GNSS技術(shù)在高速公路高邊坡監(jiān)測中的應(yīng)用探索

程 曦

(中建材西南勘測設(shè)計有限公司，四川 成都 610000)

0 前 言

高速公路中，高邊坡受到雨水的影響，易出現(xiàn)失穩(wěn)垮塌的情況，嚴重影響行車安全。采用傳統(tǒng)的方法監(jiān)測高邊坡時，因環(huán)境的限制，從而使監(jiān)測結(jié)果的準確性大幅度降低。為解決這一問題，可在邊坡監(jiān)測中引入先進的GNSS技術(shù)，通過該技術(shù)對邊坡位移監(jiān)測系統(tǒng)加以優(yōu)化改進，完善系統(tǒng)性能，滿足高邊坡監(jiān)測工作需要。

1 GNSS技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢

1.1 GNSS系統(tǒng)

全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，即GNSS系統(tǒng)，主要由空間部分、控制部分和用戶部分構(gòu)成。其中，空間部分由多顆不同軌道衛(wèi)星組成，各軌道之間相互交叉，處于同一軌道中的多個衛(wèi)星之間是相對靜止狀態(tài)，在相鄰軌道上的衛(wèi)星升交距角相差30°[1]；控制部分由監(jiān)測站、主控站、注入站構(gòu)成，用于控制衛(wèi)星的運行狀態(tài)，調(diào)整衛(wèi)星姿態(tài)和軌道高度，保證衛(wèi)星定位與導(dǎo)航的精度；用戶部分通過GNSS接收機接收監(jiān)控站發(fā)送的衛(wèi)星信號，通過算法解析信號，實現(xiàn)定位與導(dǎo)航功能。

1.2 應(yīng)用優(yōu)勢

在高速公路高邊坡監(jiān)測中運用GNSS技術(shù)，能夠充分發(fā)揮出無線傳輸?shù)膬?yōu)勢，提高監(jiān)測的時效性，其應(yīng)用優(yōu)勢體現(xiàn)在以下方面。

1.2.1 基準點選址要求低

傳統(tǒng)邊坡監(jiān)測方法對基準站選址要求較高，需保證監(jiān)測點與基準點位置相同，但是在實際地形地貌客觀條件的約束下，增加了基準點的選擇難度。而GNSS技術(shù)對基準站選址無特殊限制，不需要保證監(jiān)測點與基準點處于同一地點，僅要求基準點必須位于無遮擋的開闊場地，即使遠離監(jiān)測點也可以完成監(jiān)測任務(wù)，節(jié)省了基準點選址時的人力、物力投入。

1.2.2 監(jiān)測精度高

GNSS技術(shù)對邊坡變形的監(jiān)測精度明顯高于傳統(tǒng)監(jiān)測方法，并且監(jiān)測精度不受環(huán)境變化、人為活動的影響，能夠增強監(jiān)測結(jié)果的穩(wěn)定性和可靠性。在基線長度發(fā)生變化的情況下，監(jiān)測精度也會隨之發(fā)生變化，當基線長度小于50 km時，監(jiān)測精度為(1～2)×10-6；當基線長度為100～500 km時，監(jiān)測精度為10-6～10-7。

1.2.3 三維監(jiān)測位置變化

傳統(tǒng)的邊坡監(jiān)測需要人工監(jiān)測邊坡平面位移和深部位移，在監(jiān)測過程中受降雨、陽光、空氣等監(jiān)測環(huán)境的影響，難以統(tǒng)一在同一時間節(jié)點對同一監(jiān)測點的監(jiān)測標準，并且還會增加作業(yè)難度和工作量。而應(yīng)用GNSS技術(shù)能夠在同一時間點從X、Y、Z三個方向?qū)ΡO(jiān)測點進行監(jiān)測，快速得出邊坡平面位移和深部位移的速度[2]。

