湿陷性黄土地区道路塌陷智能监测预警系统及处理方法

技术领域

本发明属于湿陷性黄土地区道路（含城市道路与公路）监测预警和处理技术领域，具体涉及一种湿陷性黄土地区道路塌陷智能监测预警系统及处理方法。

背景技术

道路塌陷并导致多人死伤的严重事故逐年发生，造成了重大的生命财产损失和严重的社会影响。对于湿陷性黄土地区来说，水的因素是引起道路塌陷的最主要的原因之一。众多技术和研究人员也在积极不断地探寻能够提前预警并监测道路塌陷的技术和及时有效的处理方法，从而预防和避免道路塌陷事故，消除道路交通安全隐患，为治理和防止事故发生提供可行的处理措施，保障道路交通的安全。

国内外现有技术对道路塌陷的探测主要还是依靠人工检测。通常在道路坍塌前，路面结构下部会出现土体空洞，进而引起塌陷发生。现有技术手段主要是采用探测设备，在现场排查道路下方潜伏的空洞隐患，实现预防预警和采取相关处理措施除险。但是要达到及时发现土体空洞，则需要长期对城市重点路段、灾害多发路段进行持续经常性的普查和探测，才能使灾害的发生发展处于受控状态。近些年国内一些地区虽然使用了雷达探测、高密度电阻率法、瞬态面波法、瞬变电磁法等技术手段进行提取探测，但是均不能全面、及时的对道路塌陷情况进行有效而准确的预警和判断。目前的道路塌陷探测技术存在的不足或局限性如下：

（1）难以全面实现道路塌陷的及时监测与预警，实时性差，不能提前并及时反映道路塌陷的严重程度。

（2）检测范围和工作量大，效率低，需要常年累月周期性的检测和复检。

（3）不能直观和可视化现场周围和地下工程地质的具体情况，难以及时采取针对性的有效处理措施。

发明内容

本发明的目的是提供一种湿陷性黄土地区道路塌陷智能监测预警系统，以解决现有探测技术难以全面、直观地对道路塌陷及时监测与预警，且工作量大、效率低的问题。

本发明的另一目的是提供一种湿陷性黄土地区道路塌陷智能监测预警处理方法。

本发明的技术方案是：一种湿陷性黄土地区道路塌陷智能监测预警系统，包括信息采集装置和办公管理设施，还包括通信设施，通信设施包括3S集成系统、商用卫星和地面雷达系统，3S集成系统由遥感技术系统、地理信息系统和全球定位系统组成，办公管理设施包括互联网、计算机和显示装置，计算机与显示装置相连，3S集成系统和地面雷达系统分别通过互联网与计算机相连，商用卫星分别与3S集成系统、地面雷达系统和互联网相连，信息采集装置预埋在道路地下，信息采集装置与3S集成系统相连。

作为本发明的进一步改进，信息采集装置包括湿度仪、位移计、孔隙水压力计、土压力计、静力水准仪、取土仪和自动化数据采集仪，湿度仪、位移计、孔隙水压力计、土压力计、静力水准仪和取土仪分别与自动化数据采集仪相连，自动化数据采集仪与3S集成系统相连。

作为本发明的进一步改进，道路的人行道和车行道上分别敷设有至少两条地面雷达测线。地面雷达测线实地进行重点监控区域的人工复测，达到更进一步验证的目的，从而使监测与预警更准确。

作为本发明的进一步改进，显示装置包括屏幕。

作为本发明的进一步改进，显示装置包括移动通讯设备。

一种湿陷性黄土地区道路塌陷智能监测预警处理方法，包括以下步骤：

A、自动化数据采集仪将湿度仪、位移计、孔隙水压力计、土压力计、静力水准仪和取土仪获取的道路地下信息发送给3S集成系统，经3S集成系统分析软件对数据自动编译、建模和运行，通过互联网将信息传送给计算机并以可视化方式展现于显示装置；

B、地面雷达系统将信息通过互联网传送给计算机并显示于显示装置；

C、将3S集成系统和地面雷达系统所提供的信息进行对比，若3S集成系统和地面雷达系统所提供的信息不一致，则进一步对数据进行分析和比较，若3S集成系统和地面雷达系统所提供的信息一致，则需要对监测出存在塌陷隐患的工点进行现场钻孔验证核实，结合现场钻孔验证并核实道路塌陷的相关数据，进行道路塌陷危害分级判断和分类；

