山区高速公路边坡施工监测系统方案设计

肖立江

（浙江交工集团股份有限公司， 浙江 杭州 311103）

0 引言

山区高速公路边坡施工过程中的稳定与安全是边坡施工中需重点关注的内容，尤其在西南山区，由于地质情况复杂，降雨量大，高边坡在施工过程中容易发生滑坡、坍塌等病害，因此，采用有效的监测手段来保证边坡施工过程中的稳定与安全便十分必要。传统的监测主要通过经纬仪、全站仪、GPS等仪器监测各级边坡的位移情况，通过与理论值进行比较从而判断边坡的稳定与安全，其存在的主要问题是间断测量、判断指标单一等。针对传统方法存在的问题，国内外学者根据边坡结构物的特点，从边坡岩性、结构特点出发，设计开发各类边坡监测系统，如基于边坡结构体位移为首要监测参数的监测系统[1]、基于岩质边坡的监测系统等[2]。

本文基于广西天峨至巴马高速公路NO.4合同段中边坡施工实际，设计一套边坡监测系统，以解决传统边坡监测存在的不足。

1 工程概况

广西天峨至巴马高速公路NO.4合同段位于广西凤山县凤城镇境内，其中建设主线长度16.4km，连接线长度10.2km，主线按高速公路建设；主线设计速度100km/h，路基宽度33.5m，双向六车道设计，连接线设计速度为60km/h，双向四车道设计。全线高填深挖路基路段共3143m（左幅2073m，右幅1070m），最大边坡高度62.92m，代表地质主要为：表层为褐黄色硬塑状黏土，厚2.5～3.5m，基岩为三迭系中统褐黄色泥质粉砂岩，强风化，薄层状构造，岩体破碎，岩质较软。

2 边坡监测系统设计的目标及原则

2.1 监测系统设计的目标

根据施工及安全的需要，拟定施工监测参数，对于边坡施工的监测，主要考虑边坡土体的稳定，通常通过监测土木表面及内部位移作为控制指标，同时监测影响土体性质的因素，主要有渗流量、降雨量、土体裂缝及土体含水率。通过对直接因素和间接因素的监测，掌握边坡内部位移变化及其变化速率，结合表面综合位移信息可确定边坡整体位移变形情况。

2.2 监测系统设计的原则

监测系统的设计需满足以下几个原则：

（1）技术标准化：系统的设计应使用通行的、广为接受的技术和方法，保证系统可扩展、可升级的能力；

（2）结构标准化：系统的设计应当遵循先进、成熟、被广为应用和验证的架构，降低系统的设计风险；

（3）接口标准化：系统在设计上，应当符合国家对应用系统接口系统的要求，满足不同系统之间连接和交互的需要；

（4）数据标准化：系统使用的数据，如电子文档、业务数据等，要符合国家相关行业标准的要求；

（5）模块标准化：是指模块结构标准化和模块接口标准化，保证系统模块的可组合性和可互换性特征。

3 系统设计

3.1 总体技术方案

边坡监测系统主要由各监测参数设置的一体化监测站设备、现场通信设备、监控中心，配合基于物联网技术、云计算的监测与数据汇集平台、多种多样的用户终端信息设备及应用软件等主要部分组成。

其中各种监测参数的一体化监测站设备是系统架构的基础，用来测量实时监测数据；现场通信设备与监控中心及监测数据汇集平台建立通信联系，上传各监测参数的监测数据与设备状态信息并下发终端的指令；监控中心及数据汇集平台接收各地监测站设备采集上来的数据并通过网络发布数据（见图1）。

3.2 主要设备选型

3.2.1 表面位移设备选型

表面位移（裂缝）测量是滑坡体自动监测的重点内容，选点主要考虑滑坡体上部后缘，兼顾滑坡面内局部阶梯面有明显裂缝处，进行触发式动态监测。使用GPRS/CDMA/SMS/北斗卫星等通讯方式进行数据传输，可通过本地或远程读取监测站存储的数据，支持远程管理、命令下发等功能（见图2）。

3.2.2 土体内部位移监测设备选型

土体深部位移自动监测仪采用一体化设计，用于监测滑体深部滑面位移变化情况，采用无线传感器终端连接固定式测斜仪进行长期在线测量。使用GPRS/CDMA/SMS/北斗卫星等通讯方式进行数据传输。通常采用测斜仪进行测量（见图3）。

