楊大慎1 尹述遙2,3 周開(kāi)來(lái)2,3 肖霄1 姜紅濤1

1.中國(guó)石化銷(xiāo)售股份有限公司華南分公司； 2.西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院；3.陸地交通地質(zhì)災(zāi)害防治技術(shù)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室

摘  要：途經(jīng)不良地質(zhì)地段管道安裝監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)對(duì)預(yù)警地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生、提前對(duì)管道采取保護(hù)措施至關(guān)重要。“減災(zāi)棒”監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)是一種針對(duì)管道坡面地質(zhì)災(zāi)害研發(fā)的新系統(tǒng)，通過(guò)子母樁協(xié)同控制實(shí)現(xiàn)多參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、分布式監(jiān)測(cè)，基于機(jī)器學(xué)習(xí)的決策模型實(shí)現(xiàn)智能預(yù)警。將其應(yīng)用于淺層坡面地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警中，結(jié)果表明能準(zhǔn)確反映不穩(wěn)定斜坡體的變形趨勢(shì)，并實(shí)現(xiàn)智能預(yù)警。

關(guān)鍵詞：管道坡面地質(zhì)災(zāi)害；監(jiān)測(cè)樁；降雨量；土壤參數(shù)；多參數(shù)監(jiān)測(cè)

我國(guó)西部地區(qū)、西南部地區(qū)是滑坡等坡面地質(zhì)災(zāi)害的頻發(fā)區(qū)域，區(qū)域內(nèi)管道沿線(xiàn)坡面地質(zhì)災(zāi)害導(dǎo)致安全事故頻發(fā)，使之成為研究熱點(diǎn)[1,2]。

管道坡面地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)包括形變監(jiān)測(cè)（如地表位移、深部位移）、破壞誘因監(jiān)測(cè)（如降雨量）以及破壞相關(guān)因素監(jiān)測(cè)（如土壤濕度、孔隙水壓力）[3-5]。為實(shí)現(xiàn)多參數(shù)監(jiān)測(cè)，傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)備繁多復(fù)雜[6-8]，且大量設(shè)備安裝于淺層坡面對(duì)坡體穩(wěn)定性十分不利，因此亟待開(kāi)發(fā)一種兼具多參數(shù)監(jiān)測(cè)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、安裝便捷的監(jiān)測(cè)設(shè)備�！皽p災(zāi)棒”坡面地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“減災(zāi)棒”監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)）為管道監(jiān)測(cè)預(yù)警提供了新思路。

1 研究區(qū)域地質(zhì)環(huán)境

本次研究區(qū)域地質(zhì)勘察資料顯示，斜坡的平均坡度30°，地質(zhì)剖面結(jié)構(gòu)呈上陡下緩形態(tài)。地層巖性表層為第四系紫紅色坡積層，厚1.5 m～4.0 m不等，下部是侏羅系含泥質(zhì)砂巖、粉砂巖，夾薄層泥巖，這種巖性在水的作用下極易產(chǎn)生蠕變變形，加之該區(qū)域在夏秋季節(jié)降雨集中，最大日降雨量可達(dá)178.3 mm，成為典型的滑坡等坡面地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)區(qū)域[9]。

2 “減災(zāi)棒”監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)

“減災(zāi)棒”監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)由四個(gè)部分組成：“減災(zāi)棒”監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)、大數(shù)據(jù)管理計(jì)算中心、可視化監(jiān)測(cè)預(yù)警平臺(tái)，如圖 1所示�！皽p災(zāi)棒”是由母樁和子樁組成的監(jiān)測(cè)設(shè)備，母樁和子樁按分布式位置構(gòu)成“減災(zāi)棒”監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)（圖 2）。無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)采用433MHz/GPRS/3G/4G/NB-IoT等多頻段、多中繼冗余交叉組網(wǎng)技術(shù)，以確保大數(shù)據(jù)量長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定工作。大數(shù)據(jù)管理計(jì)算中心依據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算并構(gòu)建了基于機(jī)器學(xué)習(xí)的決策模型用于智能預(yù)警。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和預(yù)警信息通過(guò)可視化監(jiān)測(cè)預(yù)警平臺(tái)直觀展示。

2.1 硬件設(shè)施

“減災(zāi)棒”是一種母子樁協(xié)同控制監(jiān)測(cè)的設(shè)備。母樁負(fù)責(zé)降雨量監(jiān)測(cè)，子樁負(fù)責(zé)孔隙水壓力、土壤含水量、坡體傾角、坡體位移等土壤參數(shù)監(jiān)測(cè)，根據(jù)母 樁降雨量值大小可調(diào)節(jié)子樁采集頻率，以減少耗電，延長(zhǎng)待機(jī)時(shí)間，實(shí)現(xiàn)協(xié)同監(jiān)測(cè)。母樁與子樁按1∶N數(shù)量配置，母樁固定于穩(wěn)定基巖上，而子樁則垂直于主滑坡方向平均分布在不穩(wěn)定斜坡體上（圖 2）。

2.2 軟件平臺(tái)

軟件平臺(tái)主要用于監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)整理和儲(chǔ)存、預(yù)警決策分析、發(fā)布預(yù)警信息等。基于滑動(dòng)窗寬實(shí)現(xiàn)智能預(yù)警，即采用具有一定寬度的窗口沿時(shí)間軸方向移動(dòng)，檢測(cè)出現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的突變點(diǎn)，滑動(dòng)窗口寬度相比單點(diǎn)采樣能夠降低無(wú)關(guān)突變對(duì)災(zāi)害數(shù)據(jù)突變點(diǎn)檢測(cè)的干擾，避免誤報(bào)，提高智能預(yù)警準(zhǔn)確性。軟件平臺(tái)可查看所有監(jiān)測(cè)設(shè)備的最新監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、歷史監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)隨時(shí)間變化的曲線(xiàn)；查看和修改監(jiān)測(cè)設(shè)備的電量信息、編號(hào)、名稱(chēng)等；對(duì)安裝了監(jiān)測(cè)設(shè)備的不同坡面進(jìn)行管理等。

