計(jì)圖紙，采用臺(tái)階式放坡，坡率分為1∶0.75和1∶0.5兩種，臺(tái)階寬度2～8 m(圖2)。

圖2 邊坡開(kāi)挖剖面Fig.2 Slope excavation section

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查及公路沿線地形地貌特征，路塹區(qū)內(nèi)地貌單元主要為基巖梁峁-溝壑地貌，巖土體參數(shù)如表1所示。地形連續(xù)起伏，溝谷深切基巖，多呈“V”字形，該類地貌臨近窟野河河谷，基巖裸露，無(wú)黃土或少量黃土覆蓋，出露的基巖主要為侏羅系中統(tǒng)延安組巖層。可劃分為2個(gè)工程地質(zhì)分層。

表1 巖土體參數(shù)Table 1 Rock and soil parameters

(1)強(qiáng)風(fēng)化砂巖夾薄層泥巖(J2y)?；尹S色，礦物成分主要為石英、長(zhǎng)石，裂隙較為發(fā)育，層狀構(gòu)造，鈣質(zhì)膠結(jié)，巖芯呈現(xiàn)短柱狀或薄片狀，主要為砂巖夾薄層泥巖，砂巖夾薄層泥巖單層厚1.0～4.0 m,泥巖單層厚0.1～0.2 m。

(2)中風(fēng)化砂巖夾薄層泥巖(J2y)?；野咨?，飽和，礦物成分主要為石英、長(zhǎng)石，節(jié)理裂隙較發(fā)育，中粗粒結(jié)構(gòu)，厚層狀構(gòu)造，鈣質(zhì)膠結(jié)，巖芯呈柱狀，以砂巖夾薄層泥巖為主，砂巖夾薄層泥巖單層厚2.0～5.0 m，泥巖單層厚0.1～0.2 m。

2 確定預(yù)警指標(biāo)的數(shù)值模擬

為了合理制定監(jiān)測(cè)方案，明確監(jiān)測(cè)預(yù)警指標(biāo)，首先利用有限元軟件對(duì)邊坡進(jìn)行了開(kāi)挖模擬分析。邊坡的開(kāi)挖工況如圖2所示，利用軟件中的model change功能進(jìn)行開(kāi)挖模擬，按照臺(tái)階式放坡分級(jí)開(kāi)挖模擬，每級(jí)放坡開(kāi)挖作為一個(gè)分析步設(shè)置。邊坡的巖土體參數(shù)如表1所示，邊坡開(kāi)挖前后的三維模型如圖3所示，三維模型中邊坡開(kāi)挖面兩側(cè)約束法向位移，模型底部約束X、Y和Z3個(gè)方向的位移，模型后側(cè)約束X、Y方向位移。

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果分析，邊坡開(kāi)挖過(guò)程中，巖土體變形隨開(kāi)挖深度的增加而變大，且越靠近開(kāi)挖處巖土體變形越大。

由于無(wú)法在開(kāi)挖面布設(shè)北斗監(jiān)測(cè)點(diǎn)，因此開(kāi)挖前在坡頂布置了4個(gè)監(jiān)測(cè)站(JCD1、JCD2、JCD3、JCD4)用來(lái)監(jiān)測(cè)位移變化，根據(jù)圖3(b)位移云圖顯示，坡頂?shù)目偽灰圃?～4 mm。開(kāi)挖模擬顯示的監(jiān)測(cè)點(diǎn)大概的位移變化范圍，該匝道邊坡工程開(kāi)挖監(jiān)測(cè)方案明確要求變形量小于2 mm/d，結(jié)合《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》(GB 50330—2013)，三者共同確定BDS遠(yuǎn)程邊坡監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的日位移預(yù)警值為2 mm，累計(jì)變形預(yù)警值為4 mm。預(yù)警值將作為BDS遠(yuǎn)程邊坡監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是否向相關(guān)單位發(fā)送位移預(yù)警信息的依據(jù)。

圖3 邊坡開(kāi)挖有限元模型Fig.3 Finite element model of slope excavation

3 BDS遠(yuǎn)程邊坡監(jiān)測(cè)系統(tǒng)構(gòu)成

3.1 BDS遠(yuǎn)程邊坡監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的功能和要求

BDS遠(yuǎn)程邊坡監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)處理和信息反饋4個(gè)基本功能，并達(dá)到下列基本要求。

(1)系統(tǒng)長(zhǎng)期可靠?？紤]到公路施工工期，監(jiān)測(cè)活動(dòng)持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，同時(shí)設(shè)備受施工荷載，以及風(fēng)沙侵?jǐn)_，因此，要求BDS監(jiān)測(cè)設(shè)備長(zhǎng)期可靠，能夠抵抗環(huán)境干擾。

