中交路橋科技是從事工程檢測(cè)監(jiān)測(cè)、城市安全監(jiān)測(cè)預(yù)警與評(píng)價(jià)、數(shù)字智能化研發(fā)為一體的復(fù)合型高新技術(shù)集團(tuán)企業(yè)。
引言
近年來(lái)，國(guó)家經(jīng)濟(jì)得到了飛速的發(fā)展，更加關(guān)注西部貧困地區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展問(wèn)題，對(duì)于西部地區(qū)的交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的投資也越來(lái)越多。西部山區(qū)地面起伏較大，修建高速公路難度較大，成本較高，同時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的挖方和棄方邊坡。公路邊坡是在人為作用下形成的，通常情況下是交通基礎(chǔ)設(shè)施中最為脆弱的部分，因此，保障交通基礎(chǔ)設(shè)施安全高效運(yùn)行的有效途徑之一就是對(duì)邊坡的變形進(jìn)行監(jiān)測(cè)。
傳統(tǒng)的邊坡監(jiān)測(cè)方法主要是利用全站儀等儀器進(jìn)行監(jiān)測(cè)，其受到地形的影響較大，需要長(zhǎng)期人工測(cè)量，且易造成人工測(cè)量誤差等。而利用北斗技術(shù)對(duì)邊坡進(jìn)行監(jiān)測(cè)，具有選點(diǎn)靈活、受地形等條件限制較少、自動(dòng)化程度高、能夠?qū)崟r(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)等優(yōu)點(diǎn)。
本文以貴州都勻高速某高邊坡變形監(jiān)測(cè)為工程背景，應(yīng)用北斗高精度GNSS監(jiān)測(cè)儀，將北斗技術(shù)與邊坡變形的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與預(yù)警相結(jié)合，提高了對(duì)于邊坡變形監(jiān)測(cè)的效率，同時(shí)結(jié)合北斗云監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了從數(shù)據(jù)采集到結(jié)果顯示的全過(guò)程自動(dòng)化。
1 基于北斗技術(shù)的邊坡變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)
北斗云監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是基于北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，利用北斗高精度GNSS監(jiān)測(cè)儀對(duì)邊坡的位移變形量進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并通過(guò)傳輸模塊將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)回傳到監(jiān)測(cè)云平臺(tái)，對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，同時(shí)生成監(jiān)測(cè)報(bào)告。該系統(tǒng)主要包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)分析和結(jié)果顯示四個(gè)部分，能夠?qū)崿F(xiàn)從數(shù)據(jù)采集到數(shù)據(jù)分析再到監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示的全過(guò)程自動(dòng)化。1.1 北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)簡(jiǎn)介
北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)( BDS)是我國(guó)自行研制的、具有完全知識(shí)產(chǎn)權(quán)的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。
2012年12月27日起，我國(guó)的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航業(yè)務(wù)正式開(kāi)始對(duì)亞太地區(qū)提供無(wú)源定位、導(dǎo)航和授時(shí)服務(wù)。2018年12月27日，我國(guó)北斗三號(hào)導(dǎo)航基本系統(tǒng)已經(jīng)完全建成，開(kāi)始向全球提供導(dǎo)航服務(wù)。1.2北斗高精度GNSS監(jiān)測(cè)儀
