水電工程地質(zhì)災(zāi)害實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用

覃 事 河,段 斌,周 相,羅 明,李 美 萍

(1.國能大渡河金川水電建設(shè)有限公司,四川 阿壩 624100; 2.四川省地質(zhì)調(diào)查院,四川 成都 610081)

0 引 言

中國的地質(zhì)災(zāi)害類型多、分布范圍廣且成災(zāi)強(qiáng)度高,成功的監(jiān)測(cè)預(yù)警可避免事故,減少社會(huì)經(jīng)濟(jì)損失。2019年,全國共發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害6 181起;其中,成功預(yù)報(bào)948起,占比15.3%,涉及可能受災(zāi)人員2.45萬人,避免直接經(jīng)濟(jì)損失8.3億元。2020年,全國共發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害7 840起;其中,成功預(yù)報(bào)534起,涉及可能受災(zāi)人員1.8萬人,避免直接經(jīng)濟(jì)損失10.2億元[1-2]。因地形地貌、地質(zhì)構(gòu)造和水文地質(zhì)條件的復(fù)雜性,區(qū)域地質(zhì)環(huán)境的特殊性,再加上高強(qiáng)度的工程建設(shè)活動(dòng),以及暴雨、地震等因素的疊加,水利水電工程區(qū)域易發(fā)生崩塌、滑坡、泥石流、不穩(wěn)定斜坡等地質(zhì)災(zāi)害。

監(jiān)測(cè)預(yù)警是有效預(yù)防地質(zhì)災(zāi)害的重要手段,國內(nèi)外不少學(xué)者在地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警方面做了大量研究,積累了寶貴經(jīng)驗(yàn),開發(fā)監(jiān)測(cè)預(yù)警信息化平臺(tái)也成了當(dāng)前安全科學(xué)領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。王發(fā)讀[3]通過預(yù)警系統(tǒng)準(zhǔn)確地預(yù)報(bào)了秭歸縣雞鳴寺1991年6月29日近70萬m3的中型滑坡險(xiǎn)情,是地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)成功典范,并在此基礎(chǔ)上總結(jié)出了“經(jīng)驗(yàn)-數(shù)值型”的測(cè)報(bào)方法。姚佩超等[4]開發(fā)的地質(zhì)災(zāi)害實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與預(yù)警系統(tǒng)已成功用于鐵路路基變形及礦區(qū)的災(zāi)害監(jiān)測(cè)與預(yù)警。凌騏等[5]開發(fā)設(shè)計(jì)了一套水電工程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)預(yù)警與應(yīng)急管理系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了對(duì)地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的處理分析和預(yù)警信息的發(fā)布。曾勝[6]開發(fā)了重大危險(xiǎn)源動(dòng)態(tài)智能監(jiān)測(cè)監(jiān)控大數(shù)據(jù)平臺(tái),構(gòu)建了“省-市-縣-企業(yè)”四級(jí)監(jiān)管體系。周金星[7]建立了群測(cè)群防監(jiān)測(cè)與專業(yè)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警信息系統(tǒng)。侯儒寧等[8]提出了“群測(cè)群防”體系與工程措施相結(jié)合的理念,創(chuàng)下了國內(nèi)首例特大泥石流災(zāi)害成功避險(xiǎn)的紀(jì)錄。林澤雨等[9]以廣東省為例,總結(jié)了滑坡預(yù)警措施和預(yù)警的研究現(xiàn)狀,為廣東省滑坡災(zāi)害預(yù)警工作提供了依據(jù)和經(jīng)驗(yàn)。朱武等[10]研發(fā)了滑坡實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)裝備,構(gòu)建了多傳感集成的滑坡實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng),成功預(yù)警多起滑坡事件。段斌等[11]根據(jù)水電工程建設(shè)特點(diǎn)和管理難點(diǎn),基于智慧企業(yè)理論框架,依托金川水電站工程提出了智慧工程規(guī)劃方案,包括多元融合的智能監(jiān)測(cè),并在金川水電站工程實(shí)踐。

地質(zhì)災(zāi)害防治工作是一項(xiàng)具有長期性、艱巨性和復(fù)雜性的工作,先期監(jiān)測(cè)工作碎片化且信息化程度不高,不能及時(shí)反映孕災(zāi)體的狀態(tài),缺乏針對(duì)性、系統(tǒng)性和前瞻性。為解決以上難題,依托大渡河金川水電站工程,著眼于工程施工期到運(yùn)行期的全過程、系統(tǒng)性集中管理,設(shè)計(jì)開發(fā)了一套具備實(shí)時(shí)監(jiān)控、項(xiàng)目管理、設(shè)備信息、報(bào)警信息等功能模塊的地質(zhì)災(zāi)害實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng),其監(jiān)測(cè)內(nèi)容包括地表變形監(jiān)測(cè)和降雨量監(jiān)測(cè),監(jiān)測(cè)方法涵蓋地表位移(GNSS)自動(dòng)監(jiān)測(cè)、裂縫位移監(jiān)測(cè)、自動(dòng)雨量計(jì)監(jiān)測(cè)、土壤墑情監(jiān)測(cè)。同時(shí),該系統(tǒng)預(yù)留了外部數(shù)據(jù)傳輸接口,可實(shí)現(xiàn)建設(shè)期至運(yùn)行期各階段對(duì)重大地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)的實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)管理,避免系統(tǒng)開發(fā)的盲目性和重復(fù)性。

