浅析重要交通沿线地质灾害安全监测预警系统建设思路及应用

何欣，张新伟，丁桂伶，李颖，徐兴全，付晨

（北京市工程地质研究所，北京 100048）

受地形地质条件复杂、断裂构造发育和降水时空分布不均匀等自然条件以及人类活动的影响，北京市存在崩塌、滑坡、泥石流和地面沉降等地质灾害，对人民生命财产造成一定危害。据统计，自1949年以来，北京地区各类地质灾害造成的死亡人数超过600人，直接经济损失达数亿元（北京市地质矿产勘查开发局等，2008）。随着人类工程活动的增加，北京市交通网络沿线山区段崩塌、滑坡和泥石流等突发性地质灾害及平原区地面沉降、地裂缝缓变性地质灾害发生频度、范围和造成的损失不断增加。“十三五”期间，北京市共发生各类地质灾害126起，主要以山区道路沿线小型崩塌灾害为主，直接经济损失1 420.85万元（北京市规划和自然资源委员会，2021）。截至2022年6月，北京市查明的突发地质灾害隐患点8 186处，其中有5 303处威胁对象为道路，占比高达64.78%（北京市规划和自然资源委员会，2022）；查明的地面沉降地质灾害隐患主要发育在东南部平原区域，年沉降量大于10 mm区域面积为1 873 km2；地裂缝地质灾害隐患主要分布在断裂带沿线及地下水超采区。受地质灾害威胁的交通线路在运营期间存在着较大的地质安全风险，因此开展交通网络地质安全监测预警至关重要。

地质灾害具有突发性、多发性、群发性、渐变性及影响持久的特点，其危害对人类生活及安全的影响较为突出（殷跃平，2004；孙小华，2021）。地质灾害监测预警就是利用各种监测技术和群测群防手段，对地质灾害体进行监测，进而对其稳定性变化趋势进行预测预报，发布预警信息的过程（刘传正，2000）。因此开展地质灾害监测预警研究，能够为灾害风险管控、监测预警、防治减灾工作提供重要的科学依据（张凯翔，2020；华金玉，2022）。自20世纪80年代以来，三峡地区率先开展了突发地质灾害监测预警工作（刘传正等，2004a），随后浙江（余风华等，2006）、四川雅安（侯圣山等，2007；刘传正等，2004b）、江苏（单玉香等，2007）、北京（文斌等，2007）、天津（王爽等，2012）、吉林（杨雪艳等，2015）等省市建立地质灾害监测预警系统。北京市现有的地质灾害监测预警系统是从系统设计（李潇等，2021）、系统框架（郭润志等，2017）、数值模拟及模型应用（张新伟等，2019）、设备施工（陈柘舟等，2020）、数据处理（张新伟等，2021）、体系建设（江鸿彬，2021）等方面进行阐述说明，对于地质灾害调查，监测站选址及建设，监测预警系统平台建设及运行维护等具体建设思路并没有系统地总结。因此，本文依据历时6年多的《京津冀协同发展交通网络地质安全监测预警系统项目》，从整体性、系统性的角度探讨梳理京津冀协同发展交通网络地质安全监测预警系统建设思路及应用情况，着力推进交通网络地质安全监测预警体系的建设，可为线性工程地质灾害监测预警工作提供有效参考和借鉴。

1 项目概况

根据《北京交通发展纲要（2014—2030年）》，北京市打造的“一环六放射”交通一体化体系，几乎都要穿过（或紧邻）地质灾害易发区，在运营期间有较大的地质安全风险。因此建设交通网络地质安全监测预警系统，掌握地质灾害发展变化规律，在灾害前发出预警，提前处理灾情，确保交通网络地质安全至关重要。

北京市工程地质研究所（原北京市地质工程勘察院）于2015年立项实施，在北京山区及平原区重要交通网络沿线开展地质调查、专项勘察与测量、三维建模和自动化监测等工作，建设36处地质灾害监测站（山区29处，平原区7处），形成覆盖16条交通网络重点区域的监测站网，并运用位移、变形、雨量和地下水位等监测手段，建设监测预警数据管理平台，实时24 h视频监控与地质数据智能采集，达到对地质安全隐患点情况的远程动态监测，初步实现地质灾害监测的自动化和智能化，为交通沿线地质灾害发生的机理研究、监测预警、防灾减灾、工程治理等提供技术支持与数据支撑。

