自动化监测技术在广东某高速公路边坡工程中的应用研究

陈 洋

(苏交科集团股份有限公司，江苏 南京 210017)

近几十年来，我国公路、铁路、轨道交通以及房地产等工程建设发展迅猛，工程建设引发的边坡工程地质灾害和事故时有发生，往往会造成较严重的人员伤亡和经济损失[1]。深入分析这些地质灾害和工程事故，除管理不到位、设计施工存在不足外，根本问题是传统的静态、断续、离线、易干扰的人工监测手段单一、监测时间间隔过大、预报预警通道不畅，不能满足地质灾害和工程事故预警预报的精准性、及时性、智能化的要求。在计算机应用技术及物联网技术日臻成熟和普及的今天，全面推行动态、连续、在线、少干扰、难失效的自动化监测方法势在必行[2]。

1 自动化监测技术简介

边坡工程自动化监测的基本原理就是利用安装或者埋设在监测对象表面或内部的传感器。测量其目标物理量以及目标物理量在时空上的变化，传感器测量到的物理量按设定的采集方式和频率通过现场数据采集设备进行处理和储存，再通过无线通信网络将采集的数据传输到可视终端，可视终端对接收到的数据进行分析处理和判断，并根据判断结果做出预警预报[3]。

1.1 边坡自动化监测硬件设备

本项目所使用的硬件设备，见表1。

表1 本项目使用的硬件设备一览

1.2 边坡自动化监测云网平台

本项目应用的自动化监测云网平台主要由3部分组成，分别是设备云、应用云和数据云,如图1所示。

图1 边坡工程自动化监测云网平台示意

设备云采用云计算框架，可接入百万级的各种不同监测设备；平台内置多种类型厂商设备采集通信协议，无缝接入各类传感器、采集仪和通信设备；支持DTU、路由器、无线网关等多种接入方式；可快速查看监测设备数据；同时平台内置各类传感器采集算法，可轻松实现从传感器信号到监测物理量的转换；此外还提供标准数据接口协议，可灵活对接第三方上层应用平台。

应用云则兼容丰富的监测设备和监测项目，满足多个行业的监测要求；实施7×24h的云端在线无人值守监测，并自动故障短信报警，使安全情况尽在掌握之中；支持实时数据的回放和统计特征值的查询，支持一键生成过程曲线和数据表格。此外应用云平台支持注册用户与终端用户的分级管理，平台注册用户可为不同的终端用户创建并发布独立的项目应用，独立的项目应用下可包含管理员、普通用户等不同等级用户，独立的项目应用可以定制不同的项目logo及名称等个性化设置。

数据云遵从各行业的监测规范和标准，拥有行业内的专业算法，并根据行业需求生成专业化的监测报表和多样化的可视图表。同时数据云具有强大的数据分析挖掘引擎，具备强大的分布式计算功能和丰富的数据分析算法，并支持用户自主上传数据。

2 边坡工程自动化监测技术应用实例

某边坡工程(K0+200～K0+520)位于广东省某高速公路，为保障边坡安全，采用自动化监测技术对该边坡进行变形监测。

2.1 边坡工程地理环境

区内雨量充沛，地表径流对坡面坡脚的冲刷较大。大气降水为地下水主要补给来源。地下水主要类型为孔隙水及基岩裂隙水。

2.2 边坡工程地质条件

边坡主要由第四系坡残积粉质黏土和寒武系混合岩及其风化层组成。各岩土层分述，见表1和图2所示。

表2 边坡各岩土层分述

图2 边坡地质横断面

2.3 自动化监测过程分析

此边坡于2019年3月开始布点监测，2020年4月监测结束，在自动化监测过程中经历了变形破坏及变更加固过程，因此将此次监测过程分两个阶段进行介绍。

2.3.1 第一阶段：边坡变形破坏过程监测及预警

2.3.1.1 边坡变形破坏前防护设计方案。边坡长320m，最大坡高为37m。防护设计方案，见表3。

表3 边坡变形破坏前防护设计方案

2.3.1.2 边坡监测方案设计。边坡监测内容及监测点布设情况，见表4和图3所示。

表4 边坡自动化监测内容

(a)K0+400～K0+520段 (b)K0+400～K0+520段图3 自动化监测点布设立面

2.3.1.3 自动化监测设备安装。钢丝位移计安装：钢丝位移计应水平悬空安装或竖直安装，拉力为量程的60%～80%。

固定式测斜仪安装：本项目探头之间间隔设置为2m，全向位移计探头下入孔内时注意滑轮，高轮面向临空面。

无线自动采集模块安装：钢丝位移计接线时应把屏蔽线连接上，全向位移计(固定式测斜仪)屏蔽线无须连接。

网络摄像机安装：在2级平台安装2个摄像头，以保证尽可能地监控到边坡全貌。

2.3.1.4 自动化监测数据及预警。边坡于2018年11月开挖施工，2019年5月开挖三级后发现坡体内部含水量丰富，坡面渗水较严重(如图5所示)，加之广东地区已经进入雨季，降水增多，边坡后缘为高山，汇水面积大，坡面持续渗水对边坡稳定性极为不利。