1 系統(tǒng)架構(gòu)、關(guān)鍵技術(shù)及其功能實(shí)現(xiàn)

1.1 系統(tǒng)架構(gòu)

地質(zhì)災(zāi)害信息平臺(tái)設(shè)計(jì)分為3層架構(gòu),如圖1所示[12]。① 數(shù)據(jù)層主要包含各類以數(shù)據(jù)為主的系統(tǒng)資源以及各類與系統(tǒng)資源密切聯(lián)系的數(shù)據(jù)訪問功能,數(shù)據(jù)資源層主要為工程監(jiān)測(cè)、地質(zhì)災(zāi)害、雨水情、氣象、地理空間和多媒體等數(shù)據(jù)庫。② 服務(wù)層主要包含各類通用的組件和專業(yè)服務(wù),包括空間數(shù)據(jù)引擎、數(shù)據(jù)交換訪問、預(yù)警分析發(fā)布、圖形報(bào)表通用組件以及地圖、空間分析、采集數(shù)據(jù)處理、遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)監(jiān)控、圖形報(bào)表、預(yù)警分析發(fā)布、事件管理、權(quán)限管理和移動(dòng)應(yīng)用等服務(wù)。③ 表現(xiàn)層主要通過界面對(duì)服務(wù)層業(yè)務(wù)進(jìn)行封裝,并能夠與用戶進(jìn)行合理交互,適應(yīng)復(fù)雜的業(yè)務(wù)應(yīng)用。按照功能模塊劃分,系統(tǒng)平臺(tái)主要包括監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集、地圖導(dǎo)航瀏覽、圖表展示、圖元編輯、分析評(píng)估、隱患排查、事件報(bào)警、應(yīng)急響應(yīng)、權(quán)限管理等若干子模塊。

圖1 系統(tǒng)平臺(tái)架構(gòu)

平臺(tái)開發(fā)采用HTML5+CSS3技術(shù),集合最新的計(jì)算機(jī)通信技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)、中間件及組件技術(shù),系統(tǒng)整體采用B/S結(jié)構(gòu),數(shù)據(jù)庫采用Mangodb非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)、MySQL結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)庫、Redis內(nèi)存庫,數(shù)據(jù)服務(wù)通過REST API對(duì)外提供;三維可視化組件基于Cesium開源框架進(jìn)行深度定制開發(fā)。平臺(tái)架構(gòu)設(shè)計(jì)如圖2所示。系統(tǒng)需實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集、基礎(chǔ)信息查詢展示、數(shù)據(jù)處理及圖表展示、預(yù)警信息發(fā)布、應(yīng)急響應(yīng)管理、地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)移動(dòng)應(yīng)用等功能,主要由現(xiàn)地監(jiān)測(cè)站遠(yuǎn)程向監(jiān)測(cè)信息管理平臺(tái)實(shí)時(shí)報(bào)送數(shù)據(jù)。

圖2 地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警平臺(tái)架構(gòu)

1.2 數(shù)據(jù)庫建設(shè)關(guān)鍵技術(shù)

1.2.1數(shù)據(jù)庫基本要求

地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警數(shù)據(jù)庫服務(wù)地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)、預(yù)警業(yè)務(wù),包含基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、預(yù)警業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)、監(jiān)測(cè)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)等,數(shù)據(jù)庫可基于數(shù)據(jù)交換平臺(tái)服務(wù)解決各級(jí)數(shù)據(jù)異源異構(gòu)、數(shù)據(jù)同步時(shí)效性差、數(shù)據(jù)同步和共享的安全性低等問題。

(1) 數(shù)據(jù)表與數(shù)據(jù)接口。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表主要包括雨量、土壤含水率、裂縫、GNSS、傾角和加速度等6類普適型監(jiān)測(cè)設(shè)備數(shù)據(jù)表。預(yù)警業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)表主要包括監(jiān)測(cè)點(diǎn)預(yù)警信息表。數(shù)據(jù)接口主要包括各信息系統(tǒng)之間以及信息系統(tǒng)與第三方平臺(tái)之間數(shù)據(jù)交互所需的API接口,系統(tǒng)預(yù)留8個(gè)外部數(shù)據(jù)傳輸接口。

