中交路橋科技是從事工程檢測監(jiān)測、城市安全監(jiān)測預警與評價、數(shù)字智能化研發(fā)為一體的復合型高新技術集團企業(yè)。
引言
近年來，國家經(jīng)濟得到了飛速的發(fā)展，更加關注西部貧困地區(qū)的經(jīng)濟發(fā)展問題，對于西部地區(qū)的交通基礎設施建設的投資也越來越多。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，同時會產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設施中最為脆弱的部分，因此，保障交通基礎設施安全高效運行的有效途徑之一就是對邊坡的變形進行監(jiān)測。
傳統(tǒng)的邊坡監(jiān)測方法主要是利用全站儀等儀器進行監(jiān)測，其受到地形的影響較大，需要長期人工測量，且易造成人工測量誤差等。而利用北斗技術對邊坡進行監(jiān)測，具有選點靈活、受地形等條件限制較少、自動化程度高、能夠實時動態(tài)監(jiān)測等優(yōu)點。
本文以貴州都勻高速某高邊坡變形監(jiān)測為工程背景，應用北斗高精度GNSS監(jiān)測儀，將北斗技術與邊坡變形的實時監(jiān)測與預警相結合，提高了對于邊坡變形監(jiān)測的效率，同時結合北斗云監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)了從數(shù)據(jù)采集到結果顯示的全過程自動化。
1 基于北斗技術的邊坡變形監(jiān)測系統(tǒng)
北斗云監(jiān)測系統(tǒng)是基于北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)，利用北斗高精度GNSS監(jiān)測儀對邊坡的位移變形量進行監(jiān)測，并通過傳輸模塊將監(jiān)測數(shù)據(jù)實時回傳到監(jiān)測云平臺，對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行處理分析，同時生成監(jiān)測報告。該系統(tǒng)主要包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)分析和結果顯示四個部分，能夠實現(xiàn)從數(shù)據(jù)采集到數(shù)據(jù)分析再到監(jiān)測結果顯示的全過程自動化。1.1 北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)簡介
北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)( BDS)是我國自行研制的、具有完全知識產權的全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)。
2012年12月27日起，我國的北斗衛(wèi)星導航業(yè)務正式開始對亞太地區(qū)提供無源定位、導航和授時服務。2018年12月27日，我國北斗三號導航基本系統(tǒng)已經(jīng)完全建成，開始向全球提供導航服務。1.2北斗高精度GNSS監(jiān)測儀
監(jiān)測設備主要為北斗GNSS監(jiān)測儀，儀器主要由 GNSS定位天線、太陽能電池板、主機箱三部分組成。整個GNSS監(jiān)測儀布置在現(xiàn)場澆筑的水泥墩上，水泥墩埋入地下60 cm，露出地面20 cm，可以防止因設備安裝不穩(wěn)導致的測量誤差，同時可以減小下雨時雨水匯集對設備的損害。設備安裝最頂端為GNSS定位天線，用來接收北斗定位信號。往下是太陽能電池板，太陽能電池板下面為主機箱，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)傳輸模塊內置一張4GSIM卡，通過與數(shù)據(jù)天線的協(xié)同作用，對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行無線傳輸。
北斗GNSS監(jiān)測儀開始工作時，先通過定位模塊獲取定位數(shù)據(jù)，然后定位數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)模塊和數(shù)據(jù)天線利用4G無線網(wǎng)絡傳輸?shù)奖O(jiān)測云平臺。
