微芯桩监测技术在黄河丁坝根石走失预警中的应用

关键词：丁坝；根石；微芯桩；监测预警；黄河神堤控导工程

0引言

黄河下游河道整治工程以修建丁坝为主，其在约束水流、控制河势、稳定中水河槽方面发挥着重要作用。丁坝根石是坝体稳定的基础，多为散抛乱石，在水流的冲刷作用下一部分石块离开坝体、被冲刷揭走，这种现象被称为根石走失。根石走失的发生往往难以预测，目前根石走失监测方法主要有人工探测根石（人防）和在丁坝顶部安装摄像头进行定点观测（技防）。人防方法存在危险性高、探测范围小、工作量大以及探测精度低等问题。技防方法中摄像头无法实时感知，且仅能观察河道表面，无法了解水下根石的走失情况。

针对根石走失的监测预警，黄委建设与运行管理局于2003年结合“数字工管”系统建设，提出了“根石位移上传+位移传感器法”监测、GPS定位监测、接触式光纤监测、分布式电极监测等8种根石位移实时监测和安全预警技术。滨州黄河河务局于2013年研发了根石坍塌报警器，报警器对于根石的瞬间位移和翻滚较为敏感，而对速度较慢的平移则不敏感。随着科学技术和理论的发展，根石走失预警研究有了新的进展。孙东敏等基于图像识别把灰色理论作为预测根石走失的核心算法，利用该方法能够监测到坝岸根石堆在水流持续冲击和淘刷下发生的变形，但该方法涉及的数据需要人工添加，存在一定的主观性。严建华等以黄河下游典型弯曲河段王窑险工和葛店险工为试点，研发了水下根石动态监测预警系统，该系统利用边坡探针和潜嵌浮标示踪剂对根石走失进行综合判断，取得了较好的应用效果。

近些年，微芯桩在水库大坝的滑坡监测中有良好的应用效果。例如：靳玉鹏等在猴子岩水电站利用微芯桩监测滑坡体，有效解决了滑坡体浅表孤石监测难、预警预报不准的问题。相较于水库大坝的滑坡监测，黄河丁坝根石分布在水面以下，受力更加复杂、监测难度更大。笔者基于丁坝根石走失的特点，借鉴微芯桩在水库大坝的应用成果，将微芯桩监测设备应用于黄河丁坝根石走失监测，结合监测设备内置的安全态势天地感知网，实现根石走失的实时预警。

1微芯桩监测系统构成

微芯桩监测系统由感知层、传输层、支撑层和应用层构成，见图1。该系统利用物联网一体化感知技术，微芯桩作为感知层的核心元件，能实时监测丁坝根石位移，该设备采用太阳能与电池双供电，安装简便、耐寒耐热性能良好。微芯桩将采集到的指标信息通过4G/LoRa无线通信技术传输至一杆式采集测站，一杆式采集测站再将接收到的信号通过2G/4G/北斗／以太网传输至云平台，云平台与应用层以HTTP协议形式互联，实现数据传输。工作人员可以在手机、电脑界面访问应用层，应用层中内置的安全态势天地感知网汇聚航空遥感数据．地面监测数据、气象观测数据以及地层模型等多源数据，提供安全监测、态势感知、灾情险情预警等功能。用户可随时查看动态监测数据，及时接收预警信息，迅速进行处置决策。微芯桩监测系统界面见图2。

微芯桩监测系统采集频率为100～1000Hz，主动感知物体的状态变化，实现位移、倾斜角度、振动冲击合加速度等指标的实时采集。系统借助无线通信技术，结合安全态势天地感知网，实现了指标预警、模型预警以及安全预警3种预jKAqaxGxZolByV63yvnekMk0ZQAJgVZjNvv9UtUvbwQ=警模式的有机融合。微芯桩对丁坝根石进行实时监测，通过智能采集根石位移等信息，能够对丁坝的坍塌、墩蛰、滑动、坝裆后溃、溃膛以及漫溢等险情进行早期预警和坝体健康诊断。系统以“传感一网络一平台一服务”一体化的模式，为防灾减灾、安全生产及应急管理部门提供全方位、多层次的安全监测预警服务。

微芯桩监测系统建立了集静力学指标、动力学指标以及运动学指标于一体的预警指标体系，充分考虑工程地质条件和岩石力学特性，对不同工程地质条件进行分区，并对多源监测数据进行集成融合分析。在预警指标体系的基础上，建立基于动力特征的堤防边坡安全评价模型、基于动力和运动特征的边坡失稳早期预警模型、基于位移速率比的边坡失稳预警模型。基于这些模型可实现对堤防丁坝边坡全生命周期的综合预警。

2微芯桩监测系统算法原理

滑移体经历了从微动、微变、形变到位移、滑移的过程。滑移体的稳定性由抗滑力和下滑力共同决定，其中抗滑力由黏结力和摩擦力组成。当滑移体处于强稳定阶段时，黏结力起主导作用：当滑移体处于弱稳定阶段时，黏结力和摩擦力共同承担滑动力：当滑移体处于破坏阶段时，黏结力失效，导致滑动发生。

由于实时获取抗剪参数具有一定的局限性，因此现有的极限平衡模型仍难以描述滑移体从强稳定阶段到破坏阶段的整个过程。针对此问题，微芯桩监测系统搭载的算法以滑移体理论为基础，综合考虑静力学、动力学和形变指标特征进行失稳判断。与以位移为主要指标进行趋势判断和预警的传统方法不同，该算法利用静动力学特征在不同安全失稳阶段的敏感性和差异进行分级预警，主要包括以下2个计算模型。