(2) 數(shù)據(jù)庫集成與測(cè)試。根據(jù)數(shù)據(jù)庫物理設(shè)計(jì)方案,將數(shù)據(jù)庫建設(shè)所選擇的硬件和軟件進(jìn)行有機(jī)集成。硬件網(wǎng)絡(luò)化集成應(yīng)確保網(wǎng)段與網(wǎng)址合理分配、權(quán)限分級(jí)設(shè)置、硬件互聯(lián)互通和資源有效共享等;軟件系統(tǒng)的集成應(yīng)確保所選擇的操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)、專業(yè)軟件系統(tǒng)等能夠發(fā)揮各自的效能,形成有機(jī)的整體。采用相應(yīng)的數(shù)據(jù)組織方式,建立多類型、多尺度數(shù)據(jù)之間的邏輯關(guān)聯(lián),實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫管理、維護(hù)與分發(fā)等功能,包括日志管理、用戶管理、視圖管理、數(shù)據(jù)的導(dǎo)入導(dǎo)出、查詢與檢索等模塊,并能集成不同的功能模塊,形成不同的子系統(tǒng)和系統(tǒng)。數(shù)據(jù)庫測(cè)試包含編寫測(cè)試大綱、明確測(cè)試項(xiàng)目、明確測(cè)試方法與步驟、編寫測(cè)試報(bào)告等重要步驟,數(shù)據(jù)庫在系統(tǒng)測(cè)試后,根據(jù)測(cè)試報(bào)告,針對(duì)設(shè)計(jì)目標(biāo)的完成情況作整體性評(píng)價(jià)。

(3) 區(qū)域數(shù)據(jù)庫特征。本工程地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)數(shù)據(jù)主要包括4個(gè)大類:① 地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警數(shù)據(jù);② 基礎(chǔ)地理地質(zhì)數(shù)據(jù);③ 組織機(jī)構(gòu)與權(quán)限數(shù)據(jù);④ 元數(shù)據(jù)、系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)。

地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警數(shù)據(jù)包含區(qū)域性監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、單體監(jiān)測(cè)預(yù)警數(shù)據(jù)和基礎(chǔ)地質(zhì)災(zāi)害數(shù)據(jù)3類。區(qū)域性監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)包括InSAR監(jiān)測(cè)成果圖件、InSAR監(jiān)測(cè)PS點(diǎn)、LiDAR監(jiān)測(cè)成果圖件。單體監(jiān)測(cè)預(yù)警數(shù)據(jù)包括監(jiān)測(cè)點(diǎn)位、監(jiān)測(cè)設(shè)息和預(yù)警預(yù)報(bào)信息,其中,監(jiān)測(cè)點(diǎn)位信息存儲(chǔ)金川水電站地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)點(diǎn)位實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、歷史監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),監(jiān)測(cè)設(shè)備信息存儲(chǔ)各類單體監(jiān)測(cè)設(shè)備的型號(hào)及其相關(guān)參數(shù)、狀態(tài)等數(shù)據(jù),預(yù)警預(yù)報(bào)信息存儲(chǔ)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位預(yù)警信息、自動(dòng)預(yù)警數(shù)據(jù)、人工上報(bào)數(shù)據(jù)?；A(chǔ)地質(zhì)災(zāi)害數(shù)據(jù)包括隱患點(diǎn)基本信息表、群測(cè)群防數(shù)據(jù)表、應(yīng)急調(diào)查數(shù)據(jù)表、治理工程數(shù)據(jù)表。

基礎(chǔ)地理地質(zhì)數(shù)據(jù)包含基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)、基礎(chǔ)地質(zhì)數(shù)據(jù)兩大類,其中基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)有線劃地圖數(shù)據(jù)、高清影像數(shù)據(jù)、傾斜攝影三維模型、全景照片,基礎(chǔ)地質(zhì)數(shù)據(jù)有地質(zhì)圖、三維地質(zhì)體模型。

1.2.2數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)庫建設(shè)從數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方式上分為文件庫和MySQL數(shù)據(jù)庫兩大類。系統(tǒng)涉及的文件型數(shù)據(jù),如音視頻文件、監(jiān)測(cè)報(bào)告等非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù),以文件庫的形式存儲(chǔ)在服務(wù)器。其他監(jiān)測(cè)點(diǎn)基本信息、線劃地圖、全景影像解譯數(shù)據(jù)等均以MySQL數(shù)據(jù)庫的形式存儲(chǔ)在服務(wù)器。