1.3 監(jiān)測云平臺
北斗GNSS監(jiān)測儀將監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸至數(shù)據(jù)匯總站，然后通過4G網(wǎng)絡傳輸方式將數(shù)據(jù)上傳至監(jiān)測云平臺進行數(shù)據(jù)儲存。
監(jiān)測云平臺接收數(shù)據(jù)，根據(jù)預設的預警模型對 GNSS數(shù)據(jù)進行處理與分析，并對位移量超過限定值的監(jiān)測結果進行三級預警，同時編制監(jiān)測報告，發(fā)布預警信息。用戶及相關人員可以經(jīng)過網(wǎng)絡授權，通過PC客戶端或手機APP看到各監(jiān)測點在選擇的監(jiān)測周期內的監(jiān)測數(shù)據(jù)、變化曲線和監(jiān)測報告。同時工程技術人員可以根據(jù)現(xiàn)場查勘對監(jiān)測報告進行修正，避免系統(tǒng)誤報的情況發(fā)生。
2 北斗技術在變形監(jiān)測中的優(yōu)勢
隨著第三代北斗導航系統(tǒng)建設的推進，北斗定位的精度不斷提高，目前北斗高精度定位技術也逐漸被應用于各種工程領域。肖玉鋼等通過優(yōu)化識別算法分析實測數(shù)據(jù)，得到了毫米級定位精度，驗證了利用北斗技術應用于變形監(jiān)測的可行性。和永軍等將北斗高精度位移監(jiān)測技術應用于橋梁健康監(jiān)測中，實現(xiàn)了橋梁變形的全天候、自動化的監(jiān)測。吳煥瑯等將北斗高精度定位技術應用于大壩形變監(jiān)測，通過對定位數(shù)據(jù)進行誤差修正，達到了毫米級的精度，實現(xiàn)了北斗大壩形變監(jiān)測。研究表明北斗定位技術用于緩慢變形監(jiān)測的研究已足夠成熟，完全可以用于邊坡工程的變形監(jiān)測。
相對于傳統(tǒng)的變形監(jiān)測技術，利用北斗高精度變形監(jiān)測技術對邊坡變形監(jiān)測具有以下優(yōu)勢：
(1)自動化程度高
與全站儀等傳統(tǒng)的測量工具相比，利用北斗進行監(jiān)測可實現(xiàn)自動監(jiān)測、自動記錄。監(jiān)測過程不需要人工操作，能夠實現(xiàn)一次布置，多年隨時隨地獲取測量數(shù)據(jù)。
(2)監(jiān)測效率高
傳統(tǒng)的監(jiān)測方法監(jiān)測效率低，獲取數(shù)據(jù)少，而利用北斗進行邊坡位移監(jiān)測可實現(xiàn)數(shù)分鐘內得到一組精確定位數(shù)據(jù)，能夠實時監(jiān)測邊坡的變形。
(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，基本可以達到一次安裝、多年使用的要求。與傳統(tǒng)的測量手段相比，利用北斗技術監(jiān)測邊坡變形可以實現(xiàn)全天候全自動的穩(wěn)定工作。
(4)對地形要求低
北斗定位設備不要求通視條件，受地形、植被影響較小，且體積小、額定功率低，可使用太陽能電池供電，不需要較大的空曠區(qū)域，設備的安裝和拆除也很方便。
(5)符合國家發(fā)展戰(zhàn)略
過去我國定位和導航產業(yè)長期依賴于美國的GPS定位系統(tǒng)，對于國家的安全和可持續(xù)發(fā)展產生了巨大的威脅。而如今，我國自主研發(fā)了自己的北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)，同時國家大力推廣北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)在民用工程中的應用。因此，將北斗衛(wèi)星導航技術應用于邊坡安全的在線監(jiān)測工程，符合國家北斗衛(wèi)星導航的發(fā)展戰(zhàn)略。
3 邊坡變形監(jiān)測系統(tǒng)的誤差分析
3.1 北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)定位誤差