(a)钢丝位移计 (b)固定式测斜仪 (c)无线自动采集模块 (d)视频监控图4 硬件设备安装图片

图5 坡面渗水照片

面对开挖过程中出现的不利局面，立即采取了两项措施：①加强现场人工巡查和视频监控巡查；②加密监测，监测频率由初始的8小时1次，加密为4小时1次(降雨过程中则2小时监测1次)。

2019年5月监测数据较稳定，变形速率小，累计位移小于2mm。如图6所示。

图6 CX4测斜孔2019年3月～5月监测过程曲线

2019年6月降雨增多，变形量缓慢增加，21日～23日连日降雨，在此过程中，利用自动化监测系统和在线视频监控系统对该边坡进行持续监控，6月23日，自动化监测系统发出预警信息：CX4在从11m深度处开始出现剪切变形，变形速率超过警戒值。如见图7所示，6月23日11m深度处累计位移达到16.24mm，变形速率达到2.66mm/d。边坡暂停开挖。

图7 CX4测斜孔2019年6月监测过程曲线

2019年7月持续进行加密监测，CX4测斜孔变形继续发展，7月23日，11m深度出累计位移达到25.84mm，边坡存在变形失稳的风险。根据监测情况，建议对该边坡加强加固，并尽快施工。

图8 CX4测斜孔2019年7月监测过程曲线

(a)K0+400断面 (b)K0+380断面图9 边坡变形破坏后变更设计断面

2.3.2 第二阶段：边坡变更加固过程监测

基于上述监测结果，对该边坡原先的设计方案进行变更。在施工过程中，继续加强边坡变形监测。

2.3.2.1 边坡变更加固方案设计。

表5 边坡变形破坏后变更防护设计方案

2.3.2.2 边坡变更加固过程监测。2019年8月中旬开始锚杆加固施工，于11月中旬完成加固，施工过程中监测数据显示，随着锚杆格梁逐步完工，变形逐步收敛，边坡趋于稳定。如图10所示。

图10 CX4测斜孔2019年8月～11月边坡变更加固监测过程曲线

加固完成后，对边坡进行了持续监测，直至2020年4月停止监测，在此期间内，如图11所示，边坡变形监测数据稳定，没有发现异常，如图12所示，视频实时监控未发现异常，初步认为经过边坡加固后处于稳定状态。

图11 CX4测斜孔2019年12月～2020年4月边坡监测过程曲线

图12 视频实时监控画面

3 结束语

①广东省某高速K0+200～K0+520边坡利用先进的自动化监测技术，成功实现了从开挖到完工的全过程自动化监测，监测数据稳定性好，可靠性高，并在暴雨条件下成功预警一次，充分发挥了自动化全天候实时监控的优势，有效地保障了边坡开挖和加固施工安全，监测过程中还利用无人机和网络视频监控技术对边坡工程现场进行实时巡查。②边坡工程施工对自动化监测点的干扰影响较大，设备容易受到破坏，现场各参建单位应该注意加强对监测设备的保护，尤其是建设单位和监理单位应积极做好监管。③自动化监测取得成功的关键在于传感器等硬件设备须具有良好的稳定性，能很好地抵抗环境干扰能力(如电磁干扰、雷击等)，目前市场上的硬件设备质量参差不齐，需继续加强试验、研发，提升硬件质量，为全面推广应用自动化监测技术打好坚实的基础。④从监测布点角度看，自动化监测与人工监测没有本质区别，都是以定点布控监测为主，受布控位置的影响，无法全方位对边坡中的所有位置进行监测，导致整体边坡变形监测过程中存在一定盲点，无法对不能监控区域的变形信号进行捕捉，一旦盲点出现变形增大，在其他区域监测到变形信号时已经产生较大影响，加之目前自动化监测设备单价较高，不可能通过加密测点来弥补这里缺点，因此如何设计一个合理的监测方案是自动化监测的一个大学问，今后需在实践中不断地积累经验，加强对边坡岩土体特性和破坏机理的研究，各学科交叉综合分析判断，才能使自动化监测技术的优势充分发挥[4]。⑤随着科技的进一步发展，自动化监测技术一定会逐步走向成熟，更好地为工程建设服务。