(1) 地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。系統(tǒng)使用的區(qū)域性監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)包含InSAR監(jiān)測(cè)成果圖件、InSAR監(jiān)測(cè)PS點(diǎn)、LiDAR監(jiān)測(cè)成果圖件。此類數(shù)據(jù)全部含有空間信息,系統(tǒng)將采用第三方GIS平臺(tái)軟件發(fā)布此類數(shù)據(jù),建立相應(yīng)的屬性數(shù)據(jù)表調(diào)用。單體監(jiān)測(cè)預(yù)警數(shù)據(jù)包含監(jiān)測(cè)點(diǎn)位數(shù)據(jù)、監(jiān)測(cè)設(shè)備數(shù)據(jù)、預(yù)警預(yù)報(bào)數(shù)據(jù),建立監(jiān)測(cè)點(diǎn)位表、監(jiān)測(cè)設(shè)備表、預(yù)警預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)表等3張數(shù)據(jù)表。基礎(chǔ)地質(zhì)災(zāi)害數(shù)據(jù)包含隱患點(diǎn)基本信息、群測(cè)群防信息、應(yīng)急調(diào)查信息、治理工程信息,建立隱患點(diǎn)數(shù)據(jù)表、群測(cè)群防數(shù)據(jù)表、應(yīng)急調(diào)查數(shù)據(jù)表、治理工程數(shù)據(jù)表等4張數(shù)據(jù)表。

(2) 基礎(chǔ)地理地質(zhì)數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)?；A(chǔ)地理數(shù)據(jù)包含線劃地圖、高清影像、傾斜攝影三維模型、全景照片,基礎(chǔ)地質(zhì)數(shù)據(jù)包含地質(zhì)圖、三維地質(zhì)體模型。此類數(shù)據(jù)全部含有空間信息,系統(tǒng)將采用第三方GIS平臺(tái)軟件發(fā)布此類數(shù)據(jù),建立相應(yīng)的屬性數(shù)據(jù)表調(diào)用。組織機(jī)構(gòu)與權(quán)限數(shù)據(jù)包含組織機(jī)構(gòu)信息、用戶數(shù)據(jù)、角色數(shù)據(jù)、權(quán)限數(shù)據(jù),建立組織機(jī)構(gòu)表、用戶表、角色表、角色數(shù)據(jù)權(quán)限表、數(shù)據(jù)權(quán)限表等5張數(shù)據(jù)表。

1.3 系統(tǒng)主要功能實(shí)現(xiàn)

(1) 基礎(chǔ)信息管理。該功能模塊采用GIS技術(shù)和空間數(shù)據(jù)庫技術(shù),建立準(zhǔn)確、全面、規(guī)范的地理信息“一張圖”,使地質(zhì)災(zāi)害管理信息與空間信息的管理融為一體,能夠多層次、多方位直觀地顯示工程地理位置、孕災(zāi)區(qū)域位置、監(jiān)測(cè)項(xiàng)目、監(jiān)測(cè)點(diǎn)位及隱患點(diǎn)位等信息。此外,基礎(chǔ)信息管理還提供監(jiān)測(cè)工作日志管理和通知公告發(fā)布瀏覽等功能。地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)主界面如圖3所示。

圖3 地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警平臺(tái)界面

(2) 數(shù)據(jù)圖表展示。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)圖表展示功能主要包括3個(gè)部分,分別為監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理、圖形展示和報(bào)表定制?？商峁?duì)所有地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)項(xiàng)目的成果圖形化和報(bào)表化展示。

(3) 監(jiān)測(cè)設(shè)備管理。主要用于監(jiān)測(cè)設(shè)備管理,包括設(shè)備廠商和設(shè)備錄入2個(gè)功能。地質(zhì)災(zāi)害隱患點(diǎn)監(jiān)測(cè)設(shè)備平面布設(shè)圖和地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)設(shè)備數(shù)據(jù)圖分別如圖4和圖5所示。

圖5 地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)設(shè)備數(shù)據(jù)

(4) 監(jiān)測(cè)點(diǎn)管理。主要用于監(jiān)測(cè)區(qū)域的監(jiān)測(cè)點(diǎn)管理,包括監(jiān)測(cè)點(diǎn)模型配置、監(jiān)測(cè)點(diǎn)過程線兩個(gè)子菜單。

(5) 預(yù)警信息及應(yīng)急信息發(fā)布。預(yù)警平臺(tái)引入測(cè)點(diǎn)信息作為條件源,通過預(yù)先創(chuàng)建判定規(guī)則,描述條件源與輸出的各種約束關(guān)系,實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)各種數(shù)據(jù)。當(dāng)數(shù)據(jù)變化符合規(guī)則要求時(shí),產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的報(bào)警交互信號(hào),從而為監(jiān)測(cè)管理人員提供運(yùn)行分析和輔助值班的功能。各項(xiàng)報(bào)警信息按照用戶的報(bào)警策略進(jìn)行解析,并以指定方式發(fā)送給指定的報(bào)警接收者,報(bào)警方式有APP、短信和郵件等。用戶還可以自定義報(bào)警源和報(bào)警策略,并提供方便的定制工具。

