高速公路邊坡地質(zhì)災(zāi)害智慧監(jiān)管平臺建設(shè)與應(yīng)用

熊 威，孫志杰

（山西省交通科技研發(fā)有限公司 黃土地區(qū)公路建設(shè)與養(yǎng)護(hù)技術(shù)交通行業(yè)重點實驗室，山西 太原 030032）

0 引言

山西省地處山地型高原，地形高差變化大，地質(zhì)構(gòu)造條件復(fù)雜，降水集中，為形成崩塌、滑坡、泥石流、地裂縫等地質(zhì)災(zāi)害提供了充分的動力條件，屬地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)區(qū)，地質(zhì)災(zāi)害分布具有點多面廣的特點。截止到2020年底，全省共查明地質(zhì)災(zāi)害隱患點10 340處，其中崩塌6 257處、滑坡1 440處、泥石流550處，滑坡和崩塌以其大規(guī)模、強(qiáng)危害、難預(yù)測、難治理等特點成為影響地區(qū)經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展的嚴(yán)重地質(zhì)災(zāi)害之一[1]。目前山西省高速公路通車總里程已接近6 000 km，公路建設(shè)時期的開挖擾動會破壞邊坡的穩(wěn)定，加劇邊坡地質(zhì)災(zāi)害的產(chǎn)生。如何精準(zhǔn)高效地監(jiān)測災(zāi)情變化，預(yù)測災(zāi)情發(fā)展趨勢，及時給出合理措施，對于防災(zāi)減災(zāi)、保障人民生命財產(chǎn)安全具有重要意義。《交通強(qiáng)國建設(shè)綱要》強(qiáng)調(diào)要完善公路安全保障體系，增強(qiáng)科技興安能力，加強(qiáng)交通信息基礎(chǔ)設(shè)施安全保護(hù)?！秶揖C合立體交通網(wǎng)規(guī)劃綱要》指出要提升智慧發(fā)展水平，全方位布局交通感知系統(tǒng)，部署關(guān)鍵部位主動預(yù)警設(shè)施，提升多維監(jiān)測、精準(zhǔn)管控、協(xié)同服務(wù)能力。

隨著4G/5G移動通信、物聯(lián)網(wǎng)、北斗+、大數(shù)據(jù)、衛(wèi)星遙感技術(shù)的發(fā)展，融合眾多新技術(shù)新方法的智能化邊坡監(jiān)測解決方案逐漸取代了傳統(tǒng)地質(zhì)災(zāi)害人工巡查，并顯示出較強(qiáng)的優(yōu)越性。周楓等[2]研發(fā)了弦式傳感器智能采集系統(tǒng)，對邊坡錨索應(yīng)力自動采集，通過云平臺進(jìn)行處理和存儲，并在App上對數(shù)據(jù)進(jìn)行實時采集和展示；王洪輝等[3]通過物聯(lián)網(wǎng)對貴州省赫章縣烏木鋪巖質(zhì)高邊坡的傾斜度、地表裂縫、降雨量3個指標(biāo)進(jìn)行監(jiān)測，并通過遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺實現(xiàn)數(shù)據(jù)變頻、結(jié)果展示、數(shù)據(jù)管理、閾值報警等功能；張菖等[4]利用BIM技術(shù)搭建了邊坡地層三維模型和地表三維模型，利用實時形變監(jiān)測結(jié)果更新ANSYS有限元法劃分得到的滑坡體網(wǎng)格節(jié)點位移數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)滑坡體動態(tài)變化模擬；呂寧[5]利用布設(shè)在（成）都汶（川）高速沿線的多組攝像頭對滑坡、崩塌、泥石流等災(zāi)害進(jìn)行實時視頻監(jiān)控，設(shè)置預(yù)警等級，保障通行安全；譚行等[6]為提高大量GNSS監(jiān)測數(shù)據(jù)的實時處理效率，設(shè)計了分布式處理系統(tǒng)，并驗證了其在邊坡形變監(jiān)測中具有較高精度和可靠性。

針對目前山西省高速公路邊坡地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警中智慧化程度不高、信息化技術(shù)手段使用不夠廣泛的問題，本文結(jié)合山西省地質(zhì)條件和高速公路邊坡特點，設(shè)計并研發(fā)一套基于網(wǎng)絡(luò)環(huán)境條件下的集地質(zhì)災(zāi)害三維真實地形展示、信息查詢、數(shù)據(jù)分析、實時監(jiān)測、預(yù)警為一體的地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)，并在省域范圍內(nèi)成功推廣應(yīng)用。

