高速公路中,高邊坡受到雨水的影響,易出現(xiàn)失穩(wěn)垮塌的情況,嚴重影響行車安全。采用傳統(tǒng)的方法監(jiān)測高邊坡時,因環(huán)境的限制,從而使監(jiān)測結(jié)果的準(zhǔn)確性大幅度降低。為解決這一問題,可在邊坡監(jiān)測中引入先進的GNSS技術(shù),通過該技術(shù)對邊坡位移監(jiān)測系統(tǒng)加以優(yōu)化改進,完善系統(tǒng)性能,滿足高邊坡監(jiān)測工作需要。
1 GNSS技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢
1.1 GNSS系統(tǒng)
全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng),即GNSS系統(tǒng),主要由空間部分、控制部分和用戶部分構(gòu)成。其中,空間部分由多顆不同軌道衛(wèi)星組成,各軌道之間相互交叉,處于同一軌道中的多個衛(wèi)星之間是相對靜止?fàn)顟B(tài),在相鄰軌道上的衛(wèi)星升交距角相差30°[1];控制部分由監(jiān)測站、主控站、注入站構(gòu)成,用于控制衛(wèi)星的運行狀態(tài),調(diào)整衛(wèi)星姿態(tài)和軌道高度,保證衛(wèi)星定位與導(dǎo)航的精度;用戶部分通過GNSS接收機接收監(jiān)控站發(fā)送的衛(wèi)星信號,通過算法解析信號,實現(xiàn)定位與導(dǎo)航功能。
1.2 應(yīng)用優(yōu)勢
在高速公路高邊坡監(jiān)測中運用GNSS技術(shù),能夠充分發(fā)揮出無線傳輸?shù)膬?yōu)勢,提高監(jiān)測的時效性,其應(yīng)用優(yōu)勢體現(xiàn)在以下方面。
1.2.1 基準(zhǔn)點選址要求低
傳統(tǒng)邊坡監(jiān)測方法對基準(zhǔn)站選址要求較高,需保證監(jiān)測點與基準(zhǔn)點位置相同,但是在實際地形地貌客觀條件的約束下,增加了基準(zhǔn)點的選擇難度。而GNSS技術(shù)對基準(zhǔn)站選址無特殊限制,不需要保證監(jiān)測點與基準(zhǔn)點處于同一地點,僅要求基準(zhǔn)點必須位于無遮擋的開闊場地,即使遠離監(jiān)測點也可以完成監(jiān)測任務(wù),節(jié)省了基準(zhǔn)點選址時的人力、物力投入。
1.2.2 監(jiān)測精度高
GNSS技術(shù)對邊坡變形的監(jiān)測精度明顯高于傳統(tǒng)監(jiān)測方法,并且監(jiān)測精度不受環(huán)境變化、人為活動的影響,能夠增強監(jiān)測結(jié)果的穩(wěn)定性和可靠性。在基線長度發(fā)生變化的情況下,監(jiān)測精度也會隨之發(fā)生變化,當(dāng)基線長度小于50 km時,監(jiān)測精度為(1~2)×10-6;當(dāng)基線長度為100~500 km時,監(jiān)測精度為10-6~10-7。
1.2.3 三維監(jiān)測位置變化
傳統(tǒng)的邊坡監(jiān)測需要人工監(jiān)測邊坡平面位移和深部位移,在監(jiān)測過程中受降雨、陽光、空氣等監(jiān)測環(huán)境的影響,難以統(tǒng)一在同一時間節(jié)點對同一監(jiān)測點的監(jiān)測標(biāo)準(zhǔn),并且還會增加作業(yè)難度和工作量。而應(yīng)用GNSS技術(shù)能夠在同一時間點從X、Y、Z三個方向?qū)ΡO(jiān)測點進行監(jiān)測,快速得出邊坡平面位移和深部位移的速度[2]。
1.2.4 監(jiān)測效率高
