引言

    近年來，國家經濟得到了飛速的發展，更加關注西部（bù）貧困地區的（de）經（jīng）濟發展問題，對於西部地區的交通基礎設施（shī）建（jiàn）設的（de）投資也越來越多。西部山區地麵起伏較大，修（xiū）建高速公路難度較大，成本較高，同（tóng）時會產生大量的挖（wā）方和棄方邊坡。公路（lù）邊坡是（shì）在人為作用下形成的，通常情況（kuàng）下是交通基礎設施中最為脆弱的部（bù）分，因此，保障交通基礎設施安全高效運行的有效途徑（jìng）之一就（jiù）是對邊坡的變形進行監測。

    傳統的邊坡監測方法主要是利用全站儀等儀器進（jìn）行監（jiān）測（cè），其受到地形的影響（xiǎng）較大，需要長期人（rén）工（gōng）測量，且易造成人（rén）工測量誤差等。而利用北鬥技術對邊坡進行（háng）監測，具有選點靈（líng）活、受地形等條件限製較少、自動化（huà）程度高、能（néng）夠實時動態監（jiān）測等優點。

本文以貴州都勻高速某高邊坡變形（xíng）監（jiān）測為工程背景，應用北鬥高精度GNSS監測儀，將北鬥技術與邊（biān）坡變形（xíng）的實時監測與預警相結（jié）合，提（tí）高了對於邊坡變形監測的效率，同時結合北鬥雲監測係統（tǒng），實現了從數據采集到結果顯示的全過（guò）程自動化。

1  基於北鬥技術的邊坡變形監測係統（tǒng）

    北鬥雲監測（cè）係統是基於（yú）北鬥衛星導航係統，利用北鬥高精度GNSS監測儀對邊坡（pō）的位移變形量進行監測，並通過傳輸模塊將監測數據實時回傳到監測雲平台，對（duì）監測數據進行處理分析，同時生成監測報告。該係統主要包括數據采集、數據傳輸、數據分析和結（jié）果顯示四個部分，能（néng）夠實現從（cóng）數據采集到數（shù）據分析再到監測結果顯示的全過程自動化。1.1  北鬥衛星導航係統簡介

    北鬥（dòu）衛星導航係統( BDS)是我國（guó）自行研（yán）製的、具有完全知識產權的全球衛（wèi）星導航係統。

    2012年12月27日起，我國的北鬥衛星導航業務正式開始對（duì）亞太地區提供無源定（dìng）位、導航和授時服務。2018年12月27日，我（wǒ）國北鬥三號（hào）導航基（jī）本係統已經（jīng）完全建成，開始向（xiàng）全球提供導航服務（wù）。1.2北鬥高精度GNSS監測（cè）儀

    監（jiān）測設備主要（yào）為（wéi）北鬥GNSS監測儀，儀器主要由 GNSS定位天（tiān）線、太陽能電池板、主機箱三部分組成。整個GNSS監測（cè）儀布置在現場澆（jiāo）築的水泥墩上，水泥墩（dūn）埋入地下60 cm，露出地麵20 cm，可以防止（zhǐ）因設備安（ān）裝（zhuāng）不穩導致的測量誤差（chà），同時可（kě）以減小下雨（yǔ）時雨水匯集對設備（bèi）的損害。設備安裝最頂端為GNSS定位（wèi）天線，用來接收北鬥定位信號。往下是太陽能電池板，太陽能電池板下（xià）麵為主機箱，裏麵包括蓄電池、北鬥定位模塊、數據傳輸模塊和數據天線等（děng）。數據（jù）傳輸模塊內置一張4GSIM卡，通過與數（shù）據天線的協同作用，對（duì）監測數（shù）據進行無線傳輸。

北鬥GNSS監測儀開始工作時（shí），先通過定（dìng）位模（mó）塊獲取定位數據，然後定（dìng）位數（shù）據（jù）通過數據模（mó）塊和數據天線利用4G無線網絡傳輸到監測雲平台。

1.3  監測雲平台

    北鬥GNSS監測儀（yí）將監測數據傳輸至數據匯總站，然後通過（guò）4G網絡傳輸方式將數（shù）據上傳至（zhì）監測（cè）雲平台進行數據儲存。

監測雲平台（tái）接收數據，根據預設的預警模型對 GNSS數據進行處理與分析，並對位移量超過限定值的監（jiān）測結果進行三級預（yù）警，同（tóng）時編製監（jiān）測報告，發布預警信息。用戶及相（xiàng）關人（rén）員可以經過（guò）網絡授權，通過PC客戶端或手機APP看到各監測點在選擇的監測周期內的監測數（shù）據、變化曲線（xiàn）和監測報告（gào）。同時工程技術人員（yuán）可以（yǐ）根據現場查勘對監測報告（gào）進行修正（zhèng），避免係統誤報的情況發生。

