肖兴宇

（中铁十八局集团第二工程有限公司，河北 唐山 064000）

1 引言

保证高边坡稳定性是山区铁路、公路、水利水电或采矿领域实现安全施工和运营的前提条件之一，这就需要对高边坡做好实时监测，如果发现异常情况，要立即采取应对举措。传统的高边坡监测主要凭借人工巡查，不仅工效低，巡查也不安全。近来随着信息化技术的发展，北斗卫星导航系统（BDS）导航位移监测法等自动化监测技术应运而生[1-2]。以某铁路高边坡项目为依托，建立安全监测系统，在线实时监测重大隐患以及定期常态巡查，将高边坡内应力自动化监测和地表自动化监测技术“内外结合”，通过振弦式预应力锚索计自动化实时监测坡体内部应力变化情况；通过雨量计、加速度计、BDS系统等自动化在线监测技术，在线监测降雨量、加速度、位移等情况，全方位地及时做好滑坡预警，如果发现异常情况能迅速采取应对举措，为类似的高边坡工程监测提供参考。

2 安全监测预警系统设计

2.1 安全监测预警系统的原理

振弦式预应力锚索计、雨量计、加速度计对监测点的锚索内应力、降雨量、加速度等信息进行实时监测，通过北斗卫星导航系统（BDS）卫星基站对高边坡监测点位移情况进行监测，以上监测数据输入到安全监测预警系统，当相关数据超过预警值时发出警报，相关技术人员立即采取对应措施，科学妥善地解决相关问题[3-4]。安全监测预警系统构成图和流程图如图1、图2所示。

图1 安全监测预警系统构成图

图2 安全监测预警系统流程图

2.2 安全监测仪器设备

安全监测预警系统核心设备是BDS监测站，基准站选用北斗海达TS7RTKGNSS接收机，如图3所示。北斗海达TS7RTKGNSS接收机构包含4G通信、数据高速备份以及位移监测功能等相关模块。北斗海达TS7RTKGNSS接收机具备体形小巧、轻便、安装便捷、功能全、价格合理等特点；适用于需要导航定位和时间同步的相关领域，如高边坡监测、车辆导航等[5]。

图3 北斗海达TS7RTKGNSS接收机

图4所示为FS-YL雨量计实时监测降雨量，能与数据处理中心的电脑进行连接。此外，还有振弦式预应力锚索计、加速度计、球形摄像记录仪等监测设施进行锚索应力监测、加速度监测和表面位移监测，监测数据通过数据处理中心进行预警分析，设备采集的信息数据，如果出现异样，平台就会自动报警。

图4 FS-YL雨量计

3 工程应用

3.1 工程概况

某铁路堑工程起讫里程D2K101+600～D2K101+757.18，长157.18 m，项目以填挖相间形式通过，路堑高边坡最大高度45m，自然高边坡坡度约26～36°，石质较差，该工程高边坡一共五级，一至三级高边坡坡比是1:0.69，四、五级高边坡坡比是1:0.78，一至五级高边坡采取锚索框架梁形式进行安全防护。为切实做好安全防护，有效消除安全隐患，对高边坡进行自动化监测。

3.2 监测内容及测点布设

监测内容详见表1。

表1 高边坡监测内容

（1）锚索预应力监测。在边坡锚索上设置4个振弦式预应力锚索计，如图5所示。可以实时自动化监测锚索预应力状态。

（2）雨量监测。在坡体上挑选较为平坦区域放置好1台FS-YL高精度数字雨量计。

（3）加速度监测。如果高边坡突然出现滑动，加速度定会发生较大变化，如图5所示在坡面配置4个加速度计，监测预判高边坡的是否存在滑坡趋势。

（4）表面位移监测。依据国家测量规范要求，按照现场踏勘情况，通过BDS系统在一个稳定的平台之上建立2个基准点。各监测点见图5。

图5 各监测点布设示意图

3.3 锚索预应力自动监测

3.3.1 工作原理

高边坡应力监测模型见图6。当滑体发生下滑，锚索应力会突变。锚索的坡面端配置锚索计（含应力传感装置）能实时监测岩体应力，出现滑坡现象前，能提前预测到滑坡是否出现。使用动振弦式预应力锚索计监测应力，然后通过无线网络把应力数据传送到信息处理中心，技术人员借助分析软件展开滑坡情况研判[6-8]。

