基于北斗技术的高边坡两级安全监测方案设计研究

王晨

摘要：文章针对新建公路路段存在的高挖边坡和高填路基边坡在施工及运营过程中可能存在的滑塌引起施工和运营安全事故的问题，结合当前基于北斗高精度定位技术和智能传感技术、物联网技术及大数据、云计算技术的高边坡安全监测云平台，从科学性、安全性、适用性和经济性的角度，提出了高边坡二级安全监测建议方案，为类似项目提供参考。

关键词：北斗高精度定位;边坡;安全监测;位移监测

0 引言

边坡是指土体或岩体在自然作用或人为作用下形成的具有一定倾斜度的临空面[1]。工程建设中遇到的自然边坡和人工边坡，可能发生滑坡，直接影响到工程安全[2]。恶劣的地质灾害严重影响交通运营安全，造成较大的人员伤亡，产生了巨大的经济财产损失，形成恶劣的社会影响，如2008年杭州地铁崩塌事件、广西凤山县山体滑坡事件、深圳2015年渣土堆积场滑坡事件等，因此滑坡地质灾害一直是社会高度关注的问题之一。在建设过程中要对高陡边坡进行针对性的设计和监测，对滑坡进行防治设计和处理，遵循“以防为主、防治结合”的原则，因地制宜，采取综合治理措施，保证滑坡的稳定[3]，而其中最重要最常见的手段是对边坡进行监测。目前常见的边坡监测参数包括环境监测、表面位移监测、深层土体位移监测、水位监测等。在所有监测指标中，位移参数是最直接最重要的判别评估参数，其中表面位移监测手段包括全站仪、GPS[4]、北斗、CCD技术[5]、地面激光扫描技术[6]、合成孔径雷达干涉技术[7]、数字近景摄影测量技术[8]等。目前对位移监测最成熟的技术仍然是北斗或GPS手段。随着北斗卫星升空组网，北斗已进入高密度网时代，其定位精度和授时精度与美国GPS相媲美。自从北斗卫星系统建成以来，便开始应用于中国及周边地区的交通运输、应急救援、森林防火、水利水电、海洋渔业、油气运输、部队指挥等领域，并取得了一定的成果，在铁路沉降监测、机场沉降监测、桥梁沉降监测方面也取得了一定的进展。本文讨论内容即基于北斗技术的路段边坡分级安全监测方案设计研究。

1 工程背景

某新建高速公路推荐方案有填方高度≥20 m边坡11段（见表1），挖方边坡需要采用特殊防护设计的路堑边坡主线14段，互通及服务区4段（见表2），累计长度为7 788 m。高路堤边坡方案满足路基安全稳定性要求，而且经济合理，与地形环境协调，技术成熟，在广西多条已建高速公路中取得良好效果。路堑边坡受构造、岩性影响，路线区滑塌数量较少，以沿岩土界面浅层滑塌为主，部分为软质岩的順层滑动，滑塌体结构较松散，厚度一般为2.0～6.0 m，多发生在土层、破碎的砂页岩分布路段。根据《高速公路路堑高边坡工程施工安全风险评估指南》进行初步风险评估，表1、表2中的边坡风险评估值均在Ⅲ类以上，有进行边坡安全监测的必要性。

2 路段边坡分级监测方案设计

土质或岩质边坡在环境、水及外荷载作用下发生缓慢的变形或位移，当位移达到一定临界值时，滑坡发生。因此在边坡监测方案中，位移监测尤为重要。一个完备的边坡监测方案一般包括体表位移监测、深层位移监测、裂缝监测、雨量监测、视频监测等内容，测点较多，投资较大。然而一条线路的边坡因为各自条件不一样，有的边坡稳定性较好，有的较差，是否发生滑坡需要时间检验。针对解决边坡监测需求与项目投资的关系，本文提出分级监测方案，即在边坡形成之初，以地表位移进行监测，采用北斗安全监测技术，每个边坡根据高度和长度，精选测点，在预计滑坡体轴线上布设若干个北斗监测点，达到坡体位移监测目的。在监测到坡体有较大位移或者位移趋势明显时，将此边坡确定为重点边坡，启动二级监测系统，通过对现场的踏勘，增加北斗位移监测点、深层位移监测测点和水位监测测点，在可能出现裂缝的位置增设裂缝监测测点，并根据需要增设CCTV进行坡体视频监测。以某个边坡为例，二级响应分级监测方案如图1所示。

二级方案比一级方案增加北斗测点两个，深层土体位移测点4个，雨量监测测点1个，视频监测测点1个，项目投入较一级方案成倍增长，但是对滑坡体的各个技术参数监测较为详细。

