智慧高速公路边坡监测及监控平台设计

王嘉琪，李旭豪，何杰忠，张华彬

（1.广州高速运营管理有限公司，广东 广州 510030；2.北京新桥技术发展有限公司，北京 100088）

0 引言

边坡智能化监测是近年来边坡监测和灾害预警发展的方向，国内学者在此方面也进行了一些研究，主要有：赵鹏涛等[1]、薛长龙[2]使用全球卫星定位技术，对高速公路沿线边坡进行自动化监测，通过实践证明了全球卫星导航系统（Global Navigation Satellite System,GNNS）的有效性，可以提前预警险情，减少财产损失和人身伤害；敖道朝等[3]、荣美等[4]以某高速公路边坡为对象，结合土体特点以及坡体特征，利用GNSS自动化监测系统对沿线边坡进行了监测分析，结果表明，该监测系统效率高、方便快捷，具有实时性，可以为预估边坡位移和稳定状态提供参考。本文以某高速公路改扩建工程为分析对象，介绍了GNSS自动化监测系统和整体监测方案，之后利用互联网和云计算技术，建立了云平台并进行了分析，最后阐述了预警标准和预警推送方式，以期为类似平台建设提供参考。

1 工程概况

某高速公路建成时间较长，随着近年来交通量的激增，原道路已无法满足高速增长的交通量需求，改扩建势在必行。

为确保高速公路改扩建工程施工安全及后期运营安全，需引入高效的交通运输运行监测网络。在监测准备工作前期，通过施工期间的踏勘、测量，结合前期勘察资料，对沿线高危边坡进行评定。通过综合考虑各路段边坡特点、指标得分以及现场实施情况等因素，选取含砾石红黏土的特殊岩土K1372+800—K1383+200左右两侧高边坡进行边坡自动化监测试点。

为建立更加全面、高效的交通运输运行监测网络及增大高速公路施工安全系数，提高边坡施工质量，需对边坡开展变形监测，以实时获取边坡变形情况，分析边坡变形趋势，必要时作出预警，以采取有效手段防患于未然。拟定监测内容如下：

（1）GNSS自动化监测系统：在边坡重点部位布置GNSS自动化监测点，进行不间断监测，监测系统及时预警险情，还可对边坡防护效果进行持续监测。

（2）高精度监测：在边坡重点部位布置监测断面，采用高精度监测仪器同时观测地表的水平位移及垂直位移。

2 监测方案设计

2.1 网络安全监测系统

网络安全监测系统可以直观显示各项监测、监控信息数据的历史变化过程及当前状态，为管理人员提供简单、明了、直观、有效的信息参考。该系统的核心组成部分为：GNSS精密定位设备、通讯设备、供电系统、监控数据管理中心。系统的基本框架如图1所示。

图1 网络安全监测系统框架图

2.1.1 自动变形监测网布设

各边坡应形成独立的变形监测网，空间直线距离不超过2km的两个边坡可共用一套基准站。K1372+800—K1383+200左右两侧高边坡可共用一套基准站，且两个边坡的监测站可以进行联合解算。基准站宜建设于附近地质稳定的区域，建站地点应具有交通便利、地势开阔、便于维护等优势；监测站则根据地质情况设置于边坡的地质条件相对稳定的重要位置。

2.1.2 通信系统

本项目采用GPRS传输方式，选择支持5G网络的全网通模块，获取稳定的网络。各监测站之间相对开阔且无障碍物，对于K1372+800—K1383+200左右两侧高边坡，可在右侧边坡中部设置一部无线网络共享设备，各监测站采用同一无线网络。

2.1.3 供电系统

基准站及监测站均使用独立的太阳能电源系统，且设置有安全的防雷设备。其中K1372+800—K1383+200左右两侧高边坡的基准站离收费站较近，供电系统可采用收费站的交流电源配合应急供电系统。

2.2 高精度监测

2.2.1 变形监测网布设

根据高速公路沿线边坡地形地貌，本工程的变形监测网采用三角形网，基准点分散布设于高速公路两侧的稳定地带，工作基点设于边坡对向高速公路水沟外侧，保证与路肩之间有一定的距离，避免受到车流的震动影响。监测基准网一般由3个基准点及1个工作基点组成。

参考监测规范并结合本项目拟监测边坡的实际情况，监测点的布置按边坡主滑方向，每间隔30～40m布设一个断面，每个断面布设2～3个监测点，整体按方格网或菱形网布设。

2.2.2 监测步骤

（1）建设观测墩

观测墩采用钢筋混凝土现场浇筑，浇筑完成后使用固定架固定墩柱，待混凝土凝固后方可拆除。

（2）监测点的布设

选择若干纵断面布设监测点，每个纵断面之间距离30～40m，可根据现场地形及裂缝分布情况进行调整，在监测点能够整体覆盖边坡的基础上确保重要变形点上有监测点。监测点的棱镜头需要有固定装置且不易破坏，为了防止镜头起雾及发霉，还需做特殊的防水处理。