1 災(zāi)害特點及防治難點

1.1 高速公路邊坡地質(zhì)災(zāi)害特點

山西省高速公路邊坡地質(zhì)災(zāi)害主要有以下特點[7-8]：a）點多面廣，六大盆地所屬地區(qū)災(zāi)害點較少，山谷地區(qū)災(zāi)害點較多，與地形地貌相關(guān)性較強(qiáng)；b）主要為黃土滑坡，部分隧道洞口及自然邊坡存在崩塌或淺表層滑塌；c）高危邊坡較為集中，主要分布在西部呂梁山及東部太行山地區(qū)，坡高勢險，發(fā)育比較隱蔽；d）強(qiáng)降雨和人工擾動是導(dǎo)致邊坡地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的主要原因，一般集中在施工期及運(yùn)營期的六到十月份；e）發(fā)育周期較長，地表形變速率小，但在極端天氣條件下具有很強(qiáng)的突發(fā)性。

1.2 高速公路邊坡地質(zhì)災(zāi)害防治難點

山西省境內(nèi)復(fù)雜的地形地貌及巖土體條件決定了高速邊坡地災(zāi)防治具有多個難點：a）邊坡構(gòu)造的復(fù)雜性，包括邊坡巖性、巖層傾角、滑動面類型、深度等各不相同，難以確立統(tǒng)一的滑動模型；b）監(jiān)測預(yù)警指標(biāo)多，自洽程度低。監(jiān)測指標(biāo)一般有裂縫、地表位移、深部位移、降雨量、應(yīng)力應(yīng)變等，如何通過對多個指標(biāo)進(jìn)行綜合來判斷災(zāi)害發(fā)展趨勢一直是關(guān)注的焦點；c）突發(fā)性較強(qiáng)，可預(yù)測性低。黃土具有濕陷性及水敏性，在降雨條件下會發(fā)生突然坍塌，提高監(jiān)測頻率，縮短研判預(yù)警周期是提高預(yù)警時效的方法之一；d）邊坡地災(zāi)數(shù)量多，防治成本太高。傳統(tǒng)防治方法以人力為主，費(fèi)時費(fèi)力，需要逐步提高信息化程度，降低監(jiān)測設(shè)備費(fèi)用，擴(kuò)大新技術(shù)應(yīng)用范圍。

2 平臺架構(gòu)與功能設(shè)計

2.1 平臺架構(gòu)

針對高速公路黃土邊坡地質(zhì)災(zāi)害的地質(zhì)特點和防治難點，本文設(shè)計并研發(fā)了一套邊坡信息化監(jiān)管平臺，主要包括信息感知層、傳輸層、云處理層和管理應(yīng)用層。

圖1 邊坡智慧監(jiān)管平臺總體架構(gòu)

數(shù)據(jù)采集與感知層主要包括各種實時監(jiān)測數(shù)據(jù)和周期性監(jiān)測數(shù)據(jù)，其中實時監(jiān)測有GNSS、傾角裂縫計、固定測斜儀等地表、地下監(jiān)測設(shè)備，還有雨量監(jiān)測和視頻監(jiān)測設(shè)備，各設(shè)備之間采用消息隊列遙測傳輸（Message Queuing Telemetry Transport，MQTT）協(xié)議實現(xiàn)不同廠家、不同類型的多源數(shù)據(jù)集成，節(jié)省了硬件資源，降低了維護(hù)成本。周期性監(jiān)測數(shù)據(jù)主要有傳統(tǒng)人工監(jiān)測和衛(wèi)星遙感監(jiān)測，該類數(shù)據(jù)處理后通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)皆破脚_，可有效降低本地存儲空間。

