某边坡工程在线监测系统的应用分析

2021-04-20李秀春

工程质量 2021年2期

王波，邓亚，李秀春，张果

（四川长瑞土木工程检测有限公司，四川成都 611130）

0 引言

高速公路路面宽、车道多和通行能力大，还能很大程度上带动沿线的经济发展，是国家交通运输重要组成部分。为了保证仁沐新高速公路建设期施工安全和运营期的通行安全，有必要对高速路上的地质灾害体进行监测。通过对仁沐新 LJ23 标 LK40+980～LK41+117 段滑坡建立一个先进实用的在线监测系统，可极大地延拓灾害体的监测内容，并可连续地、在线地对灾害体状态进行监测和评估。

1 工程概况

G4216 线仁寿经沐川至屏山新市（含马边支线）段高速公路 LJ23 合同段 LK40+894～LK41+109.52 段路线主要以填、挖形式通过，该段地质条件较复杂，简述如下：LK40+860～LK40+980 段发育一基岩软弱带，软弱带内裂隙发育，地下水较发育，岩质极软；LK40+925～LK40+975 段发育一浅表层滑坡，暴雨工况下处于欠稳定～不稳定状态；LK40+980～LK41+117段滑坡，滑坡状态呈不规则长舌状，滑坡坡体上分布梯级梯田。经验算，滑坡天然及暴雨工况均处于整体稳定状态，但由于沿岩土界面的地下水活动，可能导致岩土界面与覆盖层土体的力学性质下降，使滑体沿岩土界面产生滑动。

2 监测点及断面布置

1）滑坡体降雨量（见图 1 中雨量计）。测点布置在附近相对稳定位置，可视现场情况而定，布置一个雨量计即可。

图1 测点布置示意图

2）滑坡体地下水位（见图 1 中孔隙水压力计）。测点一般布置在地质条件差及鸿沟处、富水位置［1］，或布置在土体内部位移测点处，也可布置在土体内部位移测点底部。为使分析数据更加合理，从节约成本和集成方便等方面考虑，本工程地下水位测点共用测斜管。每条测线布置 1 个测点。

3）滑坡体表面位移（见图 1 中 GPS 监测站）。针对治理后的滑坡，选中间断面布置 3 个测点，此外在稳定位置布置 1 个基点。

4）滑坡体内部位移（见图 1 中固定式测斜仪）。测点钻孔布置在地表位移测点处，利用百米钻机进行钻孔，钻孔深度自坡上至坡下分别为 10 m、8 m 和 6 m。每个测孔布置 3 个测点。

3 仪器设备及其工作原理

监测所使用的主要仪器设备如表 1 所示。

表1 主要仪器设备及用途表

3.1 雨量计工作原理

降雨时承水器收集雨量至储水缸，并通过容栅位移传感器检测水位，从而计算降雨量。

3.2 孔隙水压计工作原理

孔隙水压计主要是由一个线圈、承压膜、钢弦、夹弦器以及透水石组成，其中承压膜与钢弦相连，钢弦上被预加一定张力固定于传感器内。根据经典弦原理，钢弦在弦长及受力一定情况下，其固有频率是固定的。当弦长一定时，钢弦固有频率的平方只同弦的张力成正比关系。外界水压通过透水石作用于渗压计承压膜上，使其发生微小变形，从而导致与承压膜相连接的钢弦张力发生变化，其固有频率亦随之改变。钢弦固有频率的平方与膜片上水压力成正比关系，通过测量钢弦频率的变化，即可得知被测渗水压力大小，0.01 MPa 相当于 1 m 高水柱压强，故通过孔隙水压计可知水位，水压大小计算式表达如式（1）所示，且暂不考虑温度补偿。

式中：P 为孔隙水压力，kPa；K 为标定系数，kPa/Hz2；fo为固有频率，Hz；ft为受力后的频率，Hz。

3.3 GNSS 工作原理

通过对 GNSS 接收机控制下达命令，实现对某一时刻卫星数据的接收，可进行实时位移监测，也可根据需求设置指定时间段进行采集，一般设置为 30 min。GNSS 系统由空间部分、地面控制部分、用户部分 3 部分组成。

系统空间部分主要为各轨道平面上的多颗卫星，每颗卫星都发出用于导航定位的信号［2］。

地面控制部分由若干个跟踪站组成，通过各监控站（见图 2）对 GNSS 的观测数据计算卫星的星历和卫星钟的改成参数等，并将这些数据通过注入站注入到卫星中；同时对卫星进行控制，对卫星发布指令。