3微芯桩监测系统现场应用

2023年6月30日，在郑州市巩义市黄河神堤控导工程13#、14#、15#、20#坝安装了微芯桩监测设备，开展黄河丁坝监测预警试验。此前于2023年4月11日利用无人机和无人船协同查勘汛前河势，12#～28#坝靠河靠溜，13#～15#坝是主流顶冲位置，最大水深约为13m。近年来该河段河势上提，20#坝为2021-2022年河势上提前主流顶冲位置，存在潜在风险。图

3为微芯桩监测设备安装现场情况。

微芯桩全天候24h对丁坝根石稳定性进行实时监测，主要监测内容包括倾斜角度（水平倾斜角度X、竖直倾斜角度y，即传感器分别与水平、竖直方向的夹角）、振动冲击合加速度等。截至2023年10月8日，13#、14#、15#、20#坝上的微芯桩共计上传监测数据2479条，指标预警发布110次，其中：13#坝发布蓝色注意14次、黄色警示44次、橙色警戒14次、红色警报2次，14#坝发布蓝色注意2次、橙色警戒3次，15#坝发布蓝色注意3次、黄色警示2次，20#坝发布蓝色注意2次、黄色警示11次、橙色警戒6次、红色警报7次。

系统监测指标见表1，选取倾斜角度和振动冲击合加速度2个指标进行分析。13#、14#、15#坝的倾斜角度和振动冲击合加速度变化幅度相对较小，倾斜角度稳定在0.500°以内，振动冲击合加速度稳定在2.4m/S2以内。尽管数据中存在个别峰值点，但实际坝体均未发生根石走失。对于20#号坝，虽然倾斜角度变化幅度不大，但振动冲击合加速度的较大变幅值得关注，以及时发现并预防潜在的安全隐患。

图4为13#、14#、15#、20#坝倾斜角度和振动冲击合加速度随时间变化曲线。7月1日-10月8日黄河经历了涨落水过程，除个别突变点外，丁坝位移幅度整体呈缓慢增大趋势。13#坝的振动冲击合加速度波动较大，原因是该坝不靠水且附近存在植被，农民在附近放羊，羊群经过微芯桩时产生的振动使得该坝的振动冲击合加速度产生波动，而9月20日后，振动冲击合加速度波动明显减小且趋至平稳，坝体运行状态良好。14#坝的监测数据整体较为稳定，倾斜角度变化较小，振动冲击合加速度在7月6日、9月30日和10月3日发生突变，但坝体未发生根石走失，整体表现平稳。这表明该坝的整体运行情况较好，突变点可能是受到外部环境因素的影响。15#坝的振动冲击合加速度与14#坝表现相似，总体稳定，仅存在个别突变点。值得注意的是，7月29日15#坝的倾斜角度显著增大，由0.104°增大到0.348°，但振动冲击合加速度仍为0m/s2，微芯桩监测系统没有发出警报，原因是7月29日微芯桩在微弱外力作用下发生小幅度偏转。后续数据显示，倾斜角度稳定在0.4°左右，趋于平稳，这表明之后坝体整体结构较为稳定。20#坝倾斜角度、振动冲击合加速度在8月22日前后发生明显变化，最大值分别达到0.458°、4.08m/S2，微芯桩监测系统发出红色警报。8月22日巩义黄河河务局在20#坝附近进行抢险，抛投的根石对监测设备产生较大影响，导致警报发出。8月22日后振动冲击合加速度增大，原因是根石抛投后短时间内尚未稳定。除此之外，该坝的监测数据在其他时间较为平稳。这表明在排除外部因素影响的情况下，坝体结构保持着相对稳定的状态。

综上所述，13#、14#、15#、20#坝整体比较稳定，自微芯桩安装运行至10月8日，水流淘刷作用对根石的影响较小。微芯桩不仅可以实现大尺度位移的精准监测，而且对微小倾斜的监测也有较高精度。由此可见，微芯桩监测系统在黄河丁坝根石的走失预警方面有着较好的应用效果。

为确保工程安全，建议在抢险作业时加强对监测设备的管理，避免对设备产生过大影响。同时，密切关注坝体振动冲击合加速度和倾斜角度的变化，以便在发现异常情况时及时采取措施。在振动冲击合加速度发生突变时，要分析外部环境因素对坝体稳定性的影响，以便更准确地评估其结构安全。

4结束语

鉴于微芯桩监测系统在位移、滑坡监测应用中的优势，可将其应用于黄河丁坝工程监测。实际应用情况表明，当丁坝基础石料在水流或者外力作用下发生滑移，导致丁坝发生轻微位移、倾斜或振动时，微芯桩能凭借其灵敏的感知能力捕捉到这些指标信息，有助于避免传统传感器单一指标产生误判的情况，从而提前感知丁坝根石走失风险并发出安全预警。

受限于监测时间较短，微芯桩各类指标的监测阈值还未确定，目前按日常监测值的2.5倍设限，下一步将根据微芯桩长期运行的数据，利用统计分析的方法，如典型小概率法、置信区间法等对阈值进行分类计算。此外，系统内储存的监测数据作为数字孪生黄河的数据底板，对于黄河流域数字孪生建设也具有重要意义。