王嘉琪，李旭豪，何杰忠，張華彬

（1.廣州高速運(yùn)營(yíng)管理有限公司，廣東 廣州 510030；2.北京新橋技術(shù)發(fā)展有限公司，北京 100088）

0 引言

邊坡智能化監(jiān)測(cè)是近年來邊坡監(jiān)測(cè)和災(zāi)害預(yù)警發(fā)展的方向，國(guó)內(nèi)學(xué)者在此方面也進(jìn)行了一些研究，主要有：趙鵬濤等[1]、薛長(zhǎng)龍[2]使用全球衛(wèi)星定位技術(shù)，對(duì)高速公路沿線邊坡進(jìn)行自動(dòng)化監(jiān)測(cè)，通過實(shí)踐證明了全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（Global Navigation Satellite System,GNNS）的有效性，可以提前預(yù)警險(xiǎn)情，減少財(cái)產(chǎn)損失和人身傷害；敖道朝等[3]、榮美等[4]以某高速公路邊坡為對(duì)象，結(jié)合土體特點(diǎn)以及坡體特征，利用GNSS自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)沿線邊坡進(jìn)行了監(jiān)測(cè)分析，結(jié)果表明，該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)效率高、方便快捷，具有實(shí)時(shí)性，可以為預(yù)估邊坡位移和穩(wěn)定狀態(tài)提供參考。本文以某高速公路改擴(kuò)建工程為分析對(duì)象，介紹了GNSS自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和整體監(jiān)測(cè)方案，之后利用互聯(lián)網(wǎng)和云計(jì)算技術(shù)，建立了云平臺(tái)并進(jìn)行了分析，最后闡述了預(yù)警標(biāo)準(zhǔn)和預(yù)警推送方式，以期為類似平臺(tái)建設(shè)提供參考。

1 工程概況

某高速公路建成時(shí)間較長(zhǎng)，隨著近年來交通量的激增，原道路已無法滿足高速增長(zhǎng)的交通量需求，改擴(kuò)建勢(shì)在必行。

為確保高速公路改擴(kuò)建工程施工安全及后期運(yùn)營(yíng)安全，需引入高效的交通運(yùn)輸運(yùn)行監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)。在監(jiān)測(cè)準(zhǔn)備工作前期，通過施工期間的踏勘、測(cè)量，結(jié)合前期勘察資料，對(duì)沿線高危邊坡進(jìn)行評(píng)定。通過綜合考慮各路段邊坡特點(diǎn)、指標(biāo)得分以及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施情況等因素，選取含礫石紅黏土的特殊巖土K1372+800—K1383+200左右兩側(cè)高邊坡進(jìn)行邊坡自動(dòng)化監(jiān)測(cè)試點(diǎn)。

為建立更加全面、高效的交通運(yùn)輸運(yùn)行監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)及增大高速公路施工安全系數(shù)，提高邊坡施工質(zhì)量，需對(duì)邊坡開展變形監(jiān)測(cè)，以實(shí)時(shí)獲取邊坡變形情況，分析邊坡變形趨勢(shì)，必要時(shí)作出預(yù)警，以采取有效手段防患于未然。擬定監(jiān)測(cè)內(nèi)容如下：

（1）GNSS自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)：在邊坡重點(diǎn)部位布置GNSS自動(dòng)化監(jiān)測(cè)點(diǎn)，進(jìn)行不間斷監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及時(shí)預(yù)警險(xiǎn)情，還可對(duì)邊坡防護(hù)效果進(jìn)行持續(xù)監(jiān)測(cè)。

（2）高精度監(jiān)測(cè)：在邊坡重點(diǎn)部位布置監(jiān)測(cè)斷面，采用高精度監(jiān)測(cè)儀器同時(shí)觀測(cè)地表的水平位移及垂直位移。

2 監(jiān)測(cè)方案設(shè)計(jì)

2.1 網(wǎng)絡(luò)安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

網(wǎng)絡(luò)安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以直觀顯示各項(xiàng)監(jiān)測(cè)、監(jiān)控信息數(shù)據(jù)的歷史變化過程及當(dāng)前狀態(tài)，為管理人員提供簡(jiǎn)單、明了、直觀、有效的信息參考。該系統(tǒng)的核心組成部分為：GNSS精密定位設(shè)備、通訊設(shè)備、供電系統(tǒng)、監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)管理中心。系統(tǒng)的基本框架如圖1所示。

