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(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山西 太原 030032)
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(dòng)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(diǎn)多面廣的特點(diǎn)。截止到2020年底,全省共查明地質(zhì)災(zāi)害隱患點(diǎn)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(cè)、難治理等特點(diǎn)成為影響地區(qū)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)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(shí)期的開(kāi)挖擾動(dòng)會(huì)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(cè)災(zāi)情變化,預(yù)測(cè)災(zāi)情發(fā)展趨勢(shì),及時(shí)給出合理措施,對(duì)于防災(zāi)減災(zāi)、保障人民生命財(cái)產(chǎn)安全具有重要意義?!督煌◤?qiáng)國(guó)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?guó)家綜合立體交通網(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(dòng)預(yù)警設(shè)施,提升多維監(jiān)測(cè)、精準(zhǔn)管控、協(xié)同服務(wù)能力。
隨著4G/5G移動(dòng)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(cè)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(duì)邊坡錨索應(yīng)力自動(dòng)采集,通過(guò)云平臺(tái)進(jìn)行處理和存儲(chǔ),并在App上對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集和展示;王洪輝等[3]通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)對(duì)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(gè)指標(biāo)進(jìn)行監(jiān)測(cè),并通過(guò)遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)變頻、結(jié)果展示、數(shù)據(jù)管理、閾值報(bào)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(shí)時(shí)形變監(jiān)測(cè)結(jié)果更新ANSYS有限元法劃分得到的滑坡體網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)位移數(shù)據(jù)庫(kù),實(shí)現(xiàn)滑坡體動(dòng)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(duì)滑坡、崩塌、泥石流等災(zāi)害進(jìn)行實(shí)時(shí)視頻監(jiān)控,設(shè)置預(yù)警等級(jí),保障通行安全;譚行等[6]為提高大量GNSS監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)處理效率,設(shè)計(jì)了分布式處理系統(tǒng),并驗(yàn)證了其在邊坡形變監(jiān)測(cè)中具有較高精度和可靠性。
針對(duì)目前山西省高速公路邊坡地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)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(wèn)題,本文結(jié)合山西省地質(zhì)條件和高速公路邊坡特點(diǎn),設(shè)計(jì)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(shí)地形展示、信息查詢、數(shù)據(jù)分析、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、預(yù)警為一體的地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng),并在省域范圍內(nèi)成功推廣應(yīng)用。
山西省高速公路邊坡地質(zhì)災(zāi)害主要有以下特點(diǎn)[7-8]:a)點(diǎn)多面廣,六大盆地所屬地區(qū)災(zāi)害點(diǎn)較少,山谷地區(qū)災(zāi)害點(diǎn)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(shì)險(xiǎn),發(fā)育比較隱蔽;d)強(qiáng)降雨和人工擾動(dòng)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(yíng)期的六到十月份;e)發(fā)育周期較長(zhǎng),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。
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(gè)難點(diǎn):a)邊坡構(gòu)造的復(fù)雜性,包括邊坡巖性、巖層傾角、滑動(dòng)面類型、深度等各不相同,難以確立統(tǒng)一的滑動(dòng)模型;b)監(jiān)測(cè)預(yù)警指標(biāo)多,自洽程度低。監(jiān)測(cè)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(guò)對(duì)多個(gè)指標(biāo)進(jìn)行綜合來(lái)判斷災(zāi)害發(fā)展趨勢(shì)一直是關(guān)注的焦點(diǎn);c)突發(fā)性較強(qiáng),可預(yù)測(cè)性低。黃土具有濕陷性及水敏性,在降雨條件下會(huì)發(fā)生突然坍塌,提高監(jiān)測(cè)頻率,縮短研判預(yù)警周期是提高預(yù)警時(shí)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(shí)費(fèi)力,需要逐步提高信息化程度,降低監(jiān)測(cè)設(shè)備費(fèi)用,擴(kuò)大新技術(shù)應(yīng)用范圍。
針對(duì)高速公路黃土邊坡地質(zhì)災(zāi)害的地質(zhì)特點(diǎn)和防治難點(diǎn),本文設(shè)計(jì)并研發(fā)了一套邊坡信息化監(jiān)管平臺(tái),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(tái)總體架構(gòu)