監(jiān)測(cè)設(shè)備主要為北斗GNSS監(jiān)測(cè)儀，儀器主要由 GNSS定位天線、太陽(yáng)能電池板、主機(jī)箱三部分組成。整個(gè)GNSS監(jiān)測(cè)儀布置在現(xiàn)場(chǎng)澆筑的水泥墩上，水泥墩埋入地下60 cm，露出地面20 cm，可以防止因設(shè)備安裝不穩(wěn)導(dǎo)致的測(cè)量誤差，同時(shí)可以減小下雨時(shí)雨水匯集對(duì)設(shè)備的損害。設(shè)備安裝最頂端為GNSS定位天線，用來(lái)接收北斗定位信號(hào)。往下是太陽(yáng)能電池板，太陽(yáng)能電池板下面為主機(jī)箱，里面包括蓄電池、北斗定位模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊和數(shù)據(jù)天線等。數(shù)據(jù)傳輸模塊內(nèi)置一張4GSIM卡，通過(guò)與數(shù)據(jù)天線的協(xié)同作用，對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行無(wú)線傳輸。
北斗GNSS監(jiān)測(cè)儀開(kāi)始工作時(shí)，先通過(guò)定位模塊獲取定位數(shù)據(jù)，然后定位數(shù)據(jù)通過(guò)數(shù)據(jù)模塊和數(shù)據(jù)天線利用4G無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)奖O(jiān)測(cè)云平臺(tái)。
1.3 監(jiān)測(cè)云平臺(tái)
北斗GNSS監(jiān)測(cè)儀將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳輸至數(shù)據(jù)匯總站，然后通過(guò)4G網(wǎng)絡(luò)傳輸方式將數(shù)據(jù)上傳至監(jiān)測(cè)云平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)儲(chǔ)存。
監(jiān)測(cè)云平臺(tái)接收數(shù)據(jù)，根據(jù)預(yù)設(shè)的預(yù)警模型對(duì) GNSS數(shù)據(jù)進(jìn)行處理與分析，并對(duì)位移量超過(guò)限定值的監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行三級(jí)預(yù)警，同時(shí)編制監(jiān)測(cè)報(bào)告，發(fā)布預(yù)警信息。用戶及相關(guān)人員可以經(jīng)過(guò)網(wǎng)絡(luò)授權(quán)，通過(guò)PC客戶端或手機(jī)APP看到各監(jiān)測(cè)點(diǎn)在選擇的監(jiān)測(cè)周期內(nèi)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、變化曲線和監(jiān)測(cè)報(bào)告。同時(shí)工程技術(shù)人員可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)查勘對(duì)監(jiān)測(cè)報(bào)告進(jìn)行修正，避免系統(tǒng)誤報(bào)的情況發(fā)生。
2 北斗技術(shù)在變形監(jiān)測(cè)中的優(yōu)勢(shì)
隨著第三代北斗導(dǎo)航系統(tǒng)建設(shè)的推進(jìn)，北斗定位的精度不斷提高，目前北斗高精度定位技術(shù)也逐漸被應(yīng)用于各種工程領(lǐng)域。肖玉鋼等通過(guò)優(yōu)化識(shí)別算法分析實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，得到了毫米級(jí)定位精度，驗(yàn)證了利用北斗技術(shù)應(yīng)用于變形監(jiān)測(cè)的可行性。和永軍等將北斗高精度位移監(jiān)測(cè)技術(shù)應(yīng)用于橋梁健康監(jiān)測(cè)中，實(shí)現(xiàn)了橋梁變形的全天候、自動(dòng)化的監(jiān)測(cè)。吳煥瑯等將北斗高精度定位技術(shù)應(yīng)用于大壩形變監(jiān)測(cè)，通過(guò)對(duì)定位數(shù)據(jù)進(jìn)行誤差修正，達(dá)到了毫米級(jí)的精度，實(shí)現(xiàn)了北斗大壩形變監(jiān)測(cè)。研究表明北斗定位技術(shù)用于緩慢變形監(jiān)測(cè)的研究已足夠成熟，完全可以用于邊坡工程的變形監(jiān)測(cè)。
相對(duì)于傳統(tǒng)的變形監(jiān)測(cè)技術(shù)，利用北斗高精度變形監(jiān)測(cè)技術(shù)對(duì)邊坡變形監(jiān)測(cè)具有以下優(yōu)勢(shì)：
(1)自動(dòng)化程度高
與全站儀等傳統(tǒng)的測(cè)量工具相比，利用北斗進(jìn)行監(jiān)測(cè)可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)監(jiān)測(cè)、自動(dòng)記錄。監(jiān)測(cè)過(guò)程不需要人工操作，能夠?qū)崿F(xiàn)一次布置，多年隨時(shí)隨地獲取測(cè)量數(shù)據(jù)。
(2)監(jiān)測(cè)效率高
傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)方法監(jiān)測(cè)效率低，獲取數(shù)據(jù)少，而利用北斗進(jìn)行邊坡位移監(jiān)測(cè)可實(shí)現(xiàn)數(shù)分鐘內(nèi)得到一組精確定位數(shù)據(jù)，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)邊坡的變形。
(3)可全天候穩(wěn)定工作
北斗定位所使用的GNSS監(jiān)測(cè)儀不易受到溫度、濕度、天氣和晝夜變化的影響，不需要經(jīng)常維護(hù)，基本可以達(dá)到一次安裝、多年使用的要求。與傳統(tǒng)的測(cè)量手段相比，利用北斗技術(shù)監(jiān)測(cè)邊坡變形可以實(shí)現(xiàn)全天候全自動(dòng)的穩(wěn)定工作。
(4)對(duì)地形要求低
北斗定位設(shè)備不要求通視條件，受地形、植被影響較小，且體積小、額定功率低，可使用太陽(yáng)能電池供電，不需要較大的空曠區(qū)域，設(shè)備的安裝和拆除也很方便。
(5)符合國(guó)家發(fā)展戰(zhàn)略
過(guò)去我國(guó)定位和導(dǎo)航產(chǎn)業(yè)長(zhǎng)期依賴于美國(guó)的GPS定位系統(tǒng)，對(duì)于國(guó)家的安全和可持續(xù)發(fā)展產(chǎn)生了巨大的威脅。而如今，我國(guó)自主研發(fā)了自己的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，同時(shí)國(guó)家大力推廣北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在民用工程中的應(yīng)用。因此，將北斗衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)應(yīng)用于邊坡安全的在線監(jiān)測(cè)工程，符合國(guó)家北斗衛(wèi)星導(dǎo)航的發(fā)展戰(zhàn)略。
3 邊坡變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的誤差分析
3.1 北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)定位誤差
北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的誤差主要來(lái)源于北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的定位誤差。根據(jù)是否有參照位置，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的定位方法可以分為絕對(duì)定位和相對(duì)定位。
絕對(duì)定位又稱為單點(diǎn)定位，定位精度相對(duì)較低，水平和豎直方向誤差小于10 m，可用于衛(wèi)星導(dǎo)航中，但不能滿足邊坡變形監(jiān)測(cè)對(duì)精度的要求。相對(duì)定位主要是指利用兩臺(tái)或多臺(tái)北斗監(jiān)測(cè)儀同時(shí)進(jìn)行定位。其中，放置在被監(jiān)測(cè)地點(diǎn)的北斗監(jiān)測(cè)儀被稱為監(jiān)測(cè)站，而另一臺(tái)起到基準(zhǔn)參照點(diǎn)作用的北斗監(jiān)測(cè)儀被稱為基準(zhǔn)站。這樣可以有效的降低北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的定位誤差，提高監(jiān)測(cè)精度。同時(shí)可以通過(guò)延長(zhǎng)相對(duì)定位的時(shí)間，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的毫米級(jí)定位。
3.2 北斗監(jiān)測(cè)系統(tǒng)精度試驗(yàn)
3.2.1試驗(yàn)?zāi)康?/p>
本次試驗(yàn)主要測(cè)試邊坡變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的精度，確定北斗相對(duì)定位的精度和定位時(shí)長(zhǎng)的關(guān)系，以滿足高邊坡變形監(jiān)測(cè)的精度要求。由于北斗GNSS監(jiān)測(cè)儀的水平方向精度大于豎直方向精度，在邊坡變形監(jiān)測(cè)中，水平方向的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)更為可靠。因此本次試驗(yàn)只測(cè)試北斗監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在水平方向上的精度。
3.2.2試驗(yàn)環(huán)境
利用北斗相對(duì)定位進(jìn)行精確測(cè)量時(shí)，應(yīng)確保周圍無(wú)山體、樹(shù)木等遮擋，同時(shí)要確定至少可以搜索到4顆及其以上的北斗衛(wèi)星。因此本次試驗(yàn)將監(jiān)測(cè)站設(shè)置在長(zhǎng)安大學(xué)水力實(shí)驗(yàn)室的樓頂，將基準(zhǔn)站設(shè)置在附近500 m外的空曠草地上，兩點(diǎn)附近均無(wú)遮擋，可以通視。
