某边坡工程在线监测系统的应用分析

王 波，邓 亚，李秀春，张 果

（四川长瑞土木工程检测有限公司，四川 成都 611130）

0 引言

高速公路路面宽、车道多和通行能力大，还能很大程度上带动沿线的经济发展，是国家交通运输重要组成部分。为了保证仁沐新高速公路建设期施工安全和运营期的通行安全，有必要对高速路上的地质灾害体进行监测。通过对仁沐新 LJ23 标 LK40+980～LK41+117 段滑坡建立一个先进实用的在线监测系统，可极大地延拓灾害体的监测内容，并可连续地、在线地对灾害体状态进行监测和评估。

1 工程概况

G4216 线仁寿经沐川至屏山新市（含马边支线）段高速公路 LJ23 合同段 LK40+894～LK41+109.52 段路线主要以填、挖形式通过，该段地质条件较复杂，简述如下：LK40+860～LK40+980 段发育一基岩软弱带，软弱带内裂隙发育，地下水较发育，岩质极软；LK40+925～LK40+975 段发育一浅表层滑坡，暴雨工况下处于欠稳定～不稳定状态；LK40+980～LK41+117段滑坡，滑坡状态呈不规则长舌状，滑坡坡体上分布梯级梯田。经验算，滑坡天然及暴雨工况均处于整体稳定状态，但由于沿岩土界面的地下水活动，可能导致岩土界面与覆盖层土体的力学性质下降，使滑体沿岩土界面产生滑动。

2 监测点及断面布置

1）滑坡体降雨量（见图 1 中雨量计）。测点布置在附近相对稳定位置，可视现场情况而定，布置一个雨量计即可。

图1 测点布置示意图

2）滑坡体地下水位（见图 1 中孔隙水压力计）。测点一般布置在地质条件差及鸿沟处、富水位置［1］，或布置在土体内部位移测点处，也可布置在土体内部位移测点底部。为使分析数据更加合理，从节约成本和集成方便等方面考虑，本工程地下水位测点共用测斜管。每条测线布置 1 个测点。

3）滑坡体表面位移（见图 1 中 GPS 监测站）。针对治理后的滑坡，选中间断面布置 3 个测点，此外在稳定位置布置 1 个基点。

4）滑坡体内部位移（见图 1 中固定式测斜仪）。测点钻孔布置在地表位移测点处，利用百米钻机进行钻孔，钻孔深度自坡上至坡下分别为 10 m、8 m 和 6 m。每个测孔布置 3 个测点。

3 仪器设备及其工作原理

监测所使用的主要仪器设备如表 1 所示。

表1 主要仪器设备及用途表

3.1 雨量计工作原理

降雨时承水器收集雨量至储水缸，并通过容栅位移传感器检测水位，从而计算降雨量。

3.2 孔隙水压计工作原理

孔隙水压计主要是由一个线圈、承压膜、钢弦、夹弦器以及透水石组成，其中承压膜与钢弦相连，钢弦上被预加一定张力固定于传感器内。根据经典弦原理，钢弦在弦长及受力一定情况下，其固有频率是固定的。当弦长一定时，钢弦固有频率的平方只同弦的张力成正比关系。外界水压通过透水石作用于渗压计承压膜上，使其发生微小变形，从而导致与承压膜相连接的钢弦张力发生变化，其固有频率亦随之改变。钢弦固有频率的平方与膜片上水压力成正比关系，通过测量钢弦频率的变化，即可得知被测渗水压力大小，0.01 MPa 相当于 1 m 高水柱压强，故通过孔隙水压计可知水位，水压大小计算式表达如式（1）所示，且暂不考虑温度补偿。

式中：P 为孔隙水压力，kPa；K 为标定系数，kPa/Hz2；fo为固有频率，Hz；ft为受力后的频率，Hz。

3.3 GNSS 工作原理

通过对 GNSS 接收机控制下达命令，实现对某一时刻卫星数据的接收，可进行实时位移监测，也可根据需求设置指定时间段进行采集，一般设置为 30 min。GNSS 系统由空间部分、地面控制部分、用户部分 3 部分组成。

