隨著我國經濟的持續快速發展和城鎮化的推進，大量的公路建設所形成的露天邊坡、自然風化和水蝕等因素形成的需要進行災害治理的邊坡正在逐年增加。由此帶來的邊坡地質災害將會給人民的生命和財產安全帶來嚴重威脅，使國民經濟遭到重大損失。
貴州地處青藏高原東側，受青藏高原持續隆升的影響，形成高山峽谷的地貌景觀。不僅導致高邊坡“景觀”發育，而且導致由于邊坡失穩造成的崩滑地質災害極為頻繁，并且具有規模大、機理復雜、危害大、防治難度高的特點，影響和制約著這一地區社會經濟發展和西部大開發戰略實施。
隨著一系列舉世矚目的重大工程，如“西電東送”、南水北調工程、高速和高等級公路網建設等已經或即將實施。毫無疑問，這一地區的進一步開發，也必將帶來更大規模、更大范圍的邊坡地質災害及相關的環境問題亟待研究解決。經我們調研統計，鎮勝高速公路的K2006至K2010+200段就有20多個邊坡，大多數整體穩定性不好，存在潛在滑坡的趨勢。
本研究不僅可以有效避免重大地質災害發生，而且也將促進防災減災與公共安全和服務于工程建設的社會經濟效益。
1. 國內研究情況
國內外滑坡監測的方法很多，包括全站儀、經緯儀、水準儀、傾斜儀以及新近發展的G PS手機監測和InSA R 技術等。這類方法由于都是采用單點定位，預測預報準確度十分有限，測量都是從宏觀上去把握。而最近國內研究的超前攝動力的實時監測系統，雖然抓住了邊坡失穩的本質特征，但由于西南地區邊坡機理復雜，建立“抗滑力”與“下滑力”之間的力學模型存在很大的難度。
對此，我們提出了一種基于聲發射原理的邊坡地質災害的遠程實時監測預警系統，可以從細觀上對破壞點進行定位，而且便于信息傳輸，因而受到人們的廣泛重視。
2.設計原理
2.1設計思路
巖石受力破壞的過程是其內部微破裂萌生、擴展和斷裂的過程，在這個過程中巖石會產生聲發射現象。此時，傳感器陣列接收到巖土體產生的聲發射，傳感器把捕捉到的信號無線傳輸給接收器，接收器再傳輸給邊坡災害分析預警控制中心。最后，控制中心智能分析系統將信號濾波后，以基于聲發射源三維時差定位方法定位聲源的具體位置，計算比較聲發射值與閾值的相關關系，作出相應級別的預警措施，從而達到邊坡災害智能預警的目的。
2.2聲發射原理
聲發射是材料受外力或內力作用而產生變形或斷裂時，以彈性波的形式釋放能量的現象。在巖體材料中，聲發射波主要以縱波（P波）、橫波（S波）的形式在介質中傳播。它們的波速不一樣，P波最快，S波次之。
2.3遠程實時監測設備組成
（1）遠程實時監控系統拓撲結構
該系統在獲取數據時各套設備之間采取完全的無線傳輸方式，沒有任何連接線纜，傳感器陣列可分散布置，數據采集發射設備對應著多個傳感器。監測點的設備都采用電池供電；接收的數據能夠遠距離傳輸給監控主機。
（2）智能聲音傳感、接收裝置
由聲發射源三維時差定位方法可知：最少需要4個傳感器求出聲發射源位置坐標，但是，當傳感器個數≥5時，可以減小干擾誤差，計算出的聲發射源坐標也就更為準確。接收裝置包括電池組和天線，完成數據的采集和遠程發射任務，電池組根據使用情況應定期更換。
為了更好的全天候、全方位、全過程對滑坡進行監測，傳感器采用無線傳感器網絡（W SN ，W ireless Sensor Net-w orks），它是一種全新的網絡化信息獲取與處理技術，具有自組網、無線多跳路由和多路徑數據傳輸功能，結合數據融合技術，平衡網絡負載，延長網絡生命周期；傳感器節點成本低，可實現對整個滑坡監測區域進行大范圍的節點布置，保證數據采集的深度，為實現山體滑坡狀態監測和預警提供巨量數據基礎。
各個傳感器的位置坐標（單位：m m ）
（3）控制中心智能分析系統
