微芯樁監(jiān)測(cè)技術(shù)在黃河丁壩根石走失預(yù)警中的應(yīng)用

關(guān)鍵詞：丁壩；根石；微芯樁；監(jiān)測(cè)預(yù)警；黃河神堤控導(dǎo)工程

0引言

黃河下游河道整治工程以修建丁壩為主，其在約束水流、控制河勢(shì)、穩(wěn)定中水河槽方面發(fā)揮著重要作用。丁壩根石是壩體穩(wěn)定的基礎(chǔ)，多為散拋亂石，在水流的沖刷作用下一部分石塊離開壩體、被沖刷揭走，這種現(xiàn)象被稱為根石走失。根石走失的發(fā)生往往難以預(yù)測(cè)，目前根石走失監(jiān)測(cè)方法主要有人工探測(cè)根石（人防）和在丁壩頂部安裝攝像頭進(jìn)行定點(diǎn)觀測(cè)（技防）。人防方法存在危險(xiǎn)性高、探測(cè)范圍小、工作量大以及探測(cè)精度低等問題。技防方法中攝像頭無法實(shí)時(shí)感知，且僅能觀察河道表面，無法了解水下根石的走失情況。

針對(duì)根石走失的監(jiān)測(cè)預(yù)警，黃委建設(shè)與運(yùn)行管理局于2003年結(jié)合“數(shù)字工管”系統(tǒng)建設(shè)，提出了“根石位移上傳+位移傳感器法”監(jiān)測(cè)、GPS定位監(jiān)測(cè)、接觸式光纖監(jiān)測(cè)、分布式電極監(jiān)測(cè)等8種根石位移實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和安全預(yù)警技術(shù)。濱州黃河河務(wù)局于2013年研發(fā)了根石坍塌報(bào)警器，報(bào)警器對(duì)于根石的瞬間位移和翻滾較為敏感，而對(duì)速度較慢的平移則不敏感。隨著科學(xué)技術(shù)和理論的發(fā)展，根石走失預(yù)警研究有了新的進(jìn)展。孫東敏等基于圖像識(shí)別把灰色理論作為預(yù)測(cè)根石走失的核心算法，利用該方法能夠監(jiān)測(cè)到壩岸根石堆在水流持續(xù)沖擊和淘刷下發(fā)生的變形，但該方法涉及的數(shù)據(jù)需要人工添加，存在一定的主觀性。嚴(yán)建華等以黃河下游典型彎曲河段王窯險(xiǎn)工和葛店險(xiǎn)工為試點(diǎn)，研發(fā)了水下根石動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用邊坡探針和潛嵌浮標(biāo)示蹤劑對(duì)根石走失進(jìn)行綜合判斷，取得了較好的應(yīng)用效果。

近些年，微芯樁在水庫大壩的滑坡監(jiān)測(cè)中有良好的應(yīng)用效果。例如：靳玉鵬等在猴子巖水電站利用微芯樁監(jiān)測(cè)滑坡體，有效解決了滑坡體淺表孤石監(jiān)測(cè)難、預(yù)警預(yù)報(bào)不準(zhǔn)的問題。相較于水庫大壩的滑坡監(jiān)測(cè)，黃河丁壩根石分布在水面以下，受力更加復(fù)雜、監(jiān)測(cè)難度更大。筆者基于丁壩根石走失的特點(diǎn)，借鑒微芯樁在水庫大壩的應(yīng)用成果，將微芯樁監(jiān)測(cè)設(shè)備應(yīng)用于黃河丁壩根石走失監(jiān)測(cè)，結(jié)合監(jiān)測(cè)設(shè)備內(nèi)置的安全態(tài)勢(shì)天地感知網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)根石走失的實(shí)時(shí)預(yù)警。

