沉降自动监测系统在高边坡监测中的应用研究

李桂明

摘要：自动化监测因其高效及节能性，越来越受到重视，本文通过分析高边坡沉降自动化监测系统组成、对比分析高边坡自动监测系统及人工监测采集数据，说明了该沉降自动化监测系统监测精度高，适用性好，能广泛应用于偏于地区及高危边坡，具有远大的应用前景。

Abstract： Because of its high efficiency and energy saving， automatic monitoring has attracted more and more attention. This paper analyzes the composition of the automatic monitoring system for high slope settlement， comparatively analyzes the automatic monitoring system and manual monitoring and data collection for high slopes. It shows that the settlement automatic monitoring system has high monitoring accuracy and good applicability. It can be widely used in partial areas and high-risk slopes， and has great application prospects.

关键词：高边坡;自动监测系统;人工监测;对比分析

Key words： high slope;automatic monitoring system;manual monitoring;comparative analysis

中图分类号：U416.14                                    文献标识码：A                                  文章编号：1006-4311（2020）32-0214-03

0  引言

边坡监测工作对工程设计、施工及确保后期安全运营具有重要意义，边坡监测的主要有以下几个方面：①通过监测的数据评估边坡在建设和运营过程中的稳定性;②通过分析监测数据及时发现可能出现的滑坡、滑移及蠕变，预测滑坡形成的规模，滑移的方向，可能发生的时间及造成的破坏性;③通过监测数据的积累，为后续类似边坡的设计研究提供参考[1]。

采用传统人工监测手段工作周期较长，数据采集及处理分析工作工程量大，人工成本高，且容易出现信息反馈不及时影响灾害处置效率。采用自动化监测系统可有效解决上述问题。本文采用沉降自动监测系统对光泽县高边坡沉降位移进行监测，通过人工监测数据与自动采集数据比较，来研究该系统在高边坡监测过程中的精度。

1  工程及地质概况

本次监测边坡位于光泽县二级公路段，设计桩号为K4+760～K4+840，边坡长度为120m，高度为62.5m，为6级岩质边坡，见图1。

场址区为剥蚀-侵蚀丘陵坡麓地貌，山坡自然坡度为25～45°，半坡到坡脚见大面积碎块状强-中风化花岗岩裸露，植被较发育，地质构造条件较为简单，未见断裂发育，也未见有滑坡、崩塌等不良地质作用。

据工程地质调查及钻探成果，场址区上覆坡积含碎石粉质黏土（Qdl），下伏基岩为燕山期（γ52 （2））花岗岩。

2  监测方案

2.1 监测仪器及方法

本次边坡安全监测方案采用自动化监测系统。在监测区域沿等近似等高线布设监测设备来实时监测边坡的浅表沉降量，每个边坡布设若干条近似等高测线。以此来验证该监测部位的稳定状况。边坡自动化监测系统自下而上分为数据采集层（测点）、数据传输层（远程传输数据）和数据管理层（数据处理及分析）。系统的组成图见图2。

2.1.1 数据采集层

数据采集层主要由现场测点及辅助的连接装置组成。沉降测点采用压差式的原理，利用重力作用下静止平衡流体系统中任意两点相对高程变化将引起两点间流体压强差值变化来建立流体应力（静压强）与沉降量值的对应函数关系，达到沉降测试的目的[2]。如图3所示沉降一条测线中仅存在储水罐一处自由液面，基准点与待测监测点均通过专用水管连接到储罐，当监测点产生沉降，液面高度发生变化时，对应沉降罐内置的高精度压力传感器便能感知到液体静压力的变化[3]。根据下式：

由于同时采集器定时读取每个测点及基准点的数据，从而自动计算每个测点相对基准点的高程变化。

通过温度补偿及特殊的滤波算法，该系统可以实现极高的长期精度，特别适用于需要长期有效监测微小沉降的应用场合。

该仪器采用全密封设计，可埋设于地底，测点易于安装防护，全测量系统仅存在储水罐一处自由液面，最小化液体蒸发腐化等问题，仪器为全数字量输出，实现免维护的有效长期自动化监测。

