膨胀土岸坡堤坝在线修复防控信息化关键技术研究与示范

第1章 绪论 　　1.1 问题的提出 　　我国是世界上地质灾害*为严重的国家之一，灾害种类多，分布地域广，发生频率高，造成的损失重。同时，我国有防洪任务的河段总长3.739×105?km，半数以上位于长江、黄河等流域的二十多个省份的膨胀土地区，每年由渗透破坏引起的岸坡堤坝滑坡较多，如丹江口水库蓄水后陶岔渠首河段出现了多处膨胀土岸坡的滑动变形等。因此，研究膨胀土岸坡堤坝渗透滑坡具有重大的现实意义。膨胀土岸坡滑坡影像如图1.1所示。 　　图1.1　膨胀土岸坡滑坡影像图 　　虽然我国在滑坡领域开展了多年研究并取得了大量成果，但是关于膨胀土岸坡堤坝渗透滑坡的研究还不系统，尤其是对岸坡堤坝监测预警与修复加固信息化技术的研究少之又少。现有的岸坡堤坝滑坡监测预警与修复信息化集成系统多侧重于监测数据信息管理，仿真与可视化主要局限在数据图表表达，数据资源整合也在积极推动之中。采用多元数据融合和技术集成手段，提升应对自然灾害的综合能力是未来的发展趋势。因此，本书阐述了空间信息感知与建设技术、监测和检测感知技术、多元数据融合技术、全链条技术集成技术、三维可视化技术、数据库管理技术，构建了集成多元数据融合与监测预警、检测识别评估、修复加固的一体化与全链条技术集成平台，开展了平台在南水北调中线工程膨胀土岸坡堤坝工程中的示范应用，为提高我国膨胀土岸坡堤坝渗透滑坡快速识别与防治技术水平提供了技术支撑。 　　1.2 国内外研究现状 　　1.2.1 空间信息获取技术 　　天空地协同监测技术，是指运用天（卫星遥感）、空（无人机遥感）、地（地面监测）协同，对各类边坡滑坡专题事件或目标进行立体化监管，全面、准确地把握各种滑坡问题的时空分布。 　　近些年，随着测绘科学和地理信息技术的发展[1]，对空间感知和监测的需求急剧增长，遥感技术作为获取地理空间和环境信息的重要手段得到迅速发展。当今，遥感技术在空间分辨率、光谱分辨率和时间分辨率方面，都已获得巨大的突破，呈现“三高”新特征。 　　以高分系列为例：GF-1是中国高分辨率对地观测系统重大专项首颗卫星，突破了高空间分辨率、多光谱与高时间分辨率结合的光学遥感关键技术；GF-2是中国**颗亚米级高分辨率民用光学遥感卫星，标志着中国遥感卫星进入亚米级“高分时代”；GF-3是中国首颗空间分辨率达到1?m的C频段多极化合成孔径雷达成像卫星，也是世界上成像模式*多的雷达卫星，实现了“一星多用”的效果；GF-4是中国首颗，也是世界上分辨率*高的地球同步轨道高分辨率遥感卫星，能够实现对同一区域的持续观测；GF-5是中国首颗高光谱卫星；GF-6是中国首颗精准农业观测的低轨光学遥感卫星，又称“高分陆地应急监测卫星”；GF-7是中国高分系列卫星中测图精度要求*高的科研型卫星，突破了亚米级立体测绘相机技术，能够获取高空间分辨率光学立体观测数据和高精度激光测高数据[2]。高分系列卫星覆盖从全色、多光谱到高光谱，从光学到雷达，从太阳同步轨道到地球同步轨道等多种类型，是一个具有高时空分辨率、高光谱分辨率、高精度观测能力的对地观测系统[3]。高分系列卫星的成功发射，为实现流域智慧化、精细化监控提供了基础支撑，可服务于流域防洪减灾、地质安全监测、水政执法及滑坡监测等多个应用领域。 　　无人机出现在1917年，早期研制的无人驾驶飞行器主要用作靶机，应用范围主要是在军事上，后来逐渐用于作战、侦察及民用遥感飞行平台。20世纪80年代以来，随着计算机技术、通信技术的迅速发展，以及各种数字化、重量轻、体积小、探测精度高的新型传感器的不断面世，无人机的性能不断提高，应用范围和领域迅速拓展[4]。无人机遥感技术具有成本低、操作简单、快速灵活、实时性强、可扩展性大和云下高分辨率成像等优点，可作为卫星遥感技术的有效补充，已成为遥感数据获取的重要手段之一。