（a）监控站观测墩（b）监控站信号发射装置

用户部控制部分由 GNSS 接收机、数据处理软件及相应的用户设备组成，接收 GNSS 卫星所发出的信号，并利用这些信号，通过解算等进行导航定位等工作。

3.4 固定式测斜仪工作原理

通过测得每一个预埋传感器位置处的水平位移量，求出位移曲线，便可知道每一位置处的水平位移量（见图 3）。

图3 土体内部测斜原理

以 4 倍 H0深度为例，L5 为最底部测点，也是最底部导轮式固定测斜仪的顶端，距离孔底的高度为 H，测得的角度偏移量为 θ，则 L5=H×tanθ，L4 处角度偏移量为 β，则 L4=H0×tanβ+L5，采用此方法分别计算导轮固定测斜仪位置处的偏移量，拟合曲线，则可计算出任意深度导轮式固定测斜仪埋设位置处的坡体水平位移。当以地表为起算点时，方法类似。

4 系统数据采集、传输、处理

4.1 数据采集

现场主要为数字信号和模拟信号 2 种信号模式，通过相应的传感器进行信号采集，具体传感器数量如表 2 所示。

表2 传感器数量

采样间隔可根据需要，人工设置时间段。常规条件下每 30 min 采集一次。当发生意外情况或者数据超过一定限值时，可适当提高采集频率，例如 10 min 采集一次或者 5 min 采集一次。

4.2 数据传输方式

现场所有无线传感器设备采集的相关数据信号均可通过成熟的 GPRS/3G/4G 无线网络技术进行传输，再通过灵活地控制设备的采集制度，进行远程控制。直接通过无线传输模块实现对现场设备数据的采集和控制，简单方便。

系统主要采用无线电磁波数传模块进行无线传输，该无线传输模块是由无线数传终端和无线数传主机组成，依靠成熟的 GPRS/3G/4G 网络，在网络覆盖内区域内可以快速组建数据通讯，实现实时远程数据传输［3］。FS-DTU 系列通讯模块支持 AT 指令集，采用通用标准串口对模块进行设置和调试，提供标准的 RS232/485 接口，其工作参数如表 3 所示。

4.3 数据处理

信号在采集前与采集后均可进行数据处理，数据处理有滤波、分析等以下功能。

1）信号实时显示。

表3 无线参数模块技术指标

2）实时数据采集。随机自动采样、触发采样，多次触发采样，采样时间和采样数据长度自由设定，采样时可以实时观察波形的变化。

3）数字滤波。低通，高通，带通，带阻滤波。

4）幅域统计。信号幅域特征参数可用最大值、最小值、平均值、有效值、均方值、方差、标准差等值来描述。

5）时域、频域分析。可对动态信号进行时域、频域范围的不同类型分析，可进行不同点数的 FFT 分析。

6）相关分析。可对各系统间信号的相关性进行分析。

如图 4 所示，系统由感知响应层、传输层和数据运用层 3 部分组成，又可分为传感器子系统、数据采集子系统、数据传输子系统（见图 5）、数据库子系统、数据处理与控制子系统、安全评价和预警子系统。通过各个层相互协调，实现系统的各种功能。

图4 在线监测系统拓扑图

图5 数据传输子系统结构图

5 监测数据分析

5.1 雨量监测

2020年 4 月 6 日～6 月 29 日时间段中雨量监测结果如图 6 所示。4 月 6 日雨量监测值为 51.5 mm；4 月 13 日雨量监测值为 307.9 mm；5 月 4 日雨量监测值为 130.6 mm；5 月 25 日雨量监测值为 84.3 mm；6 月 8 日雨量监测值为 85.0 mm；6 月 15 日雨量监测值为 184.1 mm；6 月 29 日雨量监测值为 323.7 mm。

图6 雨量趋势图

5.2 地下水位监测

4 月 6 日～6 月 29 日时间段中地下水位监测结果如图 7 所示。4 月 6 日～4 月 8 日监测值在 3.898～3.959 m 之间；4 月 8 日～4 月 13 日监测值由 3.908 m 增至 7.184 m；4 月 13 日～4 月 25 日监测值在 7.184～6.745 m 之间；4 月25 日～5 月 2 日监测值由 6.745 m 降至 3.776 m；5 月 2 日～6 月 2 日监测值在 3.367～3.776 m之间；6 月 2 日～6 月8 日监测值由 3.940 m 增至 5.531 m；6 月 8 日～6 月 29 日监测值在 5.143～5.724 m 之间。

图7 地下水位趋势图

5.3 表面位移监测（测点 01）

4 月 6 日～6 月 29 日时间段中表面位移监测结果如图 8 所示。4 月 6 日～6 月 29 日监测点 01-X 方向监测值在 3.50 ～4.60 m m之间；4 月 6 日～6 月 29 日监测点 01-Y 方向监测值在 -0.10 ～1.00 mm 之间；4 月 1 日～6 月 30 日监测点 01-Z 方向监测值在-3.90～-2.30 mm 之间。