高速公路边坡地质灾害智慧监管平台建设与应用

2022-06-11孙志杰

山西交通科技 2022年2期

熊威，孙志杰

（山西省交通科技研发有限公司黄土地区公路建设与养护技术交通行业重点实验室，山西太原 030032）

0 引言

山西省地处山地型高原，地形高差变化大，地质构造条件复杂，降水集中，为形成崩塌、滑坡、泥石流、地裂缝等地质灾害提供了充分的动力条件，属地质灾害易发区，地质灾害分布具有点多面广的特点。截止到2020年底，全省共查明地质灾害隐患点10 340处，其中崩塌6 257处、滑坡1 440处、泥石流550处，滑坡和崩塌以其大规模、强危害、难预测、难治理等特点成为影响地区经济和社会发展的严重地质灾害之一[1]。目前山西省高速公路通车总里程已接近6 000 km，公路建设时期的开挖扰动会破坏边坡的稳定，加剧边坡地质灾害的产生。如何精准高效地监测灾情变化，预测灾情发展趋势，及时给出合理措施，对于防灾减灾、保障人民生命财产安全具有重要意义。《交通强国建设纲要》强调要完善公路安全保障体系，增强科技兴安能力，加强交通信息基础设施安全保护。《国家综合立体交通网规划纲要》指出要提升智慧发展水平，全方位布局交通感知系统，部署关键部位主动预警设施，提升多维监测、精准管控、协同服务能力。

随着4G/5G移动通信、物联网、北斗+、大数据、卫星遥感技术的发展，融合众多新技术新方法的智能化边坡监测解决方案逐渐取代了传统地质灾害人工巡查，并显示出较强的优越性。周枫等[2]研发了弦式传感器智能采集系统，对边坡锚索应力自动采集，通过云平台进行处理和存储，并在App上对数据进行实时采集和展示；王洪辉等[3]通过物联网对贵州省赫章县乌木铺岩质高边坡的倾斜度、地表裂缝、降雨量3个指标进行监测，并通过远程监控平台实现数据变频、结果展示、数据管理、阈值报警等功能；张菖等[4]利用BIM技术搭建了边坡地层三维模型和地表三维模型，利用实时形变监测结果更新ANSYS有限元法划分得到的滑坡体网格节点位移数据库，实现滑坡体动态变化模拟；吕宁[5]利用布设在（成）都汶（川）高速沿线的多组摄像头对滑坡、崩塌、泥石流等灾害进行实时视频监控，设置预警等级，保障通行安全；谭行等[6]为提高大量GNSS监测数据的实时处理效率，设计了分布式处理系统，并验证了其在边坡形变监测中具有较高精度和可靠性。

针对目前山西省高速公路边坡地质灾害监测预警中智慧化程度不高、信息化技术手段使用不够广泛的问题，本文结合山西省地质条件和高速公路边坡特点，设计并研发一套基于网络环境条件下的集地质灾害三维真实地形展示、信息查询、数据分析、实时监测、预警为一体的地质灾害监测预警系统，并在省域范围内成功推广应用。

1 灾害特点及防治难点

1.1 高速公路边坡地质灾害特点

山西省高速公路边坡地质灾害主要有以下特点[7-8]：a）点多面广，六大盆地所属地区灾害点较少，山谷地区灾害点较多，与地形地貌相关性较强；b）主要为黄土滑坡，部分隧道洞口及自然边坡存在崩塌或浅表层滑塌；c）高危边坡较为集中，主要分布在西部吕梁山及东部太行山地区，坡高势险，发育比较隐蔽；d）强降雨和人工扰动是导致边坡地质灾害发生的主要原因，一般集中在施工期及运营期的六到十月份；e）发育周期较长，地表形变速率小，但在极端天气条件下具有很强的突发性。

1.2 高速公路边坡地质灾害防治难点

山西省境内复杂的地形地貌及岩土体条件决定了高速边坡地灾防治具有多个难点：a）边坡构造的复杂性，包括边坡岩性、岩层倾角、滑动面类型、深度等各不相同，难以确立统一的滑动模型；b）监测预警指标多，自洽程度低。监测指标一般有裂缝、地表位移、深部位移、降雨量、应力应变等，如何通过对多个指标进行综合来判断灾害发展趋势一直是关注的焦点；c）突发性较强，可预测性低。黄土具有湿陷性及水敏性，在降雨条件下会发生突然坍塌，提高监测频率，缩短研判预警周期是提高预警时效的方法之一；d）边坡地灾数量多，防治成本太高。传统防治方法以人力为主，费时费力，需要逐步提高信息化程度，降低监测设备费用，扩大新技术应用范围。

