李明智，巫星德，劉先林

(1.廣西交通設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，廣西 南寧 530029；2.廣西路橋工程集團(tuán)有限公司，廣西 南寧 530200)

0 引言

據(jù)2018年地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查評(píng)價(jià)結(jié)果，96.65%的廣西陸地面積屬地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)區(qū)，其中地質(zhì)災(zāi)害高、中易發(fā)區(qū)占比達(dá)42.3%，在這些地區(qū)開展公路建設(shè)，存在很高的風(fēng)險(xiǎn)，一旦產(chǎn)生公路地質(zhì)災(zāi)害，不僅嚴(yán)重影響工程安全，還嚴(yán)重威脅周邊環(huán)境乃至人身財(cái)產(chǎn)安全，帶來(lái)惡劣的社會(huì)影響[1-2]。

提前感知與防范，是防治公路地質(zhì)災(zāi)害的最有效手段。邊坡的失穩(wěn)破壞，往往需要經(jīng)歷蠕變、勻速運(yùn)動(dòng)、加速運(yùn)動(dòng)至破壞的發(fā)展過(guò)程[3]，在這個(gè)過(guò)程中，位移變形是其最明顯的特征，只要獲取到公路邊坡的位移變形信息，就可以采取措施有效地避免邊坡失穩(wěn)的發(fā)生。傳統(tǒng)的高速公路邊坡變形的獲取主要依靠全站儀、測(cè)斜儀等人工定期監(jiān)測(cè)手段，但是在復(fù)雜特殊條件下，這些方法存在明顯的不足，其主要缺點(diǎn)是要求相關(guān)工作人員必須到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)才能進(jìn)行觀測(cè)，往往會(huì)存在監(jiān)測(cè)頻率低、工作效率低、無(wú)法有效預(yù)警的缺點(diǎn)[4]。

GNSS全稱是全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(Global Navigation Satellite System)，是泛指所有的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，主要包含美國(guó)的GPS、俄羅斯的Glonass、歐洲的Galileo、中國(guó)的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)[5]。其通過(guò)衛(wèi)星信號(hào)進(jìn)行定位，并結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，將定位數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)發(fā)回云平臺(tái)，采用自動(dòng)化平臺(tái)自動(dòng)實(shí)現(xiàn)對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集、成圖與預(yù)警，實(shí)現(xiàn)全過(guò)程的自動(dòng)化與智能化，大大提高了監(jiān)測(cè)的時(shí)效性與預(yù)警的準(zhǔn)確性[6-7]。

1 GNSS定位原理與監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 GNSS定位原理

GNSS系統(tǒng)定位的基本原理是利用測(cè)距交會(huì)確定點(diǎn)位。當(dāng)GNSS接收機(jī)接收到衛(wèi)星信號(hào)時(shí)，衛(wèi)星坐標(biāo)與信號(hào)傳播時(shí)間為已知量，通過(guò)信號(hào)傳播時(shí)間可求出衛(wèi)星與GNSS接收機(jī)的距離。因此，在三維空間中，GNSS接收機(jī)的可能位置構(gòu)成一個(gè)球面。

當(dāng)測(cè)到兩顆衛(wèi)星的距離時(shí)，接收機(jī)的可能位置被確定于兩個(gè)球面相交構(gòu)成的圓上；當(dāng)?shù)玫降谌w衛(wèi)星的距離后，球面與圓相交得到兩個(gè)可能的點(diǎn)；第四顆衛(wèi)星用于確定接收機(jī)的準(zhǔn)確位置。因此，如果接收機(jī)能夠得到四顆GPS衛(wèi)星的信號(hào)，就可以進(jìn)行定位；當(dāng)接收到信號(hào)的衛(wèi)星數(shù)目>4時(shí)，可以優(yōu)選四顆衛(wèi)星計(jì)算位置，如圖1所示。

