智慧高速公路邊坡監測及監控平臺設計

王嘉琪，李旭豪，何杰忠，張華彬

（1.廣州高速運營管理有限公司，廣東 廣州 510030；2.北京新橋技術發展有限公司，北京 100088）

0 引言

邊坡智能化監測是近年來邊坡監測和災害預警發展的方向，國內學者在此方面也進行了一些研究，主要有：趙鵬濤等[1]、薛長龍[2]使用全球衛星定位技術，對高速公路沿線邊坡進行自動化監測，通過實踐證明了全球衛星導航系統（Global Navigation Satellite System,GNNS）的有效性，可以提前預警險情，減少財產損失和人身傷害；敖道朝等[3]、榮美等[4]以某高速公路邊坡為對象，結合土體特點以及坡體特征，利用GNSS自動化監測系統對沿線邊坡進行了監測分析，結果表明，該監測系統效率高、方便快捷，具有實時性，可以為預估邊坡位移和穩定狀態提供參考。本文以某高速公路改擴建工程為分析對象，介紹了GNSS自動化監測系統和整體監測方案，之后利用互聯網和云計算技術，建立了云平臺并進行了分析，最后闡述了預警標準和預警推送方式，以期為類似平臺建設提供參考。

1 工程概況

某高速公路建成時間較長，隨著近年來交通量的激增，原道路已無法滿足高速增長的交通量需求，改擴建勢在必行。

為確保高速公路改擴建工程施工安全及后期運營安全，需引入高效的交通運輸運行監測網絡。在監測準備工作前期，通過施工期間的踏勘、測量，結合前期勘察資料，對沿線高危邊坡進行評定。通過綜合考慮各路段邊坡特點、指標得分以及現場實施情況等因素，選取含礫石紅黏土的特殊巖土K1372+800—K1383+200左右兩側高邊坡進行邊坡自動化監測試點。

為建立更加全面、高效的交通運輸運行監測網絡及增大高速公路施工安全系數，提高邊坡施工質量，需對邊坡開展變形監測，以實時獲取邊坡變形情況，分析邊坡變形趨勢，必要時作出預警，以采取有效手段防患于未然。擬定監測內容如下：

（1）GNSS自動化監測系統：在邊坡重點部位布置GNSS自動化監測點，進行不間斷監測，監測系統及時預警險情，還可對邊坡防護效果進行持續監測。

（2）高精度監測：在邊坡重點部位布置監測斷面，采用高精度監測儀器同時觀測地表的水平位移及垂直位移。

2 監測方案設計

2.1 網絡安全監測系統

網絡安全監測系統可以直觀顯示各項監測、監控信息數據的歷史變化過程及當前狀態，為管理人員提供簡單、明了、直觀、有效的信息參考。該系統的核心組成部分為：GNSS精密定位設備、通訊設備、供電系統、監控數據管理中心。系統的基本框架如圖1所示。

圖1 網絡安全監測系統框架圖

2.1.1 自動變形監測網布設

各邊坡應形成獨立的變形監測網，空間直線距離不超過2km的兩個邊坡可共用一套基準站。K1372+800—K1383+200左右兩側高邊坡可共用一套基準站，且兩個邊坡的監測站可以進行聯合解算?；鶞收疽私ㄔO于附近地質穩定的區域，建站地點應具有交通便利、地勢開闊、便于維護等優勢；監測站則根據地質情況設置于邊坡的地質條件相對穩定的重要位置。

2.1.2 通信系統

本項目采用GPRS傳輸方式，選擇支持5G網絡的全網通模塊，獲取穩定的網絡。各監測站之間相對開闊且無障礙物，對于K1372+800—K1383+200左右兩側高邊坡，可在右側邊坡中部設置一部無線網絡共享設備，各監測站采用同一無線網絡。

2.1.3 供電系統

基準站及監測站均使用獨立的太陽能電源系統，且設置有安全的防雷設備。其中K1372+800—K1383+200左右兩側高邊坡的基準站離收費站較近，供電系統可采用收費站的交流電源配合應急供電系統。

2.2 高精度監測

2.2.1 變形監測網布設

根據高速公路沿線邊坡地形地貌，本工程的變形監測網采用三角形網，基準點分散布設于高速公路兩側的穩定地帶，工作基點設于邊坡對向高速公路水溝外側，保證與路肩之間有一定的距離，避免受到車流的震動影響。監測基準網一般由3個基準點及1個工作基點組成。

參考監測規范并結合本項目擬監測邊坡的實際情況，監測點的布置按邊坡主滑方向，每間隔30～40m布設一個斷面，每個斷面布設2～3個監測點，整體按方格網或菱形網布設。

2.2.2 監測步驟

（1）建設觀測墩

觀測墩采用鋼筋混凝土現場澆筑，澆筑完成后使用固定架固定墩柱，待混凝土凝固后方可拆除。

（2）監測點的布設

選擇若干縱斷面布設監測點，每個縱斷面之間距離30～40m，可根據現場地形及裂縫分布情況進行調整，在監測點能夠整體覆蓋邊坡的基礎上確保重要變形點上有監測點。監測點的棱鏡頭需要有固定裝置且不易破壞，為了防止鏡頭起霧及發霉，還需做特殊的防水處理。