截至2022年4月30日，京津冀协同发展交通网络地质安全监测预警系统项目共接收各类监测数据约1 313余万条，在2021年汛期成功预警3次，避让多起崩塌险情。监测预警系统提前44 h预警，避让一起崩塌险情的“7·22”佛子庄G108国道复线崩塌灾害避险案例入选“2021年全国地质灾害成功避险十大案例”。

2 重要交通沿线地质安全监测预警建设思路

根据《京津冀协同发展交通网络地质灾害监测预警系统项目》涉及的山区与平原区地质灾害特点，结合监测预警系统建设实施工作，将重要交通沿线地质安全监测预警建设思路（图1）总结如下：

图1 重要交通沿线地质灾害监测预警系统建设思路Fig.1 Construction thought of geological disaster monitoring and forecasting system along important traffic lines

1）地质调查阶段：通过资料收集与分析，开展交通沿线山区突发地质灾害及平原区缓变性地质灾害调查工作，扎实开展地质灾害隐患点识别与评价工作，为建立地质灾害档案库、监测站选址提供基础数据。

2）监测站建设工作阶段：通过监测站选址体系遴选确定地质灾害隐患监测站位置，并开展监测站专项地质灾害勘察、专项测量及三维地质建模及数值模拟分析等工作，对灾害隐患处地质灾害发育现状进行评价分析；开展地质灾害隐患点监测站专项设计、监测站设备联合应用安装与调试等工作，为监测预警平台提供实时、准确的现场监测信息。

3）监测预警系统平台建设阶段：建设完成的监测预警系统平台，集站点管理，多源信息监测数据智能采集、存储与整理，监测数据统计分析及阈值报警、三维数值模拟预警运算一体化的综合数据处理系统和业务管理平台，实现24 h、不受地域限制对地质灾害实时监测，为地质灾害超前预警和远程应急指挥提供技术支持与数据支撑。

4）建设阶段的试运行阶段：依据地质灾害种类与特点，建立、完善预警工作体系与工作流程，开展已建监测站运行维护工作，对监测数据进行综合分析，发布预警信息。

山区泥石流、崩塌、滑坡（不稳定斜坡）等突发地质灾害监测预警系统建设思路（图2）是基于前期地质调查与专项勘察、专项测量及数值模型等工作的基础上，根据突发地质灾害特征，除布控气象、视频监控和声光电预警等自动化监测设备外，针对性地在泥石流地质灾害隐患监测站布设泥水位、次声、流速、地声和土壤含水率等监测仪，在崩塌地质灾害隐患监测站布设GNSS、土压力计、倾角仪、拉绳式位移计和裂缝位移计等，在滑坡（不稳定斜坡）地质灾害隐患监测站布设土壤含水率、孔隙水压力和GNSS等专业自动化监测设备，实时监测地质灾害体的几何位移以及相关物理量的变化，通过几何位移分析、物理量变化耦合以及数值模拟计算，揭示地质灾害发生的规律及发展过程，实现超前预警预报，达到减灾防灾的目的。

图2 山区突发地质灾害监测预警系统建设思路Fig.2 Construction thought of sudden geological disaster monitoring and forecasting system in mountainous areas

平原区缓变地质灾害监测预警系统建设思路（图3）是基于前期地质调查与专项勘察、专项测量及数值模型等工作的基础上，采用一等水准测量、InSAR、SAA、分层标、水平竖向位移一体点及地下水位等先进有效的监测方法对地面沉降变形特征、地裂缝变形特征及地质灾害要素进行合理监测，监测技术路线兼顾地质灾害与线性工程结构本身的监测，分析缓变性地质灾害动态变化规律、成灾发展趋势与致灾因素以及地质灾害发展对线性工程结构和运营安全的影响，为政府科学决策和采取相应的管控措施提供专业的技术支撑。

图3 平原区缓变性地质灾害监测预警系统建设思路Fig.3 Construction thought of slow denaturation geological disaster monitoring and forecasting system in plain area