圖1 網(wǎng)絡(luò)安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)框架圖

2.1.1 自動(dòng)變形監(jiān)測(cè)網(wǎng)布設(shè)

各邊坡應(yīng)形成獨(dú)立的變形監(jiān)測(cè)網(wǎng)，空間直線距離不超過2km的兩個(gè)邊坡可共用一套基準(zhǔn)站。K1372+800—K1383+200左右兩側(cè)高邊坡可共用一套基準(zhǔn)站，且兩個(gè)邊坡的監(jiān)測(cè)站可以進(jìn)行聯(lián)合解算?；鶞?zhǔn)站宜建設(shè)于附近地質(zhì)穩(wěn)定的區(qū)域，建站地點(diǎn)應(yīng)具有交通便利、地勢(shì)開闊、便于維護(hù)等優(yōu)勢(shì)；監(jiān)測(cè)站則根據(jù)地質(zhì)情況設(shè)置于邊坡的地質(zhì)條件相對(duì)穩(wěn)定的重要位置。

2.1.2 通信系統(tǒng)

本項(xiàng)目采用GPRS傳輸方式，選擇支持5G網(wǎng)絡(luò)的全網(wǎng)通模塊，獲取穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)。各監(jiān)測(cè)站之間相對(duì)開闊且無障礙物，對(duì)于K1372+800—K1383+200左右兩側(cè)高邊坡，可在右側(cè)邊坡中部設(shè)置一部無線網(wǎng)絡(luò)共享設(shè)備，各監(jiān)測(cè)站采用同一無線網(wǎng)絡(luò)。

2.1.3 供電系統(tǒng)

基準(zhǔn)站及監(jiān)測(cè)站均使用獨(dú)立的太陽能電源系統(tǒng)，且設(shè)置有安全的防雷設(shè)備。其中K1372+800—K1383+200左右兩側(cè)高邊坡的基準(zhǔn)站離收費(fèi)站較近，供電系統(tǒng)可采用收費(fèi)站的交流電源配合應(yīng)急供電系統(tǒng)。

2.2 高精度監(jiān)測(cè)

2.2.1 變形監(jiān)測(cè)網(wǎng)布設(shè)

根據(jù)高速公路沿線邊坡地形地貌，本工程的變形監(jiān)測(cè)網(wǎng)采用三角形網(wǎng)，基準(zhǔn)點(diǎn)分散布設(shè)于高速公路兩側(cè)的穩(wěn)定地帶，工作基點(diǎn)設(shè)于邊坡對(duì)向高速公路水溝外側(cè)，保證與路肩之間有一定的距離，避免受到車流的震動(dòng)影響。監(jiān)測(cè)基準(zhǔn)網(wǎng)一般由3個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)及1個(gè)工作基點(diǎn)組成。

參考監(jiān)測(cè)規(guī)范并結(jié)合本項(xiàng)目擬監(jiān)測(cè)邊坡的實(shí)際情況，監(jiān)測(cè)點(diǎn)的布置按邊坡主滑方向，每間隔30～40m布設(shè)一個(gè)斷面，每個(gè)斷面布設(shè)2～3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，整體按方格網(wǎng)或菱形網(wǎng)布設(shè)。

2.2.2 監(jiān)測(cè)步驟

（1）建設(shè)觀測(cè)墩

觀測(cè)墩采用鋼筋混凝土現(xiàn)場(chǎng)澆筑，澆筑完成后使用固定架固定墩柱，待混凝土凝固后方可拆除。

（2）監(jiān)測(cè)點(diǎn)的布設(shè)

選擇若干縱斷面布設(shè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，每個(gè)縱斷面之間距離30～40m，可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地形及裂縫分布情況進(jìn)行調(diào)整，在監(jiān)測(cè)點(diǎn)能夠整體覆蓋邊坡的基礎(chǔ)上確保重要變形點(diǎn)上有監(jiān)測(cè)點(diǎn)。監(jiān)測(cè)點(diǎn)的棱鏡頭需要有固定裝置且不易破壞，為了防止鏡頭起霧及發(fā)霉，還需做特殊的防水處理。

（3）監(jiān)測(cè)點(diǎn)觀測(cè)