(2)數(shù)據(jù)采集實(shí)時(shí)化、自動(dòng)化和標(biāo)準(zhǔn)化。能夠自動(dòng)實(shí)時(shí)采集監(jiān)測(cè)站的位置數(shù)據(jù)，并存儲(chǔ)為標(biāo)準(zhǔn)格式，方便數(shù)據(jù)處理。

(3)數(shù)據(jù)傳輸準(zhǔn)確暢通。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)通過(guò)4G網(wǎng)絡(luò)能夠順暢地傳輸?shù)叫畔⒅行模瑐鬏斖ǖ罒o(wú)故障，傳輸過(guò)程不出現(xiàn)丟包等問(wèn)題，保證監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確不失真。

(4)數(shù)據(jù)處理結(jié)果簡(jiǎn)潔直觀。監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位移處理成位移-時(shí)間曲線，累計(jì)變形表格等直觀的圖表，并分析數(shù)據(jù)的可信度，以此判斷工程安全風(fēng)險(xiǎn)。

(5)及時(shí)暢通的信息反饋。通過(guò)網(wǎng)絡(luò)將監(jiān)測(cè)報(bào)警信息及時(shí)地反饋到電腦、手機(jī)等終端，暢通地送達(dá)相關(guān)單位。

3.2 系統(tǒng)框架

BDS遠(yuǎn)程邊坡監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集與傳輸子系統(tǒng)、BDS數(shù)據(jù)解算子系統(tǒng)及數(shù)據(jù)發(fā)布管理子系統(tǒng)構(gòu)成，系統(tǒng)構(gòu)成如圖4所示。

圖4 BDS遠(yuǎn)程邊坡監(jiān)測(cè)系統(tǒng)構(gòu)成Fig.4 Structure of BDS remote monitoring system

BDS遠(yuǎn)程邊坡監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的功能如下。

(2)BDS數(shù)據(jù)解算子系統(tǒng)接收到現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)后，通過(guò)內(nèi)置的抗差Klaman移動(dòng)窗口位移探測(cè)算法，對(duì)監(jiān)測(cè)和基準(zhǔn)站進(jìn)行高精度差分定位，解算出監(jiān)測(cè)站位移，并將位移數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到云端，即數(shù)據(jù)發(fā)布與管理子系統(tǒng)。

(3)數(shù)據(jù)發(fā)布與管理子系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，獲得相應(yīng)的位移圖、表，并且對(duì)所有監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)和管理。根據(jù)累計(jì)位移和當(dāng)天的位移變化，數(shù)據(jù)發(fā)布與管理子系統(tǒng)判斷位移是否超出預(yù)警值，若大于預(yù)警值，則向相應(yīng)單位發(fā)布預(yù)警信息。

3.3 數(shù)據(jù)采集與傳輸子系統(tǒng)

數(shù)據(jù)采集與監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)備主體位于施工現(xiàn)場(chǎng)，其數(shù)據(jù)采集工作主要由BDS接收機(jī)完成，數(shù)據(jù)傳輸基于4G無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，數(shù)據(jù)傳輸示意圖如圖5所示。

圖5 北斗通信數(shù)據(jù)傳輸示意圖Fig.5 Schematic diagram of BDS communication data transmission

3.3.1 BDS監(jiān)測(cè)站

BDS監(jiān)測(cè)站是BDS天線、BDS接收機(jī)、觀測(cè)墩、4G網(wǎng)絡(luò)通信模塊和太陽(yáng)能供電系統(tǒng)的集合。BDS監(jiān)測(cè)站安裝在變形區(qū)域選定的監(jiān)測(cè)點(diǎn)上，為保持結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，需澆筑混凝土基礎(chǔ)并安裝金屬立柱，保證結(jié)構(gòu)與邊坡巖土體一起移動(dòng)。監(jiān)測(cè)站通過(guò)天線接收北斗衛(wèi)星信號(hào)并將其傳輸?shù)浇邮諜C(jī)，接收機(jī)集成有相應(yīng)算法，可將位置數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理和初步解算，并通過(guò)4G網(wǎng)絡(luò)通信模塊將已初步處理的數(shù)據(jù)傳輸?shù)紹DS數(shù)據(jù)解算子系統(tǒng)。

