杨大慎1 尹述遥2,3 周开来2,3 肖霄1 姜红涛1

1.中国石化销售股份有限公司华南分公司； 2.西南交通大学土木工程学院；3.陆地交通地质灾害防治技术国家工程实验室

摘  要：途经不良地质地段管道安装监测预警系统对预警地质灾害发生、提前对管道采取保护措施至关重要。“减灾棒”监测预警系统是一种针对管道坡面地质灾害研发的新系统，通过子母桩协同控制实现多参数实时监测、分布式监测，基于机器学习的决策模型实现智能预警。将其应用于浅层坡面地质灾害预警中，结果表明能准确反映不稳定斜坡体的变形趋势，并实现智能预警。

关键词：管道坡面地质灾害；监测桩；降雨量；土壤参数；多参数监测

我国西部地区、西南部地区是滑坡等坡面地质灾害的频发区域，区域内管道沿线坡面地质灾害导致安全事故频发，使之成为研究热点[1,2]。

管道坡面地质灾害监测包括形变监测（如地表位移、深部位移）、破坏诱因监测（如降雨量）以及破坏相关因素监测（如土壤湿度、孔隙水压力）[3-5]。为实现多参数监测，传统监测系统的设备繁多复杂[6-8]，且大量设备安装于浅层坡面对坡体稳定性十分不利，因此亟待开发一种兼具多参数监测、结构简单、体积小、安装便捷的监测设备。“减灾棒”坡面地质灾害监测预警系统（以下简称“减灾棒”监测预警系统）为管道监测预警提供了新思路。

1 研究区域地质环境

本次研究区域地质勘察资料显示，斜坡的平均坡度30°，地质剖面结构呈上陡下缓形态。地层岩性表层为第四系紫红色坡积层，厚1.5 m～4.0 m不等，下部是侏罗系含泥质砂岩、粉砂岩，夹薄层泥岩，这种岩性在水的作用下极易产生蠕变变形，加之该区域在夏秋季节降雨集中，最大日降雨量可达178.3 mm，成为典型的滑坡等坡面地质灾害易发区域[9]。

2 “减灾棒”监测预警系统

“减灾棒”监测预警系统由四个部分组成：“减灾棒”监测系统、无线数据传输系统、大数据管理计算中心、可视化监测预警平台，如图 1所示。“减灾棒”是由母桩和子桩组成的监测设备，母桩和子桩按分布式位置构成“减灾棒”监测网络（图 2）。无线数据传输系统采用433MHz/GPRS/3G/4G/NB-IoT等多频段、多中继冗余交叉组网技术，以确保大数据量长时间稳定工作。大数据管理计算中心依据监测数据进行计算并构建了基于机器学习的决策模型用于智能预警。监测数据和预警信息通过可视化监测预警平台直观展示。

2.1 硬件设施

“减灾棒”是一种母子桩协同控制监测的设备。母桩负责降雨量监测，子桩负责孔隙水压力、土壤含水量、坡体倾角、坡体位移等土壤参数监测，根据母 桩降雨量值大小可调节子桩采集频率，以减少耗电，延长待机时间，实现协同监测。母桩与子桩按1∶N数量配置，母桩固定于稳定基岩上，而子桩则垂直于主滑坡方向平均分布在不稳定斜坡体上（图 2）。

2.2 软件平台

软件平台主要用于监测数据整理和储存、预警决策分析、发布预警信息等。基于滑动窗宽实现智能预警，即采用具有一定宽度的窗口沿时间轴方向移动，检测出现场监测数据的突变点，滑动窗口宽度相比单点采样能够降低无关突变对灾害数据突变点检测的干扰，避免误报，提高智能预警准确性。软件平台可查看所有监测设备的最新监测数据、历史监测数据随时间变化的曲线；查看和修改监测设备的电量信息、编号、名称等；对安装了监测设备的不同坡面进行管理等。

3 应用实例

3.1 监测预警系统搭建

2019年1―2月，在管道现场搭建监测预警系统，其中母桩安装于滑坡周界外的稳定区域，底座固定于基岩上，子桩安装在滑坡范围内的坡面上，布置方式垂直于滑坡滑动方向，安装深度为1.5 m。

