楊大慎1 尹述遙2,3 周開來2,3 肖霄1 姜紅濤1

1.中國石化銷售股份有限公司華南分公司； 2.西南交通大學土木工程學院；3.陸地交通地質災害防治技術國家工程實驗室

摘  要：途經(jīng)不良地質地段管道安裝監(jiān)測預警系統(tǒng)對預警地質災害發(fā)生、提前對管道采取保護措施至關重要�！皽p災棒”監(jiān)測預警系統(tǒng)是一種針對管道坡面地質災害研發(fā)的新系統(tǒng)，通過子母樁協(xié)同控制實現(xiàn)多參數(shù)實時監(jiān)測、分布式監(jiān)測，基于機器學習的決策模型實現(xiàn)智能預警。將其應用于淺層坡面地質災害預警中，結果表明能準確反映不穩(wěn)定斜坡體的變形趨勢，并實現(xiàn)智能預警。

關鍵詞：管道坡面地質災害；監(jiān)測樁；降雨量；土壤參數(shù)；多參數(shù)監(jiān)測

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

管道坡面地質災害監(jiān)測包括形變監(jiān)測（如地表位移、深部位移）、破壞誘因監(jiān)測（如降雨量）以及破壞相關因素監(jiān)測（如土壤濕度、孔隙水壓力）[3-5]。為實現(xiàn)多參數(shù)監(jiān)測，傳統(tǒng)監(jiān)測系統(tǒng)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(wěn)定性十分不利，因此亟待開發(fā)一種兼具多參數(shù)監(jiān)測、結構簡單、體積小、安裝便捷的監(jiān)測設備�！皽p災棒”坡面地質災害監(jiān)測預警系統(tǒng)（以下簡稱“減災棒”監(jiān)測預警系統(tǒng)）為管道監(jiān)測預警提供了新思路。

1 研究區(qū)域地質環(huán)境

本次研究區(qū)域地質勘察資料顯示，斜坡的平均坡度30°，地質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砂巖、粉砂巖，夾薄層泥巖，這種巖性在水的作用下極易產生蠕變變形，加之該區(qū)域在夏秋季節(jié)降雨集中，最大日降雨量可達178.3 mm，成為典型的滑坡等坡面地質災害易發(fā)區(qū)域[9]。

2 “減災棒”監(jiān)測預警系統(tǒng)

“減災棒”監(jiān)測預警系統(tǒng)由四個部分組成：“減災棒”監(jiān)測系統(tǒng)、無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)、大數(shù)據(jù)管理計算中心、可視化監(jiān)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(jiān)測設備，母樁和子樁按分布式位置構成“減災棒”監(jiān)測網(wǎng)絡（圖 2）。無線數(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，以確保大數(shù)據(jù)量長時間穩(wěn)定工作。大數(shù)據(jù)管理計算中心依據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)進行計算并構建了基于機器學習的決策模型用于智能預警。監(jiān)測數(shù)據(jù)和預警信息通過可視化監(jiān)測預警平臺直觀展示。

2.1 硬件設施

“減災棒”是一種母子樁協(xié)同控制監(jiān)測的設備。母樁負責降雨量監(jiān)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(shù)監(jiān)測，根據(jù)母 樁降雨量值大小可調節(jié)子樁采集頻率，以減少耗電，延長待機時間，實現(xiàn)協(xié)同監(jiān)測。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

軟件平臺主要用于監(jiān)測數(shù)據(jù)整理和儲存、預警決策分析、發(fā)布預警信息等。基于滑動窗寬實現(xiàn)智能預警，即采用具有一定寬度的窗口沿時間軸方向移動，檢測出現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)的突變點，滑動窗口寬度相比單點采樣能夠降低無關突變對災害數(shù)據(jù)突變點檢測的干擾，避免誤報，提高智能預警準確性。軟件平臺可查看所有監(jiān)測設備的最新監(jiān)測數(shù)據(jù)、歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)隨時間變化的曲線；查看和修改監(jiān)測設備的電量信息、編號、名稱等；對安裝了監(jiān)測設備的不同坡面進行管理等。