它能够快速、便捷地获取实时、多角度、高分辨率的空间遥感影像数据，及时、有效地应对各种突发事件，可以在短时间内迅速获取目标区域的信息，便于分析决策和采取应对措施。固定翼无人机和旋翼无人机如图1.2所示。 　　图1.2 固定翼无人机和旋翼无人机 　　我国在研发应用低空无人机遥感技术方面已有二十余年的历史，近年来，无人机和传感器小型化技术不断取得新的突破，无人机遥感系统呈现井喷式发展趋势。当前无人机系统种类繁多，在尺寸、重量、航程、飞行高度、飞行速度、续航能力等多方面都有较大差异，既有如翼龙-II、甘霖-I等大型无人机系统，又有如精灵、御等消费级小型无人机系统，续航时间从1?h到几十小时、任务载荷从几千克到几百千克不等，这为长时间、大范围的遥感监测提供了保障，也为搭载多种传感器和执行多种任务创造了有利条件。 　　近年来，天空地协同监控体系不断发展，在膨胀土岸坡堤坝监测、流域水土保持动态监测、三峡库区地质安全问题遥感调查与监测等多方面得到了广泛应用。 　　1.2.2 监测与检测信息化技术 　　1. 监测信息化技术 　　随着信息化技术的提升，国内外工程安全监测系统正从传统的人工监测向智能化在线监测系统过渡。近年来，工程结构安全事故频发，社会对工程安全的需求日益强烈，通过信息化手段，可以实现对工程安全运行性态的实时监测，并能够对可能出现的异常情况进行及时预报、预警。与此同时，监测技术也在发展，工程安全监测设备种类越来越多，采集的数据量日趋庞大，且数据结构的复杂度越来越高，信息化手段便能实现上述海量多源异构数据的快速管理分析。 　　随着无线传感网络的深入研究和互联网的兴起，我国工程安全监测系统的搭建研究和应用取得了很大的进展，为工程安全运行提供了强大的技术支撑。2010年前后，安全监测系统多基于客户机-服务器（client/server，C/S）端进行开发，在该模式下，系统移植能力较差，对运行环境及硬件有较高要求。随着Web技术的发展及Spring系列框架的丰富，安全监测信息化系统逐步向浏览器-服务器（browser/server，B/S）结构发展[5]。在Web端安全监测信息化系统发展初期，系统的功能模块往往具有高耦合性，缺乏合理的引导规划，给后续系统功能扩展、升级和二次开发带来了极大的困难，且由于功能之间的高度耦合，会出现当某一个模块存在问题时，系统“雪崩式”崩溃的情况。 　　为此，本书基于微服务系统架构，结合工程实际业务需求，充分吸收互联网技术（internet technology，IT）行业先进技术，提出一种有效的多传感器融合物联网技术的数据平台服务集群化方法。采用前后端分离开发模式，实现了前端开发与后端开发的同步进行。前端主要基于Vue全家桶及相关组件进行开发，后端主要基于Spring Boot、Spring Cloud Alibaba框架进行开发。后台系统中包含了负载均衡、熔断降级、认证授权及限流，同时具备统一权限认证（以实现不同用户的权限控制）、异常与日志的统一管理功能，采用主流的容器技术实现专业功能模块的横向扩展，业务分析模型与系统采用松耦合设计，使平台具备较好的伸缩性和通用性，有效实现了安全监测数据的高效管理与专业分析，提升了安全监测效率。 　　2. 检测信息化技术 　　1998年特大洪水后，使用先进手段对岸坡堤坝渗透滑动的发生、发展进行观测，为防汛人员提供预测、预警信息，成为地球物理工作者的任务。为突破传统岸坡堤坝隐患探测技术的瓶颈，国内学者相继提出了从地球物理检测到监测的转变思路，高密度电法成为*早引入堤坝工程勘察领域的物探方法，通过多期观测数据反演模型的对比，查明电性变化趋势来定性评价其性质是早期地球物理检测技术的基础思路；而时移电法检测则是在检测思路的基础上发展起来的，它检测的目标不仅仅是地质缺陷，它以介质物理参数的变化为研究对象，对水体渗透滑动隐患的产生、发育、发展过程进行追踪，有效地对险情时空演变特征做出诊断。