系统空间部分主要为各轨道平面上的多颗卫星，每颗卫星都发出用于导航定位的信号［2］。

地面控制部分由若干个跟踪站组成，通过各监控站（见图 2）对 GNSS 的观测数据计算卫星的星历和卫星钟的改成参数等，并将这些数据通过注入站注入到卫星中；同时对卫星进行控制，对卫星发布指令。

（a）监控站观测墩 （b）监控站信号发射装置

用户部控制部分由 GNSS 接收机、数据处理软件及相应的用户设备组成，接收 GNSS 卫星所发出的信号，并利用这些信号，通过解算等进行导航定位等工作。

3.4 固定式测斜仪工作原理

通过测得每一个预埋传感器位置处的水平位移量，求出位移曲线，便可知道每一位置处的水平位移量（见图 3）。

图3 土体内部测斜原理

以 4 倍 H0深度为例，L5 为最底部测点，也是最底部导轮式固定测斜仪的顶端，距离孔底的高度为 H，测得的角度偏移量为 θ，则 L5=H×tanθ，L4 处角度偏移量为 β，则 L4=H0×tanβ+L5，采用此方法分别计算导轮固定测斜仪位置处的偏移量，拟合曲线，则可计算出任意深度导轮式固定测斜仪埋设位置处的坡体水平位移。当以地表为起算点时，方法类似。

4 系统数据采集、传输、处理

4.1 数据采集

现场主要为数字信号和模拟信号 2 种信号模式，通过相应的传感器进行信号采集，具体传感器数量如表 2 所示。

表2 传感器数量

采样间隔可根据需要，人工设置时间段。常规条件下每 30 min 采集一次。当发生意外情况或者数据超过一定限值时，可适当提高采集频率，例如 10 min 采集一次或者 5 min 采集一次。

4.2 数据传输方式

现场所有无线传感器设备采集的相关数据信号均可通过成熟的 GPRS/3G/4G 无线网络技术进行传输，再通过灵活地控制设备的采集制度，进行远程控制。直接通过无线传输模块实现对现场设备数据的采集和控制，简单方便。

系统主要采用无线电磁波数传模块进行无线传输，该无线传输模块是由无线数传终端和无线数传主机组成，依靠成熟的 GPRS/3G/4G 网络，在网络覆盖内区域内可以快速组建数据通讯，实现实时远程数据传输［3］。FS-DTU 系列通讯模块支持 AT 指令集，采用通用标准串口对模块进行设置和调试，提供标准的 RS232/485 接口，其工作参数如表 3 所示。

4.3 数据处理

信号在采集前与采集后均可进行数据处理，数据处理有滤波、分析等以下功能。

1）信号实时显示。

表3 无线参数模块技术指标

2）实时数据采集。随机自动采样、触发采样，多次触发采样，采样时间和采样数据长度自由设定，采样时可以实时观察波形的变化。

3）数字滤波。低通，高通，带通，带阻滤波。

4）幅域统计。信号幅域特征参数可用最大值、最小值、平均值、有效值、均方值、方差、标准差等值来描述。

5）时域、频域分析。可对动态信号进行时域、频域范围的不同类型分析，可进行不同点数的 FFT 分析。

6）相关分析。可对各系统间信号的相关性进行分析。

如图 4 所示，系统由感知响应层、传输层和数据运用层 3 部分组成，又可分为传感器子系统、数据采集子系统、数据传输子系统（见图 5）、数据库子系统、数据处理与控制子系统、安全评价和预警子系统。通过各个层相互协调，实现系统的各种功能。

