1 邊坡監(jiān)測的目的和意義

邊坡巖土體往往 呈現(xiàn)出非均質(zhì)性與各向異性特性，在開挖、堆載、降雨、河 流沖刷、庫水位升降與地震等外部荷載作用下很容易進(jìn)入局部或瞬態(tài)大變形乃至 失穩(wěn)滑動。我國每年由于巖土體失穩(wěn)而引發(fā)的大小滑坡數(shù)百萬次，由此造成的經(jīng) 濟(jì)損失高達(dá) 100 ～ 200 億元，因暴雨、地震等引發(fā)的各類滑坡災(zāi)害至上世紀(jì) 90 年代累計死亡超過 10 萬人。因此，對于邊坡工程特別是大型復(fù)雜邊坡，除了進(jìn) 行常規(guī)的工程地質(zhì)調(diào)查、測繪、勘探、試驗(yàn)和穩(wěn)定性評價外，尚應(yīng)及時有效地開 展邊坡工程的動態(tài)監(jiān)測，預(yù)測邊坡失穩(wěn)的可能性和滑坡的危險性，并提出相應(yīng)的 防災(zāi)減災(zāi)措施，對于確保國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展 與保障人民群眾生命財產(chǎn)安全具有重大意 義。

邊坡工程監(jiān)測的主要目的是：

§       評價邊坡施工及其使用過程中邊坡的穩(wěn)定程度，并做出有關(guān)預(yù)報，為崩 塌、滑坡的正確分析評價、預(yù)測預(yù)報及治理工程等，提供可靠的資料和科學(xué)依據(jù) ；

§       為防治滑坡及可能的滑動和蠕動變形提供技術(shù)依據(jù)，預(yù)測和預(yù)報今后邊 坡的位移、變形的發(fā)展趨勢，通過監(jiān)測可對巖土體的時效特性進(jìn)行相關(guān)的研究 ；

§       對已經(jīng)發(fā)生滑動破壞的邊坡和加固處理后的滑坡，監(jiān)測結(jié)果也是檢驗(yàn)崩塌、滑坡分析評價及滑坡處理工程效果的尺度 ；

§       為進(jìn)行有關(guān)位移分析及數(shù)值模擬計算提供參數(shù)。

邊坡工程主要應(yīng)用在交通、建筑、水利和礦山等各個建設(shè)領(lǐng)域中。

2 徠卡自動化邊坡變形監(jiān)測系統(tǒng)介紹

徠卡測量系統(tǒng)作為優(yōu)秀測量設(shè)備的供應(yīng)商，為邊坡工程監(jiān)測提供了優(yōu)秀的高 精度監(jiān)測設(shè)備外，根據(jù)全球眾多的應(yīng)用案例，結(jié)合實(shí)際情況，提供最優(yōu)的監(jiān)測設(shè) 計方案。 通過發(fā)現(xiàn) 早期不穩(wěn)定因素， 可以防止安全隱患區(qū)域 發(fā)生滑坡坍塌，避免 造成事故傷亡及經(jīng)濟(jì)損失。

2.1 邊坡自動化監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

根據(jù) 邊坡監(jiān)測具體要求，選擇采用監(jiān)測機(jī)器人或者 GNSS 進(jìn)行自動化監(jiān)測， 或者兩者配合運(yùn)行。依據(jù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，可以將整個系統(tǒng)劃分成如下五個部分：

§       傳感器

§       供電系統(tǒng)

§       通訊系統(tǒng)

§       避雷系統(tǒng)

§       服務(wù)器系統(tǒng)

監(jiān)測傳感器參考位置需選擇常年穩(wěn)固的位置，監(jiān)測位置依據(jù)滑坡趨勢和相關(guān) 要求布設(shè)在感興趣位置或 滑坡斷面上； 24 小時不間斷供電保證傳感器采集的數(shù) 據(jù)完整性；根據(jù)現(xiàn)場通訊條件選用最佳的通訊方式將數(shù)據(jù)從監(jiān)測現(xiàn)場實(shí)時回傳到 監(jiān)測控制中心；優(yōu)秀的監(jiān)測控制軟件能夠統(tǒng)一管理監(jiān)測傳感器與大量監(jiān)測原始數(shù) 據(jù)，計算監(jiān)測位置的位移信息，為用戶決策提供可靠依據(jù)。

