GPS在高速公路路基高边坡滑塌监测中的应用

丁文辉，李玉忠

(1.广西乐百高速公路有限公司，广西 南宁 530022；2.河北建筑工程学院，河北 张家口 075000)

0 引言

近年来，随着我国高速公路建设的飞速发展，路基高边坡滑塌事件频发，给国家造成了巨大的经济损失。滑坡作为比较严重的地质灾害，其发生具有突发性，所以需要依靠边坡监测来保证安全。通过对路基高边坡变形的监测数据分析，可以评价该边坡的稳定性，为建设单位和运营单位提供预报数据，保障高速公路安全高效运行。以往一般采用经纬仪等传统测量技术对边坡位移进行间断式监测，且受到诸多因素的限制。近些年来，GPS技术得到了飞速发展，董来东利用GPS-RTK配合全站仪进行了基坑工程的位移监测[1]；徐雪阐述了GPS技术在大坝监测时的影响因素和具体操作办法[2]；刘星等利用GPS技术对某教学楼的垂直度进行了监测[3]。以上研究成果表明，利用GPS技术能够对工程进行精准、连续位移监测。本文就GPS技术在高速公路路基高边坡滑塌监测的应用进行研究，以期为类似工程提供参考。

1 GPS

1.1 GPS技术

GPS又称全球定位系统，是一种可以提供准确的定位、测速和高精度的时间标准的导航系统，其主要由卫星、地面基站和用户设备组成。其中，卫星有24颗，21颗为正常工作，3颗为备用；地面基站由一个主控站、4个天线站和6个监测站组成。其基本原理是24颗卫星以12 h的周期绕地球旋转，地面上任意时刻、任意位置都可以同时观测到4颗卫星，通过接收基站到卫星之间的距离和三维坐标中的距离公式，组成4个方程式，从而得到观测点的精确位置、经纬度和高程。GPS的主要功能有导航、定位、精确定时、工程施工(如道路、桥梁、隧道的工程测量等)、测绘等，具有快速、精准等特点。

鉴于强大的功能优势，GPS逐渐在各个领域被广泛应用，如汽车导航、交通管理和巡更等方面。在道路工程中的应用主要是用于建立各种控制网及测定航测外控点等。随着高速公路建设的迅速发展，GPS在道路工程勘测、施工和监测领域也得到了长足的发展，尤其是对大型桥梁、隧道的工程勘测、施工、监测，避免了常规测量方法的弊端，提高了测量的精度，同时缩短了工期。

1.2 GPS边坡监测应用技术

GPS高边坡路基变形监测系统就是利用高精度GPS监测仪对边坡的位移变形量进行监测，并通过传输模块将监测数据实时回传到监测云平台，对路基边坡监测数据进行处理分析，同时生成监测报告。该系统主要包括数据采集、数据传输、数据分析和结构显示四个部分，能够实现从数据采集到数据分析再到监测结果显示的全过程自动化。

边坡路基发生滑塌时，GPS监测系统及时发出报警，监测人员紧急通知运营及施工、建设单位，为后续边坡滑坡处理和保证运行车辆安全争取宝贵的时间。通过高边坡路基滑坡发生前后的变形监测情况，为后续的滑塌边坡处理提供了依据。通过GPS高边坡路基监测数据，综合分析边坡稳定性，对边坡安全状态进行评估并提供依据。同时，为验证高边坡路基设计和施工工艺提供参考依据，从而进一步完善相似地质边坡设计方案和施工工艺，保障高边坡路基的稳定和安全。

2 工程应用

2.1 工程概况

某路基边坡为高速公路横切斜坡，路面设计高程约为614.674 m。该处路线走向约235°。根据设计提供的1∶2 000地形图及路线纵断面图，挖方路段总长约为420 m，右侧边坡切坡高度约为61 m，坡度较高。边坡为低山地貌，起伏大，地面高程相对高差约90 m。边坡多为第四系残积层覆盖，下伏基岩为三叠系中统砂岩。岩石裂隙较发育，但分布不规则。边坡范围内勘察钻孔处无地表水，地下水主要为基岩裂隙水。

2.2 测点布置

高速公路高边坡位移监测点的布置要结合现场实际，具体问题具体分析，建立有效的监测网。施工过程中，在该路基边坡布设2个深孔位移监测点、4个地表位移监测点，以满足道路通车以后对该边坡的监测需要。其中，SKJK01、SKJK02为深孔位移监测点，DB01～DB04为地表位移监测点。

2.3 数据处理和分析

2.3.1 滑塌边坡监测数据处理

现场GPS测点实时将位移数据传输到监控中心，再通过网络上传到云平台进行存储。平台对数据进行整理分析，而后进行图表输出和预警处理。

该段高边坡路基因地质和强降雨原因，在试运营期间突然发生滑塌。滑坡体沿路线方向长40 m，垂直路线方向约70 m，高50 m，平均厚度约5 m，滑坡面积约2 800 m2，体积约1.4万m3，造成高速公路通行中断。根据塌方边坡近期内的变形监测统计数据，滑坡发生前后各监测点位移变化如图1～6所示。

图1 SKJK01、SKJK02测点深孔位移监测曲线图

图2 SKJK01测点峰值位移与时间关系曲线图

图3 SKJK02测点峰值位移与时间关系曲线图

图4 DB01测点地表位移监测曲线图

图5 DB03测点地表位移监测曲线图

图6 DB04测点地表位移监测曲线图

2.3.2 滑塌边坡监测数据分析

基于平台处理数据，对高速公路高边坡位移超限的测点归类，而后进行分级预警，同时出报告、发预警。工程各参与方可以通过电脑、手机、文件等形式查看监测数据和监测报告。边坡检测日报如后页表1所示。

表1 边坡监测日报示例表

通过对GPS监测数据、变形曲线和监测报告综合分析滑塌边坡稳定状态，DB01测点及DB04测点变形较小且累计变形数值较小，说明监测点位处路基边坡处于稳定状态，即两侧低矮边坡处于稳定状态。

SKJK01测点峰值位移速率达10.87 mm/d，为红色警报状态，深部位移速率仍处于较高状态；DB03测点累计水平位移达60 mm，方向角为东偏南方向，累计垂直位移达16.5 mm，峰值水平位移速率为3.0 mm/d，峰值垂直位移速率为7.5 mm/d。

通过对SKJK01及DB03号监测点监测变形数据进行分析，该段高路基边坡水平位移速率和垂直位移速率较快且累计位移较大，边坡整体处于较危险状态，有发生垮塌的风险，须及时对该段边坡进行加固处理并对该段运行车辆进行交通管制，以确保过往车辆安全通行。

3 结语

高速公路高陡边坡的稳定安全对于交通运营、人民的生命财产等具有重要的影响，对其位移进行快速、有效的监测就显得尤为重要。本文以某高速公路高边坡为背景，较为全面地介绍了GPS监测系统，并将其应用于高速公路高边坡位移监测和坍塌预警的过程中，验证了利用GPS对高速公路高陡边坡进行位移监测是可行的，且达到了较好的监测效果，保障了高速公路运营安全。通过GPS多项观测指标来综合分析边坡的稳定情况，能更好地反映边坡的实际情况。同时也能为类似工程提供参考依据。