3 重要交通沿线地质安全监测预警关键工作

3.1 地质灾害调查

地质调查在城市规划、建设和管理中具有不可或缺的作用，在保障城市安全、生态安全和资源安全等方面具有先行性作用。地质灾害调查是地质灾害监测预警系统的基础工作，主要是在以往资料成果、经验总结基础上，重点围绕重大交通网络沿线，依据DZ/T 0261-2014《滑坡崩塌泥石流灾害调查规范（1∶50 000）》、DZ/T 0283-2015《地面沉降调查与监测规范》、DD 2019-08《地质灾害调查技术要求（1∶50 000）》、DZ/T 0286-2015《地质灾害危险性评估规范》、DB11/T 893-2012《北京市地质灾害危险性评估技术规范》等标准、规范要求，开展精细调查，对重点调查区域的位置进行加密调查，查明影响交通网络地质环境问题、地质灾害隐患发育特征及影响因素分析，并建立交通网络沿线地质灾害隐患点地质档案，为监测站的选址及设备安装布置提供客观科学的技术依据。

3.2 监测站选址

监测站选址直接影响监测预警工作的实施，在监测预警工作中尤为重要。以往的监测站选址工作多选择重大基础建设工程周边的隐患点，或遵循以人为本，选择威胁人数较多的隐患点，缺乏交通网络沿线监测站选址的具体理论指导和定量分析。根据交通网络沿线地质灾害调查灾害点情况，通过专项调研及专家评审等工作，建立了适用于交通网络地质灾害监测站选址影响因素体系（图4）。基于层次分析法（祁于娜等，2021）、熵值法（顾景强等，2014）及博弈论组合赋权法（路遥等，2014）适用方法及特点，监测站选址主要通过层次分析法与熵值法计算评价交通沿线地质灾害监测站选址影响因素指标主、客观权重，基于博弈论思想对主、客观权重进行组合赋权，给出各个指标最优权重值。根据各指标属性进一步将交通沿线地质灾害专业监测的必要性分为一般必要、必要、十分必要3个等级。

图4 交通网络地质灾害监测站选址影响因素体系Fig.4 The schematic diagram of influencing factors system for site selection of geological disaster monitoring station in traffic network

3.3 监测站建设

在收集资料及前期调查基础上，开展专项地质灾害勘察及专业测绘等工作（图5），查明监测站地质灾害发育特征及地层岩性、岩土体物理力学参数和地形环境等情况，为监测站建设提供坚实的基础。施工过程中对质量验收关键节点，监测点施工工序，施工全过程进行检验与试验，工序施工前对安装位置、模板进行复检，所有隐蔽工程实施前进行隐蔽前的检查，并通过分项工程验收评定进行隐蔽施工。监测点施工及监测设备安装完成后要对成品进行保护及联调联试，确保设备数据传输、存储稳定，为监测预警信息平台提供准确详实的现场监测信息。

图5 监测站建设流程图Fig.5 Flow chart of monitoring station construction

3.4 三维地质建模

三维地质模型是一种加强对地质内部构造的认识并反思和创新地质勘探方法的技术，主要将地质、测井、地球物理资料和各种解释结果综合在一起，生成三维地质信息模型，建设完成的模型可重现地层、岩体、构造的不规则边界和空间几何特征等地质信息，实现三维地质体空间分布特征的可视化表达。京津冀地质灾害数值模拟系统（图6），经超前预警案例验证，模拟计算结果较好，已应用于辅助监测预警与地质灾害变化趋势分析。

图6 京津冀地质灾害数值模拟系统界面展示Fig.6 Interface display of beijing-Tianjin-Hebei Geological hazard numerical simulation system

3.5 监测预警系统平台

监测预警系统平台建设将前端监测点数据进行采集、回传，对各项地理信息数据进行存储、显示、分析，完成包括数据输入与编辑、数据管理、数据操作以及数据显示和输出等工作，实时掌握地质灾害体特征信息的动态变化情况。该系统平台实现了京津冀交通网络地质灾害隐患的专业监测与数据的远程实时传输，集站点管理，多源信息监测数据智能采集、存储与整理，监测数据阈值报警，三维数值模拟预警运算一体化的综合数据处理和业务管理平台（图7）。

图7 监测预警系统平台界面展示Fig.7 The interface display of geological disaster monitoring and forecasting system