北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)的誤差主要來源于北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)的定位誤差。根據(jù)是否有參照位置，北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)的定位方法可以分為絕對定位和相對定位。
絕對定位又稱為單點定位，定位精度相對較低，水平和豎直方向誤差小于10 m，可用于衛(wèi)星導航中，但不能滿足邊坡變形監(jiān)測對精度的要求。相對定位主要是指利用兩臺或多臺北斗監(jiān)測儀同時進行定位。其中，放置在被監(jiān)測地點的北斗監(jiān)測儀被稱為監(jiān)測站，而另一臺起到基準參照點作用的北斗監(jiān)測儀被稱為基準站。這樣可以有效的降低北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)的定位誤差，提高監(jiān)測精度。同時可以通過延長相對定位的時間，實現(xiàn)監(jiān)測系統(tǒng)的毫米級定位。
3.2 北斗監(jiān)測系統(tǒng)精度試驗
3.2.1試驗目的
本次試驗主要測試邊坡變形監(jiān)測系統(tǒng)的精度，確定北斗相對定位的精度和定位時長的關系，以滿足高邊坡變形監(jiān)測的精度要求。由于北斗GNSS監(jiān)測儀的水平方向精度大于豎直方向精度，在邊坡變形監(jiān)測中，水平方向的監(jiān)測數(shù)據(jù)更為可靠。因此本次試驗只測試北斗監(jiān)測系統(tǒng)在水平方向上的精度。
3.2.2試驗環(huán)境
利用北斗相對定位進行精確測量時，應確保周圍無山體、樹木等遮擋，同時要確定至少可以搜索到4顆及其以上的北斗衛(wèi)星。因此本次試驗將監(jiān)測站設置在長安大學水力實驗室的樓頂，將基準站設置在附近500 m外的空曠草地上，兩點附近均無遮擋，可以通視。
3.2.3試驗方案
本次試驗通過移動監(jiān)測站，利用直尺和北斗相對定位的方法，同時測量水平方向上的位移，由于試驗每次挪動監(jiān)測站的距離較短且試驗周期相對較短，可認為直尺測量位移為實際位移，通過對比兩者之間的差值，分析北斗相對定位在水平方向上的精度。
試驗裝置由直尺、北斗定位設備、滑塊組成。在遠處放置另一臺北斗定位設備作為基準站，由北斗定位設備和滑塊組成監(jiān)測站。對于監(jiān)測站，試驗時，滑動滑塊至目標位置，以直尺測量的滑動距離為標準，通過北斗相對定位的位置變化與直尺測量的位置變化進行對比，分析出北斗相對定位水平方向上的精度。
具體的試驗步驟如下：
(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應直尺的刻度，同時使用北斗相對定位時間T1，得到一次定位結果；
(3)調整定位時長Ti，得到不同時刻的定位結果完成一組試驗，分析不同定位時長的北斗相對定位精度；
(4)緩慢挪動滑塊，使滑塊水平挪動10 mm（相對于直尺）；
(5)重復步驟(2)～(4)共20次，完成試驗，得出不同北斗點對定位時長T對應的定位精度。
3.2.4試驗結果
定位時長T分別選為1min、1h、6h和24 h四個時間長度，并以水平直尺的刻度變化為橫坐標、以北斗測量的水平位移量為縱坐標作圖。
可以明顯看出定位時長越長，監(jiān)測系統(tǒng)的精度越高，更接近于理想測量線。當定位時長為1 min時，變形監(jiān)測的最大誤差為18. 267 mm；定位時長為1h時，變形監(jiān)測的最大誤差為7. 692 mm；定位時長為6 h時，變形監(jiān)測的最大誤差為3. 497 mm；定位時長為24 h時，變形監(jiān)測的最大誤差為2. 071 mm。由于工程中實際使用的北斗監(jiān)測儀使用太陽能供電，具備可全天候穩(wěn)定工作的能力，因此，選擇定位時長為24h，最大限度的提升其監(jiān)測精度。
4 實際應用
4.1工程簡介
