何欣，張新偉，丁桂伶，李穎，徐興全，付晨

（北京市工程地質(zhì)研究所，北京 100048）

受地形地質(zhì)條件復雜、斷裂構(gòu)造發(fā)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(zhì)災害，對人民生命財產(chǎn)造成一定危害。據(jù)統(tǒng)計，自1949年以來，北京地區(qū)各類地質(zhì)災害造成的死亡人數(shù)超過600人，直接經(jīng)濟損失達數(shù)億元（北京市地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局等，2008）。隨著人類工程活動的增加，北京市交通網(wǎng)絡沿線山區(qū)段崩塌、滑坡和泥石流等突發(fā)性地質(zhì)災害及平原區(qū)地面沉降、地裂縫緩變性地質(zhì)災害發(fā)生頻度、范圍和造成的損失不斷增加?！笆濉逼陂g，北京市共發(fā)生各類地質(zhì)災害126起，主要以山區(qū)道路沿線小型崩塌災害為主，直接經(jīng)濟損失1 420.85萬元（北京市規(guī)劃和自然資源委員會，2021）。截至2022年6月，北京市查明的突發(fā)地質(zhì)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(guī)劃和自然資源委員會，2022）；查明的地面沉降地質(zhì)災害隱患主要發(fā)育在東南部平原區(qū)域，年沉降量大于10 mm區(qū)域面積為1 873 km2；地裂縫地質(zhì)災害隱患主要分布在斷裂帶沿線及地下水超采區(qū)。受地質(zhì)災害威脅的交通線路在運營期間存在著較大的地質(zhì)安全風險，因此開展交通網(wǎng)絡地質(zhì)安全監(jiān)測預警至關重要。

地質(zhì)災害具有突發(fā)性、多發(fā)性、群發(fā)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(zhì)災害監(jiān)測預警就是利用各種監(jiān)測技術和群測群防手段，對地質(zhì)災害體進行監(jiān)測，進而對其穩(wěn)定性變化趨勢進行預測預報，發(fā)布預警信息的過程（劉傳正，2000）。因此開展地質(zhì)災害監(jiān)測預警研究，能夠為災害風險管控、監(jiān)測預警、防治減災工作提供重要的科學依據(jù)（張凱翔，2020；華金玉，2022）。自20世紀80年代以來，三峽地區(qū)率先開展了突發(fā)地質(zhì)災害監(jiān)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(zhì)災害監(jiān)測預警系統(tǒng)。北京市現(xiàn)有的地質(zhì)災害監(jiān)測預警系統(tǒng)是從系統(tǒng)設計（李瀟等，2021）、系統(tǒng)框架（郭潤志等，2017）、數(shù)值模擬及模型應用（張新偉等，2019）、設備施工（陳柘舟等，2020）、數(shù)據(jù)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(zhì)災害調(diào)查，監(jiān)測站選址及建設，監(jiān)測預警系統(tǒng)平臺建設及運行維護等具體建設思路并沒有系統(tǒng)地總結(jié)。因此，本文依據(jù)歷時6年多的《京津冀協(xié)同發(fā)展交通網(wǎng)絡地質(zhì)安全監(jiān)測預警系統(tǒng)項目》，從整體性、系統(tǒng)性的角度探討梳理京津冀協(xié)同發(fā)展交通網(wǎng)絡地質(zhì)安全監(jiān)測預警系統(tǒng)建設思路及應用情況，著力推進交通網(wǎng)絡地質(zhì)安全監(jiān)測預警體系的建設，可為線性工程地質(zhì)災害監(jiān)測預警工作提供有效參考和借鑒。

1 項目概況

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

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

截至2022年4月30日，京津冀協(xié)同發(fā)展交通網(wǎng)絡地質(zhì)安全監(jiān)測預警系統(tǒng)項目共接收各類監(jiān)測數(shù)據(jù)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(jiān)測預警系統(tǒng)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(zhì)災害成功避險十大案例”。

2 重要交通沿線地質(zhì)安全監(jiān)測預警建設思路

根據(jù)《京津冀協(xié)同發(fā)展交通網(wǎng)絡地質(zhì)災害監(jiān)測預警系統(tǒng)項目》涉及的山區(qū)與平原區(qū)地質(zhì)災害特點，結(jié)合監(jiān)測預警系統(tǒng)建設實施工作，將重要交通沿線地質(zhì)安全監(jiān)測預警建設思路（圖1）總結(jié)如下：

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

1）地質(zhì)調(diào)查階段：通過資料收集與分析，開展交通沿線山區(qū)突發(fā)地質(zhì)災害及平原區(qū)緩變性地質(zhì)災害調(diào)查工作，扎實開展地質(zhì)災害隱患點識別與評價工作，為建立地質(zhì)災害檔案庫、監(jiān)測站選址提供基礎數(shù)據(jù)。

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

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

4）建設階段的試運行階段：依據(jù)地質(zhì)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(jiān)測站運行維護工作，對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行綜合分析，發(fā)布預警信息。

