基于GPRS无线传输的公路滑坡变形远程自动化监测

杨 淼

（福建一建集团有限公司 福建 三明 365000）

福建省位于中国东南部，区域内山体分布较多，公路、铁路、房地产开发等工程活动不可避免要开挖山体，形成较多的滑坡等地质灾害危险点，这些滑坡的监测和预报预警一直是防治的重点和难点，控制不好，极易造成重大损失。[1](P547-557)、[2](P63-66+111)何满潮[3]（P1081-1090）根据滑 坡力学原理和物理模型试验结果，开发了滑坡灾害实时远程监测预报系统，涉及四类预报模型；为提高西安市骊山滑坡的监测精度和时效性，黄鑫等[4](P92-96)设计了滑坡实时自动监测系统，监测内容包括降雨、孔隙水压力、土壤湿度、地表位移、深部位移和视频监控；基于光纤传输和GFRP技术，郜泽郑等[5](P17-22)设计了江苏镇江典型滑坡累积位移、变形速率和加速度监测系统；刘彦杰等[6](P52-53+97)建立了一个使用GPS的自动监测系统，其特点是具有多天线的单仪器；Zhou等[7](P184-191)通过自动传感器和北斗一号通信卫星开发了GPS辅助滑坡自动监测系统，实现数据采集和发送。Frigerio等[8](P96-105)设计并实现了一个基于web的平台，用于意大利东部阿尔卑斯山Rotolon滑坡的自动和连续监测。Liu等[9](P876-881)提出了一种通过GPRS远程通信采用无线网络的滑坡自动监测预警系统，可广泛应用于泥石流、滑坡、崩塌、矿山尾矿等的监测。

以上研究成果，说明了基于GPRS无线传输技术进行滑坡等地质灾害远程自动化监测的可行性，但以往的研究有的基于理论假定，导致滑坡实际滑动面与预测位置不一致；有的缺少人工监测数据的对比分析验证，远程监测系统的精度和有效性有待于进一步验证；有的精度需要进一步提高；有的工程造价太高，不适用于推广应用。因此，本文基于GPRS无线传输技术，开发滑坡远程自动化监测系统，将其应用于公路边坡监测，并与人工监测数据对比分析其精度和有效性，为该系统的推广应用提供参考。

一、工程概况

国道 534线 K318+550～K318+756段右侧滑坡位于三明市大田县广平镇。该边坡原设计共3级，最高约25m。原设计为第一阶边坡为浆砌片石护面墙护坡，采用浆砌片石仰斜式挡墙支挡（现桩号范围约K318+705～K318+720段），一阶平台设预应力锚索抗滑桩支挡；第二阶满布预应力锚索框架，框架内液压客土喷播植草灌防护；第三阶采用拱形骨架植草灌防护。见图1。2019年第二季度，由于强降雨作用，坡体内富水，排水不畅，坡内岩土体软化，边坡出现变形，一阶浆砌片石挡墙及大里程侧浆砌片石仰斜式挡墙出现裂缝、二阶预应力锚索框架出现锚头损坏、梁体错缝等病害，见图2～4。

图1 监测区域

图2 边坡一阶支护现状

图3 边坡二阶支护破坏

图4 边坡一阶局部破坏，泄水孔出水

针对上述病害，采取应急措施，于一阶坡脚施打仰斜式排水平孔降低坡体内水位，并提出进行地质补充勘察及深孔位移监测，以辅助滑坡病害的处治工作。为确保国道534线K318+550～K318+756段右侧边坡的安全，并开展坡体深部位移动态监测工作，于2019年6月开始开展监测钻孔和布设工作，于2019年7月开始对边坡进行人工监测初读数工作，其后开展相应监测工作。但因测斜仪损坏，原有数据丢失，于2019年10月23日使用新的测斜仪重新进行初测，并开展后续监测工作。因此，深部水平位移人工监测数据只有2019年7月至2019年10月和2019年10月以后的，二者缺少连续性。

GPRS远程自动化监测于2019年8月10日布设完毕，2019年8月16日开始自动化监测，地表滑坡位移监测的开始时间为2019年9月20日，设定岩土体深层水平位移(测斜)和滑坡监测频率均为每小时1次。