D、根据步骤C的分类，针对性地采取相应的道路塌陷处理措施。

作为本发明的进一步改进，在步骤C中，按照道路塌陷深度和塌陷面积进行分类。

作为本发明的进一步改进，在步骤C中，道路塌陷危害分为四个类别，分别为危害严重、危害较大、危害一般及危害较小，具体分类标准如下：

对于城市道路，若车行道塌陷深度≤0.5m则划分为危害较大，若车行道塌陷深度>0.5m则划分为危害严重，若车行道塌陷面积≤2.0m

对于公路，若车行道塌陷深度≤0.5m则划分为危害较大，若车行道塌陷深度>0.5m则划分为危害严重，若车行道塌陷面积≤2.0m

作为本发明的进一步改进，在步骤D中，根据道路性质、是否敷设市政管线、塌陷深度、塌陷面积，选择采用非开挖注浆处理技术或开挖换填技术，具体选择依据如下：

对于敷设有市政管线的城市道路，若塌陷深度≤0.5m则采用非开挖注浆处理技术，若道塌陷深度>0.5m则采用开挖换填技术，若塌陷面积≤2.0m

对于未敷设市政管线的城市道路，若塌陷深度≤0.5m则采用非开挖注浆处理技术，若道塌陷深度>0.5m则采用非开挖注浆处理技术和开挖换填技术相结合的方式；若塌陷面积≤2.0m

对于公路，若塌陷深度≤0.5m则采用非开挖注浆处理技术，若道塌陷深度>0.5m则采用非开挖注浆处理技术和开挖换填技术相结合的方式，若塌陷面积≤2.0m

随道路或重点监测区域一定深度范围内预埋的信息采集装置（湿度仪、位移计、孔隙水压力计、土压力计、静力水准仪、取土仪），将实时监测到的数据包括地质结构层性状、地下水含量、塌陷空洞范围、路基沉降等信息，及时远程传输、加载至办公管理计算机，建立相关数据库，经3S集成系统分析软件对数据自动编译、建模和运行，以三维可视化方式动态、直观展现于显示装置。该系统根据渗漏水及塌陷严重程度，对其进行力学稳定性分级和预警，可解决现有技术不能满足提前监测预警和达到可视化要求的问题。

商用卫星含发射、传输、接收设备，能够向被测区域的地面发射不同频率的探测信号，对获取的信号进行接收和采集，确保3S集成系统和地面雷达系统与互联网的连通。3S集成系统是将RS（遥感技术系统）、GIS（地理信息系统）、GPS（全球定位系统）三种独立但相互之间有互补性技术中的有关部分有机集成起来，构成一体化技术体系。地面雷达系统可以对“3S集成系统”分析、监测和传输到屏幕的塌陷可疑点和重点区域，在现场进行实地复测，达到更进一步准确验证的目的。

本发明能够实时连续监测道路地面周围环境和地下塌陷或空洞时的土层湿度、压力、位移等地质变化情况的数据，并将地质变化情况实时连续传输至监测主机，经“3S集成系统”分析处理后达到可视化程度，与地面雷达探测系统相结合，使探测和监控数据更准确、更可靠，实用性和操作性更强，应用更为广泛，能够及时有效的监测和预警道路塌陷和现场周围的真实情况，可解决现有技术不能满足提前准确监测预警和可视化要求的问题；并可对道路塌陷和土体的稳定性进行判断和分级，采取合理和针对性的处理的目的，从而消除道路安全隐患，确保行人和交通安全。

本发明与现有技术相比，具有以下优点：

1、本发明将“3S集成系统”与“地面雷达检测系统”相结合，对3S集成系统监控区域有疑点的地点进行检测和核查，从而起到“3S集成系统+地面雷达检测系统”“双控”对塌陷预判更准确的功能，集数字化、流程化、智能化于一体，通过相互对比分析与检测，能够全面、准确、实时、动态、连续地监测预警道路地面周围环境和地下塌陷情况，在现场实时并以可视化的方式动态地把道路塌陷范围、深度、渗漏水程度、工程地质、地下设施等情况直观及时地以数字化、智能化的方式传输至屏幕和移动通讯设备，能够解决现有技术不能满足提前准确监测预警和可视化要求的问题。

2、本发明提供了适用于湿陷性黄土地区道路塌陷危害程度划分原则和针对性的道路塌陷技术处理措施，可实时对道路塌陷和土体的稳定性进行判断和分级，及时采取处理措施，消除道路安全隐患，确保行人和交通安全，从而彻底预防和避免道路塌陷事故的发生。