觀測(cè)前，應(yīng)嚴(yán)格整平儀器，使儀器的自動(dòng)補(bǔ)償系統(tǒng)發(fā)揮作用，達(dá)到補(bǔ)償目的；觀測(cè)時(shí)，調(diào)節(jié)好儀器望遠(yuǎn)鏡的焦距，對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)位置，同一測(cè)回內(nèi)保持不變。觀測(cè)過程中，氣泡中心位置不偏離整體中心一格，當(dāng)氣泡位置接近限值時(shí)，在測(cè)回間重新置平儀器。

2.3 雨量監(jiān)測(cè)

每個(gè)坡面設(shè)置一個(gè)雨量監(jiān)測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)應(yīng)布置在開闊避風(fēng)處。設(shè)備采用智能雨量站監(jiān)測(cè)裝置翻斗式雨量計(jì)，其具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、維護(hù)方便、可靠性較高、經(jīng)濟(jì)實(shí)惠等優(yōu)點(diǎn)。

2.4 監(jiān)測(cè)頻率與監(jiān)測(cè)周期

GNSS自動(dòng)化監(jiān)測(cè)，正常情況下24d不間斷，每天按固定時(shí)段采集一組數(shù)據(jù)計(jì)算平均值，周期按一個(gè)水文年（365d）計(jì)算，預(yù)計(jì)共采集365d數(shù)據(jù)。

地表變形監(jiān)測(cè)，采用高精度監(jiān)測(cè)機(jī)器人進(jìn)行自動(dòng)觀測(cè)，每15d監(jiān)測(cè)1次，預(yù)計(jì)全年共監(jiān)測(cè)24次。如果監(jiān)測(cè)過程中發(fā)現(xiàn)不穩(wěn)定的局部坡體或裂縫突然增大，則需根據(jù)實(shí)際情況縮短監(jiān)測(cè)時(shí)間間隔，提高監(jiān)測(cè)機(jī)器人監(jiān)測(cè)頻率，尤其是雨季及暴雨后應(yīng)當(dāng)適當(dāng)提高監(jiān)測(cè)頻率。

2.5 監(jiān)測(cè)精度要求

地面基準(zhǔn)點(diǎn)及地面監(jiān)測(cè)點(diǎn)的測(cè)量精度應(yīng)滿足《工程測(cè)量規(guī)范》（GB 50026—2007）要求，如表1所示。

表1 變形監(jiān)測(cè)的四等精度要求

3 監(jiān)控平臺(tái)設(shè)計(jì)

3.1 平臺(tái)概述

利用互聯(lián)網(wǎng)和云計(jì)算技術(shù)，在云物聯(lián)的基礎(chǔ)上構(gòu)建北斗+安全監(jiān)測(cè)云平臺(tái)，平臺(tái)可兼容多類硬件儀器，通過有線/無線的數(shù)據(jù)傳輸方式，實(shí)時(shí)采集、存儲(chǔ)、分析和管理監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，并通過互聯(lián)網(wǎng)實(shí)時(shí)向客戶呈現(xiàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和預(yù)警信息。北斗+安全監(jiān)測(cè)云平臺(tái)可擴(kuò)展性強(qiáng)，可根據(jù)用戶需求深度定制。

3.2 系統(tǒng)優(yōu)越性

整套系統(tǒng)包含4個(gè)結(jié)構(gòu)層，即4個(gè)子系統(tǒng)，各子系統(tǒng)均具備良好的系統(tǒng)功能擴(kuò)展性和伸縮性，其中：軟件系統(tǒng)采用C/S與B/S混合程序設(shè)計(jì)模式，支持PC、掌上電腦和移動(dòng)設(shè)備訪問，具有高度的穩(wěn)定性、可靠性和安全性，良好的系統(tǒng)功能擴(kuò)展性和伸縮性，同時(shí)支持海量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與追溯；監(jiān)控系統(tǒng)4個(gè)架構(gòu)主要為感知子系統(tǒng)、傳輸子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)中心系統(tǒng)以及客戶端子系統(tǒng)。

3.3 監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)查詢、整理及計(jì)算

在監(jiān)控站數(shù)據(jù)查詢界面可以實(shí)現(xiàn)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的在線查詢。對(duì)于監(jiān)測(cè)儀器，所有觀測(cè)數(shù)據(jù)需要及時(shí)校對(duì)、整理、計(jì)算，并簡(jiǎn)單繪出時(shí)間與位移的觀測(cè)曲線。遇到異常讀數(shù)時(shí)，及時(shí)分析原因，并采取補(bǔ)救措施，確保觀測(cè)值準(zhǔn)確無誤。

