微芯樁監測技術在黃河丁壩根石走失預警中的應用

關鍵詞：丁壩；根石；微芯樁；監測預警；黃河神堤控導工程

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、穩定中水河槽方面發揮著重要作用。丁壩根石是壩體穩定的基礎，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，這種現象被稱為根石走失。根石走失的發生往往難以預測，目前根石走失監測方法主要有人工探測根石（人防）和在丁壩頂部安裝攝像頭進行定點觀測（技防）。人防方法存在危險性高、探測范圍小、工作量大以及探測精度低等問題。技防方法中攝像頭無法實時感知，且僅能觀察河道表面，無法了解水下根石的走失情況。

針對根石走失的監測預警，黃委建設與運行管理局于2003年結合“數字工管”系統建設，提出了“根石位移上傳+位移傳感器法”監測、GPS定位監測、接觸式光纖監測、分布式電極監測等8種根石位移實時監測和安全預警技術。濱州黃河河務局于2013年研發了根石坍塌報警器，報警器對于根石的瞬間位移和翻滾較為敏感，而對速度較慢的平移則不敏感。隨著科學技術和理論的發展，根石走失預警研究有了新的進展。孫東敏等基于圖像識別把灰色理論作為預測根石走失的核心算法，利用該方法能夠監測到壩岸根石堆在水流持續沖擊和淘刷下發生的變形，但該方法涉及的數據需要人工添加，存在一定的主觀性。嚴建華等以黃河下游典型彎曲河段王窯險工和葛店險工為試點，研發了水下根石動態監測預警系統，該系統利用邊坡探針和潛嵌浮標示蹤劑對根石走失進行綜合判斷，取得了較好的應用效果。

近些年，微芯樁在水庫大壩的滑坡監測中有良好的應用效果。例如：靳玉鵬等在猴子巖水電站利用微芯樁監測滑坡體，有效解決了滑坡體淺表孤石監測難、預警預報不準的問題。相較于水庫大壩的滑坡監測，黃河丁壩根石分布在水面以下，受力更加復雜、監測難度更大。筆者基于丁壩根石走失的特點，借鑒微芯樁在水庫大壩的應用成果，將微芯樁監測設備應用于黃河丁壩根石走失監測，結合監測設備內置的安全態勢天地感知網，實現根石走失的實時預警。

1微芯樁監測系統構成

微芯樁監測系統由感知層、傳輸層、支撐層和應用層構成，見圖1。該系統利用物聯網一體化感知技術，微芯樁作為感知層的核心元件，能實時監測丁壩根石位移，該設備采用太陽能與電池雙供電，安裝簡便、耐寒耐熱性能良好。微芯樁將采集到的指標信息通過4G/LoRa無線通信技術傳輸至一桿式采集測站，一桿式采集測站再將接收到的信號通過2G/4G/北斗／以太網傳輸至云平臺，云平臺與應用層以HTTP協議形式互聯，實現數據傳輸。工作人員可以在手機、電腦界面訪問應用層，應用層中內置的安全態勢天地感知網匯聚航空遙感數據．地面監測數據、氣象觀測數據以及地層模型等多源數據，提供安全監測、態勢感知、災情險情預警等功能。用戶可隨時查看動態監測數據，及時接收預警信息，迅速進行處置決策。微芯樁監測系統界面見圖2。

微芯樁監測系統采集頻率為100～1000Hz，主動感知物體的狀態變化，實現位移、傾斜角度、振動沖擊合加速度等指標的實時采集。系統借助無線通信技術，結合安全態勢天地感知網，實現了指標預警、模型預警以及安全預警3種預jKAqaxGxZolByV63yvnekMk0ZQAJgVZjNvv9UtUvbwQ=警模式的有機融合。微芯樁對丁壩根石進行實時監測，通過智能采集根石位移等信息，能夠對丁壩的坍塌、墩蟄、滑動、壩襠后潰、潰膛以及漫溢等險情進行早期預警和壩體健康診斷。系統以“傳感一網絡一平臺一服務”一體化的模式，為防災減災、安全生產及應急管理部門提供全方位、多層次的安全監測預警服務。

微芯樁監測系統建立了集靜力學指標、動力學指標以及運動學指標于一體的預警指標體系，充分考慮工程地質條件和巖石力學特性，對不同工程地質條件進行分區，并對多源監測數據進行集成融合分析。在預警指標體系的基礎上，建立基于動力特征的堤防邊坡安全評價模型、基于動力和運動特征的邊坡失穩早期預警模型、基于位移速率比的邊坡失穩預警模型。基于這些模型可實現對堤防丁壩邊坡全生命周期的綜合預警。

2微芯樁監測系統算法原理

滑移體經歷了從微動、微變、形變到位移、滑移的過程。滑移體的穩定性由抗滑力和下滑力共同決定，其中抗滑力由黏結力和摩擦力組成。當滑移體處于強穩定階段時，黏結力起主導作用：當滑移體處于弱穩定階段時，黏結力和摩擦力共同承擔滑動力：當滑移體處于破壞階段時，黏結力失效，導致滑動發生。