3 應用實例

3.1 監(jiān)測預警系統(tǒng)搭建

2019年1―2月，在管道現(xiàn)場搭建監(jiān)測預警系統(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的坡面上，布置方式垂直于滑坡滑動方向，安裝深度為1.5 m。

3.2 監(jiān)測預警結果分析

2019年2月16日至7月16日，“減災棒”監(jiān)測預警系統(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)隨時間的變化情況，其中以小時降雨強度、累計降雨量參數(shù)代表該區(qū)域的降雨情況（圖 3）。

通過智能預警算法確定監(jiān)測數(shù)據(jù)的突變點，各監(jiān)測參數(shù)變化大致可分為三個階段，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)測數(shù)據(jù)進行智能預警的結果，其中灰色區(qū)域為智能預警算法確定的突變點。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)測數(shù)據(jù)共同揭示了坡面地質災害的作用機制。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(jù)有效應力原理可知此時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(xiàn)出來。顯著變形階段持續(xù)充沛的降雨量使得表層土體達到抗剪強度，表現(xiàn)出位移增長幅度顯著增大。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(wěn)定斜坡體整體仍處于穩(wěn)定狀態(tài)，僅產生局部小規(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)定斜坡體產生緩慢變形。

4 結論與展望

（1）“減災棒”監(jiān)測預警系統(tǒng)對淺表層不穩(wěn)定斜坡體變形具有較高的敏感性，能夠實現(xiàn)斜坡變形趨勢和穩(wěn)定狀態(tài)的多參數(shù)監(jiān)測、分布式監(jiān)測。多參數(shù)監(jiān)測數(shù)據(jù)分析揭示了坡面從降雨到地質災害發(fā)生全過程的作用機制。

（2）系統(tǒng)結構簡單、體積小，具有安裝簡便、對土體擾動小的優(yōu)勢，提高了野外作業(yè)效率，很好地解決了傳統(tǒng)監(jiān)測設備帶來的使用難題。

（3）母子監(jiān)測樁的協(xié)同控制、分布式監(jiān)測實現(xiàn)了精細化監(jiān)測，能夠有效降低漏報和誤報概率。根據(jù)母樁降雨量值大小可實時調節(jié)子樁采集頻率，減少了耗電，延長了系統(tǒng)待機時間。

（4）系統(tǒng)軟件平臺可通過實時監(jiān)測數(shù)據(jù)計算當前場地的風險信息，經(jīng)與數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)比對，基于智能決策模型，發(fā)布預警信息，實現(xiàn)智能預警。

參考文獻：

[1] 陳超. 山體滑坡區(qū)天然氣集輸管道監(jiān)測預警技術研究[D].西南石油大學， 2019.

[2] 李蘇.油氣管道監(jiān)測技術發(fā)展現(xiàn)狀[J].油氣儲運，2014， 33(02)： 129-134.

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

[4] 鄭娟. 油氣管道滑坡監(jiān)測預警技術研究[D].天津大學， 2013.

[5] Vassilis M., Georgios S., Costas P. Landslide Hazardand Risk Assessment for a Natural Gas PipelineProject: The Case of the Trans Adriatic Pipeline,Albania Section. [J]. Geosciences， 2019， 9 (2)， 61.

[6] 陳珍，胡敏章.長距離輸氣(油)管道沿線地質災害監(jiān)測技術研究[J].大地測量與地球動力學， 2011，31(S1)： 114-117.

[7] 仝興華，薛世峰，單新建.山體滑坡和泥石流災害動態(tài)監(jiān)測技術研究[J].油氣儲運， 2006， 25(10)：7-10.

[8] 熊敏，丁克勤，舒安慶，魏化中 .埋地管道地質災害監(jiān)測系統(tǒng)的設計 [ J ] .化學工程與裝備，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（華東）熱能與動力工程專業(yè)，現(xiàn)主要從事成品油管道管理和技術研發(fā)工作。聯(lián)系方式： 18011977689， yangds.xshn@sinopec.com。