山区高速公路开挖边坡失稳监测预警系统研制

杨德龙，王洪辉，黄凡，张贵宇，张兆义

（1.贵州省公路工程集团有限公司贵州贵阳550000；2.成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室，四川成都610059）

公路滑坡是常见的地质灾害，从目前可检索文献数据库来看，对施工期、运营期公路边坡进行监测并成功预警的实例却很少[1]。主要原因是公路边坡点多、线长、规模小、缺乏详细的地质勘探资料、监测费用高、预警难度大；加之施工工期一般不长，设计方、施工方往往更关注施工本身的进度、质量，对于公路开挖边坡失稳监测预警工作开展较少，导致了这类科学问题研究较少。

以贵州省毕节至威宁高速公路（以下简称毕威高速公路）第4～6合同段为例，由于本路段边坡地形髙陡，病害规模较大，一旦坡体失稳，将对现场施工人员生命和财产安全造成严重的威胁；同时，对安全事故的处理，必然会增加工程费用，影响工期。因此，开展施工期边坡监测预警，是确保施工安全的重要措施与手段。另一方面，施工期安全监测预警是合理制定边坡处治优化方案的需要。通过边坡地表与深部变形、位移及降雨量等方面监测数据分析，一方面可以更准确地把握边坡稳定性现状和发展趋势，另一方面还能够较为准确地确定边坡变形的边界条件，如变形范围、发育深度等，使边坡处治措施更有针对性。

就山区高速公路开挖边坡基本特征而言，大多数为路堑边坡，诱发的最典型地质灾害为滑坡灾害，这类灾害主要破坏机理在于变形及外界诱发因素，变形表现主要在地表裂缝扩张、深部位移增大等，外界诱发因素主要包括气象、人为振动等，而局地强降雨最为严重[2]，往往诱发大规模地质灾害发生。

1 系统设计

根据山区高速公路开挖边坡失稳的基本特征，以及考虑到公路施工现场的实际情况，研制一套基于变形监测与诱发因素监测为主的公路边坡监测预警系统[3]，对于山区高速公路的建设及运营具有重要意义。

图1所示为系统的原理框图。

图1 系统原理框图Fig.1 Block diagram of the system

系统由传感网SS（Sensor System）、传输网TS（Transmission System）、数据管理DMS（Data Management System）、报警（Alarm System）共4部分组成。

其中传感网SS由传感器阵列、信号调理电路[4]、数据采集、MCU单元组成，传感器阵列分为两类，一类为形变传感，用于拾取公路开挖边坡的变形特征，本系统采用地表裂缝位移传感单元和倾斜度传感单元构成；另一类为诱发因素传感，本系统重点研究了雨量传感器，用于获取局地强降雨信息。

传输网TS数据发送DSS和数据接收DRS两部分，对于大多数数据传输系统而言，无外乎有线传输与无线传输两种。考虑到山区高速公路的实际情况，本系统采用了无线传输方式中的GSM传输模式，此方式能够很好地解决监测现场的布线困难、拆装移机、布线保护等难题。并且，根据实地调查发现，毕威高速公路第4～6合同段中国移动通信网络信号覆盖十分全面，手机信号强度良好，便于本系统的实际实施。

数据管理DS主要用于监测数据的管理，包括数据的实时可视化、快捷存储、访问、安全备份。

报警AS系统分为两部分，一部分为现场报警，一部分为监控室内及远程报警。现场报警采用了高分贝、高亮度民用警报器，充分考虑了公路施工现场的嘈杂等干扰因素，提高预警响应能力[5]。监控室内报警采用了声光报警，用于提醒监控室值班人员启动应急预案；另外，本系统增加了短信息远程报警功能，通过PC软件植入短信息发送模块，当边坡灾害临灾时，以短信息的方式第一时间发送到相关管理者制定手机上，以便快速响应与决策，提高应急处置能力。