云處理平臺主要用于高頻數(shù)據(jù)的解算、原始數(shù)據(jù)的存儲，以及野外監(jiān)測設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)控，通過云平臺可動態(tài)調(diào)整野外數(shù)據(jù)的獲取頻率，達(dá)到高低頻適時切換的目的。當(dāng)海量GNSS數(shù)據(jù)匯集到云平臺后，還可根據(jù)數(shù)據(jù)的先后順序有序解算，向監(jiān)控及數(shù)據(jù)中心傳遞解算結(jié)果。實時視頻監(jiān)控數(shù)據(jù)全部傳輸?shù)皆破脚_，當(dāng)監(jiān)控中心向云平臺發(fā)送請求時，才即時獲取并展示。野外監(jiān)測設(shè)備的具體工作參數(shù)，包括電壓、電量、流量消耗、衛(wèi)星數(shù)量、產(chǎn)品參數(shù)等信息實時傳送到云平臺，當(dāng)監(jiān)控中心顯示設(shè)備不在線時，通過云平臺即可查找故障原因。

監(jiān)控及數(shù)據(jù)中心用于存儲保密等級較高的公路、邊坡、管養(yǎng)等數(shù)據(jù)，以及展示云平臺解算后的監(jiān)測數(shù)據(jù)。此外，為了加快一些底層數(shù)據(jù)的加載速率，可將其制成圖層保存在本地，以方便快速讀取，例如地圖數(shù)據(jù)、路網(wǎng)數(shù)據(jù)、InSAR數(shù)據(jù)、三維模型數(shù)據(jù)等，該類數(shù)據(jù)具有數(shù)據(jù)量大，保密程度高等特點。

2.2 功能設(shè)計

根據(jù)高速公路管理部門以及行業(yè)應(yīng)用需求，平臺主要設(shè)計了以下功能。

2.2.1 形變監(jiān)測

實時監(jiān)測邊坡的穩(wěn)定狀態(tài)。通過多種設(shè)備組成天地一體化監(jiān)測系統(tǒng)，衛(wèi)星遙感技術(shù)用于周期性的邊坡整體穩(wěn)定性監(jiān)測，主要有光學(xué)衛(wèi)星技術(shù)和InSAR技術(shù)，分別監(jiān)測邊坡的宏觀形態(tài)變化和形變量；傾角裂縫計、GNSS等設(shè)備可實時監(jiān)測坡表裂縫變化及三維形變量。

2.2.2 氣象監(jiān)測

為邊坡危害預(yù)警提供主要參考指標(biāo)。降雨為影響黃土滑塌的主要因素之一，短時強(qiáng)降雨會導(dǎo)致土壤含水率快速飽和，有效應(yīng)力降低，土體抗剪強(qiáng)度也隨之減小，另外滑體重量變大，導(dǎo)致滑坡發(fā)生。該系統(tǒng)分別設(shè)置小時降雨量和天降雨量來監(jiān)測短時降雨強(qiáng)度。

2.2.3 邊坡風(fēng)險評價

自動評價邊坡的風(fēng)險等級。通過導(dǎo)入邊坡結(jié)構(gòu)及地質(zhì)、環(huán)境參數(shù)，實現(xiàn)邊坡風(fēng)險等級的自動劃分，并用不同顏色圖標(biāo)在平臺上展示。

2.2.4 邊坡巡檢養(yǎng)護(hù)

構(gòu)建邊坡災(zāi)害動態(tài)數(shù)據(jù)庫。通過手機(jī)App野外采集邊坡的災(zāi)害發(fā)育情況，包括邊坡防水工程、護(hù)面工程、支擋工程、錨固工程等病害信息，通過平臺對上傳信息進(jìn)行審核、入庫，實現(xiàn)邊坡病害信息庫及時更新。

基于各項監(jiān)測指標(biāo)實現(xiàn)邊坡災(zāi)害預(yù)警。利用地表位移、裂縫、降雨量、傾角等已有指標(biāo)建立多指標(biāo)綜合預(yù)警模型，分為紅橙黃藍(lán)4個預(yù)警等級，分別設(shè)置不同等級的預(yù)警閾值及組合方式，通過云短信、郵件、App發(fā)送預(yù)警信息，并利用App及時巡查預(yù)警目標(biāo)，反饋災(zāi)毀信息。

2.2.6 視頻監(jiān)控系統(tǒng)

利用單個或多個攝像頭監(jiān)測邊坡的實時表象特征及周圍環(huán)境狀況。

2.2.7 災(zāi)害信息管理系統(tǒng)

對邊坡災(zāi)害信息相關(guān)聯(lián)的道路信息、監(jiān)測數(shù)據(jù)、巡檢養(yǎng)護(hù)信息等進(jìn)行編輯、修改、新增、刪減等操作。

