山区公路滑坡实时远程监测与预警系统

焦盼飞

摘 要：利用精度为1mm的拉索式位移计和精度为0.1mm的雨量计测量公路边坡的表面位移和降雨量，并将测量数据通过GPRS系统传送到远程计算机，以实现公路滑坡的实时远程监控和预警。同时采用太阳能供电设备为整个系统提供电力。该系统具有经济、节能、自动化、高效等优点。

关键词：公路滑坡；实时远程监控；预警

引言

中国山区面积是全国面积的69%。公路滑坡是山区最常见的自然灾害。公路滑坡造成交通堵塞，人员伤亡，经济损失和环境破坏。随着无线通信技术的发展，远程监控和预警系统被开发并应用于水电站，采矿和隧道。但在公路工程中并不常用。实际上，公路边坡的特点是沿路分布，区间长，规模小，数量多并且缺乏统计数据。这就导致了监控成本高，预警困难。目前，常用的检测方法依旧是手动操作，不能够在糟糕的环境和气候条件中获取数据。尽管GPS可以实现远程监控，但精度只有3-5mm。

本文介绍一种远程监测和预警系统，硬件系统是由位移计，网格雨量计，数据采集和传输单元，太阳能供电设备集成。本文介绍的实时远程监测和预警系统具有低成本，节能，自动化程度高，高效的优点。

1 监测系统介绍

该系统主要包括位移计、雨量计、数据采集和传输单元。数据传输主要基于GPRS系统实现。GPRS是一种基于全球移动通信系统的无线分组交换服务系统。它可以提供点对点，广域无线互联网协议连接。在GSM覆盖的任何地方，GPRS可用于提供强大的便捷的数据传输方案。

数据收集器从触发式位移计和网格雨量计采集数据，并输送数据到GPRS模块，该模块负责将数据包转换并传输至GPRS无线基站。通过数据接收软件，监测和控制中心的服务器可以从互联网实时接收数据，并且储存数据到数据库，以供数据管理、查询、分析和网络共享。

1.1 拉索式位移计

拉索式位移计是用来测量待测点与相对固定点之间的相对位移。测量精度为1mm，测量范围为400mm。当拉索超过1mm，将触发脉冲信号并发送到发射机。短距离无线通信功能可以在数米距离不用电缆。通常对于一个滑坡而言，若干位移计需要监测不同位置的位移。为了方便联网工作，在发射器和接收器之间设立短距离的无线通信装置。接收器可以同时从8个发射器接收无线信号，然后发送到具有标准通信接口RS-232的收集器。

1.2 网格式雨量计

高精度的网格式位移传感器被用于网格式雨量计，可以将分辨率和测量精度分别提高到0.01mm和0.1mm。在水容器中两个电动阀门可以自动控制雨量的进入和排出。并且这种设计可以防止雨量的流失，即使在暴雨天气下。这种雨量流失常发生在虹吸和桶状雨量器。

1.3 数据采集和传输单元

数据采集和传输单元是由数据采集器，GPS模块和太阳能供应设备组成。数据采集器从不同的传感器收集数据，并将数据转换成相同的格式然后发送到GPRS模块。接通电源后将准备好的域名录在GPRS模块并与域名系统服务器联系，并找到监控中心的IP地址，然后无线通信就可以建立了。

在阳光充足的天气，太阳能电池板可以为蓄电池充电，为整个系统提供电力。在没有阳光的阴天，蓄电池可以支持系统持续工作大约20天。

2 监测预警方法

2.1 位移预测

系统提供平滑模型进行监控数据预处理，灰色动态模型和Verhulst反函数模型做短期预测，利用最小二乘拟合模型和神经网络模型做中长期预测。

当数据达到预先设定的临界值时，監测点将闪烁四种颜色：蓝色、橙色、黄色和红色，分别对应着四种预警级别。同时，预警的短消息会自动发送到目标手机。

2.2 位移预警方法

对于大多数山区公路滑坡，由于缺乏计算参数，比如力学参数，渗透系数和水土特征曲线，将给稳定性分析计算造成困难。本文提出一种简化的方法。首先，边坡机械参数的不同组合E、C、？准（变形模量、内摩擦角、粘聚力）被设计在合适的范围内。然后运用有限元分析软件PLAXIS对边坡进行强度折减分析和塑性分析。最后根据计算结果，建立边坡安全系数与表面位移的关系，然后可以提出相应的位移预警临界值。

3 实际工程应用

实时远程监测和预警系统已经应用于陕西省汉中市G210杨家河段滑坡监测中。2015年6月1日，在该路段边坡上安装了7个拉索触发式位移计和一个网格式雨量计来监控位移和降雨量。

根据上文提到的位移预警方法，通过数值计算不同参数组合，建立了表面位移和安全系数的关系。如图1。A、B、C、D点是曲线的转折点，并且可以作为预警点。从六月一日到现在，最大的监测位移是2mm，这就意味着滑坡是低风险。

2015年6月末，该地区遭到暴雨袭击。该系统监测到位移和降雨量数据。虽然每天的最大降雨量达到80mm，最大有效降雨量达到110mm，位移没有任何改变，这就意味着边坡在暴雨下是稳定的。

4 结束语

本文提出的实施远程监测和预警系统在山区公路边坡地质灾害预警中具有低成本，节能，自动化程度高，效率高的优点。该系统具有边坡三维地质建模与可视化，数据查询和绘图，稳定性计算，位移预测，实时预警的功能。工程应用表明，该系统是成功的，它可以为公路运输提供安全保障，并减少环境破坏。

参考文献

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