圖1 單點(diǎn)定位原理示意圖

受到衛(wèi)星軌道誤差、電離層延遲、大氣折射效應(yīng)等影響，僅使用單點(diǎn)定位時(shí)，定位精度為數(shù)米級(jí)，無(wú)法滿足地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)需求。為提高定位精度，地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)中一般采用靜態(tài)解算的方法，其基本原理為在監(jiān)測(cè)站附近穩(wěn)定區(qū)域安裝設(shè)備作為基準(zhǔn)站，基準(zhǔn)站與監(jiān)測(cè)站的數(shù)據(jù)同時(shí)傳回解算平臺(tái)，進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的靜態(tài)解算，可得到毫米級(jí)別的位移信息。

1.2 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

采用全自動(dòng)的監(jiān)測(cè)方法進(jìn)行監(jiān)測(cè)，使用太陽(yáng)能對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行供電，通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的方式，將所有接收機(jī)數(shù)據(jù)傳輸至服務(wù)器進(jìn)行解算，解算后傳輸至自動(dòng)化監(jiān)測(cè)預(yù)警平臺(tái)進(jìn)行預(yù)警與展示，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)邊坡的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與自動(dòng)預(yù)警。系統(tǒng)主要由4個(gè)部分構(gòu)成：GNSS接收機(jī)、供電系統(tǒng)、解算平臺(tái)與客戶端。 各組成部分主要參數(shù)如下：

GNSS接收機(jī)：采用三星八頻GNSS接收機(jī)，可以接收并聯(lián)合處理北斗BDS B1B2B3、GPS L1L2L3、GLONASS L1L2數(shù)據(jù)，平面定位精度2.5 mm+1 ppm，高程定位精度5 mm+1 ppm，設(shè)備功率2 W，數(shù)據(jù)采集間隔60 s，每30 min提供一次解算結(jié)果。

供電系統(tǒng)：2×80 W太陽(yáng)能板、60 AH蓄電池，可滿足連續(xù)陰雨天的24 h持續(xù)供電。

解算平臺(tái)：采用靜態(tài)解算，每60 min生成一次解算結(jié)果，采用非線性卡爾曼濾波算法進(jìn)行濾波。

客戶端：采用B/S架構(gòu)，支持網(wǎng)頁(yè)端與手機(jī)端查看，具有自動(dòng)采集、成圖、智能預(yù)警、人工巡視、報(bào)表生成、綜合管理等功能。

2 典型監(jiān)測(cè)成果

以廣西賀州至巴馬高速公路某邊坡為例，邊坡主要由三疊系下統(tǒng)地層組成，巖性為泥質(zhì)砂巖，薄-中厚層構(gòu)造，全-強(qiáng)風(fēng)化為主，其中全風(fēng)化層呈堅(jiān)硬土狀，強(qiáng)風(fēng)化層巖質(zhì)較軟，巖體破碎，層厚>25.0 m，中風(fēng)化巖層埋藏深，邊坡巖層產(chǎn)狀為335°/SW∠65°，為逆向坡。

在坡面上布置9個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，主斷面布置3個(gè)設(shè)備，兩側(cè)斷面各布置2個(gè)設(shè)備。基準(zhǔn)站1臺(tái)，布置在距離監(jiān)測(cè)點(diǎn)約200 m處的空曠地帶。監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置如圖2所示。

圖2 監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置圖

設(shè)備于2021年4月安裝，邊坡開挖至兩級(jí)，后根據(jù)邊坡開挖情況，逐級(jí)開挖，逐級(jí)安裝。經(jīng)歷了邊坡變形開裂、局部失穩(wěn)、應(yīng)急搶險(xiǎn)的過(guò)程，北斗位移監(jiān)測(cè)站在此過(guò)程中采集了完整的變形數(shù)據(jù)，充分證明了其有效性，指導(dǎo)了現(xiàn)場(chǎng)施工，具體成果如下。