（3）监测点观测

观测前，应严格整平仪器，使仪器的自动补偿系统发挥作用，达到补偿目的；观测时，调节好仪器望远镜的焦距，对准目标位置，同一测回内保持不变。观测过程中，气泡中心位置不偏离整体中心一格，当气泡位置接近限值时，在测回间重新置平仪器。

2.3 雨量监测

每个坡面设置一个雨量监测点，测点应布置在开阔避风处。设备采用智能雨量站监测装置翻斗式雨量计，其具有结构简单、维护方便、可靠性较高、经济实惠等优点。

2.4 监测频率与监测周期

GNSS自动化监测，正常情况下24d不间断，每天按固定时段采集一组数据计算平均值，周期按一个水文年（365d）计算，预计共采集365d数据。

地表变形监测，采用高精度监测机器人进行自动观测，每15d监测1次，预计全年共监测24次。如果监测过程中发现不稳定的局部坡体或裂缝突然增大，则需根据实际情况缩短监测时间间隔，提高监测机器人监测频率，尤其是雨季及暴雨后应当适当提高监测频率。

2.5 监测精度要求

地面基准点及地面监测点的测量精度应满足《工程测量规范》（GB 50026—2007）要求，如表1所示。

表1 变形监测的四等精度要求

3 监控平台设计

3.1 平台概述

利用互联网和云计算技术，在云物联的基础上构建北斗+安全监测云平台，平台可兼容多类硬件仪器，通过有线/无线的数据传输方式，实时采集、存储、分析和管理监测数据，并通过互联网实时向客户呈现监测数据和预警信息。北斗+安全监测云平台可扩展性强，可根据用户需求深度定制。

3.2 系统优越性

整套系统包含4个结构层，即4个子系统，各子系统均具备良好的系统功能扩展性和伸缩性，其中：软件系统采用C/S与B/S混合程序设计模式，支持PC、掌上电脑和移动设备访问，具有高度的稳定性、可靠性和安全性，良好的系统功能扩展性和伸缩性，同时支持海量数据存储与追溯；监控系统4个架构主要为感知子系统、传输子系统、数据中心系统以及客户端子系统。

3.3 监控数据查询、整理及计算

在监控站数据查询界面可以实现监控数据的在线查询。对于监测仪器，所有观测数据需要及时校对、整理、计算，并简单绘出时间与位移的观测曲线。遇到异常读数时，及时分析原因，并采取补救措施，确保观测值准确无误。

4 预警系统

4.1 险情预警标准

地面监测点预警值为累积位移6cm，警报值为累积位移10cm。GNSS监测站变形位移成果预警体系参照《崩塌、滑坡、泥石流监测规范》（DZ/T 0221—2006），根据边坡的位移—时间曲线共划分为Ⅰ蠕动变形、Ⅱ等速变形、Ⅲ加速变形及Ⅳ临滑4个变形破坏阶段，如图2所示。

图2 滑坡位移监测预警系统样图

由图2可知，边坡在Ⅰ蠕动变形阶段表现为减速变形，其切线角由大变小，曲线呈下弯变化；Ⅱ等速变形阶段的切线角近似恒定，曲线向上呈微倾斜直线；Ⅲ加速变形阶段的切线角由恒定变陡立，曲线呈上弯变化；Ⅳ临滑阶段表现为变形加剧，切线角陡立且曲线近乎陡直。

测点位移变形在进入等速阶段时预警，监测频率加密，由月变形统计调整为周变形统计。进入加速变形阶段时，应发布一级警报。抗滑桩顶部监测点或其他任何监测点超过预警值，立即将监测频率提高为对应阶段监测频率的2倍，超过警报值时立即启动安全预案。

雨量监测预警是根据国家气象局对降雨量级别的划分，参考降雨级别将降雨量预警设计为三级预警：

（1）一级预警：降雨速率为1.0mm/min、小时降雨量为15mm、日降雨量为50mm；

（2）二级预警：降雨速率为2.0mm/min、小时降雨量为30mm、日降雨量为100mm；

（3）三级预警：降雨速率为4.0mm/min、小时降雨量为60mm、日降雨量为200mm。

监测系统运行稳定后，可根据当地水文气象资料以及实际监测数据对预警参数进行优化调整。

4.2 预警推送

预警系统根据预警标准采用多种预警方式，同时通过短信、邮件、微信等App推送，可以随时随地了解隧道口边坡实时状况，获取监测信息更加便捷、及时。

5 结语

本文以某高速公路为对象，针对其改扩建过程中的边坡监测问题，提出了基于GNSS和互联网的监测平台设计理念和方法。首先对GNSS自动化监测系统和高精度监测仪器进行了介绍，对包括自动变形监测网、监测墩基、通讯供电系统等整体监测方案进行了分析。之后利用互联网和云计算技术，搭建了云监控平台，并对平台的优越性、使用方法和功能进行了阐述。最后针对预警系统，给出了不同等级的预警标准划分方法，并给出了短信、邮件、微信等多种预警推送方式。该平台的建立将为高速公路改扩建工程边坡安全实时监测以及类似工程监测平台的搭建提供参考。