3.2.3試驗(yàn)方案
本次試驗(yàn)通過(guò)移動(dòng)監(jiān)測(cè)站，利用直尺和北斗相對(duì)定位的方法，同時(shí)測(cè)量水平方向上的位移，由于試驗(yàn)每次挪動(dòng)監(jiān)測(cè)站的距離較短且試驗(yàn)周期相對(duì)較短，可認(rèn)為直尺測(cè)量位移為實(shí)際位移，通過(guò)對(duì)比兩者之間的差值，分析北斗相對(duì)定位在水平方向上的精度。
試驗(yàn)裝置由直尺、北斗定位設(shè)備、滑塊組成。在遠(yuǎn)處放置另一臺(tái)北斗定位設(shè)備作為基準(zhǔn)站，由北斗定位設(shè)備和滑塊組成監(jiān)測(cè)站。對(duì)于監(jiān)測(cè)站，試驗(yàn)時(shí)，滑動(dòng)滑塊至目標(biāo)位置，以直尺測(cè)量的滑動(dòng)距離為標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)北斗相對(duì)定位的位置變化與直尺測(cè)量的位置變化進(jìn)行對(duì)比，分析出北斗相對(duì)定位水平方向上的精度。
具體的試驗(yàn)步驟如下：
(1)將北斗定位天線固定在滑塊上，將滑塊放置在水平面上，在其旁邊放置一把直尺；
(2)記錄北斗定位天線對(duì)應(yīng)直尺的刻度，同時(shí)使用北斗相對(duì)定位時(shí)間T1，得到一次定位結(jié)果；
(3)調(diào)整定位時(shí)長(zhǎng)Ti，得到不同時(shí)刻的定位結(jié)果完成一組試驗(yàn)，分析不同定位時(shí)長(zhǎng)的北斗相對(duì)定位精度；
(4)緩慢挪動(dòng)滑塊，使滑塊水平挪動(dòng)10 mm（相對(duì)于直尺）；
(5)重復(fù)步驟(2)～(4)共20次，完成試驗(yàn)，得出不同北斗點(diǎn)對(duì)定位時(shí)長(zhǎng)T對(duì)應(yīng)的定位精度。
3.2.4試驗(yàn)結(jié)果
定位時(shí)長(zhǎng)T分別選為1min、1h、6h和24 h四個(gè)時(shí)間長(zhǎng)度，并以水平直尺的刻度變化為橫坐標(biāo)、以北斗測(cè)量的水平位移量為縱坐標(biāo)作圖。
可以明顯看出定位時(shí)長(zhǎng)越長(zhǎng)，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的精度越高，更接近于理想測(cè)量線。當(dāng)定位時(shí)長(zhǎng)為1 min時(shí)，變形監(jiān)測(cè)的最大誤差為18. 267 mm；定位時(shí)長(zhǎng)為1h時(shí)，變形監(jiān)測(cè)的最大誤差為7. 692 mm；定位時(shí)長(zhǎng)為6 h時(shí)，變形監(jiān)測(cè)的最大誤差為3. 497 mm；定位時(shí)長(zhǎng)為24 h時(shí)，變形監(jiān)測(cè)的最大誤差為2. 071 mm。由于工程中實(shí)際使用的北斗監(jiān)測(cè)儀使用太陽(yáng)能供電，具備可全天候穩(wěn)定工作的能力，因此，選擇定位時(shí)長(zhǎng)為24h，最大限度的提升其監(jiān)測(cè)精度。
4 實(shí)際應(yīng)用
4.1工程簡(jiǎn)介
本次監(jiān)測(cè)工程為都安高速20標(biāo)段某路塹邊坡，中線挖方高度2. 56 m，左側(cè)最大挖方高度82.2m。該高邊坡區(qū)所處于剝蝕丘陵硬質(zhì)巖區(qū)，山體較陡，自然狀態(tài)下山體穩(wěn)定。既有高速公路邊坡開(kāi)挖坡度為1：0. 75，坡腳取53。，頂部平緩，坡向約8。，線路中心最大挖方深度82.2m。最下一級(jí)邊坡設(shè)置抗滑樁擋墻，上幾級(jí)邊坡采用錨桿框架梁防護(hù)，頂部設(shè)置截水溝。坡面植被稀疏，主要低矮灌木，大面積基巖出露。深挖路塹內(nèi)未發(fā)現(xiàn)斷層構(gòu)造，巖層主要為中風(fēng)化灰?guī)r，巖層產(chǎn)狀為112?！?9。，主要發(fā)育三組節(jié)理，分別為J1：10?！?8。、 J2：99?！?8。和J3：339?！?5。區(qū)內(nèi)的新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)以斷裂的繼承性和斷塊的差異性活動(dòng)為基本特征。第四系以來(lái)，區(qū)域內(nèi)沒(méi)有較大破壞性影響的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)。邊坡體主要由中風(fēng)化灰?guī)r、泥質(zhì)灰?guī)r、燧石灰?guī)r、頁(yè)巖構(gòu)成，節(jié)理裂隙較發(fā)育，可能形成不穩(wěn)定楔形巖體，對(duì)邊坡穩(wěn)定不利，利用赤平投影法對(duì)邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行分析。
