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)災害防治技術(shù)國家工程實(shí)驗室

摘  要：途經(jīng)不良地質(zhì)地段管道安裝監測預警系統對預警地質(zhì)災害發(fā)生、提前對管道采取保護措施至關(guān)重要�！皽p災棒”監測預警系統是一種針對管道坡面地質(zhì)災害研發(fā)的新系統，通過(guò)子母樁協(xié)同控制實(shí)現多參數實(shí)時(shí)監測、分布式監測，基于機器學(xué)習的決策模型實(shí)現智能預警。將其應用于淺層坡面地質(zhì)災害預警中，結果表明能準確反映不穩定斜坡體的變形趨勢，并實(shí)現智能預警。

關(guān)鍵詞：管道坡面地質(zhì)災害；監測樁；降雨量；土壤參數；多參數監測

我國西部地區、西南部地區是滑坡等坡面地質(zhì)災害的頻發(fā)區域，區域內管道沿線(xiàn)坡面地質(zhì)災害導致安全事故頻發(fā)，使之成為研究熱點(diǎn)[1,2]。

管道坡面地質(zhì)災害監測包括形變監測（如地表位移、深部位移）、破壞誘因監測（如降雨量）以及破壞相關(guān)因素監測（如土壤濕度、孔隙水壓力）[3-5]。為實(shí)現多參數監測，傳統監測系統的設備繁多復雜[6-8]，且大量設備安裝于淺層坡面對坡體穩定性十分不利，因此亟待開(kāi)發(fā)一種兼具多參數監測、結構簡(jiǎn)單、體積小、安裝便捷的監測設備�！皽p災棒”坡面地質(zhì)災害監測預警系統（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“減災棒”監測預警系統）為管道監測預警提供了新思路。

1 研究區域地質(zhì)環(huán)境

本次研究區域地質(zhì)勘察資料顯示，斜坡的平均坡度30°，地質(zhì)剖面結構呈上陡下緩形態(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，加之該區域在夏秋季節降雨集中，最大日降雨量可達178.3 mm，成為典型的滑坡等坡面地質(zhì)災害易發(fā)區域[9]。

2 “減災棒”監測預警系統

“減災棒”監測預警系統由四個(gè)部分組成：“減災棒”監測系統、無(wú)線(xiàn)數據傳輸系統、大數據管理計算中心、可視化監測預警平臺，如圖 1所示�！皽p災棒”是由母樁和子樁組成的監測設備，母樁和子樁按分布式位置構成“減災棒”監測網(wǎng)絡(luò )（圖 2）。無(wú)線(xiàn)數據傳輸系統采用433MHz/GPRS/3G/4G/NB-IoT等多頻段、多中繼冗余交叉組網(wǎng)技術(shù)，以確保大數據量長(cháng)時(shí)間穩定工作。大數據管理計算中心依據監測數據進(jìn)行計算并構建了基于機器學(xué)習的決策模型用于智能預警。監測數據和預警信息通過(guò)可視化監測預警平臺直觀(guān)展示。

2.1 硬件設施

“減災棒”是一種母子樁協(xié)同控制監測的設備。母樁負責降雨量監測，子樁負責孔隙水壓力、土壤含水量、坡體傾角、坡體位移等土壤參數監測，根據母 樁降雨量值大小可調節子樁采集頻率，以減少耗電，延長(cháng)待機時(shí)間，實(shí)現協(xié)同監測。母樁與子樁按1∶N數量配置，母樁固定于穩定基巖上，而子樁則垂直于主滑坡方向平均分布在不穩定斜坡體上（圖 2）。

2.2 軟件平臺

軟件平臺主要用于監測數據整理和儲存、預警決策分析、發(fā)布預警信息等�；�于滑動(dòng)窗寬實(shí)現智能預警，即采用具有一定寬度的窗口沿時(shí)間軸方向移動(dòng)，檢測出現場(chǎng)監測數據的突變點(diǎn)，滑動(dòng)窗口寬度相比單點(diǎn)采樣能夠降低無(wú)關(guān)突變對災害數據突變點(diǎn)檢測的干擾，避免誤報，提高智能預警準確性。軟件平臺可查看所有監測設備的最新監測數據、歷史監測數據隨時(shí)間變化的曲線(xiàn)；查看和修改監測設備的電量信息、編號、名稱(chēng)等；對安裝了監測設備的不同坡面進(jìn)行管理等。

