淺析重要交通沿線地質災害安全監測預警系統建設思路及應用

何欣，張新偉，丁桂伶，李穎，徐興全，付晨

（北京市工程地質研究所，北京 100048）

受地形地質條件復雜、斷裂構造發育和降水時空分布不均勻等自然條件以及人類活動的影響，北京市存在崩塌、滑坡、泥石流和地面沉降等地質災害，對人民生命財產造成一定危害。據統計，自1949年以來，北京地區各類地質災害造成的死亡人數超過600人，直接經濟損失達數億元（北京市地質礦產勘查開發局等，2008）。隨著人類工程活動的增加，北京市交通網絡沿線山區段崩塌、滑坡和泥石流等突發性地質災害及平原區地面沉降、地裂縫緩變性地質災害發生頻度、范圍和造成的損失不斷增加。“十三五”期間，北京市共發生各類地質災害126起，主要以山區道路沿線小型崩塌災害為主，直接經濟損失1 420.85萬元（北京市規劃和自然資源委員會，2021）。截至2022年6月，北京市查明的突發地質災害隱患點8 186處，其中有5 303處威脅對象為道路，占比高達64.78%（北京市規劃和自然資源委員會，2022）；查明的地面沉降地質災害隱患主要發育在東南部平原區域，年沉降量大于10 mm區域面積為1 873 km2；地裂縫地質災害隱患主要分布在斷裂帶沿線及地下水超采區。受地質災害威脅的交通線路在運營期間存在著較大的地質安全風險，因此開展交通網絡地質安全監測預警至關重要。

地質災害具有突發性、多發性、群發性、漸變性及影響持久的特點，其危害對人類生活及安全的影響較為突出（殷躍平，2004；孫小華，2021）。地質災害監測預警就是利用各種監測技術和群測群防手段，對地質災害體進行監測，進而對其穩定性變化趨勢進行預測預報，發布預警信息的過程（劉傳正，2000）。因此開展地質災害監測預警研究，能夠為災害風險管控、監測預警、防治減災工作提供重要的科學依據（張凱翔，2020；華金玉，2022）。自20世紀80年代以來，三峽地區率先開展了突發地質災害監測預警工作（劉傳正等，2004a），隨后浙江（余風華等，2006）、四川雅安（侯圣山等，2007；劉傳正等，2004b）、江蘇（單玉香等，2007）、北京（文斌等，2007）、天津（王爽等，2012）、吉林（楊雪艷等，2015）等省市建立地質災害監測預警系統。北京市現有的地質災害監測預警系統是從系統設計（李瀟等，2021）、系統框架（郭潤志等，2017）、數值模擬及模型應用（張新偉等，2019）、設備施工（陳柘舟等，2020）、數據處理（張新偉等，2021）、體系建設（江鴻彬，2021）等方面進行闡述說明，對于地質災害調查，監測站選址及建設，監測預警系統平臺建設及運行維護等具體建設思路并沒有系統地總結。因此，本文依據歷時6年多的《京津冀協同發展交通網絡地質安全監測預警系統項目》，從整體性、系統性的角度探討梳理京津冀協同發展交通網絡地質安全監測預警系統建設思路及應用情況，著力推進交通網絡地質安全監測預警體系的建設，可為線性工程地質災害監測預警工作提供有效參考和借鑒。

1 項目概況

根據《北京交通發展綱要（2014—2030年）》，北京市打造的“一環六放射”交通一體化體系，幾乎都要穿過（或緊鄰）地質災害易發區，在運營期間有較大的地質安全風險。因此建設交通網絡地質安全監測預警系統，掌握地質災害發展變化規律，在災害前發出預警，提前處理災情，確保交通網絡地質安全至關重要。

北京市工程地質研究所（原北京市地質工程勘察院）于2015年立項實施，在北京山區及平原區重要交通網絡沿線開展地質調查、專項勘察與測量、三維建模和自動化監測等工作，建設36處地質災害監測站（山區29處，平原區7處），形成覆蓋16條交通網絡重點區域的監測站網，并運用位移、變形、雨量和地下水位等監測手段，建設監測預警數據管理平臺，實時24 h視頻監控與地質數據智能采集，達到對地質安全隱患點情況的遠程動態監測，初步實現地質災害監測的自動化和智能化，為交通沿線地質災害發生的機理研究、監測預警、防災減災、工程治理等提供技術支持與數據支撐。

