山体位移监测系统图例设计说明（基于GPS位移和边坡应力的滑坡监测技术研究与应用）

白宝君

辽宁省新宾县交通运输事业发展中心

摘 要：介绍了边坡应力监测技术与GPS位移监测技术的原理以及系统实施中的关键技术，二者结合构成多源预警系统有助于提高滑坡预测的效果，并结合某地实际应用案例予以说明。边坡应力监测技术与GPS位移监测技术可以实现滑坡的长期预警和中短期预警相互结合，可以形成多源立体监测系统，有助于提高公路(铁路)边坡监测水平，在交通领域有广阔的应用前景。

关键词：GPS位移监测;边坡应力监测;滑坡;应力监测;锚索;

安全生产关系到国家经济发展和政治稳定。“安全第一，预防为主，综合治理”是我国安全生产基本方针。在交通领域，受限于自然条件，公路(铁路)沿线存在大量的高陡边坡和滑坡体，严重威胁着交通安全，对来往车辆造成安全隐患，为了及时掌握坡体的稳定性，减轻滑坡带来的危害，保障公路(铁路)的安全畅通，有必要对公路(铁路)沿线边坡和滑坡体进行监测。

早期的公路(铁路)边坡监测主要依靠人员定期巡查，人工观察坡体变形情况，费时费力。近年来涌现出很多自动化的监测方法[1]，如表1所示。

表1 边坡监测的常用方法 下载原图

单一的监测手段存在误报率高，预测精度差的问题，将边坡应力监测技术和GPS位移监测法相结合，以提高监测效率和预测精度。

边坡内部应力监测是根据应力超前于形变，即应力变化发生在物体变形之前，通过监测边坡内部的应力变化反映边坡岩体稳定状态的变化，进而预测到滑坡的产生。

系统监测模型如图1所示。在滑床上安装锚索，锚索一端固定在滑床上，另一端伸出地面，用水泥墩固定，锚索锚固于稳定的基岩中。对锚索施加一定的预应力并在水泥墩上的锚索安装振弦式应力传感器，通过智能监测设备监测应力传感器的弦值，通过无线网络将弦值传输至监控中心。通过专业分析软件进行解算出应力值，并预测滑坡的可能性[1]。

图1 边坡应力监测原理图 下载原图

监测点的布置要考虑到岩体大小、岩石种类、坡体高度等地质条件，通过分析岩体变形及潜在滑坡区，将监测点布置在滑动影响范围内的典型位置，多个监测点就形成了监测线。实际中通常每30～50m设置一个监测点，多个监测点构成监测线。

锚索监测的关键是当滑体有下滑趋势时，锚索的应力有所变化，锚固段必须牢牢地锚固在滑床中，锚索施加预应力大小应该使锚索的应力能够更好地反映边坡内部应力变化情况，根据经验，预应力值通常取锚索最大载荷的0.2～0.5倍。

锚索施工时钻孔直径为120cm,6根钢绞线同时铺设，每个10m放置一个中心支架，钢绞线中放置一个一寸塑料管用于注浆。打孔时钻头和岩石摩擦产生岩沫，会影响注浆效果，此时需要进行洗孔作业。如果钻孔过程中遇到岩隙，可能导致流浆，解决办法为注入石膏封住孔壁。

监测设备为自动化程度很高的电子设备，具有通信功能。安装时按照规定连接即可(如图2所示)，由于系统采用太阳能系统供电，配有20W单晶硅电池板及铅酸蓄电池。安装太阳能电池板时电池板板面要朝向南方并注意要远离树木、建筑物的遮光处。

图2 边坡应力监测系统设备连接图 下载原图

现场测量设备测得的是传感器的频率值，需要根据厂家标定公式自动将频率值转换为应力值，换算公式如下:

式中:X为荷载量(k N);F为初始频率(厂家传感器标定表给出);f为荷载频率，为传感器测量值;K为系数(厂家传感器标定表给出);A值厂家传感器标定表给出。

每个传感器F值、A值、K值都不同，传感器厂家出厂时对每个传感器逐一进行了修订，因此具体换算需结合该传感器标定表中的F值、A值、K值进行。

计算出应力值后，即可绘制应力随着时间变化曲线，根据曲线的斜率进行边坡稳定性预警分析。

GPS位移监测系统见图3，工作原理为:各GPS监测点与参考点接收机实时接收GPS信号，并通过数据通讯网络实时发送到控制中心，控制中心服务器GPS数据处理软件实时差分解算出各监测点三维坐标，数据分析软件获取各监测点实时三维坐标，并与初始坐标进行对比而获得该监测点变化量，同时分析软件根据事先设定的预警值而进行报警[2]。