2  北鬥技術在（zài）變形監測中的優勢

    隨著第三代北鬥導航係統建設的推進，北（běi）鬥定位的精度不斷提高，目前北鬥高精度定位（wèi）技術也逐漸被應用於各種工（gōng）程領域。肖玉鋼等（děng）通過優化識別算法分析（xī）實測數據，得到了毫米級定位精度，驗證了利用北鬥技術（shù）應用於變形監測的可行性。和永軍等將北鬥（dòu）高精度位移（yí）監測技術應用於橋梁健康監（jiān）測中，實現（xiàn）了橋梁變形的（de）全天候（hòu）、自動化的監測。吳煥琅（láng）等將北鬥高精度（dù）定位技術應用於大壩形變（biàn）監（jiān）測，通過對（duì）定位數據進行誤差修正，達到了毫米級的精度，實現了北鬥大壩形變監測。研究表明北鬥定（dìng）位技術用於（yú）緩（huǎn）慢變形監測的研究已足夠成熟，完全可以用於邊坡工程的變形監（jiān）測。

    相對（duì）於傳統的變形監測技術，利用北鬥高精度變形監測技術對邊坡變形監測具有以下優勢：

    (1)自（zì）動（dòng）化程度高

    與全站儀等傳統的測量工具相比，利用北鬥進行監測可實現自動監測（cè）、自動記錄。監測過程不需要人工操作，能夠實現（xiàn）一次布置，多年隨時隨地獲（huò）取測量（liàng）數據。

    (2)監測效率高

    傳統（tǒng）的監測方法監（jiān）測效率低，獲取數據少，而利（lì）用北鬥（dòu）進（jìn）行（háng）邊（biān）坡位移監測可實現數分鍾內得到一組精確定位數據，能夠實時監測邊坡的（de）變（biàn）形。

    (3)可全天候穩定工作

    北鬥定位所（suǒ）使用的GNSS監測儀不易受到溫度、濕度、天氣和晝夜變化的影響，不需要經常維（wéi）護，基（jī）本可以達到一次（cì）安裝、多年使用的要求（qiú）。與傳統的測量手段相比，利用北鬥（dòu）技術監測邊坡變形可以實現全天候全自動的穩定工（gōng）作。

    (4)對地形要求低

    北鬥定位設備不要求通視條件，受地形、植被影響較小，且體積小、額定功率低，可使用太陽能（néng）電池供電，不需（xū）要較大（dà）的空曠區域，設備的安裝（zhuāng）和拆除也很方便。

    (5)符合國家發展戰略

過去我國定位和導（dǎo）航產業長期依賴於美國的GPS定位係統，對於國家（jiā）的安全和可持續發展產生了巨大的威脅。而如今，我國（guó）自主研發（fā）了自己的北鬥衛星導航係統，同時國家大力推廣北鬥衛星導航係統在民用工程中的應用。因此，將北鬥衛（wèi）星導航技術應用於邊坡安全的在線監測工程，符合國家北鬥衛星導航的發展戰（zhàn）略。

3  邊（biān）坡變形監測（cè）係統的誤差分（fèn）析

3.1  北鬥（dòu）衛星導航係（xì）統定位誤差

    北鬥衛星導航係統的誤差主要來源於北鬥衛星導航（háng）係（xì）統的定（dìng）位誤（wù）差。根據是否有參照位置，北鬥衛星導航係統的（de）定（dìng）位方法可以分為（wéi）絕對定（dìng）位和相對定位（wèi）。

    絕對定位又稱（chēng）為單點（diǎn）定位，定位精度相對較低（dī），水平和（hé）豎直方向誤（wù）差小於10 m，可用於衛星導航中，但不能滿足邊坡變形監測（cè）對精度的要（yào）求。相對定位主要（yào）是指利用兩台或多台北（běi）鬥監測（cè）儀同時進行定位。其中，放置在（zài）被監測地點的北鬥監測儀被稱為監測站，而另一台起到基準參照點作用的北鬥（dòu）監測儀（yí）被稱為基準站。這樣可以有效的降低北鬥衛星導航係統的定位誤差，提高監測精度。同時可以通過（guò）延長相（xiàng）對定位的時間（jiān），實現（xiàn）監測係統（tǒng）的毫米級定位。

3.2  北鬥（dòu）監測係統精度試驗

3.2.1試驗目的

本次試驗主（zhǔ）要測試（shì）邊坡變形監測係統的（de）精度（dù），確定北鬥相（xiàng）對定位的精度和定位時長的（de）關（guān）係（xì），以滿足高邊坡變形監測的精度要求（qiú）。由（yóu）於北（běi）鬥GNSS監測儀的水平方向精度大於豎直方向精度，在邊坡（pō）變形監測中，水平（píng）方向（xiàng）的監（jiān）測數據（jù）更（gèng）為可靠。因（yīn）此本次試驗（yàn）隻測試北鬥監測係統在水平方向上的精（jīng）度（dù）。