2.1.2 数据传输层

数据传输层由现场数据采集远传箱与传输导线组成，数据采集箱与监测点间采用有线连接，采用485通讯方式，现场采集的数据实时本地保存，并可以将现场采集的数据以无线网络（3/4G）实时传输到远程数据管理平台进行处理分析。每个边坡独立布设一套TH-DCB型数据采集远传箱。考虑现场供电稳定性的要求，每个边坡均配置备用电池及一套太阳能供电系统。同时考虑到现场监测部位为野外，每个数据采集远传箱均布设防雷裝置。

2.1.3 数据管理层

数据管理层使用一套定制开发的“高边坡自动监测数据管理平台”，平台布设于远程服务器上。通过平台对现场采集的数据进行统一管理。平台将设计数据、施工现场状况、监测设备分布情况、测量数据、试验数据等进行统一管理，实时自动更新和统计并展现到管理人员眼前。既能为日常行业管理、安全事故的防治、预测、预报提供帮助，又能为行业的产业化升级提供安全保障方面的信息化支持。

2.2 测点布设

边坡监测以仪器量测为主，并辅以人工巡查和宏观调查。监测点应布设在坡体产生沉降易导致边坡失稳的部位及容易受开挖影响部位进行布点[4]，同时应兼顾边坡地质条件及潜在破坏模式。监测点应成网格状，分成若干测线进行布设，测线沿等高线布设，每条测线高差约10m，测线可布设于每级边坡的台阶上。考虑到坡顶沉降监测为边坡监测的重要指标，如坡顶最高处与台阶高差大于5m但不足10m的，增设一条测线。

每条测线各布设一个基准点，每个监测边坡设置采集远传系统一套，测点按照约15～25m的水平间距布设于等高的测线上，基准点及远传系统布设于边坡侧面稳定的基岩上，采用一套远程数据软件管理平台。系统供电使用太阳能供电系统进行供电。本次共布设5条测线，每条测线布设1个基准点，共计5个基准点，测点数为17个，见图4。

3  监测数据对比分析

为了验证沉降自动监测系统采集数据与人工监测的差别，在自动监测点D01、D05、D13同一位置布置人工监测点，人工监测点采用全站仪进行监测。选取2019年12月5日0点时刻数据作为自动监测系统初始数据，采集频率采用系统默认1小时/次，同时人工采集频率定为1天/次。通过对比分析D01、D05、D13监测点位2019年12月5日至2019年12月25日竖向位移，可以发现：①自动监测与人工监测竖向累积位移-时间曲线图大致相似，可以得出该自动化监测系统能较好反应边坡实际沉降;②本次人工监测数据要略小于自动化监测采集数据，这可能是人工监测过程单次监测误差叠加所产生的。（图5～图7）

4  结语

①对比分析自动监测与人工监测数据，说明该沉降自动监测系统能较好反应监测点位实际沉降变形，可广泛应用于监测周期较长、频率较高，数据采集及处理分析工作工程量大的工程，降低人工成本。

②该自动监测系统可完成数据自动采集并远传，配合远程数据管理平台，工程技术人员可于办公室内实时了解被测边坡的安全稳定状况，通过内设单日变化量或累计变化量警戒值，可快速预警边坡可能出现的灾害，提前做好应对措施，提高灾害处置效率，对于偏于地区及高危边坡具有远大的应用前景。

参考文献：

[1]张晓炜.基于BOTDA的分布式光纤监测在边坡工程中的应用研究.

[2]张文超，苏谦，黄俊杰，王武斌，蒋薇.高速铁路线下工程沉降差压式精密测量系统[J].西南交通大学学报，2015，50（04）：669-675.

[3]张向霞，张中杰.虹梅南路越江隧道沉降监测研究[J].中国市政.

[4]景鋒.岩质高边坡稳定性研究[D].武汉大学，2004.