3 應用實(shí)例

3.1 監測預警系統搭建

2019年1―2月，在管道現場(chǎng)搭建監測預警系統，其中母樁安裝于滑坡周界外的穩定區域，底座固定于基巖上，子樁安裝在滑坡范圍內的坡面上，布置方式垂直于滑坡滑動(dòng)方向，安裝深度為1.5 m。

3.2 監測預警結果分析

2019年2月16日至7月16日，“減災棒”監測預警系統記錄了降雨量、土壤含水量、孔隙水壓力、斜坡體位移、傾角等參數隨時(shí)間的變化情況，其中以小時(shí)降雨強度、累計降雨量參數代表該區域的降雨情況（圖 3）。

通過(guò)智能預警算法確定監測數據的突變點(diǎn)，各監測參數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(zhù)變形階段、后期緩慢變形階段。圖 3為監測數據進(jìn)行智能預警的結果，其中灰色區域為智能預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，相應的位移逐漸增大。顯著(zhù)變形階段（4月17日―4月24日）累計發(fā)生了1°傾角變化及40 mm位移，相當于 平均變形速度為5.7 mm/d，加之前3天累計降雨量大于50 mm，位移和雨量的變化均達到預警一級（注意級）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）仍有持續降雨，導致不穩定斜坡體未完全靜止，繼續發(fā)生緩慢位移。

母子樁的多參數監測數據共同揭示了坡面地質(zhì)災害的作用機制。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，根據有效應力原理可知此時(shí)土體的有效應力在逐漸減小，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)生的趨勢顯現出來(lái)。顯著(zhù)變形階段持續充沛的降雨量使得表層土體達到抗剪強度，表現出位移增長(cháng)幅度顯著(zhù)增大。但由于位移增大總值未達到滑坡變形破壞的預警標準，因而判斷不穩定斜坡體整體仍處于穩定狀態(tài)，僅產(chǎn)生局部小規模的崩塌。后期緩慢變形階段期間，降雨仍在持續，使得不穩定斜坡體產(chǎn)生緩慢變形。

4 結論與展望

（1）“減災棒”監測預警系統對淺表層不穩定斜坡體變形具有較高的敏感性，能夠實(shí)現斜坡變形趨勢和穩定狀態(tài)的多參數監測、分布式監測。多參數監測數據分析揭示了坡面從降雨到地質(zhì)災害發(fā)生全過(guò)程的作用機制。

（2）系統結構簡(jiǎn)單、體積小，具有安裝簡(jiǎn)便、對土體擾動(dòng)小的優(yōu)勢，提高了野外作業(yè)效率，很好地解決了傳統監測設備帶來(lái)的使用難題。

（3）母子監測樁的協(xié)同控制、分布式監測實(shí)現了精細化監測，能夠有效降低漏報和誤報概率。根據母樁降雨量值大小可實(shí)時(shí)調節子樁采集頻率，減少了耗電，延長(cháng)了系統待機時(shí)間。

（4）系統軟件平臺可通過(guò)實(shí)時(shí)監測數據計算當前場(chǎng)地的風(fēng)險信息，經(jīng)與數據庫中數據比對，基于智能決策模型，發(fā)布預警信息，實(shí)現智能預警。

參考文獻：

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[3] 魯瑞林，張永興，王桂林.基于管道保護的工程滑坡監測及處理措施[J].中國地質(zhì)災害與防治學(xué)報，2011， 22(04)： 32-35.

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[8] 熊敏，丁克勤，舒安慶，魏化中 .埋地管道地質(zhì)災害監測系統的設計 [ J ] .化學(xué)工程與裝備，2017(10)： 145-147.

[9] Yan, Y., et al. Disaster reduction stick equipment:A method for monitoring and early warning ofpipeline-landslide hazards. [J]. Journal of MountainScience,2019,16(12): 2687-2700.

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)于中國石油大學(xué)（華東）熱能與動(dòng)力工程專(zhuān)業(yè)，現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。