智能預警技術在公路路塹邊坡狀態(tài)監(jiān)測中的應用

趙志忠，楊宗橙，蘇 濤，黎付安

（1.廣西百寧高速公路有限公司，廣西 南寧 530000；2.廣西交投科技有限公司，廣西 南寧 530000）

0 引言

隨著中國經(jīng)濟的發(fā)展，高速公路建設規(guī)模逐步擴大，更多的高速公路延伸至山區(qū)。山區(qū)高速公路對既有巖土進行開挖，形成新的坡面，造成應力的重分布，若開挖處治不當將有失穩(wěn)的風險，嚴重的甚至造成人員傷亡和財產(chǎn)損失。為此，需要對邊坡開挖風險進行分級，并根據(jù)分級結果采用自動化技術對邊坡進行實時監(jiān)測，以便及時采取應對措施。關于高邊坡風險分級和邊坡自動化監(jiān)測技術，國內(nèi)外有部分專家和學者進行了研究。林俊勇運用層次分析法和模糊綜合評判法建立路塹高邊坡施工安全風險估計模型，運用風險矩陣法進行風險評價和分級［1］。馬吉磊等提出公路邊坡野外北斗自動化監(jiān)測技術與系統(tǒng)優(yōu)化方案［2］。國內(nèi)外專家做了一些相關的研究，并取得了應用成果，但是缺乏智能型的綜合自動化監(jiān)測系統(tǒng)。

1 工程概況

依托工程位于廣西區(qū)內(nèi)某高速公路工程K68+365-K68+590段，處于高速公路右側，為路塹邊坡，覆蓋層為含碎石粉黏土，下伏薄～中厚層全～強風化砂巖，中厚層中風化砂巖，見頁巖夾層，反向土石二元結構邊坡，坡體為5級開挖，小里程段和坡體中部出現(xiàn)明顯溜滑。

2 邊坡風險分級

專家調(diào)查評估法是以專家作為索取信息的對象，依靠專家對路塹高邊坡的知識和經(jīng)驗，在現(xiàn)場調(diào)查的基礎上，根據(jù)建設規(guī)模、地質(zhì)條件、工程特點、誘發(fā)因素、施工環(huán)境、資料完整性對高邊坡做出評估和預測的一種方法。專家應具備高級及以上技術職稱，評估負責人具有10年以上、成員需具有5年以上工程管理經(jīng)驗，以及高邊坡勘察、設計、施工工作經(jīng)歷。本次評估成立專家組成員3人，根據(jù)各個高邊坡建設規(guī)模、地質(zhì)條件、誘發(fā)因素、施工環(huán)境、資料完整性5個分項，按4個風險等級分別給出分項評定分值Ri，即等級Ⅳ（極高風險）（4分）、等級Ⅲ（高度風險）（3分）、等級Ⅱ（中度風險）（2分）、等級Ⅰ（低度風險）（1分）。在此基礎上，專家對分項評估分值給出專家信心指數(shù)Wi，再根據(jù)各專家成員評分Dr值及平均評分值，最終確定邊坡的風險等級。

根據(jù)現(xiàn)場踏勘獲得的資料，采用專家調(diào)查評估法，依靠專家對路塹高邊坡的專業(yè)知識和工程經(jīng)驗，結合邊坡所在地巖層的節(jié)理、軟弱夾層、巖性、產(chǎn)狀、坡度與坡高等因素，按4個風險等級對邊坡進行風險評估，即等級Ⅳ（極高風險）、等級Ⅲ（高度風險）、等級Ⅱ（中度風險）、等級Ⅰ（低度風險）。最終確定該邊坡風險等級為高度風險，需制訂專項的邊坡監(jiān)測方案，選取合適的監(jiān)測項目及方法進行自動化監(jiān)測和預警，準確把握邊坡動向［3］。

3 監(jiān)測系統(tǒng)及方案

3.1 “北斗+監(jiān)測系統(tǒng)”