3.2.2試驗環境

利用北鬥相對（duì）定位進行精（jīng）確測量時，應確保（bǎo）周圍無（wú）山體、樹木等（děng）遮擋，同時（shí）要確定至少可以搜索到4顆及其以上的北鬥衛星。因此本次（cì）試驗將監測（cè）站設置在（zài）長（zhǎng）安大學水力實驗室的樓頂，將基準站設置在附近500 m外的空曠草地上，兩（liǎng）點附近均無遮擋，可以通視。

3.2.3試驗方（fāng）案

    本次試（shì）驗通過移動監測站，利用直尺和北鬥相對定位的方（fāng）法，同時測量（liàng）水平（píng）方（fāng）向上的位（wèi）移，由於試驗每次（cì）挪動監測站的距離較短且試驗周期相對（duì）較短，可認為（wéi）直尺測量位移為實際位移，通過（guò）對比兩者之間的差值（zhí），分析北鬥相對定位在水平（píng）方向上（shàng）的精度。

    試驗裝置由直尺、北鬥定位設備（bèi）、滑塊組成。在遠處放置另一台北鬥（dòu）定位設備作為基準（zhǔn）站，由北鬥（dòu）定位設備和滑塊組成監測站。對於監測站（zhàn），試驗時，滑動滑塊至目標位置，以（yǐ）直尺測量的滑動距離為標準，通過北鬥相對定位的位置變化與直尺測量的位置變（biàn）化進行對比，分析出北鬥相對定位水平方向上的精度（dù）。

    具體的試驗步驟如下：

    (1)將北鬥定位（wèi）天線固定在滑塊上，將滑塊放置（zhì）在水平麵上，在（zài）其旁邊放置一（yī）把直（zhí）尺；

    (2)記錄北鬥定位（wèi）天（tiān）線對應直尺的刻度，同時使用北鬥相對定位時間T1，得到一次定位結果（guǒ）；

    (3)調整（zhěng）定位時（shí）長Ti，得到（dào）不同時刻的定位結果完成一組試驗，分析不同定位時長的北鬥（dòu）相（xiàng）對定位精度；

    (4)緩慢（màn）挪動滑塊，使滑塊水平挪動10 mm（相對於（yú）直尺）；

(5)重（chóng）複步驟（zhòu）(2)～(4)共20次，完成試（shì）驗，得出不同北鬥點對定位時長T對應的定位精度。

3.2.4試驗結果

    定位時長（zhǎng）T分別（bié）選為1min、1h、6h和24 h四個時間長度，並以水（shuǐ）平直尺的刻度變化（huà）為橫坐標、以（yǐ）北鬥測量的水平位移量為縱坐標（biāo）作圖。

可以明顯看出定位時（shí）長越長，監測係統（tǒng）的精度越高，更接近於理想（xiǎng）測量線。當定位時長為1 min時，變形監測（cè）的最大誤（wù）差為（wéi）18. 267 mm；定位時長為1h時，變（biàn）形監測（cè）的最大（dà）誤差為7. 692 mm；定位時長為6 h時，變形監測的最大誤差為3. 497 mm；定位時長為24 h時，變形監測的（de）最大（dà）誤差為2. 071 mm。由（yóu）於工程（chéng）中實際使（shǐ）用的北鬥監測儀使用太陽能（néng）供電，具備（bèi）可全天候（hòu）穩定（dìng）工作的能力，因此，選擇定位時長為24h，最大限度的提升其監（jiān）測精度。

4  實際應用

4.1工程簡介

    本（běn）次（cì）監測工程為都安高速20標（biāo）段某路塹邊（biān）坡，中線挖方高度2. 56 m，左側最大挖方高度82.2m。該高邊坡區所處（chù）於剝（bāo）蝕丘陵硬質岩區，山體較陡，自然狀態下山體穩定。既有高速公（gōng）路邊坡開挖坡度為（wéi）1：0. 75，坡腳（jiǎo）取53。，頂部平緩，坡向約8。，線路中心最大挖方深度82.2m。最下一級邊坡設（shè）置抗滑樁擋牆，上幾級邊坡（pō）采用錨杆框架梁防護，頂部設置截水溝。坡麵植被稀疏，主要低矮灌木，大麵積基岩出露。深挖路塹內未發現斷（duàn）層構造，岩（yán）層主要（yào）為中風化灰岩，岩層產（chǎn）狀（zhuàng）為112。∠49。，主要發育三（sān）組節理，分別為J1：10。∠78。、 J2：99。∠58。和J3：339。∠55。區內的新構造（zào）運動以斷裂的（de）繼承性和斷塊的（de）差異性活動為基本特征（zhēng）。第四係（xì）以來，區域內沒有較大破壞性（xìng）影響的構造運動。邊坡體主要由中風化灰岩、泥質灰岩（yán）、燧石灰岩、頁岩構成，節理（lǐ）裂隙較發育，可能形（xíng）成不穩定楔形（xíng）岩體，對邊坡穩定（dìng）不利，利用赤平投影法對邊坡穩定性進行（háng）分析。