可判斷出邊坡整體穩(wěn)定性較好。根據(jù)《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》( JGJD30-2015)對(duì)高邊坡監(jiān)測(cè)的要求，采用北斗技術(shù)對(duì)該邊坡實(shí)施動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。
4.2監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)
由于該公路路塹邊坡目前處于基本穩(wěn)定狀態(tài)，對(duì)其實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，主要是監(jiān)測(cè)其位移量變化，判斷其穩(wěn)定狀態(tài)。該邊坡坡底及坡面已進(jìn)行了工程加固，變形量較小，不能準(zhǔn)確地反映邊坡整體的狀態(tài)，而坡頂受到累計(jì)位移的影響，整體變形量會(huì)較大，因此，將3個(gè) GNSS監(jiān)測(cè)儀均布設(shè)在邊坡的坡頂位置，分別位于 K127 +520，K127 +620和K127 +700位置處，并將其分別命名為北斗1#、2#和3#。同時(shí)在公路右側(cè)山頂上布設(shè)1個(gè)GNSS監(jiān)測(cè)儀作為基準(zhǔn)站和數(shù)據(jù)匯總站。
4.3監(jiān)測(cè)結(jié)果分析
自2018年8月中旬上線以來(lái)，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)一直處于穩(wěn)定工作狀態(tài)。系統(tǒng)設(shè)置每天監(jiān)測(cè)時(shí)長(zhǎng)24 h，即監(jiān)測(cè)儀不間斷工作，每天回傳一組數(shù)據(jù),監(jiān)測(cè)開(kāi)始到2019年7月初各點(diǎn)的監(jiān)測(cè)結(jié)果。
邊坡監(jiān)測(cè)點(diǎn)的累計(jì)位移量，水平位移和豎直位移的曲線均處于波動(dòng)狀態(tài)，由于北斗監(jiān)測(cè)的豎直方向的精度較低，因此在分析邊坡變形時(shí)，以水平方向的位移為主。北斗1#監(jiān)測(cè)點(diǎn)的水平方向的累計(jì)位移最大為8. 37 mm，豎直方向累計(jì)位移在-4.64～6.59 mm波動(dòng)；北斗2#監(jiān)測(cè)點(diǎn)水平方向的累計(jì)位移最大為6. 36 mm，豎直方向累計(jì)位移在-5.86～10. 02 mm波動(dòng)；北斗3#監(jiān)測(cè)點(diǎn)水平方向的累計(jì)位移最大為5. 58 mm，豎直方向累計(jì)位移在-7.57～3.64 mm波動(dòng)。
1#監(jiān)測(cè)點(diǎn)位的水平方向的位移量自2019年人春以來(lái)呈現(xiàn)快速增長(zhǎng)的趨勢(shì)，水平位移達(dá)到了8. 37 mm。初步認(rèn)定為由于降雨量的增加，使邊坡產(chǎn)生了較小的位移，應(yīng)進(jìn)一步觀察該點(diǎn)的位移狀況，若位移量繼續(xù)快速增大，應(yīng)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)的狀況，對(duì)邊坡采取有效的防護(hù)措施，防止災(zāi)害的發(fā)生。2#和3#監(jiān)測(cè)點(diǎn)位的水平方向位移均小于6.5 mm，且沒(méi)有明顯的加快趨勢(shì)，考慮到水平方向的位移精度為2. 061 mm，認(rèn)為2#和3#點(diǎn)位的水平方向位移均小于9 mm，因此可判斷2#和3#點(diǎn)位處于穩(wěn)定狀態(tài)。綜合3個(gè)點(diǎn)位的位移變化規(guī)律，可認(rèn)為，該邊坡目前處于穩(wěn)定狀態(tài)，但須對(duì)1#點(diǎn)位加強(qiáng)觀測(cè)，若變形持續(xù)增大，應(yīng)采取一定的防范措施。
5 結(jié)論
本文簡(jiǎn)要概述了將北斗技術(shù)用于對(duì)邊坡變形監(jiān)測(cè)的可行性，并且成功的將其應(yīng)用于貴州都安高速某高邊坡的位移監(jiān)測(cè)。結(jié)論如下：
(1)北斗位移監(jiān)測(cè)具有自動(dòng)化程度高、布設(shè)靈活、受地形影響較小、可全天候穩(wěn)定工作的優(yōu)點(diǎn)。
(2)通過(guò)變形監(jiān)測(cè)試驗(yàn)認(rèn)為，利用北斗云監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)邊坡變形進(jìn)行監(jiān)測(cè)，其精度水平可以達(dá)到水平方向2 mm左右，完全可以滿足邊坡變形監(jiān)測(cè)的精度要求。
(3)貴州都安高速某高邊坡的位移監(jiān)測(cè)表明北斗技術(shù)完全可以用于實(shí)際邊坡的變形監(jiān)測(cè)，值得廣泛推廣。
摘自：《中國(guó)地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)報(bào)》2020年 第1期 第31卷
