GNSS技术在高速公路高边坡监测中的应用探索

程 曦

(中建材西南勘测设计有限公司，四川 成都 610000)

0 前 言

高速公路中，高边坡受到雨水的影响，易出现失稳垮塌的情况，严重影响行车安全。采用传统的方法监测高边坡时，因环境的限制，从而使监测结果的准确性大幅度降低。为解决这一问题，可在边坡监测中引入先进的GNSS技术，通过该技术对边坡位移监测系统加以优化改进，完善系统性能，满足高边坡监测工作需要。

1 GNSS技术的应用优势

1.1 GNSS系统

全球卫星导航系统，即GNSS系统，主要由空间部分、控制部分和用户部分构成。其中，空间部分由多颗不同轨道卫星组成，各轨道之间相互交叉，处于同一轨道中的多个卫星之间是相对静止状态，在相邻轨道上的卫星升交距角相差30°[1]；控制部分由监测站、主控站、注入站构成，用于控制卫星的运行状态，调整卫星姿态和轨道高度，保证卫星定位与导航的精度；用户部分通过GNSS接收机接收监控站发送的卫星信号，通过算法解析信号，实现定位与导航功能。

1.2 应用优势

在高速公路高边坡监测中运用GNSS技术，能够充分发挥出无线传输的优势，提高监测的时效性，其应用优势体现在以下方面。

1.2.1 基准点选址要求低

传统边坡监测方法对基准站选址要求较高，需保证监测点与基准点位置相同，但是在实际地形地貌客观条件的约束下，增加了基准点的选择难度。而GNSS技术对基准站选址无特殊限制，不需要保证监测点与基准点处于同一地点，仅要求基准点必须位于无遮挡的开阔场地，即使远离监测点也可以完成监测任务，节省了基准点选址时的人力、物力投入。

1.2.2 监测精度高

GNSS技术对边坡变形的监测精度明显高于传统监测方法，并且监测精度不受环境变化、人为活动的影响，能够增强监测结果的稳定性和可靠性。在基线长度发生变化的情况下，监测精度也会随之发生变化，当基线长度小于50 km时，监测精度为(1～2)×10-6；当基线长度为100～500 km时，监测精度为10-6～10-7。

1.2.3 三维监测位置变化

传统的边坡监测需要人工监测边坡平面位移和深部位移，在监测过程中受降雨、阳光、空气等监测环境的影响，难以统一在同一时间节点对同一监测点的监测标准，并且还会增加作业难度和工作量。而应用GNSS技术能够在同一时间点从X、Y、Z三个方向对监测点进行监测，快速得出边坡平面位移和深部位移的速度[2]。

1.2.4 监测效率高

传统的边坡监测方法在监测定位基线时，要根据不同的监测精度要求耗用长短不同的监测时间，一般在1～3 h。而应用GNSS技术进行边坡监测，不会受到环境、地点、时间以及监测精度要求的限制，只需要耗用几分钟就能够完成监测任务，并且还可以实现实时监测功能。

1.2.5 监测智能化程度高

在GNSS技术快速发展的背景下，系统中的信号接收元件更加集成化、小型化，监测人员在掌握仪器操作流程的基础上便能够自动化、智能化完成监测数据的统计、分析工作，呈现监测数据报表，用图形展示监测数据变化，为高速公路工程建设提供决策依据。

2 基于GNSS技术的高速公路高边坡监测

2.1 工程概况

某高速公路的边坡位于路线左幅左侧，该边坡的长度和高度分别为200、60 m，共分三级，每一级的高度全部相同，为20 m，坡率依次为1∶0.75、1∶1和1∶1。由该边坡的地质勘察资料得知，其所在地区为丘陵地貌，边坡施工前，山体植被较为发育，边坡局部修整时，导致部分植被遭到破坏。

2.2 边坡监测方案

2.2.1 边坡监测依据

1)监测频率。本工程根据《工程测量规范》(GB 50026—2007)和《建筑边坡工程技术规范》(GB 50330—2002)中的相关要求，确定自动监测频率：每天观测2次；连续3 d降雨且降雨量超过50 mm/d时，每天观测4次；表层或深层位移分别发出一级、二级、三级预警时，分别对应的每天观测次数为8、12次和24 h连续观测[3]。

2)监测原则。在本工程边坡关键部位布设监测点，要求关键部位为边坡岩土体位置变动的代表性部位；保护坡体上暴露在外的监测设备，避免出现运行故障；在稳定性较好的岩石上设置测量基准控制点，要求基准控制点不在监测边坡范围内；根据边坡实际情况确定监测方法，选用实用性、耐用性和便捷性较强的监测仪器。