图3 测斜仪工作原理

3.2.3 渗透量监测设备选型

选用渗压计埋设在基岩内或安装在测压管、钻孔中，实时监测边坡岩体的孔隙水压力。

3.2.4 降雨量设备选型

选用翻斗式流量计测量降雨量。降雨流入翻斗，通过计算翻斗次数得到雨量大小。采集数据通过RS485通信接口电缆直接接入服务器或传输网络。

3.3 功能设计

边坡监测预警中心及分中心平台软件主要由边坡监测预警平台系统运行环境系统、实时监测数据接收及汇集平台、边坡监测预警管理系统（基于WEBGIS）三部分构成。

3.3.1 边坡监测预警平台系统运行环境监测预警平台系统拟采用了四层体系结构。

（1）表现层。表现层只负责对数据层中的数据进行分析之后呈现给用户，用户可以根据自己的实际需求，按照规定的接口格式，开发符合自己需要的界面表现形式。

（3）业务逻辑层。业务逻辑层是本软件系统的核心，主要作用是对通信层上传的数据进行处理，并将处理后的数据按规定的接口格式送到数据层。具体功能包括接口的转换、数据的分析和数据格式的转换等等。

（4）通信层。通信层的主要任务是从遥测站取得测报的原始数据，并下发从业务逻辑层传来的需要下发到遥测站的命令。

3.3.2 实时监测数据接收及汇集平台系统

实时监测数据接收及汇集平台主要负责各种监测数据接收、入库、处理汇集的功能，其由通信模块、控制模块、数据模块、管理模块四部分构成。

（1）通信模块。通信模块主要以不同的通信方式和通信协议完成数据的接收与命令的下发，并将接收的数据转化成统一的数据格式。

（2）控制模块。控制模块是对数据采集设备远程控制模块，主要完成对数据采集设备的远程操作及操作结果的反馈。

（3）数据模块。处理通信模块输出的数据，并根据存储的设备信息及合成信息生成符合用户需求的数据并输出。

（4）管理模块。通过Web实现对整个系统的统一管理，完成对设备的远程操作，对异常数据集中处理，对设备的运行状态进行实时查看和对设备信息的统一管理。

晚饭开始进行，祖辈坐在正桌正位，儿孙们围坐在周围，媳妇侍奉一家老小，忙前忙后，不能上桌。除夕晚饭菜肴丰富，但以手把肉为主，手把肉好的部位要首先请长辈们享用，长辈们也将肉切割成若干份分给晚辈们。吃饭时，晚辈不能先于长辈动筷子进食，这被视为对长辈不尊重、不懂规距。

3.3.3 监测预警管理系统

边坡监测预警管理系统以各类边坡数据和拟监测区域基础地形、地貌、地质、气象数据为基础，以边坡管理及预警业务为中心设计系统。由实时查询展示模块、数据分析模块、预警模块构成。

（1）实时查询展示模块。实时查询展示模块主要基于电子地图，对拟监测区域边坡隐患点监测数据及信息实时查询展示功能，为边坡预警预报提供数据支持。

（2）数据分析模块。高边坡预警数据分析模块是基于孕灾环境、致灾因子和承灾体对大气降水为主导因素诱发的崩塌、边坡、泥石流三大灾种进行分析研究和预报预警分析的系统。

根据边坡的特点建立非线性动态组织系统模型数据处理的自组织模型、模糊信息优化模型和人工神经网络模型等一系列模型。利用每个模型坚实的科学理论基础，结合边坡的特点，建立起灾害体的解算方法和失稳机制。

（3）预警信息发布模块。预警信息发布系统是及时向相关单位发布灾害预警信息，可通过微信、短信、邮件等方式发布，同时记录预警日志。

3.4 通讯及供电设计

3.4.1 通讯系统设计

系统的通讯主要有有线通讯、无线通讯、混合通讯等几种形式。针对边坡监测项目一般都处于野外，有线通讯相对比较难以实现，应采用无线通讯的方式。无线通讯的方式是在现场设备的后端安装无线传输模块，一般可供选择的无线模块有WIFI、5G、GPRS等。

3.4.2 供电系统设计

优先考虑采用太阳能供电系统。太阳能发电系统由太阳能电池组、太阳能控制器、蓄电池（组）组成。如输出电源为交流220V或110V，还需要配置逆变器。

4 结束语

山区高速公路建设过程中不可避免地会涉及到大规模的边坡结构物，有必要通过监测，避免高边坡结构体出现滑坡、坍塌对施工造成影响。本文通过构建一种边坡监测系统，为山区边坡施工安全提供切实可靠的监测手段，为同类工程提供参考。