楊大慎1 尹述遙2,3 周開來2,3 肖霄1 姜紅濤1

1.中國石化銷售股份有限公司華南分公司； 2.西南交通大學土木工程學院；3.陸地交通地質災害防治技術國家工程實驗室

摘  要：途經不良地質地段管道安裝監測預警系統對預警地質災害發生、提前對管道采取保護措施至關重要。“減災棒”監測預警系統是一種針對管道坡面地質災害研發的新系統，通過子母樁協同控制實現多參數實時監測、分布式監測，基于機器學習的決策模型實現智能預警。將其應用于淺層坡面地質災害預警中，結果表明能準確反映不穩定斜坡體的變形趨勢，并實現智能預警。

關鍵詞：管道坡面地質災害；監測樁；降雨量；土壤參數；多參數監測

我國西部地區、西南部地區是滑坡等坡面地質災害的頻發區域，區域內管道沿線坡面地質災害導致安全事故頻發，使之成為研究熱點[1,2]。

管道坡面地質災害監測包括形變監測（如地表位移、深部位移）、破壞誘因監測（如降雨量）以及破壞相關因素監測（如土壤濕度、孔隙水壓力）[3-5]。為實現多參數監測，傳統監測系統的設備繁多復雜[6-8]，且大量設備安裝于淺層坡面對坡體穩定性十分不利，因此亟待開發一種兼具多參數監測、結構簡單、體積小、安裝便捷的監測設備。“減災棒”坡面地質災害監測預警系統（以下簡稱“減災棒”監測預警系統）為管道監測預警提供了新思路。

1 研究區域地質環境

本次研究區域地質勘察資料顯示，斜坡的平均坡度30°，地質剖面結構呈上陡下緩形態。地層巖性表層為第四系紫紅色坡積層，厚1.5 m～4.0 m不等，下部是侏羅系含泥質砂巖、粉砂巖，夾薄層泥巖，這種巖性在水的作用下極易產生蠕變變形，加之該區域在夏秋季節降雨集中，最大日降雨量可達178.3 mm，成為典型的滑坡等坡面地質災害易發區域[9]。

2 “減災棒”監測預警系統

“減災棒”監測預警系統由四個部分組成：“減災棒”監測系統、無線數據傳輸系統、大數據管理計算中心、可視化監測預警平臺，如圖 1所示。“減災棒”是由母樁和子樁組成的監測設備，母樁和子樁按分布式位置構成“減災棒”監測網絡（圖 2）。無線數據傳輸系統采用433MHz/GPRS/3G/4G/NB-IoT等多頻段、多中繼冗余交叉組網技術，以確保大數據量長時間穩定工作。大數據管理計算中心依據監測數據進行計算并構建了基于機器學習的決策模型用于智能預警。監測數據和預警信息通過可視化監測預警平臺直觀展示。

2.1 硬件設施

“減災棒”是一種母子樁協同控制監測的設備。母樁負責降雨量監測，子樁負責孔隙水壓力、土壤含水量、坡體傾角、坡體位移等土壤參數監測，根據母 樁降雨量值大小可調節子樁采集頻率，以減少耗電，延長待機時間，實現協同監測。母樁與子樁按1∶N數量配置，母樁固定于穩定基巖上，而子樁則垂直于主滑坡方向平均分布在不穩定斜坡體上（圖 2）。

2.2 軟件平臺

軟件平臺主要用于監測數據整理和儲存、預警決策分析、發布預警信息等。基于滑動窗寬實現智能預警，即采用具有一定寬度的窗口沿時間軸方向移動，檢測出現場監測數據的突變點，滑動窗口寬度相比單點采樣能夠降低無關突變對災害數據突變點檢測的干擾，避免誤報，提高智能預警準確性。軟件平臺可查看所有監測設備的最新監測數據、歷史監測數據隨時間變化的曲線；查看和修改監測設備的電量信息、編號、名稱等；對安裝了監測設備的不同坡面進行管理等。

3 應用實例

3.1 監測預警系統搭建

2019年1―2月，在管道現場搭建監測預警系統，其中母樁安裝于滑坡周界外的穩定區域，底座固定于基巖上，子樁安裝在滑坡范圍內的坡面上，布置方式垂直于滑坡滑動方向，安裝深度為1.5 m。

3.2 監測預警結果分析

2019年2月16日至7月16日，“減災棒”監測預警系統記錄了降雨量、土壤含水量、孔隙水壓力、斜坡體位移、傾角等參數隨時間的變化情況，其中以小時降雨強度、累計降雨量參數代表該區域的降雨情況（圖 3）。