山區(qū)泥石流、崩塌、滑坡（不穩(wěn)定斜坡）等突發(fā)地質(zhì)災害監(jiān)測預警系統(tǒng)建設思路（圖2）是基于前期地質(zhì)調(diào)查與專項勘察、專項測量及數(shù)值模型等工作的基礎上，根據(jù)突發(fā)地質(zhì)災害特征，除布控氣象、視頻監(jiān)控和聲光電預警等自動化監(jiān)測設備外，針對性地在泥石流地質(zhì)災害隱患監(jiān)測站布設泥水位、次聲、流速、地聲和土壤含水率等監(jiān)測儀，在崩塌地質(zhì)災害隱患監(jiān)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(wěn)定斜坡）地質(zhì)災害隱患監(jiān)測站布設土壤含水率、孔隙水壓力和GNSS等專業(yè)自動化監(jiān)測設備，實時監(jiān)測地質(zhì)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(shù)值模擬計算，揭示地質(zhì)災害發(fā)生的規(guī)律及發(fā)展過程，實現(xiàn)超前預警預報，達到減災防災的目的。

圖2 山區(qū)突發(fā)地質(zhì)災害監(jiān)測預警系統(tǒng)建設思路Fig.2 Construction thought of sudden geological disaster monitoring and forecasting system in mountainous areas

平原區(qū)緩變地質(zhì)災害監(jiān)測預警系統(tǒng)建設思路（圖3）是基于前期地質(zhì)調(diào)查與專項勘察、專項測量及數(shù)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(jiān)測方法對地面沉降變形特征、地裂縫變形特征及地質(zhì)災害要素進行合理監(jiān)測，監(jiān)測技術路線兼顧地質(zhì)災害與線性工程結(jié)構(gòu)本身的監(jiān)測，分析緩變性地質(zhì)災害動態(tài)變化規(guī)律、成災發(fā)展趨勢與致災因素以及地質(zhì)災害發(fā)展對線性工程結(jié)構(gòu)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(yè)的技術支撐。

圖3 平原區(qū)緩變性地質(zhì)災害監(jiān)測預警系統(tǒng)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(zhì)安全監(jiān)測預警關鍵工作

3.1 地質(zhì)災害調(diào)查

地質(zhì)調(diào)查在城市規(guī)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(tài)安全和資源安全等方面具有先行性作用。地質(zhì)災害調(diào)查是地質(zhì)災害監(jiān)測預警系統(tǒng)的基礎工作，主要是在以往資料成果、經(jīng)驗總結(jié)基礎上，重點圍繞重大交通網(wǎng)絡沿線，依據(jù)DZ/T 0261-2014《滑坡崩塌泥石流災害調(diào)查規(guī)范（1∶50 000）》、DZ/T 0283-2015《地面沉降調(diào)查與監(jiān)測規(guī)范》、DD 2019-08《地質(zhì)災害調(diào)查技術要求（1∶50 000）》、DZ/T 0286-2015《地質(zhì)災害危險性評估規(guī)范》、DB11/T 893-2012《北京市地質(zhì)災害危險性評估技術規(guī)范》等標準、規(guī)范要求，開展精細調(diào)查，對重點調(diào)查區(qū)域的位置進行加密調(diào)查，查明影響交通網(wǎng)絡地質(zhì)環(huán)境問題、地質(zhì)災害隱患發(fā)育特征及影響因素分析，并建立交通網(wǎng)絡沿線地質(zhì)災害隱患點地質(zhì)檔案，為監(jiān)測站的選址及設備安裝布置提供客觀科學的技術依據(jù)。

3.2 監(jiān)測站選址

監(jiān)測站選址直接影響監(jiān)測預警工作的實施，在監(jiān)測預警工作中尤為重要。以往的監(jiān)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(shù)較多的隱患點，缺乏交通網(wǎng)絡沿線監(jiān)測站選址的具體理論指導和定量分析。根據(jù)交通網(wǎng)絡沿線地質(zhì)災害調(diào)查災害點情況，通過專項調(diào)研及專家評審等工作，建立了適用于交通網(wǎng)絡地質(zhì)災害監(jiān)測站選址影響因素體系（圖4）?；趯哟畏治龇ǎㄆ钣谀鹊龋?021）、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(jiān)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(zhì)災害監(jiān)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(yōu)權重值。根據(jù)各指標屬性進一步將交通沿線地質(zhì)災害專業(yè)監(jiān)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(wǎng)絡地質(zhì)災害監(jiān)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(jiān)測站建設

在收集資料及前期調(diào)查基礎上，開展專項地質(zhì)災害勘察及專業(yè)測繪等工作（圖5），查明監(jiān)測站地質(zhì)災害發(fā)育特征及地層巖性、巖土體物理力學參數(shù)和地形環(huán)境等情況，為監(jiān)測站建設提供堅實的基礎。施工過程中對質(zhì)量驗收關鍵節(jié)點，監(jiān)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(jiān)測點施工及監(jiān)測設備安裝完成后要對成品進行保護及聯(lián)調(diào)聯(lián)試，確保設備數(shù)據(jù)傳輸、存儲穩(wěn)定，為監(jiān)測預警信息平臺提供準確詳實的現(xiàn)場監(jiān)測信息。

