于無聲處聽地動

--基于多重散射波的滑坡監測技術

邵博 中國長江三峽集團科研院

2021年7月，世界上在建規模最大的水電站白鶴灘水電站投產發電，助力“碳中和、碳達峰”目標的實現。但是，每一個成功的背后，都有別人看不到的努力。白鶴灘水電站庫區地質環境復雜，地震頻發，降雨集中，人工造成的岸坡變形破壞嚴重。勘測設計階段，三峽集團的工程師們就在庫區發現了大量的危險點。

監測技術近些年快速發展，為庫區重大滑坡災害隱患的超前識別提供了技術條件，有利于重大滑坡潛在風險的有效調控、蓄水前后岸坡失穩責任的厘清。針對金沙江庫區存在滑坡重大隱患，該如何通過監測及預警技術，盡量減少生命和財產損失呢？

首先要回答庫區滑坡監測的難點在哪？下圖可以看到，滑坡在內外動力共同作用下發生，發育包括四個階段，是一個由內向外的，由弱到強的過程。滑坡預警的核心問題和難點問題是能不能監測到應力場的微弱變化。

圖1滑坡破裂過程

現有監測手段主要有兩類。一個是傳統的地表或中深部形變監測，但是地表形變監測具有滯后性，對中長期預警無能為力，也不能告訴我們破裂點的空間分布。另一個是物探技術，可以看清地下的危險，但庫區廣闊的面積，讓逐個險情排除變得難以實現。

現有監測手段在時間和空間這兩個維度上的不足，讓庫區滑坡內部微弱的動態變化過程很難被掌握。

為了解決這個問題，三峽集團科研院和中國地震局地球物理研究所的工程師和科學家們一起努力，希望把庫區無處不在的噪聲作為源，借助多重散射波，對滑坡做一個長時間的物探。圖2里可以看到，多重散射波長長的尾巴里攜帶了很多介質信息，能夠反映介質內部的微弱變化。同時，它還高度可重復，可以用于監測變化。

監測這種變化的核心是干涉技術。監測過程中，使用同一套裝置，得到同一個位置、不同時間的波形，如果介質內部出現了變化的話，就可以在尾波部分發現相位上的差異，通過測量這差異，就可以獲取介質內部的波速變化和微裂隙變化。

圖2多重散射波監測原理

在庫區滑坡監測時，只要所在區域周圍有環境噪聲，比如車輛開過的聲音、河水流過的聲音，就可以在滑坡上設2個監測臺站采集這些噪聲，進行互相關或卷積，就能得到通過A點散射、B點接收，或者B點散射、A點接收的散射波。在這樣的設定中，沒有使用任何主動激勵設備，觀測成本很低，長時間的監測，就可以發現規律找出異常。

早在2019年，中國地震局地球物理研究所把第一個監測地點選在大渡河的拉裂體邊坡，在那里放了2臺記錄環境振動的地震監測設備。8月6號下午出現了局部的崩塌事件，雖然土方量比較小，估計約40方。而四川省地震局早在3天前的8月3日就根據觀測數據的突變，提前發布了預警通知。這是國內第一次提前3天的成功預警。

圖3成果預警案例

研究過程中三峽集團科研院也在不斷探索新的進步。在軟件方面，正在建設高靈敏度、寬頻帶的多重散射波觀測網絡，高效的數據傳輸系統及核心計算系統，平臺展示及預警發布系統，快捷的可視化發布及結果推送平臺。

在硬件方面，目前的散射波監測儀器，需要箱體包裹，需要和溫度計、濕度計等其他監測儀器同步使用，而且還需要傳回云端計算，數據安全性不高。在下一步工作中也會得到持續優化。

未來的庫區滑坡監測技術發展趨勢是對應力狀態的監測，多重散射波監測可重復、時間上穩定并可以成像，目前在滑坡預警方面已取得一定的成果并得到了驗證，是一種有效的方法。下一步三峽集團科研院將圍繞設備的集成化和小型化、閾值的定量化和平臺的可視化開展研究，希望得到更迅速的預警發布系統，更直觀的可視化系統和更標準化的機理模型。

來源: 中國電機工程學會

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