二、监测方案

根据现场情况，布置3个监测断面共8个测斜孔，进行人工监测，主要监测内容包括深部位移监测和地下水位监测，配合人工地表变形巡查，人工监测结果用于对比分析GPRS无线传输结果的可靠性。选取8个人工测斜孔中的3个，在附近1m位置处钻孔，进行基于GPRS的深部位移远程自动化监测，同时在护坡上设置两个断面，进行地表变形的远程自动化监测。

（一）人工监测点的布置

国道 534线 K318+550～K318+756段右侧边坡布置3个监测断面，共完成监测钻孔8个，各个测斜孔位置见图5。

图5 人工监测点布置图

ZK3孔深25.0m，位于K318+710断面浆砌片石挡墙后部的坡面上；ZK5孔深31.0m，位于K318+640断面国道外侧的绿化带内；ZK6孔深26.0m，位于K318+640断面二阶平台的内侧；ZK7孔深25.0m，位于K318+640断面，距离边坡既有开口线外侧约68m；ZK9孔深25.0m，位于K318+640断面，设置于滑坡场区上部墓园的最外侧；ZK10孔深38.5m，位于K318+590断面二阶平台内侧；ZK11孔深25.0m，位于K318+590断面距离边坡开口线约 60m；ZK12孔深26.5m，位于K318+590断面距离边坡开口线约120m。

上述测斜孔，ZK3、ZK7、ZK12位于3-3'断面，ZK5、ZK6、ZK7、ZK9位于2-2'断面，ZK10、ZK11、ZK12位于5-5'断面。

（二）远程自动化监测布置方案

GPRS远程自动化监测系统主要由前端传感器、无线采集设备、GPRS通信网络、亿拓云端和监控中心等四部分组成，见图6。深孔位移监测由孔内固定电子测斜仪自动测量，根据监测精度要求，可按不同间隔距离设置，固定电子测斜仪间距小时，测量精度高，反之亦然；裂缝仪监测地表裂缝。各监测计通过专用电缆接到自动化数据采集仪上，自动化数据采集仪采用太阳能面板供电，保障数据采集连续可靠。采集的数据通过中国移动GPRS基站传输到网络，通过网络和数据服务器收集相关数据，并传送到亿拓云平台，平台对收集到的数据进行分析，用户通过亿拓云平台可查询到相应的自动化监测结果，针对用户的功能包括数据库、历史记录、查找、导出、设置、地图展现、曲线图表、三维展现、项目管理、预警预报等功能。需要特别说明的是，根据工程需要，GPRS远程自动化监测系统还可以拓展雨量计、孔隙水压计、土壤温湿度计、土压力盒等。

图6 GPRS无线传输滑坡远程自动化监测原理

该边坡远程自动化监测布置方案如图7所示，ZK3、ZK6、ZK7为测斜孔，是图5中人工测斜孔的并行孔。ZK3、ZK6和ZK7分别安装4只导轮式测斜仪，ZK3和ZK6的测斜仪位置从上而下安装深度为7.0、12.0、17.0、23.0m位置；ZK7因测斜孔钻孔时间近两个月，测斜管已变形，测斜仪安装深度为 6.0、11.0、16.0、22.0m 位置。H1、H2、H3、H4 为滑坡位移计，H1、H2 为一组监测直线，H3、H4为二组监测直线。

图7 GPRS无线传输滑坡远程自动化监测布置方案

三、监测结果分析

本阶段深部水平位移的监测时间为2019年8月15日至2019年12月31日，地表滑坡位移的监测时间为2019年9月20日至2019年12月31日，监测结果如下。

（一）深层水平位移监测

不同测点各深度处的GPRS远程自动化监测结果如表1所示。由表1可知，各测点监测累计水平最大位移均缓慢增长，说明该滑坡处于缓慢发展阶段，但各测点的累计最大水平位移值有较大差异，ZK6各点累计水平位移最小，ZK3测点的深部累计水平位移最大，ZK7测点的浅部累计水平位移最大，说明该滑坡各处水平位移发展速率不同，需要进一步监测和分析。