2.2 系統(tǒng)實(shí)施

2.2.1 傳感器安裝

監(jiān)測傳感器包括 TM30 ，氣象傳感器， GNSS 設(shè)備等。

2.2.1.1 TM30 監(jiān)測機(jī)器人安裝

TM30 觀測站、基準(zhǔn)控制點(diǎn)是整個系統(tǒng)的原始基準(zhǔn)，點(diǎn)位一定要布設(shè)在穩(wěn)定 可靠的地方，全站儀觀測墩最好澆在基巖上，以防止點(diǎn)位變形；點(diǎn)位周圍沒有大 的遮擋或干擾，為防止點(diǎn)位被破壞，在觀測點(diǎn)外圍還需要建立觀測房。

1. 觀測房建設(shè)

全站儀觀測房主要起防塵、防雨和防破壞的功能。

考慮到防盜 問題， 一般 設(shè)計為有人值守的觀測 房 。觀測房設(shè)計為 2 室， 1 室 安置 TM 30 全站儀，另 1 室放置一張床和相關(guān)生活及取暖設(shè)施。考慮到北方冬夏 溫差較大，為保證觀測精度，安置全站儀的房間里不能取暖，觀測時不能透窗觀 測，觀測房內(nèi)溫度需要與室外一致；而居住管理員的房間內(nèi)則需要安裝取暖裝置 。 2 個房間要用 隔熱墻 完全分開，進(jìn)戶時走不同的 防盜門。

該設(shè)計不僅便于防盜，而且對于保護(hù)儀器設(shè)備穩(wěn)定性，延長系統(tǒng)使用壽命等 都具有重要意義。土建的工作包括建筑材料準(zhǔn)備、觀測房、建造混凝土觀測墩、 基座底盤和對中螺絲和所需的電纜管道鋪設(shè)等工作。

觀測房主體將采用鋼混結(jié)構(gòu)建設(shè)，觀測窗宜采用電控自動金屬卷簾門結(jié)構(gòu)。 建造觀測 房還應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況靈活設(shè)計。

現(xiàn)場全站儀控制箱技術(shù)規(guī)格為：不小于 60cm （高）× 40cm （寬）× 20cm （高）， 要求有絕緣背板，供設(shè)備安裝使用。

2. 棱鏡 點(diǎn)布設(shè)

棱鏡點(diǎn)分為后視點(diǎn)與監(jiān)測變形點(diǎn)，其中后視點(diǎn)必須布設(shè)在穩(wěn)定可靠的位置， 作為機(jī)器人工作時的定向點(diǎn)。 監(jiān)測變形點(diǎn)選在 邊坡斷面上或者能反應(yīng)邊坡形變的 位置 ，并且安裝牢靠，棱鏡類型也選取同一標(biāo)準(zhǔn)，一經(jīng)安裝，不能隨意拆除。

為防雨、防風(fēng)、防盜，所有棱鏡必須裝有棱鏡保護(hù)罩， 參考式樣如下：

2.2.1 .2 氣象傳感器

氣象傳感器應(yīng)置于通風(fēng)遮蔭干燥處，一般安置在觀測房外部木質(zhì)百頁箱制成 的氣象觀測箱內(nèi)，木質(zhì)百頁箱的規(guī)格為 40cm × 40cm × 20cm ，內(nèi)設(shè)有供氣象儀安 裝的背板。 如圖所示：

氣象傳感器實(shí)時監(jiān)測溫度和氣壓條件，通過 GeoMoS 軟件識別并對測量數(shù) 據(jù)進(jìn)行氣象自動改正，進(jìn)一步提高數(shù)據(jù)精度。

2.2 .1.3 GNSS 安裝

1. 選址測試

根據(jù)《全球定位系統(tǒng)（ GPS ）測量規(guī)范》 ，基準(zhǔn)點(diǎn)和監(jiān)測點(diǎn)選址時應(yīng)滿足以 下基本要求：

§       便于安置接收設(shè)備和操作，視野開闊，視場內(nèi)障礙物的高度角不宜 超過 15 °

§       遠(yuǎn)離大功率無線電發(fā)射源（如電視臺、電臺、微波站等），其距離不 小于 200 m ；遠(yuǎn)離高壓輸電線和微波無線電信號傳送通道，其距離不 應(yīng)小于 50 m ；