图6 高边坡应力监测原理示意图

3.3.2 高边坡应力自动监测系统组成

（1）锚固系统。传统的锚固系统由锚索及锚具构成，高边坡应力自动监测系统在常规的锚固系统上增加了自动振弦式预应力锚索计（含应力传感装置）。

（2）应力自动监测与通信系统。由供电系统和自动监测设备组成。监测设备可以将监测数据借助

振弦式锚索测力计是锚索自动监测的核心，实物图见图7。锚索测力计能够测量和监测锚索载荷预应力情况，具备稳定性强、灵敏度高、防水性强等特点[9]。通过振弦频率读数仪实时反映锚索所施加的压力，结构示意剖面图见图8。

图7 振弦式锚索测力计

图8 锚索测力计剖面图

（3）信息处理系统。按照工程实际的设定参数，通过计算机分析软件，按照监测情况发出蓝（低风险）、黄（一般）、橙（较大风险）、红（重大风险）等不同级别的预警信号。

3.3.3 高边坡应力自动监测技术应用

在高边坡设置的4个锚索监测点构成锚索预应力监测系统，锚索上振弦式锚索测力计实物图如图9所示。公用无线通信网络传送至信息处理装置。供电设备由光伏板及蓄电装置构成。

图9 锚索测力计实物图

系统每间隔8 h对预应力数据进行监测，N依据预应力变化情况，自动化对测量时间间隔进行调整，通过实时监测，掌握详细的应力变化情况，监测数据如图10所示，4个监测点位的监测值不完全相同，这是因为不同点位的围岩情况不一样，预应力设置值也不一样，另外各点位出现不同程度的应力松弛情况，这属于正常范畴。总体分析，监测点应力比较平稳，在11月、12月应力值出现下降，这是因为边坡内部岩体中存在一些水分，冬季气温降到零度以下时，导致边坡岩体结构结冻，从而导致边坡滑动力下滑。从图10（c）分析，MS3号监测点周边的含水量比较丰富，导致边坡岩体结构结冻情况更为严重，所以应力值更大。图10（c）中出的直线部分是由于监测设备意外出现故障，又因为新冠疫情防控要求，技术员不能及时维修。当维修好后，监测曲线又恢复正常变化状态。曲线的波动满足规范设计要求，证明没有滑坡风险。

图10 监测数据曲线图

如果应力值变化幅度很大，说明边坡安全性和稳定性降低，滑坡概率在升高，需提高监测频率[10]，一旦出现滑坡黄色以上级别预警，必须对现场及时进行处理。

3.4 雨量监测

FS-YL高精度数字雨量计与数据处理中心电脑进行连接，图11、图12展现的是项目所在地7月～12月每月、每日降雨量。

图11 7月～12月降雨量柱状图

图12 7月～8月日降雨量统计图

由图11、图12分析可知，7月降雨量最大，8月中下旬，降雨量逐渐下降；7月6日、7月12日、7月19日和8月7日，日降雨量超过25mm/d，达到预警级别，要及时做好防洪防汛应对。

3.5 位移监测

从图5各监测点布设示意图可知，12个水平与竖向位移监测点的累积位移和位移变化速率如图13和图14所示。通过分析，各监测点都没有超出设计范围，而且很平稳，证明高边坡比较稳定。

图13 累计位移情况

图14 位移变化速率情况

3.6 加速度监测

从图5各监测点布设示意图可知，JSD1～JSD4是4个加速度检测点，图15反映的是加速度随时间变化的曲线图。对图15分析可知，监测范围内，高边坡表面加速度值相对比较稳定，相关数据没有大于预警形变值。但由于施工区域有重型机械，机械施工时对周边产生震动，震动波影响加速度计监测。

图15 位移加速度情况

4 结语

自动化安全监测系统能实现边坡内部应力、降雨量、加速度、位移等信息数据的自动采集功能和无线传输，可以有效地规避人工监测受气候、环境等不利影响的因素，而且极大提升监测数据的精准性和及时性。

（1）安全监测系统应用于高边坡监测，振弦式预应力锚索计可实时快速检测坡体内部应力变化情况，克服了传统BDS位移监测预警滞后性的缺点，能实现对高边坡出现异常情况提前预警。

（2）降雨对高边坡失稳产生影响，需要加强监测力度。监测发现，各监测点累计位移3.3～8.1 mm，位移速率是0～0.41 mm/d，都没有超出设计范围，证明高边坡比较稳定。

（3）坡体加速度在监测期内没有显著变化，证明高边坡岩土体没有发生异常形变，高边坡没有滑坡危险，状态比较稳定。

该项目中构建的安全监测系统，实现了远程化、自动化监测高边坡体形变的动态情况，提高了高边坡监测的效率，有效预防并减少高边坡出现滑坡等事故发生，为后期类似工程监测提供借鉴。