2 软、硬件设计

2.1 传感网

1）地表裂缝位移监测单元采用拉绳位移传感器MSP-1000，以电压输出方式反映位移变化，具有较好的线性度，线性精度达0.04%FS（Full Scale，满量程刻度值），最大拉伸速度可达1 000 mm/s。位移传感器结构小巧，安装空间尺寸小，外壳和线轮均经过防腐处理，牵引绳为不锈钢外敷特氟龙，非常适合在恶劣环境下工作，根据实际应用可选择不同的量程（100～50 000 mm），可通过固定桩将传感器跨接于裂缝两端，传感器拉伸端随裂缝发育而变化。

2）倾斜度监测单元倾斜度监测单元采用了芬兰VTI公司推出的SCA100T-D02双轴倾角传感器。该传感器利用MEMS技术开发，集微型传感器、微型机械结构、信号处理和控制电路、通讯接口等于一体，其测量范围±90度，单电源5 VDC供电，工作电流3 mA，比例电压输出；在采样频率为8 Hz及以下时，可获得0.002°的输出分辨率；11位数字SPI或模拟输出；内置温度传感器。SCA100T以其长期稳定性好、温度特性优良、抗冲击能力强的优势广泛应用于双轴平台调平、倾斜测量及垂直方向的各种角度的测量中。

3）降雨监测单元雨量传感器采用容栅传感器技术设计，容栅传感器具有结构简单、分辨率高、抗干扰能力强、动态响应速度快等优点，适合在恶劣环境下工作。雨量传感器实现了数字化输出，提高了后继数据采集电路分辨率。雨量监测单元以C8051F350单片机为核心，可直接通过计数器输入引脚记录传感器输出脉冲数量。

2.2 传输网

基于体积小和功能可扩展性考虑，系统选用了Telit公司的GC864-DUAL-V2，该模块提供标准的AT命令接口，开发简便。硬件电路上，GC864提供CMOS电平的UART接口，可以直接与单片机的UART相连。对于野外监测节点，为了实现无人值守监测，GSM的开、关机均由单片机的GPIO控制逻辑电路实现。

2.3 数据管理

数据管理由操作显示界面及数据库两部分组成，可实时显示、存储接收到的监测信息。显示包括数据显示及图形化显示，软件界面简化美观，具备良好的人机界面接口，可方便地进行数据查询、监测点和监测区参数的设定、监测数据表格形式导出、监测数据图形化导出、用户管理和用户权限管理等功能。图2所示为监测数据列表显示界面。

图2 专家系统软件Fig.2 Diagram of the expert system software

2.4 报警单元

预警单元由声光预警和短信预警两部分组成。声光报警器安装在监测节点现场，预警阈值预先嵌入至单片机，单片机将监测信息值与预警阈值进行比较，当其等于或大于预警阈值时，启动声光报警器，提醒灾区群众及时撤离[2]。

在启动声光报警器的同时，以短信群发的方式向指定人员发布预警信息，以便及时组织疏散灾区群众，最大限度减少人员伤亡及财产损失。

2.5 供电单元

由于本系统的监测对象多处于较偏远的山区及丘陵地带，环境十分恶劣，市电供电十分困难，公路施工多数采用柴油发电机供电，无法保障夜间监测需要。为此，本系统研发了基于太阳能+大容量铅酸蓄电池的组合供电方式。该方式在白天日照充足的情况下，一部分直接给监测系统供电，一部分由太阳能充电管理器通过光伏转换电路将能源源源不断地储存到大容量蓄电池内，待日照不足时再由蓄电池给监测系统供电，实现整套系统的全天候连续监测。充电管理器采用了单片式降压型电池充电管理器LT3652，它可操作于4.95～32 V电压宽范围输入，能够给多种电池组配置充电，包括单节至3节串联锂离子/锂聚合物电池、单节至4节串联LiFePO4（磷酸铁锂）电池和高达14.4 V的密封铅酸（SLA）电池。

2.6 软件设计

1）监测节点软件设计采集节点软件设计基于Silicon Laboratories IDE平台，采用单片机C51语言开发，分为主函数和子函数模块，主函数模块依次调用各子函数，子函数模块主要包括GPIO控制、数据采集、GSM模块AT指令控制、电源管理控制。

2）上位机数据管理软件设计上位机数据管理软件包括实时显示界面与数据库管理两部分。实时显示界面采用VC++开发，界面美观，易于操作；数据库由Power Builder平台开发设计，可在内存、CPU能力和磁盘空间有限的情况下有效地运行，还包括多用户支持、针对多CPU的伸缩性以及高级并发功能。