3、本发明技术具有实施便捷、工艺简单、造价较低、绿色环保、节约投资等优势，能够准确可靠并有效地解决道路塌陷和安全隐患问题，具有良好的社会效益和经济效益。

附图说明

图1为本发明湿陷性黄土地区道路塌陷智能监测预警系统的结构示意图；

图2为本发明湿陷性黄土地区道路塌陷智能监测预警处理方法的流程图；

图3为本发明中地面雷达测线的布设剖面图；

图4为本发明中地面雷达测线的布设平面图。

图中：1为信息采集装置；1-1-1为湿度仪；1-1-2为位移计；1-1-3为孔隙水压力计；1-1-4为土压力计；1-1-5为静力水准仪；1-1-6为取土仪；1-2为自动化数据采集仪；2为通信设施；2-1为3S集成系统；2-2为商用卫星；2-3为地面雷达系统；3为办公管理设施；3-1为互联网；3-2为计算机；3-3为屏幕；3-4为移动通讯设备；4为车行道；5为人行道；6为地面雷达测线。

具体实施方式

以下结合附图对本发明进行详细说明。

如图1-图4所示，一种湿陷性黄土地区道路塌陷智能监测预警系统，包括信息采集装置1和办公管理设施3，还包括通信设施2，通信设施包括3S集成系统2-1、商用卫星2-2和地面雷达系统2-3，3S集成系统2-1由遥感技术系统、地理信息系统和全球定位系统组成，办公管理设施3包括互联网3-1、计算机3-2和显示装置，计算机3-2与显示装置相连，3S集成系统2-1和地面雷达系统2-3分别通过互联网3-1与计算机3-2相连，商用卫星2-2分别与3S集成系统2-1、地面雷达系统2-3和互联网3-1相连，信息采集装置1预埋在道路地下，信息采集装置1与3S集成系统2-1相连。

信息采集装置1包括湿度仪1-1-1、位移计1-1-2、孔隙水压力计1-1-3、土压力计1-1-4、静力水准仪1-1-5、取土仪1-1-6和自动化数据采集仪1-2，湿度仪1-1-1、位移计1-1-2、孔隙水压力计1-1-3、土压力计1-1-4、静力水准仪1-1-5和取土仪1-1-6分别与自动化数据采集仪1-2相连，自动化数据采集仪1-2与3S集成系统2-1相连。

道路的人行道5和车行道4上分别敷设有至少两条地面雷达测线6。

显示装置包括屏幕3-3。显示装置包括移动通讯设备3-4。

一种湿陷性黄土地区道路塌陷智能监测预警处理方法，包括以下步骤：

A、自动化数据采集仪1-2将湿度仪1-1-1、位移计1-1-2、孔隙水压力计1-1-3、土压力计1-1-4、静力水准仪1-1-5和取土仪1-1-6获取的道路地下信息发送给3S集成系统2-1，经3S集成系统分析软件对数据自动编译、建模和运行，通过互联网3-1将信息传送给计算机3-2并以三维可视化方式动态、直观展现于显示装置（屏幕3-3和移动通讯设备3-4）；

B、地面雷达系统2-3将信息通过互联网3-1传送给计算机3-2并显示于显示装置；

C、将3S集成系统2-1和地面雷达系统2-3所提供的信息进行对比，若3S集成系统2-1和地面雷达系统2-3所提供的信息不一致，则进一步对数据进行分析和比较，若3S集成系统2-1和地面雷达系统2-3所提供的信息一致，则需要对监测出存在塌陷隐患的工点进行现场钻孔验证核实，结合现场钻孔验证并核实道路塌陷的相关数据，进行道路塌陷危害分级判断和分类；

D、根据步骤C的分类，针对性地采取相应的道路塌陷处理措施。

在步骤C中，按照道路塌陷深度和塌陷面积进行分类，道路塌陷危害分为四个类别，分别为危害严重、危害较大、危害一般及危害较小，具体分类标准如下：

对于城市道路，若车行道塌陷深度≤0.5m则划分为危害较大，若车行道塌陷深度>0.5m则划分为危害严重，若车行道塌陷面积≤2.0m

对于公路，若车行道塌陷深度≤0.5m则划分为危害较大，若车行道塌陷深度>0.5m则划分为危害严重，若车行道塌陷面积≤2.0m

在步骤D中，根据道路性质、是否敷设市政管线、塌陷深度、塌陷面积，选择采用非开挖注浆处理技术或开挖换填技术，具体选择依据如下：

对于敷设有市政管线的城市道路，若塌陷深度≤0.5m则采用非开挖注浆处理技术，若道塌陷深度>0.5m则采用开挖换填技术，若塌陷面积≤2.0m

对于未敷设市政管线的城市道路，若塌陷深度≤0.5m则采用非开挖注浆处理技术，若道塌陷深度>0.5m则采用非开挖注浆处理技术和开挖换填技术相结合的方式（底层采用注浆技术，顶层采用换填技术并整平）；若塌陷面积≤2.0m