傳統(tǒng)的邊坡監(jiān)測方法在監(jiān)測定位基線時,要根據(jù)不同的監(jiān)測精度要求耗用長短不同的監(jiān)測時間,一般在1~3 h。而應(yīng)用GNSS技術(shù)進行邊坡監(jiān)測,不會受到環(huán)境、地點、時間以及監(jiān)測精度要求的限制,只需要耗用幾分鐘就能夠完成監(jiān)測任務(wù),并且還可以實現(xiàn)實時監(jiān)測功能。
1.2.5 監(jiān)測智能化程度高
在GNSS技術(shù)快速發(fā)展的背景下,系統(tǒng)中的信號接收元件更加集成化、小型化,監(jiān)測人員在掌握儀器操作流程的基礎(chǔ)上便能夠自動化、智能化完成監(jiān)測數(shù)據(jù)的統(tǒng)計、分析工作,呈現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)報表,用圖形展示監(jiān)測數(shù)據(jù)變化,為高速公路工程建設(shè)提供決策依據(jù)。
2 基于GNSS技術(shù)的高速公路高邊坡監(jiān)測
2.1 工程概況
某高速公路的邊坡位于路線左幅左側(cè),該邊坡的長度和高度分別為200、60 m,共分三級,每一級的高度全部相同,為20 m,坡率依次為1∶0.75、1∶1和1∶1。由該邊坡的地質(zhì)勘察資料得知,其所在地區(qū)為丘陵地貌,邊坡施工前,山體植被較為發(fā)育,邊坡局部修整時,導(dǎo)致部分植被遭到破壞。
2.2 邊坡監(jiān)測方案
2.2.1 邊坡監(jiān)測依據(jù)
1)監(jiān)測頻率。本工程根據(jù)《工程測量規(guī)范》(GB 50026—2007)和《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》(GB 50330—2002)中的相關(guān)要求,確定自動監(jiān)測頻率:每天觀測2次;連續(xù)3 d降雨且降雨量超過50 mm/d時,每天觀測4次;表層或深層位移分別發(fā)出一級、二級、三級預(yù)警時,分別對應(yīng)的每天觀測次數(shù)為8、12次和24 h連續(xù)觀測[3]。
2)監(jiān)測原則。在本工程邊坡關(guān)鍵部位布設(shè)監(jiān)測點,要求關(guān)鍵部位為邊坡巖土體位置變動的代表性部位;保護坡體上暴露在外的監(jiān)測設(shè)備,避免出現(xiàn)運行故障;在穩(wěn)定性較好的巖石上設(shè)置測量基準(zhǔn)控制點,要求基準(zhǔn)控制點不在監(jiān)測邊坡范圍內(nèi);根據(jù)邊坡實際情況確定監(jiān)測方法,選用實用性、耐用性和便捷性較強的監(jiān)測儀器。
3)監(jiān)測指標(biāo)。本工程邊坡監(jiān)測主要對表面位移和深層水平位移進行監(jiān)測,以掌握邊坡變形、位移變化速率以及邊坡穩(wěn)定性情況。
4)位移監(jiān)測精度。在本工程邊坡監(jiān)測中,巖質(zhì)滑坡監(jiān)測的水平位移監(jiān)測點位誤差為6.0 mm,垂直位移監(jiān)測高程誤差為3.0 mm,地表裂縫觀測誤差為0.5 mm;土質(zhì)滑坡監(jiān)測的水平位移監(jiān)測點位誤差為12.0 mm,垂直位移監(jiān)測高程誤差為10.0 mm,地表裂縫觀測誤差為5 mm。
2.2.2 監(jiān)測方案
現(xiàn)場勘察本工程邊坡發(fā)現(xiàn),一、二級邊坡土質(zhì)松散,發(fā)生滲水、滑塌病害,邊坡穩(wěn)定性較差。采用GNSS技術(shù)監(jiān)測一、二級邊坡,利用GNSS系統(tǒng)自動采集和記錄邊坡表面和內(nèi)部位移數(shù)據(jù),具體監(jiān)測方案為。