4 监测系统应用案例

依据以上思路，在前期地质灾害调查中发现佛子庄（G108国道复线K12+800 m处）地质灾害隐患坡体发育较多拉张裂缝（图8）及贯通裂缝（图9）。选取112°∠84°及17°∠74°2组节理及岩层面进行赤平投影分析（图10），得出边坡岩体的抗滑稳定性属于不利组合，顺层的高陡边坡，极易形成崩塌落石。通过监测站专项选址设计，房山佛子庄地质灾害隐患点专业监测在查明的660处重要交通沿线地质灾害风险点台账中必要性被评为十分必要，因此选定该处建设地质灾害监测站。

图8 隐患点拉张裂缝Fig.8 Tensile fracture of hidden danger points

图9 隐患点贯通裂缝Fig.9 Through crack of hidden danger points

图10 隐患点赤平投影Fig.10 Stereographic projection of hidden danger points

结合国内外崩塌灾害监测技术发展水平及T/CAGHP 007-2018崩塌监测规范（试行），在“基于交通沿线典型地质灾害隐患点动态监测数据的预警方法专题研究”“GNSS响应时间与多设备联合应用试验”等试验基础上，选取GNSS、SAA、倾角仪、土压力、孔隙水压力、一体化自动雨量站及视频等自动化监测设备对岩质崩塌隐患体进行全方位监测。经监测站建设、设备安装调试后，监测数据实时传输至系统监测预警平台中，设置响应的预警阈值，建立预警研判机制及工作体系，形成多维监测数据反馈结果的相互验证，提高预警精准度。崩塌预警级别设定见表1，监测预警工作措施见表2。

表1 崩塌预警级别表Tab.1 Warning level table of collapse

表2 监测预警工作措施Tab.2 Monitoring early warning measures

监测预警系统实时掌握隐患点灾害特征动态变化信息，监测数据每日巡查检核，报警数据即时检核，异常数据通过四分位法综合分析，发现自2021年7月12日北京强降水后，该监测站坡体位移及倾角监测数据均出现异常，未触发阈值报警，预警级别为Ⅳ级注意级，采取持续关注监测数据并加强监测站点巡查巡视等措施。7月20日，该处崩塌隐患体累计位移持续增长，GNSS发生同向累计位移，且趋势明显，日均累计位移-时间曲线切线角α=dΦ(t)/dt=59°，累计位移变化速率临近加速变形阶段，多个监测设备触发阈值报警。系统视频监控及现场监测站巡视均发现零星落石，经综合研判，该处发生崩塌地质灾害风险较大，发布预警，预警等级为Ⅱ级（警戒级），启动灾害预警提醒过往车辆与行人注意避让，及时向北京市规划和自然资源委及房山分局、市交通委房山公路分局通报监测情况，并加强监测站点的巡视巡查。预警发出44 h，崩塌分多次倾泻而下，灾害发生期间累计劝返通行车辆50余辆，80余人次，避免直接经济损失1 000余万元，取得显著的社会效益与经济效益。

通过监测预警系统持续性技术支持和数据支撑，可以较好地服务于市规划和自然资源委、公路运营管理等部门，及时、合理地制定工程治理方案，实施工程治理措施，在发生大规模的地质灾害之前消除地质灾害隐患，为后续的监测预警工作的开展奠定基础及起到较好的典型示范作用。

5 结论与建议

交通沿线地质灾害安全监测预警系统工作关乎线性工程人民生命财产安全，涉及多学科相互融合，对时效性及准确度要求极高，系统建设思路及关键技术是交通沿线地质灾害安全监测预警系统的基础和重点：

1）提出了一套基于地质灾害调查、监测站选址及建设、系统平台建设和运维等重要交通沿线地质灾害安全监测预警系统建设思路及关键技术，推进了交通网络地质安全监测预警体系的建设，可为交通网络沿线地质灾害监测预警工作提供参考和借鉴。

2）“7·22”佛子庄G108国道复线崩塌灾害避险案例进一步验证了交通网络地质安全监测预警系统建设思路的可行性和科学性，可为重大线性工程建立同类的地质安全监测预警系统起到典型示范作用，推动对交通网络沿线区域范围内的地质安全问题的实时监测预警工作，切实发挥地质灾害监测站保障交通网络线路运营和人员安全的作用。

3）截至2022年6月，北京地区查明的8186处突发地质灾害隐患点中威胁道路的有5303处，占比64%以上。已建设完成36处地质灾害监测站，监测范围和监测密度远远不够，建议增大交通沿线地质灾害监测预警范围，进一步推动深入研究突发地质灾害尤其是崩塌地质灾害监测预警工作。