1.2.4 監(jiān)測效率高

傳統(tǒng)的邊坡監(jiān)測方法在監(jiān)測定位基線時，要根據(jù)不同的監(jiān)測精度要求耗用長短不同的監(jiān)測時間，一般在1～3 h。而應(yīng)用GNSS技術(shù)進行邊坡監(jiān)測，不會受到環(huán)境、地點、時間以及監(jiān)測精度要求的限制，只需要耗用幾分鐘就能夠完成監(jiān)測任務(wù)，并且還可以實現(xiàn)實時監(jiān)測功能。

1.2.5 監(jiān)測智能化程度高

在GNSS技術(shù)快速發(fā)展的背景下，系統(tǒng)中的信號接收元件更加集成化、小型化，監(jiān)測人員在掌握儀器操作流程的基礎(chǔ)上便能夠自動化、智能化完成監(jiān)測數(shù)據(jù)的統(tǒng)計、分析工作，呈現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)報表，用圖形展示監(jiān)測數(shù)據(jù)變化，為高速公路工程建設(shè)提供決策依據(jù)。

2 基于GNSS技術(shù)的高速公路高邊坡監(jiān)測

2.1 工程概況

某高速公路的邊坡位于路線左幅左側(cè)，該邊坡的長度和高度分別為200、60 m，共分三級，每一級的高度全部相同，為20 m，坡率依次為1∶0.75、1∶1和1∶1。由該邊坡的地質(zhì)勘察資料得知，其所在地區(qū)為丘陵地貌，邊坡施工前，山體植被較為發(fā)育，邊坡局部修整時，導(dǎo)致部分植被遭到破壞。

2.2 邊坡監(jiān)測方案

2.2.1 邊坡監(jiān)測依據(jù)

1)監(jiān)測頻率。本工程根據(jù)《工程測量規(guī)范》(GB 50026—2007)和《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》(GB 50330—2002)中的相關(guān)要求，確定自動監(jiān)測頻率：每天觀測2次；連續(xù)3 d降雨且降雨量超過50 mm/d時，每天觀測4次；表層或深層位移分別發(fā)出一級、二級、三級預(yù)警時，分別對應(yīng)的每天觀測次數(shù)為8、12次和24 h連續(xù)觀測[3]。

2)監(jiān)測原則。在本工程邊坡關(guān)鍵部位布設(shè)監(jiān)測點，要求關(guān)鍵部位為邊坡巖土體位置變動的代表性部位；保護坡體上暴露在外的監(jiān)測設(shè)備，避免出現(xiàn)運行故障；在穩(wěn)定性較好的巖石上設(shè)置測量基準控制點，要求基準控制點不在監(jiān)測邊坡范圍內(nèi)；根據(jù)邊坡實際情況確定監(jiān)測方法，選用實用性、耐用性和便捷性較強的監(jiān)測儀器。

3)監(jiān)測指標。本工程邊坡監(jiān)測主要對表面位移和深層水平位移進行監(jiān)測，以掌握邊坡變形、位移變化速率以及邊坡穩(wěn)定性情況。

4)位移監(jiān)測精度。在本工程邊坡監(jiān)測中，巖質(zhì)滑坡監(jiān)測的水平位移監(jiān)測點位誤差為6.0 mm，垂直位移監(jiān)測高程誤差為3.0 mm，地表裂縫觀測誤差為0.5 mm；土質(zhì)滑坡監(jiān)測的水平位移監(jiān)測點位誤差為12.0 mm，垂直位移監(jiān)測高程誤差為10.0 mm，地表裂縫觀測誤差為5 mm。

2.2.2 監(jiān)測方案

現(xiàn)場勘察本工程邊坡發(fā)現(xiàn)，一、二級邊坡土質(zhì)松散，發(fā)生滲水、滑塌病害，邊坡穩(wěn)定性較差。采用GNSS技術(shù)監(jiān)測一、二級邊坡，利用GNSS系統(tǒng)自動采集和記錄邊坡表面和內(nèi)部位移數(shù)據(jù)，具體監(jiān)測方案為。