§       附近不應(yīng)有強(qiáng)烈反射衛(wèi)星信號的物件（如大型建筑物等）；

§       交通方便，并有利于其他測量手段擴(kuò)展和聯(lián)測；

§       地面基礎(chǔ)穩(wěn)定，易于標(biāo)石的長期保存；

§       充分利用符合要求的已有控制點(diǎn)；

§       選站時應(yīng)盡可能使測站附近的局部環(huán)境（地形、地貌、植被等）與 周圍的大環(huán)境保持一致，以減少氣象元素的代表性誤差。

選址測試工作非常關(guān)鍵，數(shù)據(jù)須用專業(yè)質(zhì)量分析軟件（ Spider QC ）進(jìn)行完整 性、多路徑等關(guān)鍵因素分析，滿足條件了才能確定為站點(diǎn)。

2. 觀測點(diǎn)土建

GNSS 點(diǎn)在完成選址測試之后，根據(jù)觀測墩建設(shè)規(guī)范，建設(shè)帶有強(qiáng)制對中盤 的 GNSS 觀測墩。若觀測墩在野外，必須建造防護(hù)欄。

3. GNSS 傳感器安裝

涉及傳感器部分的 GNSS 安裝簡單，天線通過連接螺絲與強(qiáng)制對中盤相連， 接收機(jī)則擺放在配電箱中。

2.2 .2 供電系統(tǒng)

邊坡監(jiān)測環(huán)境一般比較惡劣，很少可以通過市電供給，考慮到監(jiān)測傳感器功 率普遍較低，單個最高不超過 10W ，完全可以通過光伏系統(tǒng)發(fā)電進(jìn)行供給。 光 伏系統(tǒng)一般分為兩類：獨(dú)立太陽能供電系統(tǒng)和并網(wǎng)太陽能供電系統(tǒng)。獨(dú)立太陽能 供電系統(tǒng)分獨(dú)立直流供電系統(tǒng)和獨(dú)立交直流供電系統(tǒng)，而并網(wǎng)太陽能供電系統(tǒng)則 一般指光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)。 邊坡監(jiān)測普遍 采用獨(dú)立交直流供電系統(tǒng)，其原理如圖 ：

供電系統(tǒng)的設(shè)計是以當(dāng)?shù)氐娜蛰椛鋾r數(shù)及月平均日輻射量的分布狀況為依 據(jù) , 從可靠性（負(fù)載要求的可利用時率為條件）和經(jīng)濟(jì)型（客戶所能接受的價位） 兩方面綜合考慮，確定出既能滿足負(fù)載用電要求，又使成本最低的太陽能電池方 陣和蓄電池容量組合。 可供參考的公式如下：

光伏供電設(shè)計合理，系統(tǒng)既可靠又經(jīng)濟(jì)，維護(hù)周期長，反之將嚴(yán)重影響系統(tǒng) 運(yùn)行，所以野外光伏供電系統(tǒng)設(shè)計非常重要。

2.2 .3 通訊系統(tǒng)

隨著科技的進(jìn)步，越來越多的通訊方式被用到測量中，目前可以實(shí)現(xiàn)的通訊 方式有： RS485 電纜通訊，光纖通訊， GPRS 通訊，電臺通訊和無線網(wǎng)橋通訊。根 據(jù)邊坡監(jiān)測的實(shí)際環(huán)境，合理選用通訊方式。

通訊是自動監(jiān)測系統(tǒng)中非常重要的一部分，與數(shù)據(jù)獲取息息相關(guān)。良好的通 訊系統(tǒng)是完整有效數(shù)據(jù)的有力保障。下表為常用幾種通訊方式的優(yōu)缺點(diǎn)，僅供參 考：

當(dāng)整個系統(tǒng)設(shè)計到此時，現(xiàn)場點(diǎn)位上的設(shè)備、線纜很多，必須要將它們安裝在一個配電箱中，配電箱內(nèi)部參考式樣如下，若有蓄電池，推薦使用膠體蓄電池 和地埋箱：

安裝配電箱時，需注意以下幾點(diǎn)：

§       防水、散熱好，避免夏天箱內(nèi)溫度過高；

§       箱體結(jié)實(shí)，防盜性能好；

§       箱內(nèi)布線整齊、合理，易于檢查與維修。

2.2 .4 避雷系統(tǒng)

避雷系統(tǒng)需防范直擊雷和感應(yīng)雷。 帶電積云與地面目標(biāo)之間的強(qiáng)烈放電稱為 直擊雷 ，而放電時，巨大的 沖擊雷電流在周圍空間產(chǎn)生迅速變化的強(qiáng)磁場 稱為感 應(yīng)雷。感應(yīng)雷若不及時泄入地下，可能產(chǎn)生放電火花，引起設(shè)備損壞。