3.3.2 BDS基準(zhǔn)站

2.3.1人工栽插秧齡控制在30～35天，葉齡5～6片為宜，栽插密度13.3厘米×26.7厘米或20厘米×23.3厘米為宜，土壤肥力高的田塊可適當(dāng)稀植，土壤肥力低的田塊可適當(dāng)密植，每穴2粒種子苗，插足基本苗90萬(wàn)/公頃。

BDS基準(zhǔn)站是BDS天線、BDS接收機(jī)、觀測(cè)墩、4G網(wǎng)絡(luò)通信模塊和太陽(yáng)能供電系統(tǒng)的集合。BDS基準(zhǔn)站選址具有嚴(yán)格要求，要求場(chǎng)地穩(wěn)固，沉降和位移穩(wěn)定，年平均值小于3 mm;視野開(kāi)闊，障礙物的高度不超過(guò)15°；遠(yuǎn)離無(wú)線電發(fā)射源，距離不小于200 m。天線觀測(cè)墩高度大于2 m；觀測(cè)標(biāo)志遠(yuǎn)離震動(dòng)源。綜上，確定基準(zhǔn)站安裝在黃羊城站房頂，距離現(xiàn)場(chǎng)3.2 km。該點(diǎn)位視野開(kāi)闊、衛(wèi)星信號(hào)接收良好，且安裝穩(wěn)定可靠，能夠長(zhǎng)期保存。基準(zhǔn)站的工作原理和流程與監(jiān)測(cè)站一樣，重點(diǎn)在于保證基準(zhǔn)站的觀測(cè)墩穩(wěn)定，基準(zhǔn)站的天線不發(fā)生位移。

3.4 BDS數(shù)據(jù)解算子系統(tǒng)

采用自主研發(fā)的GNSS Monitor軟件實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星觀測(cè)數(shù)據(jù)自動(dòng)解算，獲取被監(jiān)測(cè)地段地面變化情況。前端工控機(jī)中內(nèi)置自主研發(fā)GNSS Monitor軟件，該軟件集成了基于改進(jìn)部分模糊度法的抗差Klaman移動(dòng)窗口數(shù)據(jù)處理模塊，可以處理BDS原始觀測(cè)數(shù)據(jù)。利用差分定位技術(shù)，在基準(zhǔn)站和監(jiān)測(cè)站之間的觀測(cè)數(shù)據(jù)做差可以獲得高精度基線解算結(jié)果，水平及高程測(cè)量精度均優(yōu)于3 mm。

3.5 數(shù)據(jù)發(fā)布與管理子系統(tǒng)

數(shù)據(jù)發(fā)布與管理子系統(tǒng)接收到解算出的位移數(shù)據(jù)后，對(duì)位移數(shù)據(jù)進(jìn)行整理和分析，并繪制出位移-時(shí)間曲線及各種統(tǒng)計(jì)表格，如圖6所示。對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后，判斷累計(jì)位移值和當(dāng)天位移值是否超出預(yù)警指標(biāo)，超出預(yù)警值時(shí)，系統(tǒng)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)將報(bào)警信息發(fā)送到施工單位和建設(shè)單位的終端。相關(guān)單位根據(jù)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移變化情況采取應(yīng)對(duì)措施，阻止變形的發(fā)展，保證施工的安全。

dE、dN、dH分別表示與初始位置相比，監(jiān)測(cè)站在正東、正北及高程方向發(fā)生的位移圖6 數(shù)據(jù)發(fā)布與管理子系統(tǒng)Fig.6 Data release and management subsystem

4 BDS遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)方案

由于無(wú)法在開(kāi)挖面布設(shè)北斗監(jiān)測(cè)點(diǎn)，因此開(kāi)挖前在坡頂布置了4個(gè)監(jiān)測(cè)站用來(lái)監(jiān)測(cè)位移變化，監(jiān)測(cè)頻率為1次/d。

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，4個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的重要程度一致，皆全天候全項(xiàng)目周期監(jiān)測(cè)邊坡巖土體變形?，F(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)情況見(jiàn)圖7。

圖7 BDS監(jiān)測(cè)站布設(shè)圖Fig.7 BDS monitoring point layout diagram

5 監(jiān)測(cè)結(jié)果及穩(wěn)定性分析

5.1 邊坡開(kāi)挖位移監(jiān)測(cè)分析

邊坡開(kāi)挖后，BDS遠(yuǎn)程邊坡監(jiān)測(cè)系統(tǒng)始終保持穩(wěn)定工作。系統(tǒng)保持全天24 h不間斷運(yùn)行，軟件的解算周期設(shè)置為24 h，每天解算一次邊坡形變數(shù)據(jù)并傳回。