1)地表位移監(jiān)測。結(jié)合本工程的現(xiàn)場勘察情況,將2~3條監(jiān)測斷面布置到邊坡縱橫軸線上,每個監(jiān)測斷面布設(shè)2個及其以上的監(jiān)測點,當(dāng)邊坡存在多余2處的滑坡變形區(qū)時布設(shè)監(jiān)測網(wǎng)。本工程中,在垂直路線沿邊坡原滑動變形主方向布設(shè)2條監(jiān)測斷面、5個監(jiān)測點,用于監(jiān)測地表位移和沉降。其中3個監(jiān)測點在第1條監(jiān)測斷面上,監(jiān)測點間距為50 m,2個監(jiān)測點在第2條監(jiān)測斷面上,監(jiān)測點間距為40 m;本工程中,選在離工程不遠處的1棟居民樓頂層布設(shè)1個基準(zhǔn)點。
2)深層水平位移監(jiān)測。在邊坡巖土體內(nèi)部位移變化數(shù)據(jù)采集中采用固定式測斜儀,將測斜儀埋設(shè)到巖土體中,連接儀器電纜與數(shù)據(jù)自動采集系統(tǒng),實時傳輸測量獲取的數(shù)據(jù)信息,掌握邊坡位移變化,對邊坡滑動面位置進行確定,監(jiān)測邊坡穩(wěn)定性情況。在本工程中,垂直路線沿邊坡原滑動變形主方向布設(shè)3條監(jiān)測斷面、3個監(jiān)測點,其中2個監(jiān)測點布設(shè)在第1級平臺,相距65 m。1個監(jiān)測點布設(shè)在第2級平臺的中間位置,距離邊體60 m。在布設(shè)測斜傳感器時,單孔孔深35 m,布設(shè)間距不得超過10.0 m。
2.3 監(jiān)測系統(tǒng)安裝與調(diào)試
GNSS監(jiān)測系統(tǒng)主要包括室內(nèi)設(shè)備與室外設(shè)備部分,在安裝完畢后需進行調(diào)試。
2.3.1 室外設(shè)備
1)鉆孔。用鉆孔機鉆測斜孔,孔徑不得小于110 mm,測量成孔傾斜度,不得超過2°。
2)固定式測斜儀。在安裝固定式測斜儀時,用螺栓連接滑輪組與連接管,將滑輪組位于連接管底部;連接測量元件,將桿、測量元件放入測斜管;在上下游方向的卡槽中安放導(dǎo)輪,對導(dǎo)輪的朝向進行固定,使其與測斜方向一致;連接另一個連接管,使其達到預(yù)定的傳感器位置;安裝中間滑輪組、傳感器和連接桿,完成安裝任務(wù)后,對接電纜與數(shù)據(jù)存儲設(shè)備;在各個管口處采取必要的保護措施,安裝鐵盒,避免雜物進入孔內(nèi);用讀數(shù)儀對各個傳感器的運行狀態(tài)進行檢查,記錄檢測數(shù)據(jù)。
3)地表測斜儀。在監(jiān)測點進行開挖,開挖深度在1.0 m左右,保證地層穩(wěn)定。在穩(wěn)定層上澆筑水泥,安裝地表測斜儀。
4)基準(zhǔn)站。在地質(zhì)堅硬區(qū)且遠離人類活動的區(qū)域安裝基準(zhǔn)站,要求該區(qū)域交通便捷、周圍開闊,減少客觀環(huán)境因素和人為因素對衛(wèi)星信號的影響。
5)防雷設(shè)施。在鍍鋅管的一端安裝避雷針,采用焊接工藝固定避雷針;焊接法蘭盤,制作地籠,地籠用于連接避雷針基座,固定到地面上;避雷針與基準(zhǔn)站保持一定距離。
2.3.2 室內(nèi)設(shè)備
在室內(nèi)的監(jiān)測系統(tǒng)中安裝相應(yīng)硬件和軟件,包括監(jiān)測數(shù)據(jù)信號接收器以及監(jiān)測數(shù)據(jù)處理分析軟件,安裝后試運行軟硬件設(shè)備。
3 高邊坡GNSS監(jiān)測系統(tǒng)的改進及應(yīng)用
3.1 系統(tǒng)架構(gòu)
3.1.1 系統(tǒng)改進思路
在高速公路建設(shè)過程中,為實時掌握高邊坡的穩(wěn)定情況,并獲取邊坡的變形數(shù)據(jù),應(yīng)用GNSS技術(shù),改進現(xiàn)有的邊坡監(jiān)測管理系統(tǒng),使系統(tǒng)的操作變得更加簡單,功能更加強大。系統(tǒng)改進時,要遵循實用性、經(jīng)濟性等原則,設(shè)計出滿足用戶需要的功能模塊,簡潔易懂的系統(tǒng)界面。