对于公路，若塌陷深度≤0.5m则采用非开挖注浆处理技术，若道塌陷深度>0.5m则采用非开挖注浆处理技术和开挖换填技术相结合的方式，若塌陷面积≤2.0m

3S集成系统2-1能够实现对商用卫星2-2发射的各种空间信息和环境信息快速、机动、准确、可靠的收集、处理与更新，通过商用卫星2-2收集地面及地下周围区域工程地质环境信息，经办公管理设施3的互联网3-1传输至计算机3-2，经3S集成系统2-1中RS遥感技术、GIS地理信息系统、GPS全球定位系统各自软件处理后达到可视化和实时动态监控的目的。地面雷达系统1-3可通过现场布设地面雷达测线6，对3S集成系统2-1监控发现有疑点的区域进行现场检测和核查，起到“3S集成系统+地面雷达”“双控”的目的。

本发明中，雷达探测和数据处理采用中科院研发的雷达数据处理软件Radar View进行；3S集成系统采用RS遥感技术系统、GIS地理信息系统、GPS全球定位系统各自软件，借助互联网技术在办公电脑上进行处理和总体管理和运维。

湿度仪1-1-1用于采集湿度信息；位移计1-1-2用于采集地下土体移动变化情况；孔隙水压力计1-1-3用于采集地下受水浸湿后监测孔隙水压变化情况；土压力计1-1-4用于采集地下土体塌陷后，土压力变化情况；静力水准仪1-1-5用于测量观测点的沉降变化量；取土仪1-1-6用于采集地质土壤和环境信息。将以上传感器随道路敷设在需要监测的重要路段及道路纵坡最低点、道路交叉口等特殊路段（其埋深、埋设间距、埋设数量均根据需要设置，通常埋深不小于80cm，间距和埋设数量根据监测精确度要求自定），通过自动化采集仪1-2实时监测并将采集到的数据包括地质结构层性状、地下水含量、塌陷空洞范围、路基沉降等信息，发送至3S集成系统2-1，再通过互联网3-1及时远程传输、加载至办公管理计算机3-2，建立相关数据库，经3S集成系统分析软件对数据自动编译、建模和运行，以三维可视化方式动态、直观展现于屏幕3-3和移动通讯设备3-4。该系统根据渗漏水及塌陷严重程度，对其进行力学稳定性分级和预警，可解决现有技术不能满足提前监测预警和达到可视化要求的目的。

地面雷达系统2-3对检测到的信息和数据进行分析，初步判断道路塌陷或空洞范围、深度、面积、含水量等情况，经一系列数据自动整理、编辑、解释，利用互联网3-1将检测数据通过专业软件（本发明采用的是Radar View软件）传输至管理远程计算机3-2，分析并建立可视化三维数值模型，与3S集成系统2-1形成的可视化成像模型进行对比分析。如图2所示，若图像资料两者不一致，需要进一步对数据进行分析和比较；若结论一致，则需要对监测出存在塌陷隐患的工点进行现场钻孔验证核实，并根据塌陷相关指标（详见表1、表2）提出安全预警级别，并及时传送至屏幕3-3和移动通讯设备3-4上，供管理人员实时根据塌陷级别及时选择处理措施。本发明根据塌陷深度、塌陷面积、渗漏水情况提出划分标准，具体为：危害严重、危害较大、危害一般、危害较小4种形式，具体如表1、表2所示。表1示出了城市道路塌陷危害程度划分指标，表2示出了公路塌陷危害程度划分指标，其中的渗漏水情况可根据经验判断。

根据表1、表2道路危害程度划分分类，针对性地采取相应的道路塌陷处理措施。处理措施按照塌陷道路性质、有无敷设市政管线、塌陷深度、塌陷面积、渗漏水严重程度等情况，本发明提供“采用非开挖注浆处理技术措施”或“换填技术”两种不同处理措施，供合理选择，具体如表3所示。

本发明能够实时动态连续监测到道路地下的渗漏水、塌陷、空洞等隐患，并及时将相关信息和数据通过互联网技术远程传输至控制室计算机，对塌陷及地下地质层岩土环境及渗漏水等情况分析判断和预警，以可视化方式输出至视频屏幕和移动手机等设备，供管理人员实时采取相应预防措施，可根据判断塌陷危害级别，针对塌陷严重程度及时采取相关地基处理的措施。

本发明能够以可视化的方式，及时准确的提前监测和预警道路的塌陷情况，近而采取针对性的处理措施，消除道路交通安全隐患，为提前预防和治理道路塌陷提供可靠的依据，确保交通安全和人们的生命财产免受损失。