表1 不同测点各深度处的累计最大水平位移

ZK3测斜孔远程自动化监测的深层水平位移曲线如图8所示，2019年7月23日至8月8日期间和2019年10月23日（以该日测量值为初始值0）到11月13日期间的人工测量结果如图9～10所示。由图8～9可知，2019年10月23日之前，ZK3测点各深度处的水平位移缓慢发展，10月23日各深度水平位移突然增大，经核对现场钻孔取芯试样，发现该位置在-20.0m处为风化岩层和微风化岩层交接面，受前期水平变形势能累积影响，10月23日该处发生交界面岩层断裂，导致水平变形突然增大。其后，水平变形仍缓慢增长。

图8 ZK3测斜孔累计水平位移曲线

图9 7月23日到8月8日ZK3测孔累计水平位移曲线

图10 10月23日到11月13日ZK3测孔累计水平位移曲线

为进一步验证GPRS远程自动化监测结果的可靠性，调取ZK3测斜孔10月27到11月6日之间的累计水平变形曲线进行分析，如图11所示，由图11可知，该期间从-7.0～-17.0m位置，有-1～-1.5mm大小的累计水平位移值，与图10人工监测结果具有较好的一致性。

图11 ZK3测斜孔10月27日和11月6日累计水平位移曲线

ZK6测斜孔GPRS远程自动化监测的深层水平位移曲线如图12所示，2019年7月3日至7月23日期间和2019年10月23日 （以该日测量值为初始值0）到11月13日期间的人工测量结果如图13～14所示。由图12～图14可知，7月3日～7月23日期间，ZK6测点-13.0 m以上各点发生了较大累计水平位移，最大值为12.3～17.4mm；8月 16日 GPRS自动化监测以来，各深度处的水平位移无明显变化，说明该处比较稳定。为进一步验证GPRS远程自动化监测结果的可靠性，调取ZK6测斜孔10月27日到11月6日之间的累计水平变形曲线进行分析，如图15所示。可知，该期间从-7.0～-17.0m位置，有-0.2～-0.3mm大小的累计水平位移值，几乎可以忽略不计，这与图14的人工监测结果具有较好的一致性。

图12 ZK6测斜孔GPRS远程自动化监测的深层水平位移曲线

图13 7月3日到7月23日ZK6测孔累计水平位移曲线

图14 10月23日到11月13日ZK6测孔累计水平位移曲线

图15 ZK6测斜孔10月27日和11月6日累计水平位移曲线

ZK7测斜孔GPRS远程自动化监测的深层水平位移曲线如图16所示，2019年7月3日至7月23日期间和2019年10月23日 （以该日测量值为初始值0）到11月13日期间的人工测量结果如图17～18所示。由图16～18可知，7月3日至23日期间，ZK7测点-20m以上各点发生了较大的累计水平位移，最大值为8.1～11.3mm；自8月16日GPRS自动化监测以来，-16m以上各点的累计水平位移持续增加，特别是-11～-6m的浅层部位，8月16日以来的累计水平位移最大值分别达到79.65～115.42mm，考虑到前期监测到的累计水平位移，保守估计该位置的累计水平位移也将超过 90～125mm，需要对该处进行重点监测观察，并结合人工现场实时监测数据及时分析预测发生滑坡的可能性，避免造成严重后果。

图16 ZK7测斜孔GPRS远程自动化监测的深层水平位移曲线

图17 7月3日到7月23日ZK7测孔累计水平位移曲线

图18 10月23日到11月13日ZK7测孔累计水平位移曲线

为进一步验证GPRS远程自动化监测结果的可靠性，调取ZK7测斜孔10月27日到11月6日之间的累计水平变形曲线，如图19所示。可知，该期间从-6～-16m 位置，有-3.6～-4.7mm大小的累计水平位移值，这与图18人工监测结果仅在-5m以上位置发生-1.2～-8.1mm的累计水平位移值有较大差异，进一步说明了需要对该位置加强监测和分析。