2 平台架构与功能设计

2.1 平台架构

针对高速公路黄土边坡地质灾害的地质特点和防治难点，本文设计并研发了一套边坡信息化监管平台，主要包括信息感知层、传输层、云处理层和管理应用层。

图1 边坡智慧监管平台总体架构

数据采集与感知层主要包括各种实时监测数据和周期性监测数据，其中实时监测有GNSS、倾角裂缝计、固定测斜仪等地表、地下监测设备，还有雨量监测和视频监测设备，各设备之间采用消息队列遥测传输（Message Queuing Telemetry Transport，MQTT）协议实现不同厂家、不同类型的多源数据集成，节省了硬件资源，降低了维护成本。周期性监测数据主要有传统人工监测和卫星遥感监测，该类数据处理后通过网络传输到云平台，可有效降低本地存储空间。

云处理平台主要用于高频数据的解算、原始数据的存储，以及野外监测设备的状态监控，通过云平台可动态调整野外数据的获取频率，达到高低频适时切换的目的。当海量GNSS数据汇集到云平台后，还可根据数据的先后顺序有序解算，向监控及数据中心传递解算结果。实时视频监控数据全部传输到云平台，当监控中心向云平台发送请求时，才即时获取并展示。野外监测设备的具体工作参数，包括电压、电量、流量消耗、卫星数量、产品参数等信息实时传送到云平台，当监控中心显示设备不在线时，通过云平台即可查找故障原因。

监控及数据中心用于存储保密等级较高的公路、边坡、管养等数据，以及展示云平台解算后的监测数据。此外，为了加快一些底层数据的加载速率，可将其制成图层保存在本地，以方便快速读取，例如地图数据、路网数据、InSAR数据、三维模型数据等，该类数据具有数据量大，保密程度高等特点。

2.2 功能设计

根据高速公路管理部门以及行业应用需求，平台主要设计了以下功能。

2.2.1 形变监测

实时监测边坡的稳定状态。通过多种设备组成天地一体化监测系统，卫星遥感技术用于周期性的边坡整体稳定性监测，主要有光学卫星技术和InSAR技术，分别监测边坡的宏观形态变化和形变量；倾角裂缝计、GNSS等设备可实时监测坡表裂缝变化及三维形变量。

2.2.2 气象监测

为边坡危害预警提供主要参考指标。降雨为影响黄土滑塌的主要因素之一，短时强降雨会导致土壤含水率快速饱和，有效应力降低，土体抗剪强度也随之减小，另外滑体重量变大，导致滑坡发生。该系统分别设置小时降雨量和天降雨量来监测短时降雨强度。

2.2.3 边坡风险评价

自动评价边坡的风险等级。通过导入边坡结构及地质、环境参数，实现边坡风险等级的自动划分，并用不同颜色图标在平台上展示。

2.2.4 边坡巡检养护

构建边坡灾害动态数据库。通过手机App野外采集边坡的灾害发育情况，包括边坡防水工程、护面工程、支挡工程、锚固工程等病害信息，通过平台对上传信息进行审核、入库，实现边坡病害信息库及时更新。

基于各项监测指标实现边坡灾害预警。利用地表位移、裂缝、降雨量、倾角等已有指标建立多指标综合预警模型，分为红橙黄蓝4个预警等级，分别设置不同等级的预警阈值及组合方式，通过云短信、邮件、App发送预警信息，并利用App及时巡查预警目标，反馈灾毁信息。

2.2.6 视频监控系统

利用单个或多个摄像头监测边坡的实时表象特征及周围环境状况。

2.2.7 灾害信息管理系统

对边坡灾害信息相关联的道路信息、监测数据、巡检养护信息等进行编辑、修改、新增、删减等操作。

2.2.8 灾害区划评价

基于实时气象观测信息建立区域灾害风险划分，并叠加到边坡风险等级评价结果上，更新极端气象条件下的边坡风险等级，提供一种区域性边坡风险评价方法。

随着社会的发展，思政教育必须进行改革，以往那种忽视学生能动性的灌输式教育方式已经不再适合当前的社会环境，学生不再迷信老师的权威，学生更需要的是平等的对待，希望从老师能够以平等的视角来看自己。因此，在改革中，思政教育要注意改变教育观念，变服从为接受，变被动为主动；还要注意转变主体地位，主客体的模式应该被双主体模式取代。只有这样才能拉近教育者与受教育者之间的距离，帮助学生培养自我存在感。在教育中，要根据各个学生的特点采用不同的教育方法，尊重学生的特性引导学生，同时又不能抹杀学生的主动性，充分发挥学生的特长，促进学生全面发展。只有这样才能切实改变教育的被动性，使学生从知识的接收者变为知识的接受者。