截至2022年4月30日，京津冀協同發展交通網絡地質安全監測預警系統項目共接收各類監測數據約1 313余萬條，在2021年汛期成功預警3次，避讓多起崩塌險情。監測預警系統提前44 h預警，避讓一起崩塌險情的“7·22”佛子莊G108國道復線崩塌災害避險案例入選“2021年全國地質災害成功避險十大案例”。

2 重要交通沿線地質安全監測預警建設思路

根據《京津冀協同發展交通網絡地質災害監測預警系統項目》涉及的山區與平原區地質災害特點，結合監測預警系統建設實施工作，將重要交通沿線地質安全監測預警建設思路（圖1）總結如下：

圖1 重要交通沿線地質災害監測預警系統建設思路Fig.1 Construction thought of geological disaster monitoring and forecasting system along important traffic lines

1）地質調查階段：通過資料收集與分析，開展交通沿線山區突發地質災害及平原區緩變性地質災害調查工作，扎實開展地質災害隱患點識別與評價工作，為建立地質災害檔案庫、監測站選址提供基礎數據。

2）監測站建設工作階段：通過監測站選址體系遴選確定地質災害隱患監測站位置，并開展監測站專項地質災害勘察、專項測量及三維地質建模及數值模擬分析等工作，對災害隱患處地質災害發育現狀進行評價分析；開展地質災害隱患點監測站專項設計、監測站設備聯合應用安裝與調試等工作，為監測預警平臺提供實時、準確的現場監測信息。

3）監測預警系統平臺建設階段：建設完成的監測預警系統平臺，集站點管理，多源信息監測數據智能采集、存儲與整理，監測數據統計分析及閾值報警、三維數值模擬預警運算一體化的綜合數據處理系統和業務管理平臺，實現24 h、不受地域限制對地質災害實時監測，為地質災害超前預警和遠程應急指揮提供技術支持與數據支撐。

4）建設階段的試運行階段：依據地質災害種類與特點，建立、完善預警工作體系與工作流程，開展已建監測站運行維護工作，對監測數據進行綜合分析，發布預警信息。

山區泥石流、崩塌、滑坡（不穩定斜坡）等突發地質災害監測預警系統建設思路（圖2）是基于前期地質調查與專項勘察、專項測量及數值模型等工作的基礎上，根據突發地質災害特征，除布控氣象、視頻監控和聲光電預警等自動化監測設備外，針對性地在泥石流地質災害隱患監測站布設泥水位、次聲、流速、地聲和土壤含水率等監測儀，在崩塌地質災害隱患監測站布設GNSS、土壓力計、傾角儀、拉繩式位移計和裂縫位移計等，在滑坡（不穩定斜坡）地質災害隱患監測站布設土壤含水率、孔隙水壓力和GNSS等專業自動化監測設備，實時監測地質災害體的幾何位移以及相關物理量的變化，通過幾何位移分析、物理量變化耦合以及數值模擬計算，揭示地質災害發生的規律及發展過程，實現超前預警預報，達到減災防災的目的。

圖2 山區突發地質災害監測預警系統建設思路Fig.2 Construction thought of sudden geological disaster monitoring and forecasting system in mountainous areas

平原區緩變地質災害監測預警系統建設思路（圖3）是基于前期地質調查與專項勘察、專項測量及數值模型等工作的基礎上，采用一等水準測量、InSAR、SAA、分層標、水平豎向位移一體點及地下水位等先進有效的監測方法對地面沉降變形特征、地裂縫變形特征及地質災害要素進行合理監測，監測技術路線兼顧地質災害與線性工程結構本身的監測，分析緩變性地質災害動態變化規律、成災發展趨勢與致災因素以及地質災害發展對線性工程結構和運營安全的影響，為政府科學決策和采取相應的管控措施提供專業的技術支撐。

圖3 平原區緩變性地質災害監測預警系統建設思路Fig.3 Construction thought of slow denaturation geological disaster monitoring and forecasting system in plain area