智能接收分析系統由數據接收設備和數據處理計算機。數據接收設備用來接收數據發射設備的數據信號并將采集的信號傳遞給數據處理計算機，數據處理計算機通過計算比較聲發射值與閾值的相關關系，做出相應級別的預警措施。為了連續接收現場數據信號，數據接收設備電源要保持接通狀態，數據處理計算機最好配置不間斷工作電源。
3.聲發射實時監控預警模型
3.1實驗要求
巖石的種類很多，為了使研究具有普遍意義，以下對不同巖性的巖石的聲發射活動規律進行分析，進而揭示不同巖性巖石的聲發射活動特性。試驗選取三種在我國西南地區分布廣泛的巖石（花崗巖、灰巖）將巖樣加工成長方體試件，試件尺寸為40m m ×40m m ×80m m 。為了消除試件端部與壓力盤之間因摩擦而產生的噪聲，試驗時在試件兩端抹上一層硬脂酸。在聲發射探頭的檢測面上抹上一層黃油耦合劑，聲源定位試驗至少需要4個探頭。
3.2巖石全過程的聲發射特征
（1）巖石破壞全過程中細觀損傷定位
圖6是巖石破壞過程中程中細觀損傷三維定位結果，在開始加載時試件不會產生細裂紋，也就不存在事件數（events）；當加載一段時間后，巖石試件內部開始產生細裂紋，這時所布置的傳感器探頭就會接收到聲發射信號，可以對損傷點進行定位，一個定位點就是一個事件數；隨著加載時間的增長，事件數會繼續增加，最后所有的事件數形成巖石試件的宏觀破裂面，此時，聲發射事件數也不再增加，最終導致巖石試件的破壞。試驗研究表明：可以用聲發射方法監測巖石的細觀破壞的演化過程。
（2）試件在加載下的聲發射能量變化
滑坡時，巖體中的應力是瞬時變化的，為了更好地得出邊坡滑坡時聲發射能量的峰值，我們做了在沖擊荷載作用下的白云巖聲發射試驗。在80us時，有一個很大的聲發射能量出現，此時試件接近于破壞狀態，但并沒有完全破壞，還具有一定的承載能力，裂紋會進一步擴展，直到最后完全破壞。
3.3聲發射實時監控預警模型
通過大量實驗統計分析，確定出了滑坡時的聲發射能量峰值，為了超前對滑坡進行預測，監控預警過程采用預警準則：
上式中： 為預警閾值， 為滑坡時的聲發射能量峰值。
基于上述的原理，提出了滑坡預警模式，采用預警準則，即根據預先設定閾值自動報警。該模式警戒曲線總體存在與監控曲線相交的趨勢，警戒曲線與監控曲線最終產生交點，監控預警時間即為交點位置對應橫坐標，當監控曲線超過警戒曲線達到某一值后，邊坡發生滑坡破壞。
4.結論
（1）研究表明將聲發射技術應用于邊坡預警，能在邊坡宏觀破壞前進行坡體全局、動態實時監測預警。
（2）論文針對邊坡滑坡監測，提出基于聲發射的以無線傳感器網絡技術為基礎的理念。采用無線監控技術，能有效避免人為活動和氣候對傳感器的影響。實現對監測區域的遠程實時監護，并通過對采集數據的分析和處理，實現了對滑坡災害和邊坡穩態的實時遠程智能監測。
（3）隨著聲發射技術在滑坡災害監測中成功應用和推廣，所帶來的經濟效益和社會效益顯著。其中滑坡監測的前兆現象十分明顯，在時間上比常規預測方法大為提前，為滑坡災害預測預報提供了有效的手段。
（4）該監測系統應用前景較為廣泛：在道路建設中，公路邊坡預警，滑坡、泥石流監測，隧道開挖地面沉降，路堤沉陷破壞等的預測預警；在水利水電建設方面，可用于大壩、大堤位移和沉陷的智能監測預警；在巖土工程方面，可用于高邊坡、建筑物、基坑、擋土墻破壞的監測預警。
（5）提出了滑坡預警模式，但由于巖體邊坡的機理復雜性，預警閾值的確定有一定的局限性，隨著課題的研究深入，我們會充分利用相關領域的先進技術，不斷改進更新，在智能系統開發等方面多做工作，以求研制出一套具有國際先進水平的基于聲發射邊坡地質災害無線智能實時監控預警系統，為滑坡提供更為準確的地質災害預報。
作者：夏開宗 盛韓微 江忠潮 何中明 陳旺
鵬翔新聞