2.2.8 災(zāi)害區(qū)劃評價

基于實時氣象觀測信息建立區(qū)域災(zāi)害風(fēng)險劃分，并疊加到邊坡風(fēng)險等級評價結(jié)果上，更新極端氣象條件下的邊坡風(fēng)險等級，提供一種區(qū)域性邊坡風(fēng)險評價方法。

隨著社會的發(fā)展，思政教育必須進(jìn)行改革，以往那種忽視學(xué)生能動性的灌輸式教育方式已經(jīng)不再適合當(dāng)前的社會環(huán)境，學(xué)生不再迷信老師的權(quán)威，學(xué)生更需要的是平等的對待，希望從老師能夠以平等的視角來看自己。因此，在改革中，思政教育要注意改變教育觀念，變服從為接受，變被動為主動；還要注意轉(zhuǎn)變主體地位，主客體的模式應(yīng)該被雙主體模式取代。只有這樣才能拉近教育者與受教育者之間的距離，幫助學(xué)生培養(yǎng)自我存在感。在教育中，要根據(jù)各個學(xué)生的特點采用不同的教育方法，尊重學(xué)生的特性引導(dǎo)學(xué)生，同時又不能抹殺學(xué)生的主動性，充分發(fā)揮學(xué)生的特長，促進(jìn)學(xué)生全面發(fā)展。只有這樣才能切實改變教育的被動性，使學(xué)生從知識的接收者變?yōu)橹R的接受者。

2.2.9 空間分析

基于二維底圖和三維邊坡模型做相關(guān)的空間分析，包括距離、面積量測，橫剖面、土方量分析，模型剖切、壓平等功能。

3 系統(tǒng)實現(xiàn)與應(yīng)用

該平臺在山西省部分高速公路邊坡災(zāi)害管控中得到應(yīng)用，主要應(yīng)用情況如下。

3.1 監(jiān)測預(yù)警

監(jiān)測預(yù)警模塊的預(yù)警原理如圖2所示，當(dāng)單個或多個預(yù)警指標(biāo)超過預(yù)警閾值時，啟動預(yù)警后臺服務(wù)程序，在初步確定預(yù)警等級的同時，對野外巡養(yǎng)人員發(fā)送預(yù)警詳情，現(xiàn)場人員針對預(yù)警內(nèi)容展開野外調(diào)查，及時將調(diào)查信息通過App以文字和圖片的形式發(fā)送到管控平臺。技術(shù)專家對監(jiān)測數(shù)據(jù)和現(xiàn)場反饋情況做進(jìn)一步分析確定是否誤報，核實警情之后向管理人員及受威脅人員發(fā)送預(yù)警短信，并啟動應(yīng)急預(yù)案。圖2告警信息中可見大運(yùn)高速溝東隧道邊坡4號點水平、垂直位移于近期發(fā)生突變觸發(fā)紅色預(yù)警，通過調(diào)取監(jiān)測數(shù)據(jù)曲線后發(fā)現(xiàn)4個監(jiān)測點在同一時期均發(fā)生同一趨勢的改變，后又恢復(fù)正常，現(xiàn)場核查沒有新的滑坡跡象，考慮為衛(wèi)星失鎖引起的數(shù)據(jù)跳變，不應(yīng)觸發(fā)應(yīng)急響應(yīng)。

圖2 預(yù)警流程及告警詳情

3.2 巡檢養(yǎng)護(hù)

巡檢養(yǎng)護(hù)包括日常巡養(yǎng)和應(yīng)急巡查，是連接App端與平臺PC端的重要功能之一，主要通過App端完成信息采集，通過PC端完成信息審核和報表導(dǎo)出。以日常巡查養(yǎng)護(hù)為例，該功能直接調(diào)用目標(biāo)邊坡的屬性信息，在此基礎(chǔ)上依次添加巡查內(nèi)容，主要包括巡查部位、病害類別、病害描述、病害照片等，添加完畢后即可上傳到平臺審核，并在本地數(shù)據(jù)庫保存。圖3為吉河高速鄉(xiāng)寧西收費(fèi)站邊坡的現(xiàn)場巡查結(jié)果展示，通過列表的形式將每一個部位的病害特征依次記錄。