3.2 监测预警结果分析

2019年2月16日至7月16日，“减灾棒”监测预警系统记录了降雨量、土壤含水量、孔隙水压力、斜坡体位移、倾角等参数随时间的变化情况，其中以小时降雨强度、累计降雨量参数代表该区域的降雨情况（图 3）。

通过智能预警算法确定监测数据的突变点，各监测参数变化大致可分为三个阶段，分别为前期缓慢变形阶段、显著变形阶段、后期缓慢变形阶段。图 3为监测数据进行智能预警的结果，其中灰色区域为智能预警算法确定的突变点。前期缓慢变形阶段（2月16日―4月17日）中倾角逐渐减小，相应的位移逐渐增大。显著变形阶段（4月17日―4月24日）累计发生了1°倾角变化及40 mm位移，相当于 平均变形速度为5.7 mm/d，加之前3天累计降雨量大于50 mm，位移和雨量的变化均达到预警一级（注意级）阈值要求，可判断斜坡体已产生局部崩塌。后期缓慢变形阶段（4月24日―7月16日）仍有持续降雨，导致不稳定斜坡体未完全静止，继续发生缓慢位移。

母子桩的多参数监测数据共同揭示了坡面地质灾害的作用机制。前期缓慢变形阶段由于降雨量逐渐增大，雨水不断下渗土体，使得斜坡体中土壤含水量增加、孔隙水压力增大，根据有效应力原理可知此时土体的有效应力在逐渐减小，这一变化造成了斜坡体倾角逐渐减小，位移逐渐增大，使得滑坡发生的趋势显现出来。显著变形阶段持续充沛的降雨量使得表层土体达到抗剪强度，表现出位移增长幅度显著增大。但由于位移增大总值未达到滑坡变形破坏的预警标准，因而判断不稳定斜坡体整体仍处于稳定状态，仅产生局部小规模的崩塌。后期缓慢变形阶段期间，降雨仍在持续，使得不稳定斜坡体产生缓慢变形。

4 结论与展望

（1）“减灾棒”监测预警系统对浅表层不稳定斜坡体变形具有较高的敏感性，能够实现斜坡变形趋势和稳定状态的多参数监测、分布式监测。多参数监测数据分析揭示了坡面从降雨到地质灾害发生全过程的作用机制。

（2）系统结构简单、体积小，具有安装简便、对土体扰动小的优势，提高了野外作业效率，很好地解决了传统监测设备带来的使用难题。

（3）母子监测桩的协同控制、分布式监测实现了精细化监测，能够有效降低漏报和误报概率。根据母桩降雨量值大小可实时调节子桩采集频率，减少了耗电，延长了系统待机时间。

（4）系统软件平台可通过实时监测数据计算当前场地的风险信息，经与数据库中数据比对，基于智能决策模型，发布预警信息，实现智能预警。

参考文献：

[1] 陈超. 山体滑坡区天然气集输管道监测预警技术研究[D].西南石油大学， 2019.

[2] 李苏.油气管道监测技术发展现状[J].油气储运，2014， 33(02)： 129-134.

[3] 鲁瑞林，张永兴，王桂林.基于管道保护的工程滑坡监测及处理措施[J].中国地质灾害与防治学报，2011， 22(04)： 32-35.

[4] 郑娟. 油气管道滑坡监测预警技术研究[D].天津大学， 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] 陈珍，胡敏章.长距离输气(油)管道沿线地质灾害监测技术研究[J].大地测量与地球动力学， 2011，31(S1)： 114-117.

[7] 仝兴华，薛世峰，单新建.山体滑坡和泥石流灾害动态监测技术研究[J].油气储运， 2006， 25(10)：7-10.

[8] 熊敏，丁克勤，舒安庆，魏化中 .埋地管道地质灾害监测系统的设计 [ J ] .化学工程与装备，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.

作者简介：杨大慎，男， 1978年生，山东德州人，工程师， 2002年本科毕业于中国石油大学（华东）热能与动力工程专业，现主要从事成品油管道管理和技术研发工作。联系方式： 18011977689， yangds.xshn@sinopec.com。