1微芯樁監(jiān)測(cè)系統(tǒng)構(gòu)成

微芯樁監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由感知層、傳輸層、支撐層和應(yīng)用層構(gòu)成，見圖1。該系統(tǒng)利用物聯(lián)網(wǎng)一體化感知技術(shù)，微芯樁作為感知層的核心元件，能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)丁壩根石位移，該設(shè)備采用太陽能與電池雙供電，安裝簡(jiǎn)便、耐寒耐熱性能良好。微芯樁將采集到的指標(biāo)信息通過4G/LoRa無線通信技術(shù)傳輸至一桿式采集測(cè)站，一桿式采集測(cè)站再將接收到的信號(hào)通過2G/4G/北斗／以太網(wǎng)傳輸至云平臺(tái)，云平臺(tái)與應(yīng)用層以HTTP協(xié)議形式互聯(lián)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。工作人員可以在手機(jī)、電腦界面訪問應(yīng)用層，應(yīng)用層中內(nèi)置的安全態(tài)勢(shì)天地感知網(wǎng)匯聚航空遙感數(shù)據(jù)．地面監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)以及地層模型等多源數(shù)據(jù)，提供安全監(jiān)測(cè)、態(tài)勢(shì)感知、災(zāi)情險(xiǎn)情預(yù)警等功能。用戶可隨時(shí)查看動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，及時(shí)接收預(yù)警信息，迅速進(jìn)行處置決策。微芯樁監(jiān)測(cè)系統(tǒng)界面見圖2。

微芯樁監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采集頻率為100～1000Hz，主動(dòng)感知物體的狀態(tài)變化，實(shí)現(xiàn)位移、傾斜角度、振動(dòng)沖擊合加速度等指標(biāo)的實(shí)時(shí)采集。系統(tǒng)借助無線通信技術(shù)，結(jié)合安全態(tài)勢(shì)天地感知網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)了指標(biāo)預(yù)警、模型預(yù)警以及安全預(yù)警3種預(yù)jKAqaxGxZolByV63yvnekMk0ZQAJgVZjNvv9UtUvbwQ=警模式的有機(jī)融合。微芯樁對(duì)丁壩根石進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，通過智能采集根石位移等信息，能夠?qū)Χ蔚奶?、墩蟄、滑動(dòng)、壩襠后潰、潰膛以及漫溢等險(xiǎn)情進(jìn)行早期預(yù)警和壩體健康診斷。系統(tǒng)以“傳感一網(wǎng)絡(luò)一平臺(tái)一服務(wù)”一體化的模式，為防災(zāi)減災(zāi)、安全生產(chǎn)及應(yīng)急管理部門提供全方位、多層次的安全監(jiān)測(cè)預(yù)警服務(wù)。

微芯樁監(jiān)測(cè)系統(tǒng)建立了集靜力學(xué)指標(biāo)、動(dòng)力學(xué)指標(biāo)以及運(yùn)動(dòng)學(xué)指標(biāo)于一體的預(yù)警指標(biāo)體系，充分考慮工程地質(zhì)條件和巖石力學(xué)特性，對(duì)不同工程地質(zhì)條件進(jìn)行分區(qū)，并對(duì)多源監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行集成融合分析。在預(yù)警指標(biāo)體系的基礎(chǔ)上，建立基于動(dòng)力特征的堤防邊坡安全評(píng)價(jià)模型、基于動(dòng)力和運(yùn)動(dòng)特征的邊坡失穩(wěn)早期預(yù)警模型、基于位移速率比的邊坡失穩(wěn)預(yù)警模型?；谶@些模型可實(shí)現(xiàn)對(duì)堤防丁壩邊坡全生命周期的綜合預(yù)警。

2微芯樁監(jiān)測(cè)系統(tǒng)算法原理

滑移體經(jīng)歷了從微動(dòng)、微變、形變到位移、滑移的過程?；企w的穩(wěn)定性由抗滑力和下滑力共同決定，其中抗滑力由黏結(jié)力和摩擦力組成。當(dāng)滑移體處于強(qiáng)穩(wěn)定階段時(shí)，黏結(jié)力起主導(dǎo)作用：當(dāng)滑移體處于弱穩(wěn)定階段時(shí)，黏結(jié)力和摩擦力共同承擔(dān)滑動(dòng)力：當(dāng)滑移體處于破壞階段時(shí)，黏結(jié)力失效，導(dǎo)致滑動(dòng)發(fā)生。