本次監(jiān)測工程為都安高速20標段某路塹邊坡，中線挖方高度2. 56 m，左側最大挖方高度82.2m。該高邊坡區(qū)所處于剝蝕丘陵硬質巖區(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。最下一級邊坡設置抗滑樁擋墻，上幾級邊坡采用錨桿框架梁防護，頂部設置截水溝。坡面植被稀疏，主要低矮灌木，大面積基巖出露。深挖路塹內未發(fā)現(xiàn)斷層構造，巖層主要為中風化灰?guī)r，巖層產狀為112?！?9。，主要發(fā)育三組節(jié)理，分別為J1：10?！?8。、 J2：99。∠58。和J3：339?！?5。區(qū)內的新構造運動以斷裂的繼承性和斷塊的差異性活動為基本特征。第四系以來，區(qū)域內沒有較大破壞性影響的構造運動。邊坡體主要由中風化灰?guī)r、泥質灰?guī)r、燧石灰?guī)r、頁巖構成，節(jié)理裂隙較發(fā)育，可能形成不穩(wěn)定楔形巖體，對邊坡穩(wěn)定不利，利用赤平投影法對邊坡穩(wěn)定性進行分析。
可判斷出邊坡整體穩(wěn)定性較好。根據(jù)《公路路基設計規(guī)范》( JGJD30-2015)對高邊坡監(jiān)測的要求，采用北斗技術對該邊坡實施動態(tài)監(jiān)測。
4.2監(jiān)測點布設
由于該公路路塹邊坡目前處于基本穩(wěn)定狀態(tài)，對其實時動態(tài)監(jiān)測，主要是監(jiān)測其位移量變化，判斷其穩(wěn)定狀態(tài)。該邊坡坡底及坡面已進行了工程加固，變形量較小，不能準確地反映邊坡整體的狀態(tài)，而坡頂受到累計位移的影響，整體變形量會較大，因此，將3個 GNSS監(jiān)測儀均布設在邊坡的坡頂位置，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#。同時在公路右側山頂上布設1個GNSS監(jiān)測儀作為基準站和數(shù)據(jù)匯總站。
4.3監(jiān)測結果分析
自2018年8月中旬上線以來，監(jiān)測系統(tǒng)一直處于穩(wěn)定工作狀態(tài)。系統(tǒng)設置每天監(jiān)測時長24 h，即監(jiān)測儀不間斷工作，每天回傳一組數(shù)據(jù),監(jiān)測開始到2019年7月初各點的監(jiān)測結果。
邊坡監(jiān)測點的累計位移量，水平位移和豎直位移的曲線均處于波動狀態(tài)，由于北斗監(jiān)測的豎直方向的精度較低，因此在分析邊坡變形時，以水平方向的位移為主。北斗1#監(jiān)測點的水平方向的累計位移最大為8. 37 mm，豎直方向累計位移在-4.64～6.59 mm波動；北斗2#監(jiān)測點水平方向的累計位移最大為6. 36 mm，豎直方向累計位移在-5.86～10. 02 mm波動；北斗3#監(jiān)測點水平方向的累計位移最大為5. 58 mm，豎直方向累計位移在-7.57～3.64 mm波動。
1#監(jiān)測點位的水平方向的位移量自2019年人春以來呈現(xiàn)快速增長的趨勢，水平位移達到了8. 37 mm。初步認定為由于降雨量的增加，使邊坡產生了較小的位移，應進一步觀察該點的位移狀況，若位移量繼續(xù)快速增大，應結合現(xiàn)場的狀況，對邊坡采取有效的防護措施，防止災害的發(fā)生。2#和3#監(jiān)測點位的水平方向位移均小于6.5 mm，且沒有明顯的加快趨勢，考慮到水平方向的位移精度為2. 061 mm，認為2#和3#點位的水平方向位移均小于9 mm，因此可判斷2#和3#點位處于穩(wěn)定狀態(tài)。綜合3個點位的位移變化規(guī)律，可認為，該邊坡目前處于穩(wěn)定狀態(tài)，但須對1#點位加強觀測，若變形持續(xù)增大，應采取一定的防范措施。
5 結論
本文簡要概述了將北斗技術用于對邊坡變形監(jiān)測的可行性，并且成功的將其應用于貴州都安高速某高邊坡的位移監(jiān)測。結論如下：
(1)北斗位移監(jiān)測具有自動化程度高、布設靈活、受地形影響較小、可全天候穩(wěn)定工作的優(yōu)點。
(2)通過變形監(jiān)測試驗認為，利用北斗云監(jiān)測系統(tǒng)對邊坡變形進行監(jiān)測，其精度水平可以達到水平方向2 mm左右，完全可以滿足邊坡變形監(jiān)測的精度要求。
(3)貴州都安高速某高邊坡的位移監(jiān)測表明北斗技術完全可以用于實際邊坡的變形監(jiān)測，值得廣泛推廣。
摘自：《中國地質災害與防治學報》2020年 第1期 第31卷