3.1.2 改進后的系統(tǒng)架構(gòu)
經(jīng)過改進之后的高邊坡GNSS監(jiān)測系統(tǒng),采用較為流行的模塊化設(shè)計,將整個系統(tǒng)劃分為5個功能模塊,分別為邊坡信息、監(jiān)測數(shù)據(jù)、余量采集、權(quán)限管理及預(yù)警。所有模塊通過配合,能夠?qū)崿F(xiàn)邊坡變形監(jiān)測。
3.2 系統(tǒng)功能模塊的構(gòu)建
3.2.1 邊坡信息模塊
在高邊坡監(jiān)測工作的開展中,邊坡信息是不可或缺的基礎(chǔ)數(shù)據(jù),確定監(jiān)測方案和統(tǒng)計分析時,均需要使用到的邊坡信息,如幾何信息、結(jié)構(gòu)信息等。構(gòu)建的邊坡信息模塊能夠?qū)吰碌撵o態(tài)和動態(tài)信息全面管理。利用該模塊,可對邊坡的所有信息進行查看,并且能錄入和編輯新的信息。傳統(tǒng)的邊坡信息展示方法為文字列表,這種方式的直觀性較差,界面也不友好。針對這一情況,在系統(tǒng)改進時,引入Map模塊,可在其中直觀查看與邊坡有關(guān)的所有信息。邊坡監(jiān)測點的基礎(chǔ)信息由兩個小模塊組成,一個是信息列表,另一個是新增監(jiān)測區(qū),通過該模塊能夠?qū)吰卤O(jiān)測點相關(guān)數(shù)據(jù)進行修改和查詢。
3.2.2 監(jiān)測數(shù)據(jù)模塊
1)數(shù)據(jù)錄入與導(dǎo)出。用戶進入該模塊可點擊菜單欄查看不同類型數(shù)據(jù),上級用戶擁有修改、刪除下級用戶上傳數(shù)據(jù)的操作權(quán)限。數(shù)據(jù)錄入既可以選擇逐條錄入,也可以選擇批量上傳。在地表位移監(jiān)測點的數(shù)據(jù)錄入中,監(jiān)測人員點擊進入到“地表位移”頁面,單條添加數(shù)據(jù),系統(tǒng)自動默認首次添加數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)值。監(jiān)測人員也可以進入“批量上傳”頁面,將Excel模板中的數(shù)據(jù)信息導(dǎo)入到“數(shù)據(jù)列表”中;數(shù)據(jù)導(dǎo)出,用戶將查詢到的監(jiān)測數(shù)據(jù)導(dǎo)出,自動轉(zhuǎn)換為Excel表格式。
2)數(shù)據(jù)顯示。系統(tǒng)直觀展示數(shù)據(jù)圖表,用戶根據(jù)瀏覽需求,選擇時間節(jié)點、監(jiān)測點等關(guān)鍵檢索詞,查看相應(yīng)監(jiān)測點的位移變形量。在數(shù)據(jù)圖表功能中,可以顯示監(jiān)測點隨著時間的變化監(jiān)測點垂直位移、水平位移隨之發(fā)生的變化,確定三者之間的關(guān)系,生成位移曲線圖,并且曲線圖支持局部放大、全局縮小等多種瀏覽操作。
3)數(shù)據(jù)分析。數(shù)據(jù)分析包括關(guān)聯(lián)分析和對比分析,其中關(guān)聯(lián)分析要對各類導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)的監(jiān)測數(shù)據(jù)進行關(guān)聯(lián)性分析,確定各個形變因素之間的關(guān)系;對比分析針對同一站點的不同時間段獲取的監(jiān)測數(shù)據(jù),系統(tǒng)要預(yù)設(shè)對比分析周期,用戶可以任取時間段自動生成監(jiān)測數(shù)據(jù)對比分析圖。
3.2.3 雨量采集模塊