圖8為JCD1～JCD4的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)位移曲線，北斗JCD1、JCD2、JCD3和JCD4的水平最大位移分別為1.25、1.55、1.77和1.47 mm?？傮w上看，4個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的豎向位移比水平位移大1 mm左右，兩者差距不大，所以邊坡開(kāi)挖過(guò)程中監(jiān)測(cè)點(diǎn)的水平位移和豎向位移都需要密切關(guān)注。相比于水平位移，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的豎向位移變化較大，豎向位移能夠較早地反映邊坡位移變化的速度和趨勢(shì)，因此邊坡開(kāi)挖施工過(guò)程中要優(yōu)先關(guān)注監(jiān)測(cè)點(diǎn)豎向位移的變化，以保證施工的安全。

圖9對(duì)比了4個(gè)北斗監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位移變化情況，發(fā)現(xiàn)不論水平位移還是豎向位移都是JCD4最小，主要是由于JCD4所在區(qū)域開(kāi)挖相對(duì)較晚，且接近開(kāi)挖邊坡的側(cè)邊得到了較好的約束，相反JCD2和JCD3由于位于開(kāi)挖邊坡的中間區(qū)域，開(kāi)挖后巖土體約束情況變化較大，位移量相對(duì)較大。由圖8(a)中可以看到，在開(kāi)挖即將結(jié)束時(shí)，4個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的豎向位移都突然變大，分析后認(rèn)為主要是坡腳巖土體的開(kāi)挖對(duì)坡體的擾動(dòng)較大，以及施工機(jī)械在坡腳的移動(dòng)不停地改變著坡腳的壓力。圖9(b)中4個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的水平位移變化比較平穩(wěn)，其水平位移的最大值處與豎向位移的最大值處吻合，水平位移和豎向位移反映的邊坡變化趨勢(shì)一致，說(shuō)明監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可靠有效。

圖8 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)位移Fig.8 Field measured displacement

圖9 實(shí)測(cè)位移對(duì)比Fig.9 Comparison of measured displacements

5.2 開(kāi)挖后邊坡穩(wěn)定性分析

強(qiáng)度折減法(strength reduction method，SRM)認(rèn)為邊坡的失穩(wěn)破壞主要是因?yàn)檫吰驴辜魪?qiáng)度的減弱，因此引入折減系數(shù)進(jìn)行模擬，邊坡破壞時(shí)的折減系數(shù)即為邊坡的安全系數(shù)[23-25]。模型通過(guò)不斷折減莫爾-庫(kù)侖本構(gòu)模型中的黏聚力C和摩擦角φ，進(jìn)行邊坡強(qiáng)度降低的模擬,公式為

(1)

式(1)中：K為強(qiáng)度折減系數(shù)，破壞時(shí)的值即為安全系數(shù)Fs；C′為折減后的黏聚力；tanφ′為折減后的內(nèi)摩擦角正切值。強(qiáng)度折減法分析邊坡穩(wěn)定性的一個(gè)關(guān)鍵是如何判斷邊坡失穩(wěn)，目前的失穩(wěn)判據(jù)有三類[26]。