图19 ZK7测斜孔10月27日和11月6日累计水平位移曲线

（二）地表滑坡位移监测

地表滑坡位移监测点 H1、H2、H3和 H4的监测结果如表2和图20～23所示。由表2和图20～23可知，各地表位移监测点处的温度偏差 （即因温度变化引起的水平位移变化量）均为2mm，最大累计水平位移量为2～3mm，地表位移变化很小，后期需持续进行观测分析。

图20 H1测点处温度偏差和最大累计水平位移量

表2 远程自动化监测结果

图21 H2测点处温度偏差和最大累计水平位移量

图22 H3测点处温度偏差和最大累计水平位移量

图23 H4测点处温度偏差和最大累计水平位移量

（三）滑坡原因分析

从内因和外因两方面分析该滑坡活动的影响因素。内因方面：（1）地质因素，该滑坡体表面到-25～-20m深度范围为强风化岩土层，其下为中风化～微风化岩石层，存在分界面，上部强风化岩土层易被地表水渗透，从而导致自重增加，且粘聚力和内摩擦角减小[10-12]，使得滑坡体沿岩土分界面发生相对移动；（2）边坡形态，易靖松等[13]（P275-280）研究结果显示，对滑坡贡献率较高的影响因素有斜坡坡度约10°～20°，顺向坡斜坡结构、砂质硬岩夹软岩的岩体结构、汇流面积，水流冲蚀等。从图1可以看出，该边坡下部因修建公路，曾进行削坡和支护处理，因此下部较为陡峭，上部因修建坟场而坡度较为平缓且地表裸露，更有利于地表水入渗而造成滑坡风险增加；（3）支护结构老化，从图2和图3可以看出，边坡下部支护结构因龄期出现老化，滑坡活动导致局部浆砌片石脱落，护坡表面出现裂缝，冠梁断裂，锚杆脱落失效，这些情况进一步加剧了滑坡发生的可能性。

外因方面：（1）短时集中强降雨，该滑坡位于福建省三明市，此区域5～6月为主雨季，8～9月受台风影响，均易出现短时集中强降雨情况，诱发边坡发生滑动，研究表明，在降雨强度相等的情况下，单峰降雨的水文响应速度和稳定性破坏速率大于均匀降雨。[14]（P297-304）单峰降雨能在短时间内使边坡失稳，导致暴雨与滑坡同步。边坡就是在5～6月份主雨季期间发生较大变形而引起重视，才进行后续监测的；（2）公路重车振动，Cui等[15,16]的研究表明，振动是诱发滑坡发生的重要因素之一。国道534线K318+550～K318+756段右侧滑坡位于三明市区和大田县之间，大田县出产的煤等燃料需通过此条公路运输到三明各地，这些运输车辆动辄重达30至50吨，通过滑坡下方的公路时，不可避免地会产生振动，加剧滑坡活动风险；（3）坟墓区，上部因修建坟场而进行平整，原有植被遭到破坏，使得持续降雨时，雨水更容易渗透到坡体上部岩土体中，增加滑坡风险。

四、结论

为探求一种基于GPRS无线传输的公路滑坡远程自动监测方法，本文选取福建省三明市境内的国道534线K318+550～K318+756段右侧滑坡进行了研究，探讨了GPRS无线传输技术用于滑坡远程自动化监测的可行性，并进行了该滑坡的深孔位移和地表变形的远程自动化监测，将其结果和相应位置的人工深孔位移监测结果对比，从内因和外因两方面分析该滑坡活动产生的原因。通过以上研究，可得出如下结论：

（1）该滑坡处于发展阶段，但各测点变形有较大差异，ZK6测点的累计水平位移值最小，ZK3测点的深部累计水平位移最大值达36.41mm，ZK7测点的浅部累计水平位移最大值115.42mm，需进一步进行监测分析；

（2）人工监测和GPRS自动化监测结果整体上较为一致，均具有可靠性，但后者受测试仪器损坏等因素的干扰小，且有更好的快速性、连续性和精准度，更有利于滑坡灾害的及时预报预警；

（3）滑坡活动的内因主要包括地质因素、边坡形态和支护结构老化，外因主要包括短时集中强降雨、公路重车振动和上部坡体修建坟墓区导致的植被破坏和场地平整等。