目前，时移地球物理检测方法已发展出时移地震检测、时移电法检测、时移电阻率法等。针对低可探物理背景下的堤防隐患，开展不同时间点、连续观测的时移电法和时移地震检测，洞悉不同时刻岸坡堤坝介质物理参数的动态演化特征；利用大数据处理技术进行水体渗透发育过程的追踪，评估隐患险情灾变的可能性，实现隐患险情的快速定位、预警已成为时移地球物理检测方法的发展趋势。 　　在膨胀土岸坡堤坝水体渗透滑动时移检测研究方面：刘健雄[6]采用高密度电法开展膨胀土电阻率动态测试，定量分析膨胀土边坡裂隙演化发育程度，研究膨胀土边坡裂隙发育机制；杜华坤等[7]通过对堤坝渗漏监测的数值模拟研究，分析了利用高密度电法勘探江河水位上涨过程时堤坝视电阻率的变化特征，总结出根据渗漏通道视电阻率异常范围的相对变化来研究渗漏通道走向的可能性。在膨胀土岸坡堤坝水体渗透滑动时移检测技术研究方面，总体来看，对时移电法检测的研究较多，论证了该方法的可行性和有效性，而对时移地震检测的研究较少。物探检测技术在膨胀土岸坡堤坝工程的应用如图1.3所示。 　　图1.3 物探检测技术在膨胀土岸坡堤坝工程的应用 　　1.2.3 岸坡堤坝修复加固技术 　　1. 膨胀土岸坡修复加固技术 　　膨胀土是一种特殊的高塑性黏性土，具有胀缩性、崩解性、多裂隙性、超固结性和强度衰减等特性，这些特性使膨胀土地区的工程建设极易发生边坡坍塌或滑坡等地质危害，是影响边坡稳定的内在因素；同时，大量工程实践经验与研究成果均表明，大气降水与蒸发所引起的干湿循环作用是诱发膨胀土反复缩胀变形，导致边坡结构损伤并诱发滑坡的重要外在因素。在天然状况下，未经处理或加固的膨胀土岸坡很快会出现破裂、剥落和泥化等现象，使得土体结构破坏，强度降低，进而失稳。国内外工程技术人员针对膨胀土岸坡的治理与加固措施进行了深入的研究，包括膨胀土边坡防护和排水结构等方面。 　　1）边坡防护 　　国内外工程技术人员基于工程实际提出了一系列行之有效的边坡防护方案，主要可概括为以下两大类：刚性支护措施和柔性支护措施[8]。其中：刚性支护措施以圬工结构（重力式挡墙、抗滑桩和片石护面墙等）为主，是目前边坡治理*常用的方法，其基本原理是利用刚性支护体的锚固作用及被动抗力来平衡滑坡力；柔性支护措施主要包括生物防护、土工织物加筋、土工三维植被网、柔性防护网等措施[9]。刚性和柔性支护措施的主要优缺点及适用范围详见表1.1。 　　表1.1 刚性和柔性支护措施的主要优缺点及适用范围 　　从表1.1中看出，刚性支护措施效果较好，应用范围广，但存在建设费用高、周期长、变形适应性差等缺点。相比而言，柔性支护措施可以从根本上改善膨胀土的胀缩性，在保证自身结构稳定的同时，能更好地适应并抑制土体的变形，减少裂隙的产生，取得良好治理效果的同时，兼顾一定的经济效益和生态效益。 　　2）排水结构 　　排水结构是膨胀土岸坡防护的重要组成部分，根据分布位置的不同，可大致分为坡面排水和坡内排水两大类。其中：坡面排水主要包括天沟（截渗沟）、平台排水沟、侧沟（边沟）与吊沟（急流槽）等主要结构；而坡内排水则主要包括支撑渗沟、盲沟（渗水隧洞）、渗水井与平孔等主要结构。坡面排水能够显著缩短大气降水及坡表来水的汇集量与滞留时间，而坡内排水能有效控制地下水的排出，避免坡内积水，减少“顶托”破坏现象的出现。 　　2. 堤坝修复加固技术 　　岸坡堤坝作为工程中常见的构筑物形式之一，大部分采用黏土、砂石等当地材料建造，在使用过程中，受建造方式、水流冲刷、外部使用环境变化、野生动物破坏等因素影响，不可避免地存在损毁可能。根据损毁方式、损毁程度的不同，损毁大致可分为结构缺陷、渗透滑动两大类，应根据具体情况，采取不同的处理措施。当岸坡堤坝内部因长时间使用，出现疏松、空洞但尚未影响到岸坡堤坝的整体稳定，或者堤坝基础深处有裂隙、渗漏通道或溶洞等不良地质时，可以采用灌浆的方式解决。根据灌浆材料的不同，可分为如下几种方式[10-11]。