图3 GPS位移监测系统结构 下载原图

GPS是一种三维的空间定位技术，具有自动化程度高，高精度的优点，常用的GPS接收机表面位移监测的误差水平为±2mm 1ppm，高程方向为±4mm 1ppm。

以边坡区域现场环境和该区域地质环境等因素为依据，选择具有代表性的位置布设监控点，如图4所示。

图4 GPS位移监测点 下载原图

监测点布置需要形成横向剖面，即垂直于主滑方向。根据监测网设立及现场条件将GNSS地表监测设备形成X纵X横的网状结构，用于分析边坡沿主滑方向的位移趋势，同时使用横向剖面进行位移修正，从而达到整个坡体表面的监测。观测标志应远离震动。视野开阔，视场内障碍物的高度不宜超过15°。

GPS点位一般由基准点和监测点组成。基准点的选择在远离滑坡区域的稳定岩体上，且周围开阔，适宜于GPS观测[3]。监测点即为每个滑坡体的监测点，因此应根据滑坡体的形态特征、变形特征、动力因素及监测预报等具体要素(变形方位、变形量、变形速率、时空动态、施工动态、发展趋势等)确定点位，且这些点位能真实地反映灾害地质体变形敏感部位，如抗滑桩柱头等部位及阻滑段前缘、下滑段前后缘、索引段前缘和滑坡体的剪出口等位置[4]。基准点和监测点都应远离大功率无线电发射源(如高压电线、移动信号塔电台、微波站等)，其距离不小于200m[5]。

采用测地型静态GPS进行监测网点的监测工作，监测时长一般不小于2h，监测频率应视滑坡的活跃程度及季节变化等情况而定。如发生滑速增快，或遇暴雨、解冻等情况，应及时增加观测次数[6]。

在北方某地根据坡体的实际情况和监测需求，决定采用GPS位移和边坡应力的滑坡监测技术相结合的监测方案，边坡应力用于长期预警，GPS位移用于中短期预警。在滑坡坡体底部设置边坡应力监测点4个，每80m布置1个监测点，构成监测线。在监测点上方区域设置GPS位移监测点2个。应力监测系统每4小时测量一次数据。GPS位移监测系统每1小时获取一次位移数据。

从图5中发现应力监测曲线较为平稳，说明坡体总体较稳定，近期发生大规模滑坡的概率较低。如果应力曲线出现快速上升，而且加速度较大，则说明边坡稳定程度下降，滑坡概率增加。从图6中发现2018年7月份以来位移监测曲线成明显下降曲线，原因为进入汛期坡体表面下沉明显。进入现场区域检查发现滑坡体呈现明显沉降，产生较大裂缝，考虑会发生局部滑塌和落石，建议附近施工人员和设备暂时撤离。

图5 应力变化曲线图 下载原图

图6 位移变化曲线图 下载原图

GPS位移监测具有全天时、全天候、监测精度高等优点，适合进行滑坡的中短期预警，边坡应力监测技术通过预应力锚索技术能够很好获悉岩体中应力变化的规律，适合进行滑坡的长期预警，二者结合，相互补充，可以形成多源立体监测，提高预测的准确性。多源监测技术的应用有助于提高公路(铁路)边坡监测水平，在交通领域有广阔的应用前景。

[1] 白宝君．边坡应力远程监测技术在山区公路中的应用研究[J]．北方交通，2021(6):56-59.

[2] 王宏晖，毛伟．GNSS自动化监测技术在海堤监测应用的探索[J]．水利建设与管理，2016(12):73-76.

[3] 徐礼圣．GPS技术在公路滑坡监测中的应用[J]．淮北职业技术学院学报，2008(5):12-13.

[4] 龚云，王练柱，王随练．GPS技术应用于公路滑坡监测的理论与实践[J]．科技信息，2012(1):89-90.

[5] 李鑫，景浩．GPS CORS技术在地下管线区域控制测量中的应用探讨[J]．测绘通报，2013(S2):286-288.

[6] 龚云，王练柱，王随练．GPS技术应用于公路滑坡监测的理论与实践[J]．科技视界，2012(2):35-37.