3)监测指标。本工程边坡监测主要对表面位移和深层水平位移进行监测，以掌握边坡变形、位移变化速率以及边坡稳定性情况。

4)位移监测精度。在本工程边坡监测中，岩质滑坡监测的水平位移监测点位误差为6.0 mm，垂直位移监测高程误差为3.0 mm，地表裂缝观测误差为0.5 mm；土质滑坡监测的水平位移监测点位误差为12.0 mm，垂直位移监测高程误差为10.0 mm，地表裂缝观测误差为5 mm。

2.2.2 监测方案

现场勘察本工程边坡发现，一、二级边坡土质松散，发生渗水、滑塌病害，边坡稳定性较差。采用GNSS技术监测一、二级边坡，利用GNSS系统自动采集和记录边坡表面和内部位移数据，具体监测方案为。

1)地表位移监测。结合本工程的现场勘察情况，将2～3条监测断面布置到边坡纵横轴线上，每个监测断面布设2个及其以上的监测点，当边坡存在多余2处的滑坡变形区时布设监测网。本工程中，在垂直路线沿边坡原滑动变形主方向布设2条监测断面、5个监测点，用于监测地表位移和沉降。其中3个监测点在第1条监测断面上，监测点间距为50 m，2个监测点在第2条监测断面上，监测点间距为40 m；本工程中，选在离工程不远处的1栋居民楼顶层布设1个基准点。

2)深层水平位移监测。在边坡岩土体内部位移变化数据采集中采用固定式测斜仪，将测斜仪埋设到岩土体中，连接仪器电缆与数据自动采集系统，实时传输测量获取的数据信息，掌握边坡位移变化，对边坡滑动面位置进行确定，监测边坡稳定性情况。在本工程中，垂直路线沿边坡原滑动变形主方向布设3条监测断面、3个监测点，其中2个监测点布设在第1级平台，相距65 m。1个监测点布设在第2级平台的中间位置，距离边体60 m。在布设测斜传感器时，单孔孔深35 m，布设间距不得超过10.0 m。

2.3 监测系统安装与调试

GNSS监测系统主要包括室内设备与室外设备部分，在安装完毕后需进行调试。

2.3.1 室外设备

1)钻孔。用钻孔机钻测斜孔，孔径不得小于110 mm，测量成孔倾斜度，不得超过2°。

2)固定式测斜仪。在安装固定式测斜仪时，用螺栓连接滑轮组与连接管，将滑轮组位于连接管底部；连接测量元件，将杆、测量元件放入测斜管；在上下游方向的卡槽中安放导轮，对导轮的朝向进行固定，使其与测斜方向一致；连接另一个连接管，使其达到预定的传感器位置；安装中间滑轮组、传感器和连接杆，完成安装任务后，对接电缆与数据存储设备；在各个管口处采取必要的保护措施，安装铁盒，避免杂物进入孔内；用读数仪对各个传感器的运行状态进行检查，记录检测数据。

3)地表测斜仪。在监测点进行开挖，开挖深度在1.0 m左右，保证地层稳定。在稳定层上浇筑水泥，安装地表测斜仪。

4)基准站。在地质坚硬区且远离人类活动的区域安装基准站，要求该区域交通便捷、周围开阔，减少客观环境因素和人为因素对卫星信号的影响。

5)防雷设施。在镀锌管的一端安装避雷针，采用焊接工艺固定避雷针；焊接法兰盘，制作地笼，地笼用于连接避雷针基座，固定到地面上；避雷针与基准站保持一定距离。

2.3.2 室内设备

在室内的监测系统中安装相应硬件和软件，包括监测数据信号接收器以及监测数据处理分析软件，安装后试运行软硬件设备。

3 高边坡GNSS监测系统的改进及应用

3.1 系统架构

3.1.1 系统改进思路

在高速公路建设过程中，为实时掌握高边坡的稳定情况，并获取边坡的变形数据，应用GNSS技术，改进现有的边坡监测管理系统，使系统的操作变得更加简单，功能更加强大。系统改进时，要遵循实用性、经济性等原则，设计出满足用户需要的功能模块，简洁易懂的系统界面。

3.1.2 改进后的系统架构

经过改进之后的高边坡GNSS监测系统，采用较为流行的模块化设计，将整个系统划分为5个功能模块，分别为边坡信息、监测数据、余量采集、权限管理及预警。所有模块通过配合，能够实现边坡变形监测。