3 工程应用及结论[6]

本系统在黔毕威高速公路第4～6合同段部分开挖边坡进行了地质灾害监测应用。以第4标段K85+80～+220R边坡为例，通过现场地质调查，该斜坡为发育在玄武岩地层中的老滑坡。该处边坡在开挖后，坡面局部性垮塌严重。在坡顶平台出现多条横坡向的拉张裂缝，坡顶平台变形严重，出现明显的下错和平移，稳定性较差。施工期间进行降雨量、倾斜度、地表裂缝等方面的监测。

实际中，在滑坡后缘布置了1条裂缝监测断面，采用了3个地表裂缝位移监测节点；在滑坡后缘布置1条固定倾斜度监测断面，监测带上间隔50 m安装1套倾斜度监测仪，采用了3个倾斜度监测节点；根据滑坡体纵向长度，在滑坡的上部区域安装了1套降雨量监测仪，用于实时监测局部降雨信息，分析降雨诱发因素对滑坡稳定性影响，特别对于局地强降雨能够发布预警，及时提醒周围施工现场注意防范滑坡灾害。该系统目前运行正常，从监测数据来看，边坡局部出现了一定的垮塌，局部地区裂缝扩张了10 mm左右，但从总体情况来看，该边坡稳定性较好，进一步失稳的可能性较小。但根据公路建设的实际需要，仍需加强监测，以自动化监测系统为主，人工监测为辅，可适当降低人工监测频率。

总体来说，本系统实现了山区高速公路开挖边坡失稳监测预警的研制目标，完成了地表裂缝位移、倾斜度、降雨量传感网，基于GSM的传输网，数据管理与现场报警等单元的研发。同时，针对野外工作环境，该系统采用了防水、耐腐蚀等技术设计，能够较好地满足实际应用要求。

[1]张勇慧，李红旭，盛谦，等.基于表面位移的公路滑坡监测预警研究[J].岩土力学，2010，31（11）：3671-3678.

ZHANG Yong-hui，LI Hong-xu，SHENG Qian，et al.Study of highway landslide monitoring and early warning based on surface displacements[J].Rock and Soil Mechanics，2010，31（11）：3671-3678.

[2]高华喜，殷坤龙.降雨与滑坡灾害相关性分析及预警预报阈值之探讨[J].岩土力学，2007，28（5）：1055-1060.

GAO Hua-xi，YIN Kun-long.Discussion on the correlations between landslides and rainfall and threshold for landslide early-warning and prediction[J].Rock and Soil Mechanics，2007，28（5）：1055-1060.

[3]张卫中，尹光志，李东伟，等.失稳路堑边坡监测系统设计及其应用[J].自然灾害学报，2008，17（3）：69-74.

ZHANG Wei-zhong，YIN Guang-zhi，LI Dong-wei，et al.Design and application of a monitoring system for unstable cut slope[J].Journal of Natural Disasters，2008，17（3）：69-74.

[4]任际周，王洪辉，庹先国，等.无线数据采集时间同步协议研究与工程应用[J].电子设计工程，2011，19（2）：9-12.

REN Ji-zhou，WANG Hong-hui，TUO Xian-guo，et al.Research and application of the wireless data acquisition protocol[J].Electronic Design Engineering，2011，19（2）：9-12.

[5]杨有辉，郑治.公路滑坡预测预报研究现状及前景展望[J].公路交通技术，2006（6）：18-20.

YANG You-hui，ZHEN Zhi.Current situation and prospect of expressway land slide forecast[J].Technology of Highway and Transport，2006（6）：18-20.

[6]邬凯，盛谦，张勇慧，等.山区公路路基边坡地质灾害远程监测预报系统开发及应用[J].岩土力学，2010，31（11）：3683-3687.

WU Kai，SHENG Qian，ZHANG Yong-hui.Development of real-time remote monitoring and forecasting system for geological disasters at subgrade slopes of mountainous highways and its application[J].Rock and Soil Mechanics,2010,31(11):3683-3687.