數(shù)據(jù)采集與感知層主要包括各種實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和周期性監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),其中實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)有GNSS、傾角裂縫計(jì)、固定測(cè)斜儀等地表、地下監(jiān)測(cè)設(shè)備,還有雨量監(jiān)測(cè)和視頻監(jiān)測(cè)設(shè)備,各設(shè)備之間采用消息隊(duì)列遙測(cè)傳輸(Message Queuing Telemetry Transport,MQTT)協(xié)議實(shí)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(cè)數(shù)據(jù)主要有傳統(tǒng)人工監(jiān)測(cè)和衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè),該類數(shù)據(jù)處理后通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)皆破脚_(tái),可有效降低本地存儲(chǔ)空間。
云處理平臺(tái)主要用于高頻數(shù)據(jù)的解算、原始數(shù)據(jù)的存儲(chǔ),以及野外監(jiān)測(cè)設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)控,通過(guò)云平臺(tái)可動(dòng)態(tài)調(diào)整野外數(shù)據(jù)的獲取頻率,達(dá)到高低頻適時(shí)切換的目的。當(dāng)海量GNSS數(shù)據(jù)匯集到云平臺(tái)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(shí)時(shí)視頻監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)全部傳輸?shù)皆破脚_(tái),當(dāng)監(jiān)控中心向云平臺(tái)發(fā)送請(qǐng)求時(shí),才即時(shí)獲取并展示。野外監(jiān)測(cè)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(shí)時(shí)傳送到云平臺(tái),當(dāng)監(jiān)控中心顯示設(shè)備不在線時(shí),通過(guò)云平臺(tái)即可查找故障原因。
監(jiān)控及數(shù)據(jù)中心用于存儲(chǔ)保密等級(jí)較高的公路、邊坡、管養(yǎng)等數(shù)據(jù),以及展示云平臺(tái)解算后的監(jiān)測(cè)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(diǎn)。
根據(jù)高速公路管理部門以及行業(yè)應(yīng)用需求,平臺(tái)主要設(shè)計(jì)了以下功能。
2.2.1 形變監(jiān)測(cè)
實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)邊坡的穩(wěn)定狀態(tài)。通過(guò)多種設(shè)備組成天地一體化監(jiān)測(cè)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(cè),主要有光學(xué)衛(wèi)星技術(shù)和InSAR技術(shù),分別監(jiān)測(cè)邊坡的宏觀形態(tài)變化和形變量;傾角裂縫計(jì)、GNSS等設(shè)備可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)坡表裂縫變化及三維形變量。
2.2.2 氣象監(jiān)測(cè)
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(shí)強(qiáng)降雨會(huì)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(shí)降雨量和天降雨量來(lái)監(jiān)測(cè)短時(shí)降雨強(qiáng)度。
2.2.3 邊坡風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)
自動(dòng)評(píng)價(jià)邊坡的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)。通過(guò)導(dǎo)入邊坡結(jié)構(gòu)及地質(zhì)、環(huán)境參數(shù),實(shí)現(xiàn)邊坡風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的自動(dòng)劃分,并用不同顏色圖標(biāo)在平臺(tái)上展示。
2.2.4 邊坡巡檢養(yǎng)護(hù)
構(gòu)建邊坡災(zāi)害動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)。通過(guò)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(guò)平臺(tái)對(duì)上傳信息進(jìn)行審核、入庫(kù),實(shí)現(xiàn)邊坡病害信息庫(kù)及時(shí)更新。
基于各項(xiàng)監(jiān)測(cè)指標(biāo)實(shí)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(gè)預(yù)警等級(jí),分別設(shè)置不同等級(jí)的預(yù)警閾值及組合方式,通過(guò)云短信、郵件、App發(fā)送預(yù)警信息,并利用App及時(shí)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(gè)或多個(gè)攝像頭監(jiān)測(cè)邊坡的實(shí)時(shí)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(duì)邊坡災(zāi)害信息相關(guān)聯(lián)的道路信息、監(jiān)測(cè)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(píng)價(jià)
基于實(shí)時(shí)氣象觀測(cè)信息建立區(qū)域?yàn)?zāi)害風(fēng)險(xiǎn)劃分,并疊加到邊坡風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)評(píng)價(jià)結(jié)果上,更新極端氣象條件下的邊坡風(fēng)險(xiǎn)等級(jí),提供一種區(qū)域性邊坡風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法。
隨著社會(huì)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(dòng)性的灌輸式教育方式已經(jīng)不再適合當(dāng)前的社會(huì)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(duì)待,希望從老師能夠以平等的視角來(lái)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(dòng)為主動(dòng);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(gè)學(xué)生的特點(diǎn)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(shí)又不能抹殺學(xué)生的主動(dòng)性,充分發(fā)揮學(xué)生的特長(zhǎng),促進(jìn)學(xué)生全面發(fā)展。只有這樣才能切實(shí)改變教育的被動(dòng)性,使學(xué)生從知識(shí)的接收者變?yōu)橹R(shí)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(cè),橫剖面、土方量分析,模型剖切、壓平等功能。