（3）監測點觀測

觀測前，應嚴格整平儀器，使儀器的自動補償系統發揮作用，達到補償目的；觀測時，調節好儀器望遠鏡的焦距，對準目標位置，同一測回內保持不變。觀測過程中，氣泡中心位置不偏離整體中心一格，當氣泡位置接近限值時，在測回間重新置平儀器。

2.3 雨量監測

每個坡面設置一個雨量監測點，測點應布置在開闊避風處。設備采用智能雨量站監測裝置翻斗式雨量計，其具有結構簡單、維護方便、可靠性較高、經濟實惠等優點。

2.4 監測頻率與監測周期

GNSS自動化監測，正常情況下24d不間斷，每天按固定時段采集一組數據計算平均值，周期按一個水文年（365d）計算，預計共采集365d數據。

地表變形監測，采用高精度監測機器人進行自動觀測，每15d監測1次，預計全年共監測24次。如果監測過程中發現不穩定的局部坡體或裂縫突然增大，則需根據實際情況縮短監測時間間隔，提高監測機器人監測頻率，尤其是雨季及暴雨后應當適當提高監測頻率。

2.5 監測精度要求

地面基準點及地面監測點的測量精度應滿足《工程測量規范》（GB 50026—2007）要求，如表1所示。

表1 變形監測的四等精度要求

3 監控平臺設計

3.1 平臺概述

利用互聯網和云計算技術，在云物聯的基礎上構建北斗+安全監測云平臺，平臺可兼容多類硬件儀器，通過有線/無線的數據傳輸方式，實時采集、存儲、分析和管理監測數據，并通過互聯網實時向客戶呈現監測數據和預警信息。北斗+安全監測云平臺可擴展性強，可根據用戶需求深度定制。

3.2 系統優越性

整套系統包含4個結構層，即4個子系統，各子系統均具備良好的系統功能擴展性和伸縮性，其中：軟件系統采用C/S與B/S混合程序設計模式，支持PC、掌上電腦和移動設備訪問，具有高度的穩定性、可靠性和安全性，良好的系統功能擴展性和伸縮性，同時支持海量數據存儲與追溯；監控系統4個架構主要為感知子系統、傳輸子系統、數據中心系統以及客戶端子系統。

3.3 監控數據查詢、整理及計算

在監控站數據查詢界面可以實現監控數據的在線查詢。對于監測儀器，所有觀測數據需要及時校對、整理、計算，并簡單繪出時間與位移的觀測曲線。遇到異常讀數時，及時分析原因，并采取補救措施，確保觀測值準確無誤。

4 預警系統

4.1 險情預警標準

地面監測點預警值為累積位移6cm，警報值為累積位移10cm。GNSS監測站變形位移成果預警體系參照《崩塌、滑坡、泥石流監測規范》（DZ/T 0221—2006），根據邊坡的位移—時間曲線共劃分為Ⅰ蠕動變形、Ⅱ等速變形、Ⅲ加速變形及Ⅳ臨滑4個變形破壞階段，如圖2所示。

圖2 滑坡位移監測預警系統樣圖

由圖2可知，邊坡在Ⅰ蠕動變形階段表現為減速變形，其切線角由大變小，曲線呈下彎變化；Ⅱ等速變形階段的切線角近似恒定，曲線向上呈微傾斜直線；Ⅲ加速變形階段的切線角由恒定變陡立，曲線呈上彎變化；Ⅳ臨滑階段表現為變形加劇，切線角陡立且曲線近乎陡直。

測點位移變形在進入等速階段時預警，監測頻率加密，由月變形統計調整為周變形統計。進入加速變形階段時，應發布一級警報?？够瑯俄敳勘O測點或其他任何監測點超過預警值，立即將監測頻率提高為對應階段監測頻率的2倍，超過警報值時立即啟動安全預案。

雨量監測預警是根據國家氣象局對降雨量級別的劃分，參考降雨級別將降雨量預警設計為三級預警：

（1）一級預警：降雨速率為1.0mm/min、小時降雨量為15mm、日降雨量為50mm；

（2）二級預警：降雨速率為2.0mm/min、小時降雨量為30mm、日降雨量為100mm；

（3）三級預警：降雨速率為4.0mm/min、小時降雨量為60mm、日降雨量為200mm。

監測系統運行穩定后，可根據當地水文氣象資料以及實際監測數據對預警參數進行優化調整。

4.2 預警推送

預警系統根據預警標準采用多種預警方式，同時通過短信、郵件、微信等App推送，可以隨時隨地了解隧道口邊坡實時狀況，獲取監測信息更加便捷、及時。

5 結語

本文以某高速公路為對象，針對其改擴建過程中的邊坡監測問題，提出了基于GNSS和互聯網的監測平臺設計理念和方法。首先對GNSS自動化監測系統和高精度監測儀器進行了介紹，對包括自動變形監測網、監測墩基、通訊供電系統等整體監測方案進行了分析。之后利用互聯網和云計算技術，搭建了云監控平臺，并對平臺的優越性、使用方法和功能進行了闡述。最后針對預警系統，給出了不同等級的預警標準劃分方法，并給出了短信、郵件、微信等多種預警推送方式。該平臺的建立將為高速公路改擴建工程邊坡安全實時監測以及類似工程監測平臺的搭建提供參考。