李家春，宋宗昌，侯少梁，王利婷，范小力

(長安大學特殊地區(qū)公路工程教育部重點實驗室，陜西 西安 710064)

0 引言

近年來，國家經(jīng)濟得到了飛速的發(fā)展，更加關(guān)注西部貧困地區(qū)的經(jīng)濟發(fā)展問題，對于西部地區(qū)的交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)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(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(shù)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?qū)崟r動態(tài)監(jiān)測等優(yōu)點[1]。

本文以貴州都勻高速某高邊坡變形監(jiān)測為工程背景，應(yīng)用北斗高精度GNSS監(jiān)測儀，將北斗技術(shù)與邊坡變形的實時監(jiān)測與預警相結(jié)合，提高了對于邊坡變形監(jiān)測的效率，同時結(jié)合北斗云監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)了從數(shù)據(jù)采集到結(jié)果顯示的全過程自動化。

1 基于北斗技術(shù)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(jié)果顯示四個部分，能夠?qū)崿F(xiàn)從數(shù)據(jù)采集到數(shù)據(jù)分析再到監(jiān)測結(jié)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(chǎn)權(quán)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(wù)正式開始對亞太地區(qū)提供無源定位、導航和授時服務(wù)[2-3]。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(wù)[4]。

1.2 北斗高精度GNSS監(jiān)測儀

監(jiān)測設(shè)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(shè)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(shè)備的損害。設(shè)備安裝如圖1所示，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(nèi)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。

圖1 監(jiān)測設(shè)備及其安裝圖Fig.1 Monitoring equipment and its installation diagram

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(luò)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(luò)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(shè)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(jié)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(guān)人員可以經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)授權(quán)，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(nèi)的監(jiān)測數(shù)據(jù)、變化曲線和監(jiān)測報告。同時工程技術(shù)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(shù)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(shè)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(shù)也逐漸被應(yīng)用于各種工程領(lǐng)域。肖玉鋼等[5]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(shù)應(yīng)用于變形監(jiān)測的可行性。和永軍等[6]將北斗高精度位移監(jiān)測技術(shù)應(yīng)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[7]將北斗高精度定位技術(shù)應(yīng)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(shù)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(shù)，利用北斗高精度變形監(jiān)測技術(shù)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?qū)崿F(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(nèi)得到一組精確定位數(shù)據(jù)，能夠?qū)崟r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(shù)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(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)符合國家發(fā)展戰(zhàn)略

過去我國定位和導航產(chǎn)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(chǎn)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(yīng)用。因此，將北斗衛(wèi)星導航技術(shù)應(yīng)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[8]，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(圖2)。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。

圖2 相對定位示意圖Fig.2 Sketch of relative positioning

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(guān)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(yīng)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(shè)置在長安大學水力實驗室的樓頂，將基準站設(shè)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(shè)備、滑塊組成。在遠處放置另一臺北斗定位設(shè)備作為基準站，由北斗定位設(shè)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(yīng)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(jié)果；

(3)調(diào)整定位時長Ti，得到不同時刻的定位結(jié)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(yīng)的定位精度。

3.2.4試驗結(jié)果

定位時長T分別選為1 min、1 h、6 h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(圖3)。

圖3 北斗變形監(jiān)測系統(tǒng)精度試驗結(jié)果Fig.3 Results of Beidou deformation monitoring system accuracy test

圖3為北斗變形監(jiān)測系統(tǒng)的精度試驗結(jié)果?？梢悦黠@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1 h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24 h，最大限度的提升其監(jiān)測精度。

4 實際應(yīng)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(cè)最大挖方高度82.2 m。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82.2 m。最下一級邊坡設(shè)置抗滑樁擋墻，上幾級邊坡采用錨桿框架梁防護，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，巖層主要為中風化灰?guī)r，巖層產(chǎn)狀為112°∠49°，主要發(fā)育三組節(jié)理，分別為J1：10°∠78°、J2：99°∠58°和J3：339°∠55°。區(qū)內(nèi)的新構(gòu)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(nèi)沒有較大破壞性影響的構(gòu)造運動。邊坡體主要由中風化灰?guī)r、泥質(zhì)灰?guī)r、燧石灰?guī)r、頁巖構(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。邊坡坡面、巖層面、節(jié)理J1、J2、J3的傾向和傾角如表1所示，繪制赤平投影如圖4所示。

表1 赤平圖投影參數(shù)Table 1 Parameters of stereographic projection

圖4 赤平投影分析圖Fig.4 The analysis diagram of stereographic projection

根據(jù)赤平圖可判斷出邊坡整體穩(wěn)定性較好。根據(jù)《公路路基設(shè)計規(guī)范》(JGJD30—2015)對高邊坡監(jiān)測的要求，采用北斗技術(shù)對該邊坡實施動態(tài)監(jiān)測。

4.2 監(jiān)測點布設(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(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#(圖5)。同時在公路右側(cè)山頂上布設(shè)1個GNSS監(jiān)測儀作為基準站和數(shù)據(jù)匯總站。

圖5 監(jiān)測網(wǎng)點布設(shè)示意圖Fig.5 Monitoring network layout

4.3 監(jiān)測結(jié)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(shè)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)。圖6～圖8所示為監(jiān)測開始到2019年7月初各點的監(jiān)測結(jié)果。

圖6 北斗1#增量位移Fig.6 Beidou 1# incremental displacement

圖7 北斗2#增量位移圖Fig.7 Beidou 2# incremental displacement

圖8 北斗3#增量位移圖Fig.8 Beidou 3# incremental displacement

圖6～圖8為邊坡監(jiān)測點的累計位移量，圖中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年入春以來呈現(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(chǎn)生了較小的位移，應(yīng)進一步觀察該點的位移狀況，若位移量繼續(xù)快速增大，應(yīng)結(jié)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(yīng)采取一定的防范措施。

5 結(jié)論

本文簡要概述了將北斗技術(shù)用于對邊坡變形監(jiān)測的可行性，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。結(jié)論如下：

(1)北斗位移監(jiān)測具有自動化程度高、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。

(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(shù)完全可以用于實際邊坡的變形監(jiān)測，值得廣泛推廣。