3 重要交通沿線地質安全監測預警關鍵工作

3.1 地質災害調查

地質調查在城市規劃、建設和管理中具有不可或缺的作用，在保障城市安全、生態安全和資源安全等方面具有先行性作用。地質災害調查是地質災害監測預警系統的基礎工作，主要是在以往資料成果、經驗總結基礎上，重點圍繞重大交通網絡沿線，依據DZ/T 0261-2014《滑坡崩塌泥石流災害調查規范（1∶50 000）》、DZ/T 0283-2015《地面沉降調查與監測規范》、DD 2019-08《地質災害調查技術要求（1∶50 000）》、DZ/T 0286-2015《地質災害危險性評估規范》、DB11/T 893-2012《北京市地質災害危險性評估技術規范》等標準、規范要求，開展精細調查，對重點調查區域的位置進行加密調查，查明影響交通網絡地質環境問題、地質災害隱患發育特征及影響因素分析，并建立交通網絡沿線地質災害隱患點地質檔案，為監測站的選址及設備安裝布置提供客觀科學的技術依據。

3.2 監測站選址

監測站選址直接影響監測預警工作的實施，在監測預警工作中尤為重要。以往的監測站選址工作多選擇重大基礎建設工程周邊的隱患點，或遵循以人為本，選擇威脅人數較多的隱患點，缺乏交通網絡沿線監測站選址的具體理論指導和定量分析。根據交通網絡沿線地質災害調查災害點情況，通過專項調研及專家評審等工作，建立了適用于交通網絡地質災害監測站選址影響因素體系（圖4）。基于層次分析法（祁于娜等，2021）、熵值法（顧景強等，2014）及博弈論組合賦權法（路遙等，2014）適用方法及特點，監測站選址主要通過層次分析法與熵值法計算評價交通沿線地質災害監測站選址影響因素指標主、客觀權重，基于博弈論思想對主、客觀權重進行組合賦權，給出各個指標最優權重值。根據各指標屬性進一步將交通沿線地質災害專業監測的必要性分為一般必要、必要、十分必要3個等級。

圖4 交通網絡地質災害監測站選址影響因素體系Fig.4 The schematic diagram of influencing factors system for site selection of geological disaster monitoring station in traffic network

3.3 監測站建設

在收集資料及前期調查基礎上，開展專項地質災害勘察及專業測繪等工作（圖5），查明監測站地質災害發育特征及地層巖性、巖土體物理力學參數和地形環境等情況，為監測站建設提供堅實的基礎。施工過程中對質量驗收關鍵節點，監測點施工工序，施工全過程進行檢驗與試驗，工序施工前對安裝位置、模板進行復檢，所有隱蔽工程實施前進行隱蔽前的檢查，并通過分項工程驗收評定進行隱蔽施工。監測點施工及監測設備安裝完成后要對成品進行保護及聯調聯試，確保設備數據傳輸、存儲穩定，為監測預警信息平臺提供準確詳實的現場監測信息。

圖5 監測站建設流程圖Fig.5 Flow chart of monitoring station construction

3.4 三維地質建模

三維地質模型是一種加強對地質內部構造的認識并反思和創新地質勘探方法的技術，主要將地質、測井、地球物理資料和各種解釋結果綜合在一起，生成三維地質信息模型，建設完成的模型可重現地層、巖體、構造的不規則邊界和空間幾何特征等地質信息，實現三維地質體空間分布特征的可視化表達。京津冀地質災害數值模擬系統（圖6），經超前預警案例驗證，模擬計算結果較好，已應用于輔助監測預警與地質災害變化趨勢分析。

圖6 京津冀地質災害數值模擬系統界面展示Fig.6 Interface display of beijing-Tianjin-Hebei Geological hazard numerical simulation system

3.5 監測預警系統平臺

監測預警系統平臺建設將前端監測點數據進行采集、回傳，對各項地理信息數據進行存儲、顯示、分析，完成包括數據輸入與編輯、數據管理、數據操作以及數據顯示和輸出等工作，實時掌握地質災害體特征信息的動態變化情況。該系統平臺實現了京津冀交通網絡地質災害隱患的專業監測與數據的遠程實時傳輸，集站點管理，多源信息監測數據智能采集、存儲與整理，監測數據閾值報警，三維數值模擬預警運算一體化的綜合數據處理和業務管理平臺（圖7）。

圖7 監測預警系統平臺界面展示Fig.7 The interface display of geological disaster monitoring and forecasting system

4 監測系統應用案例

依據以上思路，在前期地質災害調查中發現佛子莊（G108國道復線K12+800 m處）地質災害隱患坡體發育較多拉張裂縫（圖8）及貫通裂縫（圖9）。選取112°∠84°及17°∠74°2組節理及巖層面進行赤平投影分析（圖10），得出邊坡巖體的抗滑穩定性屬于不利組合，順層的高陡邊坡，極易形成崩塌落石。通過監測站專項選址設計，房山佛子莊地質災害隱患點專業監測在查明的660處重要交通沿線地質災害風險點臺賬中必要性被評為十分必要，因此選定該處建設地質災害監測站。