1)地表位移監(jiān)測。結(jié)合本工程的現(xiàn)場勘察情況，將2～3條監(jiān)測斷面布置到邊坡縱橫軸線上，每個監(jiān)測斷面布設(shè)2個及其以上的監(jiān)測點，當邊坡存在多余2處的滑坡變形區(qū)時布設(shè)監(jiān)測網(wǎng)。本工程中，在垂直路線沿邊坡原滑動變形主方向布設(shè)2條監(jiān)測斷面、5個監(jiān)測點，用于監(jiān)測地表位移和沉降。其中3個監(jiān)測點在第1條監(jiān)測斷面上，監(jiān)測點間距為50 m，2個監(jiān)測點在第2條監(jiān)測斷面上，監(jiān)測點間距為40 m；本工程中，選在離工程不遠處的1棟居民樓頂層布設(shè)1個基準點。

2)深層水平位移監(jiān)測。在邊坡巖土體內(nèi)部位移變化數(shù)據(jù)采集中采用固定式測斜儀，將測斜儀埋設(shè)到巖土體中，連接儀器電纜與數(shù)據(jù)自動采集系統(tǒng)，實時傳輸測量獲取的數(shù)據(jù)信息，掌握邊坡位移變化，對邊坡滑動面位置進行確定，監(jiān)測邊坡穩(wěn)定性情況。在本工程中，垂直路線沿邊坡原滑動變形主方向布設(shè)3條監(jiān)測斷面、3個監(jiān)測點，其中2個監(jiān)測點布設(shè)在第1級平臺，相距65 m。1個監(jiān)測點布設(shè)在第2級平臺的中間位置，距離邊體60 m。在布設(shè)測斜傳感器時，單孔孔深35 m，布設(shè)間距不得超過10.0 m。

2.3 監(jiān)測系統(tǒng)安裝與調(diào)試

GNSS監(jiān)測系統(tǒng)主要包括室內(nèi)設(shè)備與室外設(shè)備部分，在安裝完畢后需進行調(diào)試。

2.3.1 室外設(shè)備

1)鉆孔。用鉆孔機鉆測斜孔，孔徑不得小于110 mm，測量成孔傾斜度，不得超過2°。

2)固定式測斜儀。在安裝固定式測斜儀時，用螺栓連接滑輪組與連接管，將滑輪組位于連接管底部；連接測量元件，將桿、測量元件放入測斜管；在上下游方向的卡槽中安放導(dǎo)輪，對導(dǎo)輪的朝向進行固定，使其與測斜方向一致；連接另一個連接管，使其達到預(yù)定的傳感器位置；安裝中間滑輪組、傳感器和連接桿，完成安裝任務(wù)后，對接電纜與數(shù)據(jù)存儲設(shè)備；在各個管口處采取必要的保護措施，安裝鐵盒，避免雜物進入孔內(nèi)；用讀數(shù)儀對各個傳感器的運行狀態(tài)進行檢查，記錄檢測數(shù)據(jù)。

3)地表測斜儀。在監(jiān)測點進行開挖，開挖深度在1.0 m左右，保證地層穩(wěn)定。在穩(wěn)定層上澆筑水泥，安裝地表測斜儀。

4)基準站。在地質(zhì)堅硬區(qū)且遠離人類活動的區(qū)域安裝基準站，要求該區(qū)域交通便捷、周圍開闊，減少客觀環(huán)境因素和人為因素對衛(wèi)星信號的影響。

5)防雷設(shè)施。在鍍鋅管的一端安裝避雷針，采用焊接工藝固定避雷針；焊接法蘭盤，制作地籠，地籠用于連接避雷針基座，固定到地面上；避雷針與基準站保持一定距離。

2.3.2 室內(nèi)設(shè)備

在室內(nèi)的監(jiān)測系統(tǒng)中安裝相應(yīng)硬件和軟件，包括監(jiān)測數(shù)據(jù)信號接收器以及監(jiān)測數(shù)據(jù)處理分析軟件，安裝后試運行軟硬件設(shè)備。

3 高邊坡GNSS監(jiān)測系統(tǒng)的改進及應(yīng)用

3.1 系統(tǒng)架構(gòu)