(1)力或位移在數(shù)值計(jì)算中迭代不收斂。

(2)邊坡土體區(qū)發(fā)展擴(kuò)大直至貫通，塑性區(qū)貫通即認(rèn)為邊坡失穩(wěn)。

(3)邊坡監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位移發(fā)生突變。

利用強(qiáng)度折減法對(duì)開(kāi)挖后的邊坡進(jìn)行了穩(wěn)定性分析，按照迭代計(jì)算不收斂的邊坡失穩(wěn)判據(jù)，安全系數(shù)Fs=1.25。位移突變判據(jù)判定邊坡穩(wěn)定性的依據(jù)是邊坡土體位移是否發(fā)生短時(shí)劇烈變化，但位移突變判據(jù)點(diǎn)的位置及土體位移方向的選取仍未達(dá)成共識(shí)。圖10選取的位移突變判據(jù)點(diǎn)P1～P7包含了坡頂、坡腳以及塑性帶上的點(diǎn)，并輸出了其總位移、水平位移和豎直位移(圖11)，用于討論位移突變判據(jù)點(diǎn)的選取。其中P1位于坡頂塑性帶區(qū)域，其總位移、水平位移和豎向位移在折減系數(shù)K=1.23時(shí)發(fā)生了突變，P2點(diǎn)與P1點(diǎn)同樣位于坡頂，但P2點(diǎn)位于塑性帶之外接近開(kāi)挖坡面處，其水平位移、豎直位移和總位移都表現(xiàn)出明顯的突變，突變時(shí)的折減系數(shù)K=1.23。P3位于坡中位置，其位移變化趨勢(shì)與P2點(diǎn)相同。P4、P6、P7都位于塑性貫通區(qū)，在折減系數(shù)不斷增大的過(guò)程中，這3個(gè)點(diǎn)的位移變化趨勢(shì)一致：都是先平緩增大，然后突然快速增大，有一個(gè)明顯的位移拐點(diǎn)，此時(shí)折減系數(shù)K=1.23。P4與P5位置很接近，P5位于坡腳，強(qiáng)度折減法的結(jié)果顯示：P5點(diǎn)位移變化不明顯且未有位移突變發(fā)生，因此坡腳處的位移不適合作為強(qiáng)度折減法判斷邊坡失穩(wěn)的依據(jù)。綜上可以確定依據(jù)判據(jù)(3)，該邊坡的安全系數(shù)Fs=1.23。塑性區(qū)在迭代終止的前一個(gè)增量步發(fā)生了貫通，其折減系數(shù)K=1.23，即按照塑性區(qū)貫通判據(jù)，邊坡安全系數(shù)Fs=1.23。從邊坡的安全系數(shù)看，邊坡開(kāi)挖后處于較穩(wěn)定的狀態(tài)，邊坡開(kāi)挖設(shè)計(jì)比較合理，也驗(yàn)證了邊坡開(kāi)挖過(guò)程中沒(méi)有立即進(jìn)行支護(hù)的合理性。

圖10 邊坡開(kāi)挖后穩(wěn)定性分析Fig.10 Stability analysis after slope excavation

圖11 位移與折減系數(shù)關(guān)系曲線Fig.11 The relationship between displacement and reduction coefficient

6 結(jié)論

通過(guò)構(gòu)建BDS遠(yuǎn)程邊坡監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)公路巖質(zhì)邊坡的開(kāi)挖過(guò)程進(jìn)行了實(shí)時(shí)自動(dòng)化位移監(jiān)測(cè)，結(jié)果表明BDS遠(yuǎn)程邊坡監(jiān)測(cè)系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)自動(dòng)化采集和傳輸，解算精度完全滿足工程需要。主要結(jié)論如下。

(1)構(gòu)建了BDS遠(yuǎn)程邊坡監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，集數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)處理和信息預(yù)警功能于一體，能夠?qū)崿F(xiàn)可靠的實(shí)時(shí)自動(dòng)化工程監(jiān)測(cè)。該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集與傳輸子系統(tǒng)、BDS數(shù)據(jù)解算子系統(tǒng)及數(shù)據(jù)發(fā)布管理子系統(tǒng)構(gòu)成，數(shù)據(jù)采集與傳輸子系統(tǒng)包括BDS天線、接收機(jī)、4G網(wǎng)絡(luò)通信模塊，用于接收處理傳輸北斗衛(wèi)星信號(hào)數(shù)據(jù)，BDS數(shù)據(jù)解算子系統(tǒng)將傳輸至信息中心的服務(wù)器進(jìn)行高精度基線網(wǎng)平差解算，信息中心的數(shù)據(jù)發(fā)布管理子系統(tǒng)對(duì)實(shí)時(shí)解算坐標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行發(fā)布，并將預(yù)警信息及時(shí)反饋到管理部門。

(2)BDS遠(yuǎn)程邊坡監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在G336邊坡開(kāi)挖施工上的成功應(yīng)用，解決了邊坡工程自動(dòng)化監(jiān)測(cè)的技術(shù)難題，證明了BDS遠(yuǎn)程邊坡監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的可靠性、實(shí)時(shí)性以及有效性，為保障邊坡開(kāi)挖安全起到了至關(guān)重要的作用，可以在類似工程中推廣應(yīng)用。

(3)通過(guò)變形監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)，雖然邊坡開(kāi)挖過(guò)程中其巖土體水平位移與豎向位移大小在同一數(shù)量級(jí)，但是放坡開(kāi)挖過(guò)程中邊坡的豎向位移始終比水平位移大，能夠較早反映開(kāi)挖過(guò)程中邊坡巖土體位移狀態(tài)和趨勢(shì)，工程施工過(guò)程中需要重點(diǎn)關(guān)注。

(4)采用強(qiáng)度折減法對(duì)開(kāi)挖后的邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析，發(fā)現(xiàn)利用位移突變作為邊坡失穩(wěn)判定依據(jù)時(shí)，坡腳處不存在位移突變特征，因此監(jiān)測(cè)點(diǎn)應(yīng)盡量選取邊坡中上部或者塑性帶附近，可以反映邊坡土體真實(shí)的位移狀態(tài)。