由于實(shí)時(shí)獲取抗剪參數(shù)具有一定的局限性，因此現(xiàn)有的極限平衡模型仍難以描述滑移體從強(qiáng)穩(wěn)定階段到破壞階段的整個(gè)過程。針對(duì)此問題，微芯樁監(jiān)測(cè)系統(tǒng)搭載的算法以滑移體理論為基礎(chǔ)，綜合考慮靜力學(xué)、動(dòng)力學(xué)和形變指標(biāo)特征進(jìn)行失穩(wěn)判斷。與以位移為主要指標(biāo)進(jìn)行趨勢(shì)判斷和預(yù)警的傳統(tǒng)方法不同，該算法利用靜動(dòng)力學(xué)特征在不同安全失穩(wěn)階段的敏感性和差異進(jìn)行分級(jí)預(yù)警，主要包括以下2個(gè)計(jì)算模型。

3微芯樁監(jiān)測(cè)系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

2023年6月30日，在鄭州市鞏義市黃河神堤控導(dǎo)工程13#、14#、15#、20#壩安裝了微芯樁監(jiān)測(cè)設(shè)備，開展黃河丁壩監(jiān)測(cè)預(yù)警試驗(yàn)。此前于2023年4月11日利用無人機(jī)和無人船協(xié)同查勘汛前河勢(shì)，12#～28#壩靠河靠溜，13#～15#壩是主流頂沖位置，最大水深約為13m。近年來該河段河勢(shì)上提，20#壩為2021-2022年河勢(shì)上提前主流頂沖位置，存在潛在風(fēng)險(xiǎn)。圖

3為微芯樁監(jiān)測(cè)設(shè)備安裝現(xiàn)場(chǎng)情況。

微芯樁全天候24h對(duì)丁壩根石穩(wěn)定性進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，主要監(jiān)測(cè)內(nèi)容包括傾斜角度（水平傾斜角度X、豎直傾斜角度y，即傳感器分別與水平、豎直方向的夾角）、振動(dòng)沖擊合加速度等。截至2023年10月8日，13#、14#、15#、20#壩上的微芯樁共計(jì)上傳監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)2479條，指標(biāo)預(yù)警發(fā)布110次，其中：13#壩發(fā)布藍(lán)色注意14次、黃色警示44次、橙色警戒14次、紅色警報(bào)2次，14#壩發(fā)布藍(lán)色注意2次、橙色警戒3次，15#壩發(fā)布藍(lán)色注意3次、黃色警示2次，20#壩發(fā)布藍(lán)色注意2次、黃色警示11次、橙色警戒6次、紅色警報(bào)7次。

系統(tǒng)監(jiān)測(cè)指標(biāo)見表1，選取傾斜角度和振動(dòng)沖擊合加速度2個(gè)指標(biāo)進(jìn)行分析。13#、14#、15#壩的傾斜角度和振動(dòng)沖擊合加速度變化幅度相對(duì)較小，傾斜角度穩(wěn)定在0.500°以內(nèi)，振動(dòng)沖擊合加速度穩(wěn)定在2.4m/S2以內(nèi)。盡管數(shù)據(jù)中存在個(gè)別峰值點(diǎn)，但實(shí)際壩體均未發(fā)生根石走失。對(duì)于20#號(hào)壩，雖然傾斜角度變化幅度不大，但振動(dòng)沖擊合加速度的較大變幅值得關(guān)注，以及時(shí)發(fā)現(xiàn)并預(yù)防潛在的安全隱患。

