行业 | 北斗高精度监测技术助力预防边坡灾害

《测绘学报》

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近日，边坡监测领域全国首个“5G+北斗高精度定位”融合应用项目落地广西，该项目将提供更高效、更安全、更智能的边坡监测能力。传统的边坡监测方法主要是利用全站仪等仪器进行监测，其受地形的影响较大，需要长期人工测量，效率低，成本高，误差大，而利用北斗技术对边坡进行监测，具有选点灵活、受地形等条件限制较少、自动化程度高、能够实时动态监测等诸多优点。

概述

地质灾害变形区域在短时间内不会出现很大的位移，要通过观测整体的微小变形量，构造统计分析模型，预测变形体长期的变化趋势，为以后的分析决策提供依据。当北斗用于地质灾害监测时，往往是对一定范围内具有代表性的区域建立变形观测点，在远方距离监测点合适的位置（如稳固的基岩上）建立基准点，结合不同类型的传感器实现连续自动的在线监测。同时，北斗变形监测系统已经在成本、精度和实时性等方面远远优于传统的变形监测方法。通过精密解算获得的水平位移和垂直位移量可达到毫米级乃至亚毫米级的精度，可对边坡变形进行预警，为边坡的稳定性、安全性和防灾决策等应用提供科学依据。

基于北斗技术的边坡变形监测系统

北斗云监测系统是基于北斗卫星导航系统，利用北斗高精度GNSS监测仪对边坡的位移变形量进行监测，并通过传输模块将监测数据实时回传到监测云平台，对监测数据进行处理分析，同时生成监测报告。该系统主要包括数据采集、数据传输、数据处理三个部分，实现了从数据采集到数据分析再到监测结果显示的全过程自动化。

1. 北斗卫星导航系统简介

北斗卫星导航系统(BeiDou Navigation Satellite System，简称BDS)是我国自行研制的、具有完全知识产权的全球卫星导航系统。2012年12月27日起，我国的北斗卫星导航业务正式开始对亚太地区提供无源定位、导航和授时服务[2-3]。2018年12月27日，我国北斗三号导航基本系统已经完全建成，开始向全球提供导航服务。

2.北斗高精度GNSS监测仪

监测设备主要为北斗GNSS监测仪，仪器主要由GNSS定位天线、太阳能电池板、主机箱三部分组成。北斗GNSS监测仪工作时，会利用GNSS实时动态监测差分技术进行坡体位移监测，之后将获得的数据通过数据模块和数据天线利用5G无线网络传输到监测云平台。

北斗高精度GNSS监测仪

将1台GNSS接收机固定稳固安置在远离变形区域的位置作为基准站, 另外多台GNSS接收机安置在坡体位移点作为监测站, 基准站和监测站同时观测共视卫星，并以载波相位作为观测量，称为单基站GNSS实时差分技术。由于两个同步观测站观测共视卫星会有较强的GNSS误差相关性，可以利用单差、双差和三差等形式，将两站的观测量组合进行消除或减弱误差，其载波相位测量精度可以达到0.5~2.0 mm。

3 .监测云平台

北斗GNSS监测仪将监测数据传输至数据汇总站，然后通过5G网络传输方式将数据上传至监测云平台进行数据储存。监测云平台接收数据，根据预设的预警模型对GNSS数据进行处理与分析，并对位移量超过限定值的监测结果进行三级预警，同时编制监测报告，发布预警信息。

北斗监测技术的优势

相对于传统的变形监测技术，利用北斗高精度变形监测技术对边坡变形监测具有以下优势：

“两高”：精度高、效率高

以北斗高精度定位技术和精密传感技术为支撑，为监测结构提供高精度（毫米级）的在线监测，并且实现数分钟内得到一组精确定位数据，实时监测边坡的变形。

“两全”：全天候、全自动

北斗定位所使用的GNSS监测仪不易受到温度、湿度、天气和昼夜变化的影响，不需要经常维护，且对地形要求较低，基本可以达到一次安装、多年使用的要求。另外，利用北斗监测技术进行监测是全自动的，监测和记录数据的过程不需要人工操作。