(6) 災(zāi)害巡查檢查。利用移動(dòng)終端應(yīng)用功能實(shí)現(xiàn)智能巡檢,綜合GPS定位技術(shù)、5G/4G/GPRS/Wifi網(wǎng)絡(luò)傳輸和云數(shù)據(jù)處理等技術(shù),對(duì)廣域或區(qū)域內(nèi)的指定災(zāi)害地點(diǎn)、設(shè)備進(jìn)行巡邏和檢查,記錄巡檢信息及巡檢人員的工作軌跡;具有路線安排、數(shù)據(jù)記錄、工作狀態(tài)監(jiān)督、數(shù)據(jù)匯總報(bào)告、隱患自動(dòng)報(bào)警、隱患處理追蹤等功能,實(shí)現(xiàn)“巡檢有計(jì)劃、過程有監(jiān)督、事后有分析”,從而簡化巡檢過程、提高巡檢質(zhì)量和巡檢效率,以保證巡檢工作高效地執(zhí)行與管理。

(7) 報(bào)表管理。系統(tǒng)定時(shí)統(tǒng)計(jì)并生成PDF報(bào)表文件,用于不同角色用戶的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)展示。

(8) 日志管理。系統(tǒng)對(duì)用戶的登錄情況及關(guān)鍵信息的操作情況進(jìn)行記錄,通過“日志查詢”模塊可查詢到相關(guān)的操作記錄,對(duì)日志保存時(shí)間進(jìn)行參數(shù)化配置;主要用于系統(tǒng)關(guān)鍵資源操作記錄。

(9) 區(qū)域氣象預(yù)報(bào)。通過數(shù)據(jù)調(diào)用,可存儲(chǔ)、展示和分析監(jiān)測(cè)區(qū)域24 h的天氣預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)(包括降水、氣溫、濕度等信息)。通過在GIS的圖層上疊加相應(yīng)地理區(qū)域降雨、播放氣象圖,實(shí)現(xiàn)預(yù)報(bào)展示和預(yù)警提示。

(10) 移動(dòng)互聯(lián)應(yīng)用?；谠撈脚_(tái),配套開發(fā)了可用于Android的移動(dòng)互聯(lián)終端應(yīng)用程序,提供地質(zhì)災(zāi)害地圖導(dǎo)航、信息查詢、巡查數(shù)據(jù)上傳、預(yù)警信息接收等功能,提高地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)的智能化水平。地質(zhì)災(zāi)害移動(dòng)互聯(lián)終端包括九大模塊,分別實(shí)現(xiàn)了隱患巡檢、監(jiān)測(cè)報(bào)告、通知公告、工作日志、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、視頻監(jiān)控、氣象信息、撤離導(dǎo)航和應(yīng)急處置等功能。

2 應(yīng)用實(shí)例

2.1 邊坡基本情況

金川水電站工程所屬河段發(fā)育地質(zhì)災(zāi)害隱患點(diǎn)38處[13-14],在全面評(píng)估的基礎(chǔ)上,已完成3處重大地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)的專業(yè)監(jiān)測(cè),本文以SP邊坡為例進(jìn)行分析。該邊坡為大型土質(zhì)滑坡,位于大渡河金川水電站工程壩址下游三面臨空的高陡斜坡上,相對(duì)高差在1 000 m以上。斜坡上部地形稍緩,坡度20°～30°,高程2 750～3 020 m;斜坡中部地形稍陡,坡度30°～40°,高程2 450～2 750 m;斜坡下部地形較陡,坡度40°～50°,高程低于2 450 m?；轮苓呅逼掠卸鄺l沖溝發(fā)育,滑坡右前部為大渡河,滑坡底部為國道和部分工程臨建設(shè)施。該斜坡是主要因孔隙水效應(yīng)而產(chǎn)生的“蠕滑-拉裂”模式第四系松散堆積物滑坡;現(xiàn)狀環(huán)境下,其局部仍處于蠕滑變形階段,且變形幅度或變形速率主要受大氣降雨及其孔隙水效應(yīng)所控制?；聝蓚?cè)以沖溝和斜坡為界,后緣以下錯(cuò)的拉裂縫為界,前緣以公路邊坡為界?；驴v長約730 m,寬約690 m,面積27.51萬m2,平均厚度60 m,體積495.2萬m3,主滑方向105°。邊坡全貌和三維空間分布分別如圖6和圖7所示。

該滑坡后緣滑體拉裂、錯(cuò)落形成臺(tái)階狀地貌明顯,錯(cuò)落高度在1.5～2.5 m之間,延伸數(shù)十米至上百米不等;滑坡后緣拉裂縫方向以NE12°～42°為主,寬度一般為20～32 cm,最寬達(dá)40 cm;滑坡體上的大部分房屋都出現(xiàn)了拉裂縫,最早出現(xiàn)在20世紀(jì)90年代,2000年后大量出現(xiàn),寬度從幾厘米到幾十厘米不等,延伸長度1～5 m左右;此外,滑坡前緣上游側(cè)分布有醉漢林,滑坡后緣分布有馬刀樹,樹的直徑達(dá)20～30 cm。這些跡象表明:該滑坡體現(xiàn)狀條件下穩(wěn)定性較差,在暴雨或地震作用下存在失穩(wěn)的可能,并對(duì)坡體下部的公路交通和臨建設(shè)施構(gòu)成威脅。