由于實時獲取抗剪參數具有一定的局限性，因此現有的極限平衡模型仍難以描述滑移體從強穩定階段到破壞階段的整個過程。針對此問題，微芯樁監測系統搭載的算法以滑移體理論為基礎，綜合考慮靜力學、動力學和形變指標特征進行失穩判斷。與以位移為主要指標進行趨勢判斷和預警的傳統方法不同，該算法利用靜動力學特征在不同安全失穩階段的敏感性和差異進行分級預警，主要包括以下2個計算模型。

3微芯樁監測系統現場應用

2023年6月30日，在鄭州市鞏義市黃河神堤控導工程13#、14#、15#、20#壩安裝了微芯樁監測設備，開展黃河丁壩監測預警試驗。此前于2023年4月11日利用無人機和無人船協同查勘汛前河勢，12#～28#壩靠河靠溜，13#～15#壩是主流頂沖位置，最大水深約為13m。近年來該河段河勢上提，20#壩為2021-2022年河勢上提前主流頂沖位置，存在潛在風險。圖

3為微芯樁監測設備安裝現場情況。

微芯樁全天候24h對丁壩根石穩定性進行實時監測，主要監測內容包括傾斜角度（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#壩上的微芯樁共計上傳監測數據2479條，指標預警發布110次，其中：13#壩發布藍色注意14次、黃色警示44次、橙色警戒14次、紅色警報2次，14#壩發布藍色注意2次、橙色警戒3次，15#壩發布藍色注意3次、黃色警示2次，20#壩發布藍色注意2次、黃色警示11次、橙色警戒6次、紅色警報7次。

系統監測指標見表1，選取傾斜角度和振動沖擊合加速度2個指標進行分析。13#、14#、15#壩的傾斜角度和振動沖擊合加速度變化幅度相對較小，傾斜角度穩定在0.500°以內，振動沖擊合加速度穩定在2.4m/S2以內。盡管數據中存在個別峰值點，但實際壩體均未發生根石走失。對于20#號壩，雖然傾斜角度變化幅度不大，但振動沖擊合加速度的較大變幅值得關注，以及時發現并預防潛在的安全隱患。

圖4為13#、14#、15#、20#壩傾斜角度和振動沖擊合加速度隨時間變化曲線。7月1日-10月8日黃河經歷了漲落水過程，除個別突變點外，丁壩位移幅度整體呈緩慢增大趨勢。13#壩的振動沖擊合加速度波動較大，原因是該壩不靠水且附近存在植被，農民在附近放羊，羊群經過微芯樁時產生的振動使得該壩的振動沖擊合加速度產生波動，而9月20日后，振動沖擊合加速度波動明顯減小且趨至平穩，壩體運行狀態良好。14#壩的監測數據整體較為穩定，傾斜角度變化較小，振動沖擊合加速度在7月6日、9月30日和10月3日發生突變，但壩體未發生根石走失，整體表現平穩。這表明該壩的整體運行情況較好，突變點可能是受到外部環境因素的影響。15#壩的振動沖擊合加速度與14#壩表現相似，總體穩定，僅存在個別突變點。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°，但振動沖擊合加速度仍為0m/s2，微芯樁監測系統沒有發出警報，原因是7月29日微芯樁在微弱外力作用下發生小幅度偏轉。后續數據顯示，傾斜角度穩定在0.4°左右，趨于平穩，這表明之后壩體整體結構較為穩定。20#壩傾斜角度、振動沖擊合加速度在8月22日前后發生明顯變化，最大值分別達到0.458°、4.08m/S2，微芯樁監測系統發出紅色警報。8月22日鞏義黃河河務局在20#壩附近進行搶險，拋投的根石對監測設備產生較大影響，導致警報發出。8月22日后振動沖擊合加速度增大，原因是根石拋投后短時間內尚未穩定。除此之外，該壩的監測數據在其他時間較為平穩。這表明在排除外部因素影響的情況下，壩體結構保持著相對穩定的狀態。

綜上所述，13#、14#、15#、20#壩整體比較穩定，自微芯樁安裝運行至10月8日，水流淘刷作用對根石的影響較小。微芯樁不僅可以實現大尺度位移的精準監測，而且對微小傾斜的監測也有較高精度。由此可見，微芯樁監測系統在黃河丁壩根石的走失預警方面有著較好的應用效果。

為確保工程安全，建議在搶險作業時加強對監測設備的管理，避免對設備產生過大影響。同時，密切關注壩體振動沖擊合加速度和傾斜角度的變化，以便在發現異常情況時及時采取措施。在振動沖擊合加速度發生突變時，要分析外部環境因素對壩體穩定性的影響，以便更準確地評估其結構安全。

4結束語

鑒于微芯樁監測系統在位移、滑坡監測應用中的優勢，可將其應用于黃河丁壩工程監測。實際應用情況表明，當丁壩基礎石料在水流或者外力作用下發生滑移，導致丁壩發生輕微位移、傾斜或振動時，微芯樁能憑借其靈敏的感知能力捕捉到這些指標信息，有助于避免傳統傳感器單一指標產生誤判的情況，從而提前感知丁壩根石走失風險并發出安全預警。

受限于監測時間較短，微芯樁各類指標的監測閾值還未確定，目前按日常監測值的2.5倍設限，下一步將根據微芯樁長期運行的數據，利用統計分析的方法，如典型小概率法、置信區間法等對閾值進行分類計算。此外，系統內儲存的監測數據作為數字孿生黃河的數據底板，對于黃河流域數字孿生建設也具有重要意義。