通過智能預警算法確定監測數據的突變點，各監測參數變化大致可分為三個階段，分別為前期緩慢變形階段、顯著變形階段、后期緩慢變形階段。圖 3為監測數據進行智能預警的結果，其中灰色區域為智能預警算法確定的突變點。前期緩慢變形階段（2月16日―4月17日）中傾角逐漸減小，相應的位移逐漸增大。顯著變形階段（4月17日―4月24日）累計發生了1°傾角變化及40 mm位移，相當于 平均變形速度為5.7 mm/d，加之前3天累計降雨量大于50 mm，位移和雨量的變化均達到預警一級（注意級）閾值要求，可判斷斜坡體已產生局部崩塌。后期緩慢變形階段（4月24日―7月16日）仍有持續降雨，導致不穩定斜坡體未完全靜止，繼續發生緩慢位移。

母子樁的多參數監測數據共同揭示了坡面地質災害的作用機制。前期緩慢變形階段由于降雨量逐漸增大，雨水不斷下滲土體，使得斜坡體中土壤含水量增加、孔隙水壓力增大，根據有效應力原理可知此時土體的有效應力在逐漸減小，這一變化造成了斜坡體傾角逐漸減小，位移逐漸增大，使得滑坡發生的趨勢顯現出來。顯著變形階段持續充沛的降雨量使得表層土體達到抗剪強度，表現出位移增長幅度顯著增大。但由于位移增大總值未達到滑坡變形破壞的預警標準，因而判斷不穩定斜坡體整體仍處于穩定狀態，僅產生局部小規模的崩塌。后期緩慢變形階段期間，降雨仍在持續，使得不穩定斜坡體產生緩慢變形。

4 結論與展望

（1）“減災棒”監測預警系統對淺表層不穩定斜坡體變形具有較高的敏感性，能夠實現斜坡變形趨勢和穩定狀態的多參數監測、分布式監測。多參數監測數據分析揭示了坡面從降雨到地質災害發生全過程的作用機制。

（2）系統結構簡單、體積小，具有安裝簡便、對土體擾動小的優勢，提高了野外作業效率，很好地解決了傳統監測設備帶來的使用難題。

（3）母子監測樁的協同控制、分布式監測實現了精細化監測，能夠有效降低漏報和誤報概率。根據母樁降雨量值大小可實時調節子樁采集頻率，減少了耗電，延長了系統待機時間。

（4）系統軟件平臺可通過實時監測數據計算當前場地的風險信息，經與數據庫中數據比對，基于智能決策模型，發布預警信息，實現智能預警。

參考文獻：

[1] 陳超. 山體滑坡區天然氣集輸管道監測預警技術研究[D].西南石油大學， 2019.

[2] 李蘇.油氣管道監測技術發展現狀[J].油氣儲運，2014， 33(02)： 129-134.

[3] 魯瑞林，張永興，王桂林.基于管道保護的工程滑坡監測及處理措施[J].中國地質災害與防治學報，2011， 22(04)： 32-35.

[4] 鄭娟. 油氣管道滑坡監測預警技術研究[D].天津大學， 2013.

[5] Vassilis M., Georgios S., Costas P. Landslide Hazardand Risk Assessment for a Natural Gas PipelineProject: The Case of the Trans Adriatic Pipeline,Albania Section. [J]. Geosciences， 2019， 9 (2)， 61.

[6] 陳珍，胡敏章.長距離輸氣(油)管道沿線地質災害監測技術研究[J].大地測量與地球動力學， 2011，31(S1)： 114-117.

[7] 仝興華，薛世峰，單新建.山體滑坡和泥石流災害動態監測技術研究[J].油氣儲運， 2006， 25(10)：7-10.

[8] 熊敏，丁克勤，舒安慶，魏化中 .埋地管道地質災害監測系統的設計 [ J ] .化學工程與裝備，2017(10)： 145-147.

[9] Yan, Y., et al. Disaster reduction stick equipment:A method for monitoring and early warning ofpipeline-landslide hazards. [J]. Journal of MountainScience,2019,16(12): 2687-2700.

作者簡介：楊大慎，男， 1978年生，山東德州人，工程師， 2002年本科畢業于中國石油大學（華東）熱能與動力工程專業，現主要從事成品油管道管理和技術研發工作。聯系方式： 18011977689， yangds.xshn@sinopec.com。