2.2 監(jiān)測(cè)方案

監(jiān)測(cè)方案為表面位移監(jiān)測(cè)、邊坡綜合參數(shù)監(jiān)測(cè)和環(huán)境量監(jiān)測(cè)[15]。根據(jù)規(guī)程規(guī)范[16-18],監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置主要按照以下原則進(jìn)行:監(jiān)測(cè)網(wǎng)覆蓋滑坡體及滑坡邊界以外一定范圍,能夠監(jiān)測(cè)滑坡體變形的整體變化趨勢(shì);GNSS監(jiān)測(cè)點(diǎn)視場內(nèi)障礙物的高度角小于15°;離大功率無線電發(fā)射源的距離大于200 m;根據(jù)滑坡規(guī)模、形狀和變形特征,在滑坡主滑方向和邊界明確時(shí),布設(shè)成方格形,主剖面布設(shè)2條線路,能夠反映滑坡的前緣、中部和后緣的變形特征等,綜合監(jiān)測(cè)站主要用于監(jiān)測(cè)土體是否會(huì)在降雨期間出現(xiàn)土層蠕變、拉裂縫擴(kuò)大及陡坎拉裂下錯(cuò)現(xiàn)象;GNSS監(jiān)測(cè)站主要用于監(jiān)測(cè)該區(qū)域岸坡巖體是否由于風(fēng)化、卸荷等外因及巖體低應(yīng)力、松弛等內(nèi)因而產(chǎn)生彎曲拉裂變形;土壤墑情站主要用于監(jiān)測(cè)該邊坡區(qū)域內(nèi)的土壤含水率,通過觀察土壤含水率的數(shù)據(jù)波動(dòng)來判定地表徑流是否會(huì)對(duì)該區(qū)域的土質(zhì)造成大規(guī)模滲透破壞。在綜合考慮滑坡規(guī)模、地形地質(zhì)條件、變形特征、影響范圍、監(jiān)測(cè)級(jí)別、通視條件和施測(cè)要求等因素下,監(jiān)測(cè)網(wǎng)具體布置情況如下。

該邊坡布設(shè)南北2條監(jiān)測(cè)剖面,平行于邊坡中兩個(gè)較大的坡面的坡向。北側(cè)剖面順山體自上而下設(shè)置2個(gè)GNSS監(jiān)測(cè)站(GN02和GN01)和2個(gè)綜合監(jiān)測(cè)站(ZH01和ZH02),南側(cè)剖面順山體自上而下設(shè)置2個(gè)GNSS監(jiān)測(cè)站(GN04和GN03)、1個(gè)土壤墑情站(SQ01)和2個(gè)綜合監(jiān)測(cè)站(ZH03和ZH04)。GNSS監(jiān)測(cè)站布置在邊坡前后緣,ZH03綜合監(jiān)測(cè)站布置在邊坡后緣,ZH04綜合監(jiān)測(cè)站則布置在斜坡中后部,且與GNSS監(jiān)測(cè)站間隔設(shè)置,土壤墑情站布設(shè)在GN03和ZH04之間,1個(gè)GNSS基準(zhǔn)站(編號(hào)GN05)布置在斜坡后側(cè)穩(wěn)定緩坡處。監(jiān)測(cè)布置示意如圖8所示,GNSS監(jiān)測(cè)設(shè)備如圖9所示。

