GNSS技术在公路地质灾害监测中的应用

2022-08-01李明智巫星德刘先林

西部交通科技 2022年5期

李明智，巫星德，刘先林

(1.广西交通设计集团有限公司，广西南宁 530029；2.广西路桥工程集团有限公司，广西南宁 530200)

0 引言

据2018年地质灾害调查评价结果，96.65%的广西陆地面积属地质灾害易发区，其中地质灾害高、中易发区占比达42.3%，在这些地区开展公路建设，存在很高的风险，一旦产生公路地质灾害，不仅严重影响工程安全，还严重威胁周边环境乃至人身财产安全，带来恶劣的社会影响[1-2]。

提前感知与防范，是防治公路地质灾害的最有效手段。边坡的失稳破坏，往往需要经历蠕变、匀速运动、加速运动至破坏的发展过程[3]，在这个过程中，位移变形是其最明显的特征，只要获取到公路边坡的位移变形信息，就可以采取措施有效地避免边坡失稳的发生。传统的高速公路边坡变形的获取主要依靠全站仪、测斜仪等人工定期监测手段，但是在复杂特殊条件下，这些方法存在明显的不足，其主要缺点是要求相关工作人员必须到达现场才能进行观测，往往会存在监测频率低、工作效率低、无法有效预警的缺点[4]。

GNSS全称是全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite System)，是泛指所有的卫星导航系统，主要包含美国的GPS、俄罗斯的Glonass、欧洲的Galileo、中国的北斗卫星导航系统[5]。其通过卫星信号进行定位，并结合物联网技术，将定位数据通过无线网络发回云平台，采用自动化平台自动实现对监测数据的自动采集、成图与预警，实现全过程的自动化与智能化，大大提高了监测的时效性与预警的准确性[6-7]。

1 GNSS定位原理与监测系统设计

1.1 GNSS定位原理

GNSS系统定位的基本原理是利用测距交会确定点位。当GNSS接收机接收到卫星信号时，卫星坐标与信号传播时间为已知量，通过信号传播时间可求出卫星与GNSS接收机的距离。因此，在三维空间中，GNSS接收机的可能位置构成一个球面。

当测到两颗卫星的距离时，接收机的可能位置被确定于两个球面相交构成的圆上；当得到第三颗卫星的距离后，球面与圆相交得到两个可能的点；第四颗卫星用于确定接收机的准确位置。因此，如果接收机能够得到四颗GPS卫星的信号，就可以进行定位；当接收到信号的卫星数目>4时，可以优选四颗卫星计算位置，如图1所示。

图1 单点定位原理示意图

受到卫星轨道误差、电离层延迟、大气折射效应等影响，仅使用单点定位时，定位精度为数米级，无法满足地质灾害监测需求。为提高定位精度，地质灾害监测中一般采用静态解算的方法，其基本原理为在监测站附近稳定区域安装设备作为基准站，基准站与监测站的数据同时传回解算平台，进行长时间的静态解算，可得到毫米级别的位移信息。

1.2 监测系统的设计

采用全自动的监测方法进行监测，使用太阳能对现场设备进行供电，通过无线网络的方式，将所有接收机数据传输至服务器进行解算，解算后传输至自动化监测预警平台进行预警与展示，最终实现对整个边坡的实时监测与自动预警。系统主要由4个部分构成：GNSS接收机、供电系统、解算平台与客户端。各组成部分主要参数如下：

GNSS接收机：采用三星八频GNSS接收机，可以接收并联合处理北斗BDS B1B2B3、GPS L1L2L3、GLONASS L1L2数据，平面定位精度2.5 mm+1 ppm，高程定位精度5 mm+1 ppm，设备功率2 W，数据采集间隔60 s，每30 min提供一次解算结果。

供电系统：2×80 W太阳能板、60 AH蓄电池，可满足连续阴雨天的24 h持续供电。

解算平台：采用静态解算，每60 min生成一次解算结果，采用非线性卡尔曼滤波算法进行滤波。

客户端：采用B/S架构，支持网页端与手机端查看，具有自动采集、成图、智能预警、人工巡视、报表生成、综合管理等功能。

2 典型监测成果

以广西贺州至巴马高速公路某边坡为例，边坡主要由三叠系下统地层组成，岩性为泥质砂岩，薄-中厚层构造，全-强风化为主，其中全风化层呈坚硬土状，强风化层岩质较软，岩体破碎，层厚>25.0 m，中风化岩层埋藏深，边坡岩层产状为335°/SW∠65°，为逆向坡。

在坡面上布置9个监测点，主断面布置3个设备，两侧断面各布置2个设备。基准站1台，布置在距离监测点约200 m处的空旷地带。监测点布置如图2所示。

图2 监测点布置图

设备于2021年4月安装，边坡开挖至两级，后根据边坡开挖情况，逐级开挖，逐级安装。经历了边坡变形开裂、局部失稳、应急抢险的过程，北斗位移监测站在此过程中采集了完整的变形数据，充分证明了其有效性，指导了现场施工，具体成果如下。

(1)边坡位移方位获取。北斗解算得到了三个数值，分别为：X(东方向)、Y(北方向)、Z(高程方向)，通过X、Y求反三角函数，可得到北斗监测站的位移方位。通过对比北斗监测站的位移方位与边坡开挖方向，既可以验证数据是否符合实际情况，排除明显的坏点，也可以获取边坡的位移方位，针对性地采取措施。如图3所示为两个典型监测站求出的位移方位图，可以看出北斗监测站位移方位角为50°(图中散点)，边坡坡面方位角也是50°(图中箭头)，这说明边坡位移方位是完全朝着开挖的临空方位，是由于边坡开挖导致的岩土体位移。

(a)2-GNSS1监测站

(b)3-GNSS1监测站

(2)边坡稳定性分析。如后页图4所示为监测点的累计位移-时间曲线，由该曲线可以看出边坡的累计位移量与位移速率，通过累计位移量与位移速率可推断出边坡的稳定状态。由图4可以看出，设备自4月安装以来，一直处于位移中，在4月18日至6月17日曲线处于平直上升段，整体处于匀速运动状态，整体位移速率约为2.5 mm/d。此时，边坡处于欠稳定状态，但未达到失稳，监测方给出了橙色警戒，提醒现场注意及时采取措施，该过程中边坡坡顶与坡面逐渐出现局部裂缝，且裂缝一直在发展。6月18日之后累计位移-时间曲线斜率明显变大，边坡进入了加速位移阶段，位移速率约为50 mm/d，速率较前期大了20倍，此阶段边坡已经处于失稳的边缘，触发红色警戒值，系统发出红色警报。6月19日，边坡发生局部垮塌。

(3)处置效果验证。6月19日边坡垮塌后，北斗显示边坡仍然保持着高速位移，位移速率整体保持在100 mm/d以上，随时有发生二次垮塌的风险，为保障边坡安全，相关单位进行了坡脚反压抢险。6月25日，边坡反压至30 m，可以看出抢险反压后，位移速率明显降低，曲线整体趋向于平缓，而后位移速率降低趋势明显。至6月29日，位移曲线基本为一平直线，位移速率降为0，这说明抢险措施效果良好，边坡已经处于安全状态。通过北斗位移监测有效证明了抢险措施的有效性。