該模塊采用漏斗式雨量計,對監(jiān)測區(qū)域進行中斷式測量,計算出總雨量。在漏斗式雨量計中安裝精度處理器,提高雨量計量精度。該模塊能夠自動保存中斷時記錄的雨量值和時間,模塊運行流程為:中斷開始→計取雨量測量精度值→讀取計量時間節(jié)點→計算總雨量→中斷結(jié)束。
3.2.4 系統(tǒng)管理模塊
該模塊結(jié)合高速公路管理的不同主體設(shè)置不同的管理操作權(quán)限,構(gòu)建起四級監(jiān)測體系,明確各個監(jiān)測部門的系統(tǒng)操作權(quán)限,具體包括:一級監(jiān)測主體為行政管理部門,有權(quán)瀏覽、管理和監(jiān)測所有邊坡數(shù)據(jù),結(jié)合下級單位上報的預(yù)警信息確定預(yù)警級別,決定部署邊坡處置工作;二級監(jiān)測主體為高速公路管理單位,有權(quán)監(jiān)測本單位管理范圍內(nèi)公路邊坡數(shù)據(jù),向行政管理部門上報預(yù)警信息,并落實行政管理部門的決策部署;三級監(jiān)測主體為BOT公司,有權(quán)查詢?yōu)g覽本公司承建路段的邊坡監(jiān)測數(shù)據(jù),深入到實地核實養(yǎng)護工區(qū)上報的預(yù)警信息,核實后向高速公路管理單位上報;四級監(jiān)測主體為養(yǎng)護工區(qū),有權(quán)瀏覽管理養(yǎng)護區(qū)范圍內(nèi)的邊坡監(jiān)測數(shù)據(jù),根據(jù)預(yù)警模型確定預(yù)警等級,通過網(wǎng)絡(luò)、手機等平臺向BOT公司上報預(yù)警信息。
3.2.5 系統(tǒng)預(yù)警模塊
①閾值配置,該模塊中采用唯一的配置方式,在權(quán)限范圍添加新閾值后,會對原有閾值進行覆蓋,在站點添加閾值時,要點開站點列表,進入設(shè)置界面,通過新增按鍵添加閾值和通知方式,按照指定的格式通過Excel批量上傳站點管理配置信息;②告警配置,在添加閾值后,點擊閾值列表的操作欄配置告警通知方式,本系統(tǒng)提供短信通知功能,可以將預(yù)警信息及時發(fā)送到預(yù)設(shè)的用戶手機號上;③告警查詢,用戶在告警頁面查詢告警信息,可點擊報表按鍵,系統(tǒng)會自動按照等級、類型、站點等信息歸集標(biāo)準(zhǔn)對某一時間點的告警信息進行統(tǒng)計輸出。
3.3 高邊坡監(jiān)測數(shù)據(jù)分析
從本工程的高邊坡中選取3個測點,通過改進后的系統(tǒng)對相關(guān)數(shù)據(jù)進行分析,具體如下:三個測點的變形情況相類似,分布形態(tài)為V字形,變形速度在某個時間段加快,經(jīng)查該時間內(nèi)降雨,三個測點最大的變形累計為64.68 mm,由此表明,監(jiān)測斷面內(nèi)的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性不足。通過對高邊坡較長時間的監(jiān)測后得出如下結(jié)論:改進后的監(jiān)測系統(tǒng)可以準(zhǔn)確采集到邊坡的位移數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)的精度與規(guī)定要求相符,且未出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失的情況,證明改進后的系統(tǒng)在高邊坡監(jiān)測中具有良好的可用性。
4 結(jié)束語
高速公路高邊坡監(jiān)測是一項非常重要的工作,為提高監(jiān)測結(jié)果的準(zhǔn)確性,可對先進的GNSS技術(shù)加以合理應(yīng)用,通過該技術(shù)對邊坡位移監(jiān)測管理系統(tǒng)進行優(yōu)化改進,提高系統(tǒng)的整體性能,滿足高邊坡監(jiān)測需要。