該平臺(tái)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。
監(jiān)測(cè)預(yù)警模塊的預(yù)警原理如圖2所示,當(dāng)單個(gè)或多個(gè)預(yù)警指標(biāo)超過(guò)預(yù)警閾值時(shí),啟動(dòng)預(yù)警后臺(tái)服務(wù)程序,在初步確定預(yù)警等級(jí)的同時(shí),對(duì)野外巡養(yǎng)人員發(fā)送預(yù)警詳情,現(xiàn)場(chǎng)人員針對(duì)預(yù)警內(nèi)容展開(kāi)野外調(diào)查,及時(shí)將調(diào)查信息通過(guò)App以文字和圖片的形式發(fā)送到管控平臺(tái)。技術(shù)專家對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和現(xiàn)場(chǎng)反饋情況做進(jìn)一步分析確定是否誤報(bào),核實(shí)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(dòng)應(yīng)急預(yù)案。圖2告警信息中可見(jiàn)大運(yùn)高速溝東隧道邊坡4號(hào)點(diǎn)水平、垂直位移于近期發(fā)生突變觸發(fā)紅色預(yù)警,通過(guò)調(diào)取監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)曲線后發(fā)現(xiàn)4個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)在同一時(shí)期均發(fā)生同一趨勢(shì)的改變,后又恢復(fù)正常,現(xiàn)場(chǎng)核查沒(méi)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
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(tái)PC端的重要功能之一,主要通過(guò)App端完成信息采集,通過(guò)PC端完成信息審核和報(bào)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(tái)審核,并在本地?cái)?shù)據(jù)庫(kù)保存。圖3為吉河高速鄉(xiāng)寧西收費(fèi)站邊坡的現(xiàn)場(chǎng)巡查結(jié)果展示,通過(guò)列表的形式將每一個(gè)部位的病害特征依次記錄。
圖3 養(yǎng)護(hù)巡查PC端界面
邊坡災(zāi)害信息按類別主要分為崩塌、滑坡、泥石流,每個(gè)災(zāi)害點(diǎn)的屬性信息均包括災(zāi)害名稱(以樁號(hào)+類別命名)、經(jīng)緯度、災(zāi)害歷史特征、風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)現(xiàn)狀特征等病害信息,路線名稱、路線編號(hào)、路線等級(jí)、管養(yǎng)單位等所在公路信息,起終點(diǎn)樁號(hào)、坡體特征、地層巖性等所在邊坡屬性信息,以及實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)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(tái)首頁(yè)點(diǎn)擊邊坡詳情即可查看所有信息。此外,通過(guò)具體的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)模塊、監(jiān)測(cè)預(yù)警模塊、養(yǎng)護(hù)巡查模塊還可對(duì)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
2021年山西洪澇災(zāi)害過(guò)后長(zhǎng)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(cè)沉陷趨勢(shì)變化,保障服務(wù)區(qū)運(yùn)營(yíng)安全,并給后續(xù)的處治提供參考意見(jiàn),從11月初開(kāi)始在停車區(qū)布設(shè)了4個(gè)北斗監(jiān)測(cè)點(diǎn)和2個(gè)裂縫計(jì),實(shí)現(xiàn)對(duì)停車區(qū)災(zāi)害隱患點(diǎn)的全方位實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。點(diǎn)位布設(shè)圖見(jiàn)圖6,其中GNSS00為基準(zhǔn)點(diǎn),GNSS01、GNSS02、GNSS03為GNSS監(jiān)測(cè)點(diǎn),VF1、VF2為裂縫監(jiān)測(cè)點(diǎn),11月10日—11月30日的監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖7所示。
圖6 監(jiān)測(cè)點(diǎn)位布設(shè)圖
圖7 形變監(jiān)測(cè)結(jié)果
從監(jiān)測(cè)結(jié)果中可以看出停車區(qū)西南角GNSS03累積沉降超過(guò)16 mm,水平位移較?。粬|南角GNSS01水平位移、垂直位移均達(dá)到10 mm,有傾塌的趨勢(shì);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(jì)VF2監(jiān)測(cè)值幾乎沒(méi)有變化,且位移靠近GNSS02,兩者結(jié)果一致;東西向裂縫計(jì)VF1監(jiān)測(cè)值從29日開(kāi)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(shì)一致。綜合判斷該停車區(qū)地基仍不穩(wěn)定,并通過(guò)后臺(tái)判定為黃色預(yù)警,中短期內(nèi)有再次垮塌的危險(xiǎn),須時(shí)刻警惕監(jiān)測(cè)曲線變化,給出建議:封閉停車區(qū),待處治后再對(duì)外開(kāi)放。
此外,該平臺(tái)的監(jiān)測(cè)預(yù)警功能還在岢臨高速康寧互通邊坡、長(zhǎng)臨高速雷鼓臺(tái)隧道口邊坡、吉河高速北樂(lè)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(diǎn)的監(jiān)測(cè)和交通安全保障起到了積極作用。
a)該平臺(tái)集成多種實(shí)時(shí)或周期性的監(jiān)測(cè)手段和方法,對(duì)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(dòng)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(kāi)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(tái),將邊坡災(zāi)害及相關(guān)信息統(tǒng)一入庫(kù)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。