圖8 斜坡區(qū)監(jiān)測(cè)布置示意

圖9 現(xiàn)場GNSS監(jiān)測(cè)設(shè)備

各監(jiān)測(cè)儀器的主要技術(shù)指標(biāo):地表位移采用GNSS監(jiān)測(cè),JYXY200GS-U36星耀GNSS監(jiān)測(cè)站能連續(xù)、自動(dòng)、全天候地對(duì)被監(jiān)測(cè)體進(jìn)行毫米級(jí)的形變監(jiān)測(cè),并通過物聯(lián)網(wǎng)將數(shù)據(jù)發(fā)送到遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)中心進(jìn)行處理與分析,同時(shí)支持接入MEMS傳感器,適用于野外惡劣環(huán)境,監(jiān)測(cè)精度為水平±2.5 mm + 1×10-6RMS,垂直±5 mm + 1×10-6RMS,GNSS監(jiān)測(cè)點(diǎn)按1次/h的推送頻率進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。降雨量監(jiān)測(cè)采用翻斗式雨量計(jì),JYZN200RG-PT智能雨量監(jiān)測(cè)儀用于野外環(huán)境的降雨量自動(dòng)監(jiān)測(cè),具有數(shù)據(jù)智能采集、長期固態(tài)存儲(chǔ)和遠(yuǎn)距離傳輸功能,具備體積小巧、結(jié)構(gòu)美觀、安裝和拆卸方便的特點(diǎn),降雨量監(jiān)測(cè)頻率在降水時(shí)按1次/5 min、非降水時(shí)按1次/h的推送頻率實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)運(yùn)行。裂縫位移監(jiān)測(cè)采用綜合監(jiān)測(cè)站,JYZN200CD-SW綜合監(jiān)測(cè)站可實(shí)現(xiàn)對(duì)地表裂縫寬度、震動(dòng)加速度及傾角等要素進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),通過GPRS/衛(wèi)星等通信方式實(shí)時(shí)傳輸?shù)降刭|(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)平臺(tái);同時(shí),設(shè)備還具有遠(yuǎn)程召測(cè)功能、實(shí)時(shí)通信狀態(tài)、電池電量監(jiān)測(cè)功能,量程范圍為0～1 000 mm,分辨率為0.01%F.S。土壤墑情監(jiān)測(cè)采用土壤情況站,翻斗式雨量傳感器測(cè)量降水量、降水強(qiáng)度和降水起訖時(shí)間。

2.3 監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

2.3.1邊坡裂縫變化趨勢(shì)分析

以ZH01綜合監(jiān)測(cè)站為例進(jìn)行分析。該測(cè)站從2021年8月1日至2022年6月17日累計(jì)裂縫位移量97.22 mm,平均變化速率0.42 mm/d(正值代表裂縫擴(kuò)張,負(fù)值代表裂縫收縮),該站于2021年9月18～19日裂縫位移量發(fā)生突變后并未再次發(fā)生較大的數(shù)據(jù)波動(dòng),一直維持震蕩式曲線,整體較為穩(wěn)定。2022年3月18日至6月17日期間,累計(jì)裂縫位移量相較于之前的數(shù)據(jù)并無較大變化,其累計(jì)裂縫位移量94.29 mm,平均變化速率0.29 mm/d。累計(jì)裂縫位移量-降雨量-時(shí)間過程曲線如圖10所示。

圖10 ZH01累計(jì)位移量-降雨量-時(shí)間過程曲線

為便于分析ZH01測(cè)點(diǎn)自2021年8月1日起的累計(jì)裂縫位移變化趨勢(shì),以季度為單位對(duì)2022年3月17日至6月17日期間的累計(jì)裂縫位移量進(jìn)行了分析。季度裂縫累計(jì)位移量-降雨量-時(shí)間過程曲線如圖11所示。由圖11可知,ZH01測(cè)點(diǎn)在2022年3月17日至6月17日期間的季度累計(jì)位移量變化較小,整體曲線變化幅度在±12.85 mm之內(nèi),季度累計(jì)位移變化量-2.53 mm,平均變化速率0.096 mm/d。盡管該站所監(jiān)測(cè)的裂縫在2022年4月18日至2022年5月27日期間表現(xiàn)出一定的上升,在2022年4月18～23日期間,該站裂縫擴(kuò)張7.71 mm,平均變化速率0.096 mm/d。在2022年5月26～28日期間,該站裂縫收縮了10.11 mm,平均變化速率3.37 mm/d。該站整體曲線出現(xiàn)一定的波動(dòng),但在2022年5月28日回歸正常,由于其變化頻率無規(guī)律且變化幅度及趨勢(shì)處于T/CAGHP 014—2018《地質(zhì)災(zāi)害地表變形監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)程》限差范圍內(nèi),可知該站上下變化幅度僅為設(shè)備數(shù)據(jù)采集誤差,下一階段仍需加強(qiáng)數(shù)據(jù)分析,研判變化趨勢(shì)。

圖11 ZH01季度裂縫累計(jì)位移量-降雨量-時(shí)間過程曲線

2.3.2邊坡GNSS變化趨勢(shì)分析

以GN01監(jiān)測(cè)站為例進(jìn)行分析。該測(cè)站從2021年8月1日至2022年6月17日累計(jì)水平及垂直位移量分別為13.51 mm和2.57 mm(垂直位移量的正值代表地表上升,負(fù)值代表地表下移;水平位移方向根據(jù)其XY正負(fù)值進(jìn)行判斷,水平位移值根據(jù)XY值計(jì)算得到),水平及垂直位移平均變化速率分別為0.058 mm/d和0.011 mm/d,水平位移方向?yàn)楸逼?4.51°,垂直位移方向向下。2022年3月18日至6月17日期間,累計(jì)水平位移量相較于之前的數(shù)據(jù)并無較大變化,其累計(jì)水平位移量4.24 mm,平均變化速率0.013 mm/d;累計(jì)垂直位移量1.92 mm,平均變化速率0.005 9 mm/d。累計(jì)位移量-降雨量-時(shí)間過程曲線如圖12所示。

