公路边坡工程实时在线监测系统研究与应用

李秀春，邓 亚，王 波

（四川长瑞土木工程检测有限公司，四川 成都 611130）

我国平均每年发生滑坡和泥石流2万余起、伤亡1000余人、受灾人口90多万，造成直接经济损失20亿～60亿元。长期以来，我国路基边坡的安全监测技术一直是公路修筑中的一个薄弱环节，但由于缺乏对安全监测技术的系统研究，没有成熟的经验供设计部门应用，因此只能用低等级公路的防护技术或借鉴其他部门的经验来实施局部保护，缺乏综合考虑，造成了巨大的经济损失和不良的社会影响，有的甚至需要中断交通，给人类的生产、生活及生命安全造成了极大的威胁[1]。为此，在公路边坡的施工及后期运营过程中需要对相关危险区域进行实时监测，如果经由数据中心处理后的监测数据超出设置阈值范围，应及时进行预警或报警，以最大限度地降低因可能发生的各种安全事故所造成的经济损失[2]。

1 系统概述

1.1 系统工作原理及组成

公路边坡工程实时在线监测系统利用计算技术，在云物互联的基础上构建的安全监测云，可兼容多类型硬件设备，通过本地系统集成接入互联网，利用有线或无线传输方式传入监测云平台。云平台为用户提供真实的数据呈现并构建安全模型对边坡进行智能诊断和安全分析，并通过平台客户端或手机App进行预警和报警。公路边坡工程实时在线监测系统由传感器子系统、数据采集子系统、数据传输子系统、数据库子系统、数据处理与控制子系统和安全评价预警子系统组成[3]。系统组成及工作原理如图1所示。

1.2 系统主要监测内容

公路边坡工程实时在线监测系统主要监测内容如下：（1）环境监测，主要包括温度湿度和雨量监测；（2）坡体变形监测，主要包括边坡关键点的表面位移、内部位移等；（3）挡墙受力监测，主要包括挡墙的应变、锚杆（索）受力等；（4）挡墙变形监测，主要包括挡墙位移、倾斜等；（5）土压力和孔隙水压力监测；（6）水位监测；（7）裂缝监测。系统监测内容及网络拓扑如图2所示，各项监测内容监测指标及所用传感器如表1所示。

1.3 系统实现功能

图1 系统组成及工作原理示意图

图2 系统监测内容及网络拓扑示意图

表1 各监测内容监测指标及所用传感器

公路边坡工程实时在线监测系统主要实现功能如下：（1）24小时实时监测。对边坡变形受力、坡体倾斜下滑、环境等全自动化在线监测，实时掌握边坡整体施工（运行）的安全状态。（2）多重分级预警。数据异常时，系统会触发相应三级报警机制，第一时间以短信、传真、广播等形式通知用户。（3）应急预案处理。从专家库直接提取相应处理办法，及时采取人员介入、封锁道路等办法，将安全隐患消除在萌芽状态[4]。

2 工程实例分析

2.1 工程概况

G4216线仁寿经沐川至屏山新市（含马边支线）段高速公路LJ23合同段LK40+894～LK41+109.52段路线主要以填、挖形式通过，该段地质条件较复杂，简述如下：LK40+860～LK40+980段内发育一基岩软弱带，软弱带内裂隙发育，地下水较发育，岩质极软；LK40+925～LK40+975段发育一浅表层滑坡，滑坡平均厚度约4.0m，该滑坡天然状态处于基本稳定状态，暴雨工况下处于欠稳定至不稳定状态；LK40+980～LK41+117段滑坡，滑坡状态呈不规则长舌状，滑坡坡体上分布梯级梯田，经验算，滑坡天然及暴雨工况均处于整体稳定状态。但由于沿岩土界面的地下水活动，因此可能导致岩土界面与覆盖层土体的力学性质下降，从而使滑坡体沿岩土界面产生滑动。

2.2 现场部署方案

由于滑坡体呈狭长舌状分布且存在两个滑坡面，目前高速公路仍处于建设阶段，且此路基段用于桥梁梁板预制场，路基下方坡下为居民住房，安全隐患较大。综合各种因素影响，测点现场布置如图3所示，监测内容及传感器数量如表2所示。

图3 测点现场布置示意图

表2 监测内容及所用传感器数量

2.3 数据分析

2020年3月27日至5月28日雨量监测数据趋势图如图4所示，地下水位监测数据趋势如图5所示。

由图4、图5可知，2020年4月7日降雨量达到峰值114.300mm，系统进行了一级预警；随着降雨量的增大，地下水位于2020年4月8日上涨2.896m，也超过了一级预警值。施工单位接到降雨量和水位预警后立即采取坡体上部增挖截水沟、坡脚采取加固等措施，2020年4月8日地表产生最大位移为X方向2.580mm、Y方向-6.86mm、Z方向11.540mm；土体内部产生最大位移为X方向4.027mm、Y方向-3.693mm均未达到三级预警值。另外，由于施工单位及时采取了有效的预防滑坡措施，在2020年5月1日降雨量达到106.700mm一级预警值时，地下水位、表面位移和土体内部位移监测数据均变化不明显[5]。

图4 雨量趋势图

图5 地下水位趋势图

3 结束语

公路边坡传统监测面临的主要困扰主要有高风险、高成本、低效率、服务差。公路边坡工程实时在线监测系统很好地解决了目前传统人工监测中的不足，并具有以下优点：监测零风险、低成本、高效率和服务及时。通过仁沐新高速公路工程LJ23合同段LK40+894～LK41+109.52段破碎堆积体工程案例的实时在线监测数据分析，验证了公路边坡工程实时在线监测系统的上述优点，并且能够及时预警，从而减少不必要的安全事故和经济损失。