公路邊坡工程實(shí)時(shí)在線監(jiān)測系統(tǒng)研究與應(yīng)用

李秀春，鄧 亞，王 波

（四川長瑞土木工程檢測有限公司，四川 成都 611130）

我國平均每年發(fā)生滑坡和泥石流2萬余起、傷亡1000余人、受災(zāi)人口90多萬，造成直接經(jīng)濟(jì)損失20億～60億元。長期以來，我國路基邊坡的安全監(jiān)測技術(shù)一直是公路修筑中的一個(gè)薄弱環(huán)節(jié)，但由于缺乏對安全監(jiān)測技術(shù)的系統(tǒng)研究，沒有成熟的經(jīng)驗(yàn)供設(shè)計(jì)部門應(yīng)用，因此只能用低等級公路的防護(hù)技術(shù)或借鑒其他部門的經(jīng)驗(yàn)來實(shí)施局部保護(hù)，缺乏綜合考慮，造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失和不良的社會影響，有的甚至需要中斷交通，給人類的生產(chǎn)、生活及生命安全造成了極大的威脅[1]。為此，在公路邊坡的施工及后期運(yùn)營過程中需要對相關(guān)危險(xiǎn)區(qū)域進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，如果經(jīng)由數(shù)據(jù)中心處理后的監(jiān)測數(shù)據(jù)超出設(shè)置閾值范圍，應(yīng)及時(shí)進(jìn)行預(yù)警或報(bào)警，以最大限度地降低因可能發(fā)生的各種安全事故所造成的經(jīng)濟(jì)損失[2]。

1 系統(tǒng)概述

1.1 系統(tǒng)工作原理及組成

公路邊坡工程實(shí)時(shí)在線監(jiān)測系統(tǒng)利用計(jì)算技術(shù)，在云物互聯(lián)的基礎(chǔ)上構(gòu)建的安全監(jiān)測云，可兼容多類型硬件設(shè)備，通過本地系統(tǒng)集成接入互聯(lián)網(wǎng)，利用有線或無線傳輸方式傳入監(jiān)測云平臺。云平臺為用戶提供真實(shí)的數(shù)據(jù)呈現(xiàn)并構(gòu)建安全模型對邊坡進(jìn)行智能診斷和安全分析，并通過平臺客戶端或手機(jī)App進(jìn)行預(yù)警和報(bào)警。公路邊坡工程實(shí)時(shí)在線監(jiān)測系統(tǒng)由傳感器子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理與控制子系統(tǒng)和安全評價(jià)預(yù)警子系統(tǒng)組成[3]。系統(tǒng)組成及工作原理如圖1所示。

1.2 系統(tǒng)主要監(jiān)測內(nèi)容

公路邊坡工程實(shí)時(shí)在線監(jiān)測系統(tǒng)主要監(jiān)測內(nèi)容如下：（1）環(huán)境監(jiān)測，主要包括溫度濕度和雨量監(jiān)測；（2）坡體變形監(jiān)測，主要包括邊坡關(guān)鍵點(diǎn)的表面位移、內(nèi)部位移等；（3）擋墻受力監(jiān)測，主要包括擋墻的應(yīng)變、錨桿（索）受力等；（4）擋墻變形監(jiān)測，主要包括擋墻位移、傾斜等；（5）土壓力和孔隙水壓力監(jiān)測；（6）水位監(jiān)測；（7）裂縫監(jiān)測。系統(tǒng)監(jiān)測內(nèi)容及網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙鐖D2所示，各項(xiàng)監(jiān)測內(nèi)容監(jiān)測指標(biāo)及所用傳感器如表1所示。

1.3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)功能

圖1 系統(tǒng)組成及工作原理示意圖

圖2 系統(tǒng)監(jiān)測內(nèi)容及網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涫疽鈭D

表1 各監(jiān)測內(nèi)容監(jiān)測指標(biāo)及所用傳感器

公路邊坡工程實(shí)時(shí)在線監(jiān)測系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)功能如下：（1）24小時(shí)實(shí)時(shí)監(jiān)測。對邊坡變形受力、坡體傾斜下滑、環(huán)境等全自動化在線監(jiān)測，實(shí)時(shí)掌握邊坡整體施工（運(yùn)行）的安全狀態(tài)。（2）多重分級預(yù)警。數(shù)據(jù)異常時(shí)，系統(tǒng)會觸發(fā)相應(yīng)三級報(bào)警機(jī)制，第一時(shí)間以短信、傳真、廣播等形式通知用戶。（3）應(yīng)急預(yù)案處理。從專家?guī)熘苯犹崛∠鄳?yīng)處理辦法，及時(shí)采取人員介入、封鎖道路等辦法，將安全隱患消除在萌芽狀態(tài)[4]。