可判斷出邊坡整體穩（wěn）定性較好。根據《公路路基設計規範》( JGJD30-2015)對高邊坡監測的要求，采用北鬥技術對該邊坡實施動態監測。

4.2監測點布設

    由於該公路路塹邊坡目前處於基本穩定狀態，對其實時動（dòng）態監測，主要是監測其位移量變化，判斷其（qí）穩定狀態（tài）。該（gāi）邊坡坡底及坡麵已進行了工程加固，變形（xíng）量較小，不能準確地反映（yìng）邊坡整體的狀態，而坡頂受到累計位（wèi）移的影響，整體變形量會較大，因此，將3個 GNSS監測儀均布設在邊坡的坡頂位置（zhì），分別（bié）位於 K127 +520，K127 +620和K127 +700位置處，並將其分別命名為北鬥（dòu）1#、2#和3#。同時在公路右側山頂上（shàng）布設1個GNSS監（jiān）測儀作為基準站和數據匯總站。

4.3監（jiān）測結果分析

    自2018年8月中旬上線以來，監測係統（tǒng）一直處於穩定工作狀態（tài）。係（xì）統設置每天監測時長24 h，即監測儀不（bú）間斷工（gōng）作，每天回傳一組數據,監測開始到（dào）2019年7月初各點的監測結果。

邊坡監測點的累計位移量，水平位移和豎直（zhí）位移的曲線均處於波動狀態，由於北鬥監測的豎直方向的精度較低，因此在分析邊坡變形時，以水平方向的位移為主。北鬥1#監測點的水平方向的（de）累計位移最大為8. 37 mm，豎直方向累計位移在-4.64～6.59 mm波動；北（běi）鬥2#監測點水平方向的累計位移最大為（wéi）6. 36  mm，豎直方向累計位移在-5.86～10. 02 mm波（bō）動；北鬥3#監測點水平方向的累計位移最大（dà）為（wéi）5. 58  mm，豎直方向累計（jì）位移（yí）在-7.57～3.64 mm波動。

1#監測點位的水平方向的位（wèi）移量自2019年人春以來呈現快速增長的趨勢，水平位移達（dá）到了8. 37 mm。初步認定為由（yóu）於降雨量的增（zēng）加，使邊坡產生（shēng）了較小的位移，應進一步觀（guān）察該點的位移狀況，若位移量繼續快速增大，應結合現場（chǎng）的狀況，對邊坡采取有效的防護措（cuò）施，防止災（zāi）害的發生。2#和3#監測點位的水平方向位移（yí）均小於6.5 mm，且沒有明顯的加快（kuài）趨勢（shì），考慮到水平方向的位移精度為2. 061  mm，認（rèn）為2#和3#點位的水（shuǐ）平方向位移均小於9 mm，因（yīn）此可判斷2#和3#點（diǎn）位處（chù）於穩定狀態。綜合3個點位的位移（yí）變化規律，可認為（wéi），該邊坡目前處（chù）於穩定狀態，但須對1#點位加強觀測，若（ruò）變形持續增大，應采取一定的防（fáng）範措施。

5  結論

    本文（wén）簡要概述了將北鬥技術用於對邊坡變形監測（cè）的可行性（xìng），並（bìng）且成功的（de）將其應（yīng）用（yòng）於貴（guì）州都安高速某（mǒu）高邊坡的位移監測。結論如下：

    (1)北鬥位移監測具有自動化程度高、布設靈活、受（shòu）地形影響較小、可全天候穩（wěn）定工作的優點。

    (2)通過變（biàn）形監（jiān）測試驗認為（wéi），利用北鬥雲監測係統（tǒng）對邊坡變形進行監測，其（qí）精度水平可以達到（dào）水平方向2 mm左右，完全可以滿足邊坡變形監測（cè）的精度要求。

    (3)貴州都安高速某高邊坡的（de）位移（yí）監測表（biǎo）明北鬥技術完全可以用於（yú）實（shí）際邊坡的變形監測，值得廣泛推廣。

摘自：《中國地質災害與防治學報》2020年 第1期（qī） 第（dì）31卷