3.1.1 系統(tǒng)改進思路

在高速公路建設(shè)過程中，為實時掌握高邊坡的穩(wěn)定情況，并獲取邊坡的變形數(shù)據(jù)，應(yīng)用GNSS技術(shù)，改進現(xiàn)有的邊坡監(jiān)測管理系統(tǒng)，使系統(tǒng)的操作變得更加簡單，功能更加強大。系統(tǒng)改進時，要遵循實用性、經(jīng)濟性等原則，設(shè)計出滿足用戶需要的功能模塊，簡潔易懂的系統(tǒng)界面。

3.1.2 改進后的系統(tǒng)架構(gòu)

經(jīng)過改進之后的高邊坡GNSS監(jiān)測系統(tǒng)，采用較為流行的模塊化設(shè)計，將整個系統(tǒng)劃分為5個功能模塊，分別為邊坡信息、監(jiān)測數(shù)據(jù)、余量采集、權(quán)限管理及預(yù)警。所有模塊通過配合，能夠?qū)崿F(xiàn)邊坡變形監(jiān)測。

3.2 系統(tǒng)功能模塊的構(gòu)建

3.2.1 邊坡信息模塊

在高邊坡監(jiān)測工作的開展中，邊坡信息是不可或缺的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，確定監(jiān)測方案和統(tǒng)計分析時，均需要使用到的邊坡信息，如幾何信息、結(jié)構(gòu)信息等。構(gòu)建的邊坡信息模塊能夠?qū)吰碌撵o態(tài)和動態(tài)信息全面管理。利用該模塊，可對邊坡的所有信息進行查看，并且能錄入和編輯新的信息。傳統(tǒng)的邊坡信息展示方法為文字列表，這種方式的直觀性較差，界面也不友好。針對這一情況，在系統(tǒng)改進時，引入Map模塊，可在其中直觀查看與邊坡有關(guān)的所有信息。邊坡監(jiān)測點的基礎(chǔ)信息由兩個小模塊組成，一個是信息列表，另一個是新增監(jiān)測區(qū)，通過該模塊能夠?qū)吰卤O(jiān)測點相關(guān)數(shù)據(jù)進行修改和查詢。

3.2.2 監(jiān)測數(shù)據(jù)模塊

1)數(shù)據(jù)錄入與導(dǎo)出。用戶進入該模塊可點擊菜單欄查看不同類型數(shù)據(jù)，上級用戶擁有修改、刪除下級用戶上傳數(shù)據(jù)的操作權(quán)限。數(shù)據(jù)錄入既可以選擇逐條錄入，也可以選擇批量上傳。在地表位移監(jiān)測點的數(shù)據(jù)錄入中，監(jiān)測人員點擊進入到“地表位移”頁面，單條添加數(shù)據(jù)，系統(tǒng)自動默認首次添加數(shù)據(jù)為基準值。監(jiān)測人員也可以進入“批量上傳”頁面，將Excel模板中的數(shù)據(jù)信息導(dǎo)入到“數(shù)據(jù)列表”中；數(shù)據(jù)導(dǎo)出，用戶將查詢到的監(jiān)測數(shù)據(jù)導(dǎo)出，自動轉(zhuǎn)換為Excel表格式。

2)數(shù)據(jù)顯示。系統(tǒng)直觀展示數(shù)據(jù)圖表，用戶根據(jù)瀏覽需求，選擇時間節(jié)點、監(jiān)測點等關(guān)鍵檢索詞，查看相應(yīng)監(jiān)測點的位移變形量。在數(shù)據(jù)圖表功能中，可以顯示監(jiān)測點隨著時間的變化監(jiān)測點垂直位移、水平位移隨之發(fā)生的變化，確定三者之間的關(guān)系，生成位移曲線圖，并且曲線圖支持局部放大、全局縮小等多種瀏覽操作。

3)數(shù)據(jù)分析。數(shù)據(jù)分析包括關(guān)聯(lián)分析和對比分析，其中關(guān)聯(lián)分析要對各類導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)的監(jiān)測數(shù)據(jù)進行關(guān)聯(lián)性分析，確定各個形變因素之間的關(guān)系；對比分析針對同一站點的不同時間段獲取的監(jiān)測數(shù)據(jù)，系統(tǒng)要預(yù)設(shè)對比分析周期，用戶可以任取時間段自動生成監(jiān)測數(shù)據(jù)對比分析圖。