2.2.9 空间分析

基于二维底图和三维边坡模型做相关的空间分析，包括距离、面积量测，横剖面、土方量分析，模型剖切、压平等功能。

3 系统实现与应用

该平台在山西省部分高速公路边坡灾害管控中得到应用，主要应用情况如下。

3.1 监测预警

监测预警模块的预警原理如图2所示，当单个或多个预警指标超过预警阈值时，启动预警后台服务程序，在初步确定预警等级的同时，对野外巡养人员发送预警详情，现场人员针对预警内容展开野外调查，及时将调查信息通过App以文字和图片的形式发送到管控平台。技术专家对监测数据和现场反馈情况做进一步分析确定是否误报，核实警情之后向管理人员及受威胁人员发送预警短信，并启动应急预案。图2告警信息中可见大运高速沟东隧道边坡4号点水平、垂直位移于近期发生突变触发红色预警，通过调取监测数据曲线后发现4个监测点在同一时期均发生同一趋势的改变，后又恢复正常，现场核查没有新的滑坡迹象，考虑为卫星失锁引起的数据跳变，不应触发应急响应。

图2 预警流程及告警详情

3.2 巡检养护

巡检养护包括日常巡养和应急巡查，是连接App端与平台PC端的重要功能之一，主要通过App端完成信息采集，通过PC端完成信息审核和报表导出。以日常巡查养护为例，该功能直接调用目标边坡的属性信息，在此基础上依次添加巡查内容，主要包括巡查部位、病害类别、病害描述、病害照片等，添加完毕后即可上传到平台审核，并在本地数据库保存。图3为吉河高速乡宁西收费站边坡的现场巡查结果展示，通过列表的形式将每一个部位的病害特征依次记录。

图3 养护巡查PC端界面

3.3 灾害信息管理

边坡灾害信息按类别主要分为崩塌、滑坡、泥石流，每个灾害点的属性信息均包括灾害名称（以桩号+类别命名）、经纬度、灾害历史特征、风险点现状特征等病害信息，路线名称、路线编号、路线等级、管养单位等所在公路信息，起终点桩号、坡体特征、地层岩性等所在边坡属性信息，以及实时监测信息、预警信息、巡查信息等。所有上述信息以一坡一档的形式保存，从平台首页点击边坡详情即可查看所有信息。此外，通过具体的基础数据模块、监测预警模块、养护巡查模块还可对上述信息进行批量导入导出、新增、删减、修改、分析。图4、图5为大运高速沟东隧道边坡的边坡档案信息及病害信息界面。

图4 边坡档案界面

图5 病害信息界面

3.4 典型应用案例

2021年山西洪涝灾害过后长临高速公路沿线多处发生沉塌陷，其中安泽服务区（南）停车区发生局部垮塌，严重威胁停车安全。为监测沉陷趋势变化，保障服务区运营安全，并给后续的处治提供参考意见，从11月初开始在停车区布设了4个北斗监测点和2个裂缝计，实现对停车区灾害隐患点的全方位实时监测。点位布设图见图6，其中GNSS00为基准点，GNSS01、GNSS02、GNSS03为GNSS监测点，VF1、VF2为裂缝监测点，11月10日—11月30日的监测结果如图7所示。

图6 监测点位布设图

图7 形变监测结果

从监测结果中可以看出停车区西南角GNSS03累积沉降超过16 mm，水平位移较小；东南角GNSS01水平位移、垂直位移均达到10 mm，有倾塌的趋势；南侧边坡坡顶GNSS02水平位移接近于0，垂直位移小于8 mm，较稳定。南北向裂缝计VF2监测值几乎没有变化，且位移靠近GNSS02，两者结果一致；东西向裂缝计VF1监测值从29日开始产生近50 mm突变，考虑为水平位移和垂直位移共同作用的结果，与GNSS01变化趋势一致。综合判断该停车区地基仍不稳定，并通过后台判定为黄色预警，中短期内有再次垮塌的危险，须时刻警惕监测曲线变化，给出建议：封闭停车区，待处治后再对外开放。

此外，该平台的监测预警功能还在岢临高速康宁互通边坡、长临高速雷鼓台隧道口边坡、吉河高速北乐原隧道口边坡、乡宁西收费站边坡等山西省内边坡得到推广应用，为隐患边坡点的监测和交通安全保障起到了积极作用。