3.2 系统功能模块的构建

3.2.1 边坡信息模块

在高边坡监测工作的开展中，边坡信息是不可或缺的基础数据，确定监测方案和统计分析时，均需要使用到的边坡信息，如几何信息、结构信息等。构建的边坡信息模块能够对边坡的静态和动态信息全面管理。利用该模块，可对边坡的所有信息进行查看，并且能录入和编辑新的信息。传统的边坡信息展示方法为文字列表，这种方式的直观性较差，界面也不友好。针对这一情况，在系统改进时，引入Map模块，可在其中直观查看与边坡有关的所有信息。边坡监测点的基础信息由两个小模块组成，一个是信息列表，另一个是新增监测区，通过该模块能够对边坡监测点相关数据进行修改和查询。

3.2.2 监测数据模块

1)数据录入与导出。用户进入该模块可点击菜单栏查看不同类型数据，上级用户拥有修改、删除下级用户上传数据的操作权限。数据录入既可以选择逐条录入，也可以选择批量上传。在地表位移监测点的数据录入中，监测人员点击进入到“地表位移”页面，单条添加数据，系统自动默认首次添加数据为基准值。监测人员也可以进入“批量上传”页面，将Excel模板中的数据信息导入到“数据列表”中；数据导出，用户将查询到的监测数据导出，自动转换为Excel表格式。

2)数据显示。系统直观展示数据图表，用户根据浏览需求，选择时间节点、监测点等关键检索词，查看相应监测点的位移变形量。在数据图表功能中，可以显示监测点随着时间的变化监测点垂直位移、水平位移随之发生的变化，确定三者之间的关系，生成位移曲线图，并且曲线图支持局部放大、全局缩小等多种浏览操作。

3)数据分析。数据分析包括关联分析和对比分析，其中关联分析要对各类导致边坡失稳的监测数据进行关联性分析，确定各个形变因素之间的关系；对比分析针对同一站点的不同时间段获取的监测数据，系统要预设对比分析周期，用户可以任取时间段自动生成监测数据对比分析图。

3.2.3 雨量采集模块

该模块采用漏斗式雨量计，对监测区域进行中断式测量，计算出总雨量。在漏斗式雨量计中安装精度处理器，提高雨量计量精度。该模块能够自动保存中断时记录的雨量值和时间，模块运行流程为：中断开始→计取雨量测量精度值→读取计量时间节点→计算总雨量→中断结束。

3.2.4 系统管理模块

该模块结合高速公路管理的不同主体设置不同的管理操作权限，构建起四级监测体系，明确各个监测部门的系统操作权限，具体包括：一级监测主体为行政管理部门，有权浏览、管理和监测所有边坡数据，结合下级单位上报的预警信息确定预警级别，决定部署边坡处置工作；二级监测主体为高速公路管理单位，有权监测本单位管理范围内公路边坡数据，向行政管理部门上报预警信息，并落实行政管理部门的决策部署；三级监测主体为BOT公司，有权查询浏览本公司承建路段的边坡监测数据，深入到实地核实养护工区上报的预警信息，核实后向高速公路管理单位上报；四级监测主体为养护工区，有权浏览管理养护区范围内的边坡监测数据，根据预警模型确定预警等级，通过网络、手机等平台向BOT公司上报预警信息。

3.2.5 系统预警模块

①阈值配置，该模块中采用唯一的配置方式，在权限范围添加新阈值后，会对原有阈值进行覆盖，在站点添加阈值时，要点开站点列表，进入设置界面，通过新增按键添加阈值和通知方式，按照指定的格式通过Excel批量上传站点管理配置信息；②告警配置，在添加阈值后，点击阈值列表的操作栏配置告警通知方式，本系统提供短信通知功能，可以将预警信息及时发送到预设的用户手机号上；③告警查询，用户在告警页面查询告警信息，可点击报表按键，系统会自动按照等级、类型、站点等信息归集标准对某一时间点的告警信息进行统计输出。

3.3 高边坡监测数据分析

从本工程的高边坡中选取3个测点，通过改进后的系统对相关数据进行分析，具体如下：三个测点的变形情况相类似，分布形态为V字形，变形速度在某个时间段加快，经查该时间内降雨，三个测点最大的变形累计为64.68 mm，由此表明，监测断面内的结构稳定性不足。通过对高边坡较长时间的监测后得出如下结论：改进后的监测系统可以准确采集到边坡的位移数据，数据的精度与规定要求相符，且未出现数据丢失的情况，证明改进后的系统在高边坡监测中具有良好的可用性。

4 结束语

高速公路高边坡监测是一项非常重要的工作，为提高监测结果的准确性，可对先进的GNSS技术加以合理应用，通过该技术对边坡位移监测管理系统进行优化改进，提高系统的整体性能，满足高边坡监测需要。

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