监测实例及分析结果

1 .工程简介

本次监测工程为都安高速20标段某路堑边坡，中线挖方高度2.56 m，左侧最大挖方高度82.2 m。该高边坡区所处于剥蚀丘陵硬质岩区，山体较陡，自然状态下山体稳定。既有高速公路边坡开挖坡度为1∶0.75，坡脚取53°，顶部平缓，坡向约8°，线路中心最大挖方深度82.2 m。最下一级边坡设置抗滑桩挡墙，上几级边坡采用锚杆框架梁防护，顶部设置截水沟。坡面植被稀疏，主要低矮灌木，大面积基岩出露。深挖路堑内未发现断层构造，岩层主要为中风化灰岩，岩层产状为112°∠49°，主要发育三组节理，分别为J1：10°∠78°、J2：99°∠58°和J3：339°∠55°。区内的新构造运动以断裂的继承性和断块的差异性活动为基本特征。第四系以来，区域内没有较大破坏性影响的构造运动。边坡体主要由中风化灰岩、泥质灰岩、燧石灰岩、页岩构成，节理裂隙较发育，可能形成不稳定楔形岩体，对边坡稳定不利，利用赤平投影法对边坡稳定性进行分析。边坡坡面、岩层面、节理J1、J2、J3的倾向和倾角如表1所示，绘制赤平投影如图4所示。

根据赤平图可判断出边坡整体稳定性较好。根据《公路路基设计规范》(JGJD30—2015)对高边坡监测的要求，采用北斗技术对该边坡实施动态监测。

2. 监测点布设

由于该公路路堑边坡目前处于基本稳定状态，主要是监测其位移量变化，判断其稳定状态。该边坡坡底及坡面已进行了工程加固，变形量较小，不能准确地反映边坡整体的状态，而坡顶受到累计位移的影响，整体变形量会较大，因此，将3个GNSS监测仪均布设在边坡的坡顶位置，分别位于K127+520，K127+620和K127+700位置处，并将其分别命名为北斗1#、2#和3#(图5)。同时在公路右侧山顶上布设1个GNSS监测仪作为基准站和数据汇总站。

3 .监测结果分析

自2018年8月中旬上线以来，监测系统一直处于稳定工作状态。系统设置每天监测时长24 h，即监测仪不间断工作，每天回传一组数据。图6～图8所示为监测开始到2019年7月初各点的监测结果。

图6～图8为边坡监测点的累计位移量，图中水平位移和竖直位移的曲线均处于波动状态，由于北斗监测的竖直方向的精度较低，因此在分析边坡变形时，以水平方向的位移为主。北斗1#监测点的水平方向的累计位移最大为8.37 mm，竖直方向累计位移在-4.64～6.59 mm波动；北斗2#监测点水平方向的累计位移最大为6.36 mm，竖直方向累计位移在-5.86～10.02 mm波动；北斗3#监测点水平方向的累计位移最大为5.58 mm，竖直方向累计位移在-7.57～3.64 mm波动。

1#监测点位的水平方向的位移量自2019年入春以来呈现快速增长的趋势，水平位移达到了8.37 mm。初步认定为由于降雨量的增加，使边坡产生了较小的位移，应进一步观察该点的位移状况，若位移量继续快速增大，应结合现场的状况，对边坡采取有效的防护措施，防止灾害的发生。2#和3#监测点位的水平方向位移均小于6.5 mm，且没有明显的加快趋势，考虑到水平方向的位移精度为2.061 mm，认为2#和3#点位的水平方向位移均小于9 mm，因此可判断2#和3#点位处于稳定状态。综合3个点位的位移变化规律，可认为，该边坡目前处于稳定状态，但须对1#点位加强观测，若变形持续增大，应采取一定的防范措施。

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