圖8 隱患點拉張裂縫Fig.8 Tensile fracture of hidden danger points

圖9 隱患點貫通裂縫Fig.9 Through crack of hidden danger points

圖10 隱患點赤平投影Fig.10 Stereographic projection of hidden danger points

結合國內外崩塌災害監測技術發展水平及T/CAGHP 007-2018崩塌監測規范（試行），在“基于交通沿線典型地質災害隱患點動態監測數據的預警方法專題研究”“GNSS響應時間與多設備聯合應用試驗”等試驗基礎上，選取GNSS、SAA、傾角儀、土壓力、孔隙水壓力、一體化自動雨量站及視頻等自動化監測設備對巖質崩塌隱患體進行全方位監測。經監測站建設、設備安裝調試后，監測數據實時傳輸至系統監測預警平臺中，設置響應的預警閾值，建立預警研判機制及工作體系，形成多維監測數據反饋結果的相互驗證，提高預警精準度。崩塌預警級別設定見表1，監測預警工作措施見表2。

表1 崩塌預警級別表Tab.1 Warning level table of collapse

表2 監測預警工作措施Tab.2 Monitoring early warning measures

監測預警系統實時掌握隱患點災害特征動態變化信息，監測數據每日巡查檢核，報警數據即時檢核，異常數據通過四分位法綜合分析，發現自2021年7月12日北京強降水后，該監測站坡體位移及傾角監測數據均出現異常，未觸發閾值報警，預警級別為Ⅳ級注意級，采取持續關注監測數據并加強監測站點巡查巡視等措施。7月20日，該處崩塌隱患體累計位移持續增長，GNSS發生同向累計位移，且趨勢明顯，日均累計位移-時間曲線切線角α=dΦ(t)/dt=59°，累計位移變化速率臨近加速變形階段，多個監測設備觸發閾值報警。系統視頻監控及現場監測站巡視均發現零星落石，經綜合研判，該處發生崩塌地質災害風險較大，發布預警，預警等級為Ⅱ級（警戒級），啟動災害預警提醒過往車輛與行人注意避讓，及時向北京市規劃和自然資源委及房山分局、市交通委房山公路分局通報監測情況，并加強監測站點的巡視巡查。預警發出44 h，崩塌分多次傾瀉而下，災害發生期間累計勸返通行車輛50余輛，80余人次，避免直接經濟損失1 000余萬元，取得顯著的社會效益與經濟效益。

通過監測預警系統持續性技術支持和數據支撐，可以較好地服務于市規劃和自然資源委、公路運營管理等部門，及時、合理地制定工程治理方案，實施工程治理措施，在發生大規模的地質災害之前消除地質災害隱患，為后續的監測預警工作的開展奠定基礎及起到較好的典型示范作用。

5 結論與建議

交通沿線地質災害安全監測預警系統工作關乎線性工程人民生命財產安全，涉及多學科相互融合，對時效性及準確度要求極高，系統建設思路及關鍵技術是交通沿線地質災害安全監測預警系統的基礎和重點：

1）提出了一套基于地質災害調查、監測站選址及建設、系統平臺建設和運維等重要交通沿線地質災害安全監測預警系統建設思路及關鍵技術，推進了交通網絡地質安全監測預警體系的建設，可為交通網絡沿線地質災害監測預警工作提供參考和借鑒。

2）“7·22”佛子莊G108國道復線崩塌災害避險案例進一步驗證了交通網絡地質安全監測預警系統建設思路的可行性和科學性，可為重大線性工程建立同類的地質安全監測預警系統起到典型示范作用，推動對交通網絡沿線區域范圍內的地質安全問題的實時監測預警工作，切實發揮地質災害監測站保障交通網絡線路運營和人員安全的作用。

3）截至2022年6月，北京地區查明的8186處突發地質災害隱患點中威脅道路的有5303處，占比64%以上。已建設完成36處地質災害監測站，監測范圍和監測密度遠遠不夠，建議增大交通沿線地質災害監測預警范圍，進一步推動深入研究突發地質災害尤其是崩塌地質災害監測預警工作。