4 預(yù)警系統(tǒng)

4.1 險(xiǎn)情預(yù)警標(biāo)準(zhǔn)

地面監(jiān)測(cè)點(diǎn)預(yù)警值為累積位移6cm，警報(bào)值為累積位移10cm。GNSS監(jiān)測(cè)站變形位移成果預(yù)警體系參照《崩塌、滑坡、泥石流監(jiān)測(cè)規(guī)范》（DZ/T 0221—2006），根據(jù)邊坡的位移—時(shí)間曲線共劃分為Ⅰ蠕動(dòng)變形、Ⅱ等速變形、Ⅲ加速變形及Ⅳ臨滑4個(gè)變形破壞階段，如圖2所示。

圖2 滑坡位移監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)樣圖

由圖2可知，邊坡在Ⅰ蠕動(dòng)變形階段表現(xiàn)為減速變形，其切線角由大變小，曲線呈下彎變化；Ⅱ等速變形階段的切線角近似恒定，曲線向上呈微傾斜直線；Ⅲ加速變形階段的切線角由恒定變陡立，曲線呈上彎變化；Ⅳ臨滑階段表現(xiàn)為變形加劇，切線角陡立且曲線近乎陡直。

測(cè)點(diǎn)位移變形在進(jìn)入等速階段時(shí)預(yù)警，監(jiān)測(cè)頻率加密，由月變形統(tǒng)計(jì)調(diào)整為周變形統(tǒng)計(jì)。進(jìn)入加速變形階段時(shí)，應(yīng)發(fā)布一級(jí)警報(bào)?？够瑯俄敳勘O(jiān)測(cè)點(diǎn)或其他任何監(jiān)測(cè)點(diǎn)超過預(yù)警值，立即將監(jiān)測(cè)頻率提高為對(duì)應(yīng)階段監(jiān)測(cè)頻率的2倍，超過警報(bào)值時(shí)立即啟動(dòng)安全預(yù)案。

雨量監(jiān)測(cè)預(yù)警是根據(jù)國(guó)家氣象局對(duì)降雨量級(jí)別的劃分，參考降雨級(jí)別將降雨量預(yù)警設(shè)計(jì)為三級(jí)預(yù)警：

（1）一級(jí)預(yù)警：降雨速率為1.0mm/min、小時(shí)降雨量為15mm、日降雨量為50mm；

（2）二級(jí)預(yù)警：降雨速率為2.0mm/min、小時(shí)降雨量為30mm、日降雨量為100mm；

（3）三級(jí)預(yù)警：降雨速率為4.0mm/min、小時(shí)降雨量為60mm、日降雨量為200mm。

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定后，可根據(jù)當(dāng)?shù)厮臍庀筚Y料以及實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)預(yù)警參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整。

4.2 預(yù)警推送

預(yù)警系統(tǒng)根據(jù)預(yù)警標(biāo)準(zhǔn)采用多種預(yù)警方式，同時(shí)通過短信、郵件、微信等App推送，可以隨時(shí)隨地了解隧道口邊坡實(shí)時(shí)狀況，獲取監(jiān)測(cè)信息更加便捷、及時(shí)。

5 結(jié)語

本文以某高速公路為對(duì)象，針對(duì)其改擴(kuò)建過程中的邊坡監(jiān)測(cè)問題，提出了基于GNSS和互聯(lián)網(wǎng)的監(jiān)測(cè)平臺(tái)設(shè)計(jì)理念和方法。首先對(duì)GNSS自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和高精度監(jiān)測(cè)儀器進(jìn)行了介紹，對(duì)包括自動(dòng)變形監(jiān)測(cè)網(wǎng)、監(jiān)測(cè)墩基、通訊供電系統(tǒng)等整體監(jiān)測(cè)方案進(jìn)行了分析。之后利用互聯(lián)網(wǎng)和云計(jì)算技術(shù)，搭建了云監(jiān)控平臺(tái)，并對(duì)平臺(tái)的優(yōu)越性、使用方法和功能進(jìn)行了闡述。最后針對(duì)預(yù)警系統(tǒng)，給出了不同等級(jí)的預(yù)警標(biāo)準(zhǔn)劃分方法，并給出了短信、郵件、微信等多種預(yù)警推送方式。該平臺(tái)的建立將為高速公路改擴(kuò)建工程邊坡安全實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)以及類似工程監(jiān)測(cè)平臺(tái)的搭建提供參考。