北斗形變監(jiān)測站是由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)、GNSS解算系統(tǒng)、數(shù)據(jù)服務平臺組成。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)：由測量型接收機、供電系統(tǒng)、安裝防護系統(tǒng)組成。其中，測量型接收機采用高精度測量型GNSS接收模塊，融合自主開發(fā)的信噪過濾處理程序，確保獲得高質(zhì)量原始數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)：采用GPRS 無線傳輸技術，通過獨有的通信協(xié)議實現(xiàn)了大數(shù)據(jù)實時傳輸和斷線補傳功能，確保了數(shù)據(jù)完整性。GNSS解算系統(tǒng)：采用自主知識產(chǎn)權的數(shù)據(jù)解算系統(tǒng)，實現(xiàn)了高精度連續(xù)實時解算。數(shù)據(jù)服務平臺：對現(xiàn)場設備的遠程配置、調(diào)試、故障排查、升級等操作全部集成于數(shù)據(jù)服務平臺，實現(xiàn)真正的集成化與智能化［4］。

3.2 監(jiān)測方案

本項目監(jiān)測方案選擇人工監(jiān)測和智能監(jiān)測相結合，人工監(jiān)測包括現(xiàn)場定期巡查和儀器測量地表位移，巡查以目視為主，可輔以量尺、放大鏡等工具及影像等手段進行，主要巡檢邊坡地表新裂縫、坍塌、地表變形，地下水出露點和水流量大小，支擋結構變形、裂縫和后側巖土體的裂縫、下陷或滑移、植物傾斜方向等情況，地表及地下排水系統(tǒng)的完好、暢通情況，坡腳民房變形、裂縫等，并應做好巡檢記錄。儀器測量地表位移通過布設永久性變形監(jiān)測網(wǎng)，監(jiān)測網(wǎng)由基準點、工作基點和監(jiān)測點，用高精度測量機器人進行監(jiān)測。智能監(jiān)測主要是布設全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)地表位移監(jiān)測設備、智能雨量計和視頻設備，實現(xiàn)實時監(jiān)測。

3.3 測點布設

根據(jù)滑坡地質(zhì)結構、治理工程布設和現(xiàn)狀坡面變形狀況，監(jiān)測斷面及測點數(shù)量：GNSS監(jiān)測斷面3個，GNSS測點6個，深層位移測點2個，視頻監(jiān)控測點1個，機器人周期性監(jiān)測測點5個。

4 監(jiān)測預警

根據(jù)本滑坡地質(zhì)結構、治理工程和邊坡變形狀況，依據(jù)現(xiàn)行技術規(guī)范，初步確定監(jiān)測頻率和周期（見表 1），遇到雨季和突發(fā)強降雨，監(jiān)測頻率適當加密。

表 1 監(jiān)測頻率與周期

達到告警閾值后，需進一步分析確認，綜合研判，確定預警風險等級，分為紅色、橙色、黃色、藍色預警。

紅色預警：地質(zhì)災害發(fā)生的可能性很大，各種短臨前兆特征顯著，在數(shù)小時或數(shù)天內(nèi)大規(guī)模發(fā)生的概率很大。

橙色預警：地質(zhì)災害發(fā)生的可能性大，有一定的宏觀前兆特征，在幾天內(nèi)或數(shù)周內(nèi)大規(guī)模發(fā)生的概率大。

黃色預警：地質(zhì)災害發(fā)生的可能性較大，有明顯的變形特征，在數(shù)周內(nèi)或數(shù)月內(nèi)大規(guī)模發(fā)生的概率較大。

藍色預警：地質(zhì)災害發(fā)生的可能性小，有一定的變形特征，發(fā)生地質(zhì)災害的可能性不大。

當出現(xiàn)如下情況之一，立即進行危險預警：①抗滑樁、擋墻或坡面巖土體位移突然明顯增大；②邊坡及其影響范圍內(nèi)路面、坡面、建筑物出現(xiàn)隆起、滑塌和嚴重滲漏；③坡面裂縫明顯擴展、擴大。

5 監(jiān)測結果及數(shù)據(jù)分析

5.1 地表位移

5.1.1 GNSS監(jiān)測

GNSS 監(jiān)測點的累計位移量是以第一期監(jiān)測坐標值作為初始值來計算總位移值的，分為 X 方向（東方向）位移、Y 方向（北方向）位移和 H 方向（高程） 沉降。監(jiān)測結果分析如下。

監(jiān)測點1位移變化異常，其位移變化在9月1號開始便呈現(xiàn)緩慢遞增的趨勢，在9月13日18：00發(fā)生了急速增長，至9月15日其間在不斷變化，變化速率最高達到了40 mm/d，9月16日之后逐漸穩(wěn)定在150 mm變形量范圍內(nèi)，可判斷其位置處發(fā)生了明顯的滑坡變形，經(jīng)現(xiàn)場復查確實發(fā)生了邊坡明顯變形。