圖3 養(yǎng)護(hù)巡查PC端界面

3.3 災(zāi)害信息管理

邊坡災(zāi)害信息按類別主要分為崩塌、滑坡、泥石流，每個災(zāi)害點的屬性信息均包括災(zāi)害名稱（以樁號+類別命名）、經(jīng)緯度、災(zāi)害歷史特征、風(fēng)險點現(xiàn)狀特征等病害信息，路線名稱、路線編號、路線等級、管養(yǎng)單位等所在公路信息，起終點樁號、坡體特征、地層巖性等所在邊坡屬性信息，以及實時監(jiān)測信息、預(yù)警信息、巡查信息等。所有上述信息以一坡一檔的形式保存，從平臺首頁點擊邊坡詳情即可查看所有信息。此外，通過具體的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)模塊、監(jiān)測預(yù)警模塊、養(yǎng)護(hù)巡查模塊還可對上述信息進(jìn)行批量導(dǎo)入導(dǎo)出、新增、刪減、修改、分析。圖4、圖5為大運(yùn)高速溝東隧道邊坡的邊坡檔案信息及病害信息界面。

圖4 邊坡檔案界面

圖5 病害信息界面

3.4 典型應(yīng)用案例

2021年山西洪澇災(zāi)害過后長臨高速公路沿線多處發(fā)生沉塌陷，其中安澤服務(wù)區(qū)（南）停車區(qū)發(fā)生局部垮塌，嚴(yán)重威脅停車安全。為監(jiān)測沉陷趨勢變化，保障服務(wù)區(qū)運(yùn)營安全，并給后續(xù)的處治提供參考意見，從11月初開始在停車區(qū)布設(shè)了4個北斗監(jiān)測點和2個裂縫計，實現(xiàn)對停車區(qū)災(zāi)害隱患點的全方位實時監(jiān)測。點位布設(shè)圖見圖6，其中GNSS00為基準(zhǔn)點，GNSS01、GNSS02、GNSS03為GNSS監(jiān)測點，VF1、VF2為裂縫監(jiān)測點，11月10日—11月30日的監(jiān)測結(jié)果如圖7所示。

圖6 監(jiān)測點位布設(shè)圖

圖7 形變監(jiān)測結(jié)果

從監(jiān)測結(jié)果中可以看出停車區(qū)西南角GNSS03累積沉降超過16 mm，水平位移較小；東南角GNSS01水平位移、垂直位移均達(dá)到10 mm，有傾塌的趨勢；南側(cè)邊坡坡頂GNSS02水平位移接近于0，垂直位移小于8 mm，較穩(wěn)定。南北向裂縫計VF2監(jiān)測值幾乎沒有變化，且位移靠近GNSS02，兩者結(jié)果一致；東西向裂縫計VF1監(jiān)測值從29日開始產(chǎn)生近50 mm突變，考慮為水平位移和垂直位移共同作用的結(jié)果，與GNSS01變化趨勢一致。綜合判斷該停車區(qū)地基仍不穩(wěn)定，并通過后臺判定為黃色預(yù)警，中短期內(nèi)有再次垮塌的危險，須時刻警惕監(jiān)測曲線變化，給出建議：封閉停車區(qū)，待處治后再對外開放。

此外，該平臺的監(jiān)測預(yù)警功能還在岢臨高速康寧互通邊坡、長臨高速雷鼓臺隧道口邊坡、吉河高速北樂原隧道口邊坡、鄉(xiāng)寧西收費(fèi)站邊坡等山西省內(nèi)邊坡得到推廣應(yīng)用，為隱患邊坡點的監(jiān)測和交通安全保障起到了積極作用。

4 結(jié)語

a）該平臺集成多種實時或周期性的監(jiān)測手段和方法，對省域范圍內(nèi)高速公路典型高邊坡地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行高精度、自動化、智慧化監(jiān)管，提升了災(zāi)害預(yù)警能力。

b）基于GIS技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)展示了高速公路邊坡的精細(xì)化三維模型，并在此基礎(chǔ)上開展病害分析和災(zāi)害預(yù)處治工作，提升了邊坡災(zāi)害防治的信息化水平。

c）構(gòu)建了山西省高速公路邊坡地質(zhì)災(zāi)害信息化監(jiān)管平臺，將邊坡災(zāi)害及相關(guān)信息統(tǒng)一入庫管理，可為決策者快速提供災(zāi)情研判、處治建議、政策規(guī)劃方面的技術(shù)支持。