圖5 監(jiān)測站建設流程圖Fig.5 Flow chart of monitoring station construction

3.4 三維地質(zhì)建模

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

圖6 京津冀地質(zhì)災害數(shù)值模擬系統(tǒng)界面展示Fig.6 Interface display of beijing-Tianjin-Hebei Geological hazard numerical simulation system

3.5 監(jiān)測預警系統(tǒng)平臺

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

圖7 監(jiān)測預警系統(tǒng)平臺界面展示Fig.7 The interface display of geological disaster monitoring and forecasting system

4 監(jiān)測系統(tǒng)應用案例

依據(jù)以上思路，在前期地質(zhì)災害調(diào)查中發(fā)現(xiàn)佛子莊（G108國道復線K12+800 m處）地質(zhì)災害隱患坡體發(fā)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(jié)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(wěn)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(jiān)測站專項選址設計，房山佛子莊地質(zhì)災害隱患點專業(yè)監(jiān)測在查明的660處重要交通沿線地質(zhì)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(zhì)災害監(jiān)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(jié)合國內(nèi)外崩塌災害監(jiān)測技術發(fā)展水平及T/CAGHP 007-2018崩塌監(jiān)測規(guī)范（試行），在“基于交通沿線典型地質(zhì)災害隱患點動態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)的預警方法專題研究”“GNSS響應時間與多設備聯(lián)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(jiān)測設備對巖質(zhì)崩塌隱患體進行全方位監(jiān)測。經(jīng)監(jiān)測站建設、設備安裝調(diào)試后，監(jiān)測數(shù)據(jù)實時傳輸至系統(tǒng)監(jiān)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(jiān)測數(shù)據(jù)反饋結(jié)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(jiān)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(jiān)測預警工作措施Tab.2 Monitoring early warning measures

監(jiān)測預警系統(tǒng)實時掌握隱患點災害特征動態(tài)變化信息，監(jiān)測數(shù)據(jù)每日巡查檢核，報警數(shù)據(jù)即時檢核，異常數(shù)據(jù)通過四分位法綜合分析，發(fā)現(xiàn)自2021年7月12日北京強降水后，該監(jiān)測站坡體位移及傾角監(jiān)測數(shù)據(jù)均出現(xiàn)異常，未觸發(fā)閾值報警，預警級別為Ⅳ級注意級，采取持續(xù)關注監(jiān)測數(shù)據(jù)并加強監(jiān)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(xù)增長，GNSS發(fā)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(jiān)測設備觸發(fā)閾值報警。系統(tǒng)視頻監(jiān)控及現(xiàn)場監(jiān)測站巡視均發(fā)現(xiàn)零星落石，經(jīng)綜合研判，該處發(fā)生崩塌地質(zhì)災害風險較大，發(fā)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(guī)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(jiān)測情況，并加強監(jiān)測站點的巡視巡查。預警發(fā)出44 h，崩塌分多次傾瀉而下，災害發(fā)生期間累計勸返通行車輛50余輛，80余人次，避免直接經(jīng)濟損失1 000余萬元，取得顯著的社會效益與經(jīng)濟效益。

通過監(jiān)測預警系統(tǒng)持續(xù)性技術支持和數(shù)據(jù)支撐，可以較好地服務于市規(guī)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(fā)生大規(guī)模的地質(zhì)災害之前消除地質(zhì)災害隱患，為后續(xù)的監(jiān)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(jié)論與建議

交通沿線地質(zhì)災害安全監(jiān)測預警系統(tǒng)工作關乎線性工程人民生命財產(chǎn)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(tǒng)建設思路及關鍵技術是交通沿線地質(zhì)災害安全監(jiān)測預警系統(tǒng)的基礎和重點：

1）提出了一套基于地質(zhì)災害調(diào)查、監(jiān)測站選址及建設、系統(tǒng)平臺建設和運維等重要交通沿線地質(zhì)災害安全監(jiān)測預警系統(tǒng)建設思路及關鍵技術，推進了交通網(wǎng)絡地質(zhì)安全監(jiān)測預警體系的建設，可為交通網(wǎng)絡沿線地質(zhì)災害監(jiān)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(wǎng)絡地質(zhì)安全監(jiān)測預警系統(tǒng)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(zhì)安全監(jiān)測預警系統(tǒng)起到典型示范作用，推動對交通網(wǎng)絡沿線區(qū)域范圍內(nèi)的地質(zhì)安全問題的實時監(jiān)測預警工作，切實發(fā)揮地質(zhì)災害監(jiān)測站保障交通網(wǎng)絡線路運營和人員安全的作用。

3）截至2022年6月，北京地區(qū)查明的8186處突發(fā)地質(zhì)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(zhì)災害監(jiān)測站，監(jiān)測范圍和監(jiān)測密度遠遠不夠，建議增大交通沿線地質(zhì)災害監(jiān)測預警范圍，進一步推動深入研究突發(fā)地質(zhì)災害尤其是崩塌地質(zhì)災害監(jiān)測預警工作。