監(jiān)測點 2 累計合位移達到了 14 mm，9月周期內(nèi)垂直位移變化了 3 mm，水平位移量變化了 1.5 mm，合位移變化了 1 mm，合位移速率在 0～3 mm/d，垂直及水平變形較為穩(wěn)定。

監(jiān)測點 3 累計合位移達到了 13.5 mm，9 月周期內(nèi)垂直位移變化了 3 mm，水平位移變化了 1.5 mm，合位移變化了 3.5 mm，合位移速率在 0～7 mm/d，位移時間曲線整體比較平穩(wěn)，趨向一條水平直線。

監(jiān)測點 4 累計合位移達到了 17 mm，9月周期內(nèi)垂直位移變化了 1 mm，水平位移增大了 2.5 mm，合位移變化了 2 mm，合位移速率在 0～3.50 mm/d，時間位移曲線趨向一條水平直線。

監(jiān)測點 5 累計合位移達到了 13 mm，9月周期內(nèi)垂直位移增加了 1 mm，水平位移增大了 1.5 mm，合位移變化了 2.5 mm，合位移速率在 0～6.50 mm/d，9 月周期其位移變化微小，時間位移曲線變化平緩。

由以上結果得知：監(jiān)測點1于9月13日18：00發(fā)生了明顯變形，其余監(jiān)測點9月周期內(nèi)變形量在4 mm范圍內(nèi)，并且主要變形集中在垂直方向上，可判斷是受1號監(jiān)測點位置處的變形影響，需加強監(jiān)測點1位置處的觀測，預防其后續(xù)再次變形引發(fā)災害。

5.1.2 高精度機器人監(jiān)測

對數(shù)據(jù)異常點位采用徠卡TM50高精度監(jiān)測機器人進行自動觀測［5］，對邊坡監(jiān)測網(wǎng)進行加密，并對變形區(qū)域進行加密監(jiān)測。各測點的位移監(jiān)測結果見表2。

表 2 周期性監(jiān)測結果

由表2 可知：各監(jiān)測點位置處的變形在持續(xù)增長，速度變緩。監(jiān)測點 1 與監(jiān)測點 2 變形較快，其余監(jiān)測點變形緩慢增長。水平向變形量要普遍略高于垂直變形量。

由以上結果可知：在3 d的觀測周期內(nèi)，所布設的監(jiān)測點變形在逐日緩慢增加，可判斷其邊坡變形并未停止，后續(xù)可能還會出現(xiàn)較大的變形，需要加強后期的監(jiān)測。

5.2 現(xiàn)場巡查結果

技術人員對邊坡進行了全面巡查，發(fā)現(xiàn)異常 3 處：①格梁裂縫；②一級平臺裂縫；③排水溝開裂。

5.3 深層位移

根據(jù)本期深層位移監(jiān)測結果分析，邊坡JCK01號孔，滑面深度為15 m，峰值深度為11.5 m，峰值累計位移為3.67 mm，本月位移為 0 mm，位移速率為 0 mm/d。

6 結語

6.1 表面及深層位移

機器人應急監(jiān)測點速率變緩，GNSS 各測點均達到預警值，邊坡地表存在變形蠕動，深層位移監(jiān)測發(fā)現(xiàn)右側坡體無明顯滑動面［6］。

6.2 現(xiàn)場巡查分析

經(jīng)現(xiàn)場巡查發(fā)現(xiàn)，排水溝、擋墻、一級平臺、格梁均存在不同程度的開裂，邊坡整體存在變形，有整體失穩(wěn)風險。

對邊坡穩(wěn)定狀況進行實時監(jiān)測，掌握邊坡變形體的動態(tài)變化信息，出現(xiàn)較大變形時及時做出預警。同時，采用高精度機器人監(jiān)測及人工現(xiàn)場巡查監(jiān)測對預警進行深入分析，結果表明邊坡地表位移存在較大變形，深部巖土體比較穩(wěn)定，邊坡防護結構存在多處開裂，達到黃色預警，發(fā)生地質(zhì)災害的可能性較大，有明顯的變形特征。通過運用基于BDS高精度定位技術、遙感測繪技術及互聯(lián)網(wǎng)技術的三維智能監(jiān)測系統(tǒng)，能及時做出預警和采取措施，保障高速公路運營安全，提升防災減災能力，減少人員傷亡和財產(chǎn)損失。