3 應(yīng)用實(shí)例

3.1 監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)搭建

2019年1―2月，在管道現(xiàn)場(chǎng)搭建監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)，其中母樁安裝于滑坡周界外的穩(wěn)定區(qū)域，底座固定于基巖上，子樁安裝在滑坡范圍內(nèi)的坡面上，布置方式垂直于滑坡滑動(dòng)方向，安裝深度為1.5 m。

3.2 監(jiān)測(cè)預(yù)警結(jié)果分析

2019年2月16日至7月16日，“減災(zāi)棒”監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)記錄了降雨量、土壤含水量、孔隙水壓力、斜坡體位移、傾角等參數(shù)隨時(shí)間的變化情況，其中以小時(shí)降雨強(qiáng)度、累計(jì)降雨量參數(shù)代表該區(qū)域的降雨情況（圖 3）。

通過(guò)智能預(yù)警算法確定監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的突變點(diǎn)，各監(jiān)測(cè)參數(shù)變化大致可分為三個(gè)階段，分別為前期緩慢變形階段、顯著變形階段、后期緩慢變形階段。圖 3為監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行智能預(yù)警的結(jié)果，其中灰色區(qū)域?yàn)橹悄茴A(yù)警算法確定的突變點(diǎn)。前期緩慢變形階段（2月16日―4月17日）中傾角逐漸減小，相應(yīng)的位移逐漸增大。顯著變形階段（4月17日―4月24日）累計(jì)發(fā)生了1°傾角變化及40 mm位移，相當(dāng)于 平均變形速度為5.7 mm/d，加之前3天累計(jì)降雨量大于50 mm，位移和雨量的變化均達(dá)到預(yù)警一級(jí)（注意級(jí)）閾值要求，可判斷斜坡體已產(chǎn)生局部崩塌。后期緩慢變形階段（4月24日―7月16日）仍有持續(xù)降雨，導(dǎo)致不穩(wěn)定斜坡體未完全靜止，繼續(xù)發(fā)生緩慢位移。

母子樁的多參數(shù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)共同揭示了坡面地質(zhì)災(zāi)害的作用機(jī)制。前期緩慢變形階段由于降雨量逐漸增大，雨水不斷下滲土體，使得斜坡體中土壤含水量增加、孔隙水壓力增大，根據(jù)有效應(yīng)力原理可知此時(shí)土體的有效應(yīng)力在逐漸減小，這一變化造成了斜坡體傾角逐漸減小，位移逐漸增大，使得滑坡發(fā)生的趨勢(shì)顯現(xiàn)出來(lái)。顯著變形階段持續(xù)充沛的降雨量使得表層土體達(dá)到抗剪強(qiáng)度，表現(xiàn)出位移增長(zhǎng)幅度顯著增大。但由于位移增大總值未達(dá)到滑坡變形破壞的預(yù)警標(biāo)準(zhǔn)，因而判斷不穩(wěn)定斜坡體整體仍處于穩(wěn)定狀態(tài)，僅產(chǎn)生局部小規(guī)模的崩塌。后期緩慢變形階段期間，降雨仍在持續(xù)，使得不穩(wěn)定斜坡體產(chǎn)生緩慢變形。

4 結(jié)論與展望

（1）“減災(zāi)棒”監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)對(duì)淺表層不穩(wěn)定斜坡體變形具有較高的敏感性，能夠?qū)崿F(xiàn)斜坡變形趨勢(shì)和穩(wěn)定狀態(tài)的多參數(shù)監(jiān)測(cè)、分布式監(jiān)測(cè)。多參數(shù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析揭示了坡面從降雨到地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生全過(guò)程的作用機(jī)制。

（2）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小，具有安裝簡(jiǎn)便、對(duì)土體擾動(dòng)小的優(yōu)勢(shì)，提高了野外作業(yè)效率，很好地解決了傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)設(shè)備帶來(lái)的使用難題。

（3）母子監(jiān)測(cè)樁的協(xié)同控制、分布式監(jiān)測(cè)實(shí)現(xiàn)了精細(xì)化監(jiān)測(cè)，能夠有效降低漏報(bào)和誤報(bào)概率。根據(jù)母樁降雨量值大小可實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)子樁采集頻率，減少了耗電，延長(zhǎng)了系統(tǒng)待機(jī)時(shí)間。

（4）系統(tǒng)軟件平臺(tái)可通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算當(dāng)前場(chǎng)地的風(fēng)險(xiǎn)信息，經(jīng)與數(shù)據(jù)庫(kù)中數(shù)據(jù)比對(duì)，基于智能決策模型，發(fā)布預(yù)警信息，實(shí)現(xiàn)智能預(yù)警。

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作者簡(jiǎn)介：楊大慎，男， 1978年生，山東德州人，工程師， 2002年本科畢業(yè)于中國(guó)石油大學(xué)（華東）熱能與動(dòng)力工程專(zhuān)業(yè)，現(xiàn)主要從事成品油管道管理和技術(shù)研發(fā)工作。聯(lián)系方式： 18011977689， yangds.xshn@sinopec.com。