图4 在线监测系统拓扑图

图5 数据传输子系统结构图

5 监测数据分析

5.1 雨量监测

2020年 4 月 6 日～6 月 29 日时间段中雨量监测结果如图 6 所示。4 月 6 日雨量监测值为 51.5 mm；4 月 13 日雨量监测值为 307.9 mm；5 月 4 日雨量监测值为 130.6 mm；5 月 25 日雨量监测值为 84.3 mm；6 月 8 日雨量监测值为 85.0 mm；6 月 15 日雨量监测值为 184.1 mm；6 月 29 日雨量监测值为 323.7 mm。

图6 雨量趋势图

5.2 地下水位监测

4 月 6 日～6 月 29 日时间段中地下水位监测结果如图 7 所示。4 月 6 日～4 月 8 日监测值在 3.898～3.959 m 之间；4 月 8 日～4 月 13 日监测值由 3.908 m 增至 7.184 m；4 月 13 日～4 月 25 日监测值在 7.184～6.745 m 之间；4 月25 日～5 月 2 日监测值由 6.745 m 降至 3.776 m；5 月 2 日～6 月 2 日监测值在 3.367～3.776 m之间；6 月 2 日～6 月8 日监测值由 3.940 m 增至 5.531 m；6 月 8 日～6 月 29 日监测值在 5.143～5.724 m 之间。

图7 地下水位趋势图

5.3 表面位移监测（测点 01）

4 月 6 日～6 月 29 日时间段中表面位移监测结果如图 8 所示。4 月 6 日～6 月 29 日监测点 01-X 方向监测值在 3.50 ～4.60 m m之间；4 月 6 日～6 月 29 日监测点 01-Y 方向监测值在 -0.10 ～1.00 mm 之间；4 月 1 日～6 月 30 日监测点 01-Z 方向监 测值在-3.90～-2.30 mm 之间。

5.4 内部位移监测（测点CX 2-1、CX 2-2、CX 2-3）

4 月 6 日～6 月 29 日时间段中内部位移监测结果如图 9～12 所示：4 月 6 日～6 月 29 日时间段内监测点 CX2-1、CX2-2、CX2-3 各个方向检测值变化均在 ±2.5 mm 内并趋于稳定。

图8 测点 01 表面位移趋势图

图9 测点 CX2 在 X 方向上的的位移趋势图

图10 测点 CX2 在 X 方向上的累积位移

图11 测点 CX2 在 Y 方向上的的位移趋势图

结合 4 月 6 日～6 月 29 日时间段内的监测数据可知：该边坡表面位移和内部位移变化量均较小，已趋于稳定状态。该边坡暴雨后地下水位变化明显，结合当地地质条件分析，易发生土体沉降。建议增加分层沉降监测，以完善该在线监测系统。

图12 测点 CX2 在 Y 方向上的累积位移

6 结语

通过在线监测系统对仁沐新高速公路 LJ23 标LK40+894～LK41+109.52 滑坡及崩积体的雨量、地下水位、表面位移、內部位移进行实时监测，对在线监测系统进行如下分析总结，以期为今后的边坡工程监测提供一定的经验借鉴。

1）科学先进性。该在线监测系统综合传感技术、网络通信技术、信号处理和分析技术、数学理论和结构分析理论等多个学科领域。

2）时效性。可连续地、在线地对灾害体状态进行监测和评估。

3）兼容性。能够同时与交通工程、管理养护等系统对接，实现信息共享，从而使得公路管理和养护维修资源能够得到合理的利用和配置，为降低滑坡维护成本提供科学技术依据，保证滑坡的检查维修策略制订具有针对性、及时性和高效性。

4）系统可操作性。该在线监测系统易于管理、易于操作，对操作维护人员的技术水平及能力不应要求过高，方便更新换代。

5）使用经济性。与其他传统人工监测方法相比既大大节省了项目的成本和后期基础设施维护所需要投入的人力及物力，又能最大限度发挥出实际监测的效果。

6）由于传感器埋设于结构体中，损坏后维修、更换较为麻烦；极端天气下（如雷暴天气）数据传输较缓慢。Q