圖12 GN01累計(jì)位移量-降雨量-時(shí)間過程曲線

為便于分析該測(cè)點(diǎn)的累計(jì)水平及垂直位移變化趨勢(shì),以季度為單位對(duì)2022年3月17日至6月17日期間的累計(jì)水平及垂直位移量進(jìn)行了對(duì)比分析。季度累計(jì)位移量-降雨量-時(shí)間過程曲線如圖13所示。由圖13可知,GN01在2022年3月17日至6月17日期間的季度累計(jì)水平位移量變化較小,整體曲線變化幅度在±17.94 mm之內(nèi);季度累計(jì)垂直位移量趨勢(shì)整體呈現(xiàn)出二次函數(shù)的形式,其變化幅度在±5.51 mm之內(nèi),季度累計(jì)水平及垂直位移量分別為4.84 mm和-1.03 mm,其中季度累計(jì)水平及垂直平均變化速率分別為0.053 mm/d和0.011 mm/d;水平位移方向?yàn)楸逼?4.16°;與2022年3月17日的監(jiān)測(cè)值相比,其水平位移方向向西偏移了19.65°,垂直位移方向向下。

圖13 GN01季度累計(jì)位移量-降雨量-時(shí)間過程曲線

2.3.3邊坡土壤墑情站變化趨勢(shì)分析

2022年3月18日至6月17日期間,邊坡上SQ01所監(jiān)測(cè)的含水率表現(xiàn)出較為穩(wěn)定的上升趨勢(shì),整體曲線呈震蕩式波動(dòng),隨著汛期的到來,該邊坡土壤的含水率不斷提升,2022年6月17日,土壤含水率約16.78%,其季度變化量10.2%。土壤含水率-降雨量-時(shí)間過程曲線如圖14所示。

圖14 SQ01土壤含水率-降雨量-時(shí)間過程曲線

結(jié)合降雨數(shù)據(jù)可知,在一定的降雨影響下,盡管土壤含水率呈明顯的增長,但由于降雨的增加,SP滑坡域岸坡巖體風(fēng)化程度明顯減小,其地表徑流未對(duì)該區(qū)域土質(zhì)造成大規(guī)模滲透破壞,反而起到降低巖體風(fēng)化、增荷、土體鼓脹,進(jìn)而導(dǎo)致土體及巖體的應(yīng)力增加等效果,因此,盡管GNSS在2022年二季度的水平位移方向與主滑方向相近,但其累計(jì)及季度累計(jì)水平位移均出現(xiàn)一定程度的下降趨勢(shì),表明坡體處于穩(wěn)定狀態(tài)。相反,若GNSS監(jiān)測(cè)站在某時(shí)段的地表位移量較大,表現(xiàn)出一定的線性趨勢(shì),且水平位移方向與主滑方向相近,同時(shí)土壤含水率出現(xiàn)明顯的增長趨勢(shì),即可判斷該區(qū)域出現(xiàn)不穩(wěn)定狀態(tài)的可能性較大。

3 結(jié) 論

(1) 從提升地質(zhì)災(zāi)害防治水平的角度出發(fā),開發(fā)設(shè)計(jì)了具備實(shí)時(shí)監(jiān)控、項(xiàng)目管理、設(shè)備信息、報(bào)警信息等功能模塊的地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)。介紹了系統(tǒng)構(gòu)架、關(guān)鍵技術(shù)、功能實(shí)現(xiàn)及其系統(tǒng)應(yīng)用,并對(duì)主要功能實(shí)現(xiàn)的成果進(jìn)行了展示。

(2) 將地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)在金川水電站工程進(jìn)行實(shí)地應(yīng)用,實(shí)現(xiàn)了3處地質(zhì)災(zāi)害的地表位移、降雨量、裂縫位移和土壤墑情等因子的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)。以大渡河金川河段的SP斜坡為研究對(duì)象,對(duì)GNSS監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和位移方向以及土壤含水率等監(jiān)測(cè)成果進(jìn)行了系統(tǒng)分析,結(jié)果表明該邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。

(3) 地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)成果為實(shí)時(shí)掌握地質(zhì)災(zāi)害的變形規(guī)律和發(fā)展趨勢(shì)提供了一手資料,為研判地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)提供了技術(shù)支持;同時(shí),該系統(tǒng)預(yù)留了外部數(shù)據(jù)傳輸接口,為建設(shè)期以及運(yùn)行期的地質(zhì)災(zāi)害防治工作提供了系統(tǒng)性的解決方案。該系統(tǒng)成功應(yīng)用于地質(zhì)災(zāi)害項(xiàng)目中,大大提升了地質(zhì)災(zāi)害智能化管控水平,可為同類型水電工程地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警提供借鑒和參考。