1. 直擊雷

全站儀觀測房以及 GPS 天線和接收機(jī)附近必須安裝避雷針，避雷針與天線橫 向距離不小于 3m ，避雷針高度按照“滾球法”確定，粗略計算即可。

2. 感應(yīng)雷

保護(hù)器安裝在 GPS 接收機(jī)的天饋線路上，如下圖所示。當(dāng)受到雷擊過電壓時， 雷電流通過保護(hù)器雷電支路泄放到大地，從而保護(hù) GPS 接收機(jī)的安全。

安裝說明：

§       將保護(hù)器安裝在防雨淋的地方。

§       將饋線和主機(jī)分別接在保護(hù)器的兩端。

§       用 2.5mm 2的絕緣銅導(dǎo)線將保護(hù)器的接地焊片連接到配電箱上。連接線 應(yīng)盡量短。

維護(hù)：

避雷器無需特別維護(hù)，平時只需檢查保護(hù)器輸入、輸出和接地線兩端連接是否可靠。當(dāng)通信中斷或通信質(zhì)量下降時，可將保護(hù)器去掉，并把天線和 GPS 接收 機(jī)相連，若通信狀態(tài)變好，說明是保護(hù)器問題應(yīng)更換或送修。

2.2 .5 服務(wù)器系統(tǒng)

系統(tǒng)服務(wù)器安置在大壩監(jiān)測中心，一般采用機(jī)架式服務(wù)器，服務(wù)器上安裝徠 卡監(jiān)測軟件 GNSS Spider 和 GeoMoS 。如下圖所示：

系統(tǒng)服務(wù) 器安裝時需注意以下幾點(diǎn)：

§       安裝在線式 UPS ，確保即使斷電系統(tǒng)也可以繼續(xù)運(yùn)行一段時間；

§       機(jī)柜中布局合理，線纜整齊，必要時制作銘牌；

§       分開安裝 Spider 和 GeoMoS 軟件，系統(tǒng)運(yùn)行更穩(wěn)定；

§       有固定 IP ，獨(dú)享 1M 帶寬；

§       不得作為其他用途使用。

Spider 軟件

徠卡 GNSS Spider 是一個高度集成化的軟件套裝，用于中心化控制和運(yùn)行 GNSS 站點(diǎn)網(wǎng)。 GNSS Spider 是模塊化的，同時也是一個具有可擴(kuò)展性的軟件，實(shí) 現(xiàn)中心化數(shù)據(jù)分發(fā)，數(shù)據(jù)訪問管理，其主要功能如下：

§       對本地的和遠(yuǎn)程 GNSS 接收機(jī)進(jìn)行配置和控制

§       從接收機(jī)按一定時間間隔進(jìn)行了數(shù)據(jù)下載

§       數(shù)據(jù)歸檔和數(shù)據(jù)分發(fā)

§       生成單站和網(wǎng)絡(luò) RTK 改正數(shù)

§       查看用戶狀態(tài)信息與系統(tǒng)運(yùn)行信息

GeoMoS 軟件

GeoMoS 是由徠 卡測量系統(tǒng)研發(fā)的自動化監(jiān)測軟件平臺，其軟件主要由兩部 分組成：監(jiān)測器和分析器。監(jiān)測器已經(jīng)擁有成熟的測量和計算程序，能為要求極 高精度的應(yīng)用提供理想的解決方案。分析器可以圖形化和數(shù)字化呈現(xiàn)數(shù)據(jù)。其結(jié) 果可用不同的方法來顯示，比如時間序列圖，從而表示在所選擇時間段上的移動 趨勢。很多點(diǎn)可以同時在一個圖像上表示。

3 小結(jié)

本文主要介紹了徠 卡邊坡自動化監(jiān)測系統(tǒng)中傳感器安裝、供電系統(tǒng)、通訊系 統(tǒng)、避雷系統(tǒng)以及服務(wù)器系統(tǒng)的實(shí)施方案，徠卡優(yōu)秀的軟硬件系統(tǒng)有機(jī)組合在一 起，充分發(fā)揮了徠卡測量系統(tǒng)高品質(zhì)的特點(diǎn)，為邊坡安全防治工程保駕護(hù)航。