2 工程實(shí)例分析

2.1 工程概況

G4216線仁壽經(jīng)沐川至屏山新市（含馬邊支線）段高速公路LJ23合同段LK40+894～LK41+109.52段路線主要以填、挖形式通過，該段地質(zhì)條件較復(fù)雜，簡述如下：LK40+860～LK40+980段內(nèi)發(fā)育一基巖軟弱帶，軟弱帶內(nèi)裂隙發(fā)育，地下水較發(fā)育，巖質(zhì)極軟；LK40+925～LK40+975段發(fā)育一淺表層滑坡，滑坡平均厚度約4.0m，該滑坡天然狀態(tài)處于基本穩(wěn)定狀態(tài)，暴雨工況下處于欠穩(wěn)定至不穩(wěn)定狀態(tài)；LK40+980～LK41+117段滑坡，滑坡狀態(tài)呈不規(guī)則長舌狀，滑坡坡體上分布梯級梯田，經(jīng)驗(yàn)算，滑坡天然及暴雨工況均處于整體穩(wěn)定狀態(tài)。但由于沿巖土界面的地下水活動，因此可能導(dǎo)致巖土界面與覆蓋層土體的力學(xué)性質(zhì)下降，從而使滑坡體沿巖土界面產(chǎn)生滑動。

2.2 現(xiàn)場部署方案

由于滑坡體呈狹長舌狀分布且存在兩個(gè)滑坡面，目前高速公路仍處于建設(shè)階段，且此路基段用于橋梁梁板預(yù)制場，路基下方坡下為居民住房，安全隱患較大。綜合各種因素影響，測點(diǎn)現(xiàn)場布置如圖3所示，監(jiān)測內(nèi)容及傳感器數(shù)量如表2所示。

圖3 測點(diǎn)現(xiàn)場布置示意圖

表2 監(jiān)測內(nèi)容及所用傳感器數(shù)量

2.3 數(shù)據(jù)分析

2020年3月27日至5月28日雨量監(jiān)測數(shù)據(jù)趨勢圖如圖4所示，地下水位監(jiān)測數(shù)據(jù)趨勢如圖5所示。

由圖4、圖5可知，2020年4月7日降雨量達(dá)到峰值114.300mm，系統(tǒng)進(jìn)行了一級預(yù)警；隨著降雨量的增大，地下水位于2020年4月8日上漲2.896m，也超過了一級預(yù)警值。施工單位接到降雨量和水位預(yù)警后立即采取坡體上部增挖截水溝、坡腳采取加固等措施，2020年4月8日地表產(chǎn)生最大位移為X方向2.580mm、Y方向-6.86mm、Z方向11.540mm；土體內(nèi)部產(chǎn)生最大位移為X方向4.027mm、Y方向-3.693mm均未達(dá)到三級預(yù)警值。另外，由于施工單位及時(shí)采取了有效的預(yù)防滑坡措施，在2020年5月1日降雨量達(dá)到106.700mm一級預(yù)警值時(shí)，地下水位、表面位移和土體內(nèi)部位移監(jiān)測數(shù)據(jù)均變化不明顯[5]。

圖4 雨量趨勢圖

圖5 地下水位趨勢圖

3 結(jié)束語

公路邊坡傳統(tǒng)監(jiān)測面臨的主要困擾主要有高風(fēng)險(xiǎn)、高成本、低效率、服務(wù)差。公路邊坡工程實(shí)時(shí)在線監(jiān)測系統(tǒng)很好地解決了目前傳統(tǒng)人工監(jiān)測中的不足，并具有以下優(yōu)點(diǎn)：監(jiān)測零風(fēng)險(xiǎn)、低成本、高效率和服務(wù)及時(shí)。通過仁沐新高速公路工程LJ23合同段LK40+894～LK41+109.52段破碎堆積體工程案例的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，驗(yàn)證了公路邊坡工程實(shí)時(shí)在線監(jiān)測系統(tǒng)的上述優(yōu)點(diǎn)，并且能夠及時(shí)預(yù)警，從而減少不必要的安全事故和經(jīng)濟(jì)損失。