通过对边坡二级响应监测案例进行分析研究，发现二级监测方案测点数量一般是一级监测方案的2～3倍以上，同时系统工程造价也同幅增长。一级监测做初步监测，解决工程中的位移监测问题，二级监测方案为已确定的滑坡体做完整的数据监测，对滑坡体的形成、发展及滑坡发生全过程研究提供完整的数据依据，并可在关键时刻提供及时预警，做好防灾减灾工作，减少人员伤亡和财产损失。从经济性分析，在不确定滑坡趋势情况下，采用二级监测方案成本巨大，一般项目难以承受，从而大部分的高边坡被放弃进行自动化监测，而仅仅针对难度大的边坡进行安全监测，覆盖面较差，安全隐患较大。而采用两级边坡监测方案，每个Ⅲ级均有针对性的测点，每确定一个滑坡体，对其进行二级监测，针对性更强，能够满足有限经费对工程需求的普适性要求。因此采用两级安全监测方案对本路段的路堤边坡和路堑边坡进行监测，具有良好的经济性、安全性和适用性。

3 基于北斗技术和云计算技术的边坡安全监测方案设计研究 系统的设计应满足一定的原则，尽量做到可靠、经济、合理。监测系统是提供获取桥隧坡结构信息的工具，使决策者可以针对特定目标做出正确的决策，系统设计原则包括：有效性、可靠性、先进性、可操作和易于维护性、开放性和兼容性、经济性以及具备远程升级功能。归纳为“技术可行、实施可能、经济合理”的十二字方针，使得监测系统做到可用、实用、好用，充分发挥作用，为公路养护管理及结构的安全运营提供数据和技术上的支持。

边坡监测系统主要由监测站子系统、数据中心子系统（云平台）、客户端子系统组成，具备实时监测、数据分析、信息共享、自动预警等功能。系统软件操作人性化、智能化程度高、实时性强、工作效率高，可以根据用户实际需求进行深度定制，非常适合各类工程结构的在线实时安全监测和预警，系统架构组成见图2。

监测站子系统由北斗位移监测系统、深层水平位移监测系统、雨量计、锚杆拉力监测系统、裂缝位移监测计、视频监测系统等组成。为满足不同项目的需求，各个子系统做成标准模块，固化传感器的类型和型号、采集仪的型号、接口程序、数据分析系统和报告出版系统。项目中用到的传感器监测功能，则在对应云平台监测系统中选用对应的标准模块，平台系统在项目二级响应监测中增减监测参数时方便、快捷。

4 路段北斗监测方案分析研究

根据分级监测方案，设计依托工程路段11个路堤边坡和14个路堑边坡进行监测方案设计，因为是新建项目，在边坡形成后一定时间内具有一定的稳定性，无法确定某个边坡具有较为明显的滑坡趋势，所以根据本文第2节内容，进行一级响应监测方案设计。采用北斗技术及云平台进行监测，云平台监测系统为固化模块，已经开发完成，选用系统所需的數据采集模块、传输模块、数据存储模块、数据分析模块、数据报告处理模块、数据发布模块、系统预警模块即可。方案中传感系统采用北斗监测设备进行位移监测，满足边坡位移监测精度要求较高，水平方向要求在±2 mm+ppm，高程方向要求精度在±4 mm+ppm，采用光伏发电+电池进行供电模式，要求续航时间达到30 d以上，系统稳定性满足要求。

北斗安全监测系统的方案优化主要在于基准点的布置方向。GNSS监测算法要求距离测点2 km范围内有一个基站作为参考，测点的位移即基站的相对位移，如何在路段选择合适的点建立基站，控制基站总数，是本次方案优化研究的主要内容。

根据初步设计图纸，对涉及路堤边坡和路堑边坡进行一级响应监测，全路段设置北斗监测点101个，基准点经过优化，测点数量节省18个，因此对边坡测点的优化是路段边坡监测方案设计中的重要内容，除了上表中对基准点的优化设计外，还可以对每个边坡结合边坡断面、高度、边坡类型、岩土特性进行优化设计，达到安全、经济、全面的目的（见表3）。

5 结语

（1）基于北斗技术和云计算技术的边坡安全监测平台在路段边坡监测中能较好地满足业务需求，实现对多边坡的同步监测;

（2）针对路段监测经费有限的问题，提出两级安全监测方案，两级边坡安全监测具有安全性、经济性;

（3）依托背景工程，选取部分特殊边坡，对两级方案的测点总数和监测指标进行比较分析，证明两级监测方案的可行性，建议在项目中实施验证。

参考文献：

[1]唐辉明.工程地质学基础[M]. 武汉：中国地质大学出版社，2007.

[2]刘永莉.分布式光纤传感技术在边坡工程监测中的应用研究[D].杭州：浙江大学，2011.

[3]JTG/T 3334-2018，公路滑坡防治设计规范[ S] .

[4]Gili J A，Corominas J，Rius J.Using Global Positioning System techniques in landslide monitoring[J].Engineering Geology，2000，55（3）：167-192.

[5] 高 杰.激光与CCD技术在边坡远程监测中的应用研究[D].杭州：浙江大学，2010.

[6] 刘锦程.三维激光扫描技术在滑坡监测中的应用研究[D].西安：长安大学，2012.

[7] Colesanti C，Ferretti A，Prati C，et al.Monitoring landslides and tectonic motions with the permanent scatterers technique[J].Engineering Geology，2003，68（1-2）：3-14.

[8]李 宁.基于数字摄影和图像分析的边坡监测预报研究[D].郑州：郑州大学，2006.

收稿日期：2020-06-02