(1)邊坡位移方位獲取。北斗解算得到了三個(gè)數(shù)值，分別為：X(東方向)、Y(北方向)、Z(高程方向)，通過(guò)X、Y求反三角函數(shù)，可得到北斗監(jiān)測(cè)站的位移方位。通過(guò)對(duì)比北斗監(jiān)測(cè)站的位移方位與邊坡開挖方向，既可以驗(yàn)證數(shù)據(jù)是否符合實(shí)際情況，排除明顯的壞點(diǎn)，也可以獲取邊坡的位移方位，針對(duì)性地采取措施。如圖3所示為兩個(gè)典型監(jiān)測(cè)站求出的位移方位圖，可以看出北斗監(jiān)測(cè)站位移方位角為50°(圖中散點(diǎn))，邊坡坡面方位角也是50°(圖中箭頭)，這說(shuō)明邊坡位移方位是完全朝著開挖的臨空方位，是由于邊坡開挖導(dǎo)致的巖土體位移。

(a)2-GNSS1監(jiān)測(cè)站

(b)3-GNSS1監(jiān)測(cè)站

(2)邊坡穩(wěn)定性分析。如后頁(yè)圖4所示為監(jiān)測(cè)點(diǎn)的累計(jì)位移-時(shí)間曲線，由該曲線可以看出邊坡的累計(jì)位移量與位移速率，通過(guò)累計(jì)位移量與位移速率可推斷出邊坡的穩(wěn)定狀態(tài)。由圖4可以看出，設(shè)備自4月安裝以來(lái)，一直處于位移中，在4月18日至6月17日曲線處于平直上升段，整體處于勻速運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，整體位移速率約為2.5 mm/d。此時(shí)，邊坡處于欠穩(wěn)定狀態(tài)，但未達(dá)到失穩(wěn)，監(jiān)測(cè)方給出了橙色警戒，提醒現(xiàn)場(chǎng)注意及時(shí)采取措施，該過(guò)程中邊坡坡頂與坡面逐漸出現(xiàn)局部裂縫，且裂縫一直在發(fā)展。6月18日之后累計(jì)位移-時(shí)間曲線斜率明顯變大，邊坡進(jìn)入了加速位移階段，位移速率約為50 mm/d，速率較前期大了20倍，此階段邊坡已經(jīng)處于失穩(wěn)的邊緣，觸發(fā)紅色警戒值，系統(tǒng)發(fā)出紅色警報(bào)。6月19日，邊坡發(fā)生局部垮塌。

(3)處置效果驗(yàn)證。6月19日邊坡垮塌后，北斗顯示邊坡仍然保持著高速位移，位移速率整體保持在100 mm/d以上，隨時(shí)有發(fā)生二次垮塌的風(fēng)險(xiǎn)，為保障邊坡安全，相關(guān)單位進(jìn)行了坡腳反壓搶險(xiǎn)。6月25日，邊坡反壓至30 m，可以看出搶險(xiǎn)反壓后，位移速率明顯降低，曲線整體趨向于平緩，而后位移速率降低趨勢(shì)明顯。至6月29日，位移曲線基本為一平直線，位移速率降為0，這說(shuō)明搶險(xiǎn)措施效果良好，邊坡已經(jīng)處于安全狀態(tài)。通過(guò)北斗位移監(jiān)測(cè)有效證明了搶險(xiǎn)措施的有效性。

(a)2-GNSS1監(jiān)測(cè)站

(b)3-GNSS1監(jiān)測(cè)站

3 結(jié)語(yǔ)

本文以西部某高速公路典型邊坡為例，建立了GNSS自動(dòng)化監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)，對(duì)邊坡進(jìn)行了全過(guò)程的監(jiān)測(cè)預(yù)警，得到以下結(jié)論：

(1)通過(guò)結(jié)合GNSS定位技術(shù)與無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)邊坡地表位移的自動(dòng)化監(jiān)測(cè)，有效提高了監(jiān)測(cè)的時(shí)效性與預(yù)警的可靠性。

(2)通過(guò)分析GNSS位移方位圖，可了解邊坡的位移方位，為邊坡的處置提供參考。

(3)通過(guò)分析GNSS累計(jì)位移-時(shí)間曲線圖，得到累計(jì)位移量與實(shí)時(shí)位移速率，在施工期與運(yùn)營(yíng)期可以對(duì)邊坡的安全進(jìn)行預(yù)警，在搶險(xiǎn)期可以通過(guò)位移速率判斷搶險(xiǎn)措施的有效性，實(shí)現(xiàn)信息化施工與動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)。