圖4為13#、14#、15#、20#壩傾斜角度和振動(dòng)沖擊合加速度隨時(shí)間變化曲線。7月1日-10月8日黃河經(jīng)歷了漲落水過程，除個(gè)別突變點(diǎn)外，丁壩位移幅度整體呈緩慢增大趨勢(shì)。13#壩的振動(dòng)沖擊合加速度波動(dòng)較大，原因是該壩不靠水且附近存在植被，農(nóng)民在附近放羊，羊群經(jīng)過微芯樁時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)使得該壩的振動(dòng)沖擊合加速度產(chǎn)生波動(dòng)，而9月20日后，振動(dòng)沖擊合加速度波動(dòng)明顯減小且趨至平穩(wěn)，壩體運(yùn)行狀態(tài)良好。14#壩的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)整體較為穩(wěn)定，傾斜角度變化較小，振動(dòng)沖擊合加速度在7月6日、9月30日和10月3日發(fā)生突變，但壩體未發(fā)生根石走失，整體表現(xiàn)平穩(wěn)。這表明該壩的整體運(yùn)行情況較好，突變點(diǎn)可能是受到外部環(huán)境因素的影響。15#壩的振動(dòng)沖擊合加速度與14#壩表現(xiàn)相似，總體穩(wěn)定，僅存在個(gè)別突變點(diǎn)。值得注意的是，7月29日15#壩的傾斜角度顯著增大，由0.104°增大到0.348°，但振動(dòng)沖擊合加速度仍為0m/s2，微芯樁監(jiān)測(cè)系統(tǒng)沒有發(fā)出警報(bào)，原因是7月29日微芯樁在微弱外力作用下發(fā)生小幅度偏轉(zhuǎn)。后續(xù)數(shù)據(jù)顯示，傾斜角度穩(wěn)定在0.4°左右，趨于平穩(wěn)，這表明之后壩體整體結(jié)構(gòu)較為穩(wěn)定。20#壩傾斜角度、振動(dòng)沖擊合加速度在8月22日前后發(fā)生明顯變化，最大值分別達(dá)到0.458°、4.08m/S2，微芯樁監(jiān)測(cè)系統(tǒng)發(fā)出紅色警報(bào)。8月22日鞏義黃河河務(wù)局在20#壩附近進(jìn)行搶險(xiǎn)，拋投的根石對(duì)監(jiān)測(cè)設(shè)備產(chǎn)生較大影響，導(dǎo)致警報(bào)發(fā)出。8月22日后振動(dòng)沖擊合加速度增大，原因是根石拋投后短時(shí)間內(nèi)尚未穩(wěn)定。除此之外，該壩的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)在其他時(shí)間較為平穩(wěn)。這表明在排除外部因素影響的情況下，壩體結(jié)構(gòu)保持著相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)。

綜上所述，13#、14#、15#、20#壩整體比較穩(wěn)定，自微芯樁安裝運(yùn)行至10月8日，水流淘刷作用對(duì)根石的影響較小。微芯樁不僅可以實(shí)現(xiàn)大尺度位移的精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)，而且對(duì)微小傾斜的監(jiān)測(cè)也有較高精度。由此可見，微芯樁監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在黃河丁壩根石的走失預(yù)警方面有著較好的應(yīng)用效果。

為確保工程安全，建議在搶險(xiǎn)作業(yè)時(shí)加強(qiáng)對(duì)監(jiān)測(cè)設(shè)備的管理，避免對(duì)設(shè)備產(chǎn)生過大影響。同時(shí)，密切關(guān)注壩體振動(dòng)沖擊合加速度和傾斜角度的變化，以便在發(fā)現(xiàn)異常情況時(shí)及時(shí)采取措施。在振動(dòng)沖擊合加速度發(fā)生突變時(shí)，要分析外部環(huán)境因素對(duì)壩體穩(wěn)定性的影響，以便更準(zhǔn)確地評(píng)估其結(jié)構(gòu)安全。

4結(jié)束語

鑒于微芯樁監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在位移、滑坡監(jiān)測(cè)應(yīng)用中的優(yōu)勢(shì)，可將其應(yīng)用于黃河丁壩工程監(jiān)測(cè)。實(shí)際應(yīng)用情況表明，當(dāng)丁壩基礎(chǔ)石料在水流或者外力作用下發(fā)生滑移，導(dǎo)致丁壩發(fā)生輕微位移、傾斜或振動(dòng)時(shí)，微芯樁能憑借其靈敏的感知能力捕捉到這些指標(biāo)信息，有助于避免傳統(tǒng)傳感器單一指標(biāo)產(chǎn)生誤判的情況，從而提前感知丁壩根石走失風(fēng)險(xiǎn)并發(fā)出安全預(yù)警。

受限于監(jiān)測(cè)時(shí)間較短，微芯樁各類指標(biāo)的監(jiān)測(cè)閾值還未確定，目前按日常監(jiān)測(cè)值的2.5倍設(shè)限，下一步將根據(jù)微芯樁長(zhǎng)期運(yùn)行的數(shù)據(jù)，利用統(tǒng)計(jì)分析的方法，如典型小概率法、置信區(qū)間法等對(duì)閾值進(jìn)行分類計(jì)算。此外，系統(tǒng)內(nèi)儲(chǔ)存的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)作為數(shù)字孿生黃河的數(shù)據(jù)底板，對(duì)于黃河流域數(shù)字孿生建設(shè)也具有重要意義。