3.2.3 雨量采集模塊

該模塊采用漏斗式雨量計，對監(jiān)測區(qū)域進行中斷式測量，計算出總雨量。在漏斗式雨量計中安裝精度處理器，提高雨量計量精度。該模塊能夠自動保存中斷時記錄的雨量值和時間，模塊運行流程為：中斷開始→計取雨量測量精度值→讀取計量時間節(jié)點→計算總雨量→中斷結(jié)束。

3.2.4 系統(tǒng)管理模塊

該模塊結(jié)合高速公路管理的不同主體設(shè)置不同的管理操作權(quán)限，構(gòu)建起四級監(jiān)測體系，明確各個監(jiān)測部門的系統(tǒng)操作權(quán)限，具體包括：一級監(jiān)測主體為行政管理部門，有權(quán)瀏覽、管理和監(jiān)測所有邊坡數(shù)據(jù)，結(jié)合下級單位上報的預(yù)警信息確定預(yù)警級別，決定部署邊坡處置工作；二級監(jiān)測主體為高速公路管理單位，有權(quán)監(jiān)測本單位管理范圍內(nèi)公路邊坡數(shù)據(jù)，向行政管理部門上報預(yù)警信息，并落實行政管理部門的決策部署；三級監(jiān)測主體為BOT公司，有權(quán)查詢?yōu)g覽本公司承建路段的邊坡監(jiān)測數(shù)據(jù)，深入到實地核實養(yǎng)護工區(qū)上報的預(yù)警信息，核實后向高速公路管理單位上報；四級監(jiān)測主體為養(yǎng)護工區(qū)，有權(quán)瀏覽管理養(yǎng)護區(qū)范圍內(nèi)的邊坡監(jiān)測數(shù)據(jù)，根據(jù)預(yù)警模型確定預(yù)警等級，通過網(wǎng)絡(luò)、手機等平臺向BOT公司上報預(yù)警信息。

3.2.5 系統(tǒng)預(yù)警模塊

①閾值配置，該模塊中采用唯一的配置方式，在權(quán)限范圍添加新閾值后，會對原有閾值進行覆蓋，在站點添加閾值時，要點開站點列表，進入設(shè)置界面，通過新增按鍵添加閾值和通知方式，按照指定的格式通過Excel批量上傳站點管理配置信息；②告警配置，在添加閾值后，點擊閾值列表的操作欄配置告警通知方式，本系統(tǒng)提供短信通知功能，可以將預(yù)警信息及時發(fā)送到預(yù)設(shè)的用戶手機號上；③告警查詢，用戶在告警頁面查詢告警信息，可點擊報表按鍵，系統(tǒng)會自動按照等級、類型、站點等信息歸集標準對某一時間點的告警信息進行統(tǒng)計輸出。

3.3 高邊坡監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

從本工程的高邊坡中選取3個測點，通過改進后的系統(tǒng)對相關(guān)數(shù)據(jù)進行分析，具體如下：三個測點的變形情況相類似，分布形態(tài)為V字形，變形速度在某個時間段加快，經(jīng)查該時間內(nèi)降雨，三個測點最大的變形累計為64.68 mm，由此表明，監(jiān)測斷面內(nèi)的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性不足。通過對高邊坡較長時間的監(jiān)測后得出如下結(jié)論：改進后的監(jiān)測系統(tǒng)可以準確采集到邊坡的位移數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)的精度與規(guī)定要求相符，且未出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失的情況，證明改進后的系統(tǒng)在高邊坡監(jiān)測中具有良好的可用性。

4 結(jié)束語

高速公路高邊坡監(jiān)測是一項非常重要的工作，為提高監(jiān)測結(jié)果的準確性，可對先進的GNSS技術(shù)加以合理應(yīng)用，通過該技術(shù)對邊坡位移監(jiān)測管理系統(tǒng)進行優(yōu)化改進，提高系統(tǒng)的整體性能，滿足高邊坡監(jiān)測需要。

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