基于次聲的滑坡監測預警技術研究進展

摘" 要：我國地域遼闊，滑坡災害分布廣、數量多、危害大，且大多發生在已查明的地質災害隱患點范圍外。目前滑坡監測主要以位移和變形為預警指標，在突發性強的巖質滑坡預警中效果并不理想。滑坡在失穩破壞前其內部巖土體損傷和結構變化會產生固定頻段的次聲波，這使基于次聲的滑坡監測預警技術得以實現。該文闡述基于次聲的滑坡監測技術原理和研究現狀，提出滑坡次聲監測預警技術面臨的挑戰和未來展望，以期能為該項技術的發展和應用提供思路。

關鍵詞：地質災害；滑坡；次聲波；監測預警；研究進展

中圖分類號：O425" " " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2023）14-0007-07

Abstract： China has a vast territory. Landslide disasters are widely distributed， numerous and harmful， and most of them occur outside the scope of identified geological hazard potential points. At present， for landslide monitoring， we mainly take displacement and deformation as early warning indicators， and the effect is far from ideal in the early warning of sudden rock landslides. The internal rock and soil mass damage and structural change of the landslide will produce fixed frequency band infrasonic wave before its instability and failure， which makes the landslide monitoring and warning technology based on infrasonic wave possible. This paper expounds the principle and research status of infrasound based landslide monitoring technology， puts forward the challenges and future prospects of infrasound monitoring and early warning technology for landslide， in order to provide ideas for the development and application of this technology.

Keywords： geological hazards; landslide; infrasound; monitoring and early warning; research progress

我國地域遼闊，地質環境復雜，是亞洲乃至世界上滑坡災害最為嚴重的地區之一[1]。隨著近年來地殼運動的不斷加劇、極端氣候的出現和人類工程建設高速發展等因素的影響，滑坡災害呈逐年加重的趨勢[2-4]，嚴重威脅山區居民的生命和財產安全。次聲波具有傳播距離遠、衰減小、抗干擾和穿透能力強等特點[5]，次聲監測已廣泛應用于核爆[6]、地震[7]、火山[8]、泥石流[9-10]等領域。巖石力學實驗結果表明，滑坡在發生前數小時內會產生固定頻段的特殊次聲波[11-12]，因此可通過次聲對滑坡進行監測預警。目前滑坡次聲監測預警機理尚未捋清，且研究相對分散，制約著該技術在現場中的應用推廣。本文闡述基于次生的滑坡監測預警技術的原理和研究現狀，提出滑坡次聲監測預警技術面臨的挑戰和未來展望，以期能為該項技術的發展和應用提供思路。

1" 滑坡次聲監測技術研究

1.1" 次聲波和監測設備

次聲波是頻率小于20 Hz可通過各種彈性介質向周圍擴散的聲波，其大小取決于聲源振動的頻率和幅度[13-14]。次聲波頻率范圍與其他聲波比較，如圖1所示。1883年印度尼西亞的Krakatau火山爆發產生的次聲波繞地球3圈，被多國的儀器監測到[16]。1972年召開的巴黎國際噪聲專業會議正式確定了次聲的定義[17]。次聲波衰減小、穿透性強、傳播距離遠等特點最早被用于核爆炸的監測和制作聲波武器等軍事研究。隨著《全面禁止核試驗條約》（CTBT）的簽訂[18]，全面禁止核試驗條約組織（CTBTO）在全球范圍內搭建次聲臺站，建立了全球次聲監測網絡，期間監測到了不同頻率的火山、地震、海嘯等災害的次聲信號，為后續次聲應用于地質災害的監測預警奠定了基礎。

目前國內外普遍使用的次聲傳感器可分為4類：光纖式次聲傳感器、氣壓計、液體式次聲傳感器及電容式次聲傳感器[19]。其中電容式次聲傳感器具有體積小、靈敏度高等優點，在國內廣泛使用，其工作原理是將空氣中傳播的聲波信號轉換為方便人為處理的電流、電壓（電學信號）等數據，再轉換成數字信號傳送到電腦端。表1總結了目前國內外電容式次聲傳感器的優缺點。

1.2 監測原理和監測系統

次聲應用于滑坡監測的系統過程，首先需要在滑坡體附近穩定區域部署次聲監測站，在滑坡體變形區域部署導波管監測站，每個測站均安裝高靈敏度次聲傳感器和采集器，采集滑坡孕育和發生過程中的次聲信號，并利用4G、北斗等通信方式將采集到的數據實時上傳至云平臺。通過次聲信號分析判定算法和次聲波傳播模擬，推算出滑坡次聲聲源的位置，最終進行及時可靠的預警報。

滑坡次聲監測是一個跨技術、全流程的實現過程（圖2）。要從監測設備布設，信號數據接收，系統自動處理判別，預警發布等整個過程中進行質量控制，才能確保其監測預警的可用性和準確性。

2" 滑坡次聲監測研究進展及應用

在地質災害監測預警研究領域，學者一直在尋找滑坡發生的前兆信息，以期實現超前預警。1981年，Koerner等[20]在通過實驗發現滑坡體在變形時會有明顯的聲發射現象產生，其信號的強度取決于坡體受到的應力。隨著研究的深入，如何確定滑坡狀態與其內部聲發射的關系成為研究熱點。Dixon等[21]于2003年提出可采用金屬導波管和填充顆粒物形成有源波導的方式監測采集滑坡聲發射信號（圖3），隨后通過大量的室內實驗研究證明了該方法可靠和實用性，相較于傳統的監測儀器具有更早的預警潛力。Dixon等[23]通過試驗研究首次證明了聲發射率和邊坡位移速率的線性關系，為后來基于邊坡變形的聲發射監測預警技術的應用推廣奠定了基礎[24-26]。由于次聲監測設備布設數量有限、滑坡發生的長期不確定性和野外惡劣環境的干擾，導致目前獲取到的野外真實滑坡次聲信號較少。因此學者主要通過巖石聲發射實驗、滑坡物理模型試驗等方法對滑坡次聲進行研究。

2.1" 巖石聲發射實驗

巖石是內部存在一定原生缺陷的復雜非均質材料的組合體，其破壞是內部能量累積并瞬間釋放的過程。當巖石內部累積的應變能快速釋放時會產生瞬態彈性波，并在巖體內部傳播的現象稱為聲發射（Acoustic Emission，簡稱AE）。巖土體漸進破壞是邊坡失穩的本質特征[27]，因此可以通過滑坡體內部物理特征參數反演出其內部損傷演化狀態。巖石聲發射現象蘊含著巖石整個破壞過程的信息，量化聲發射參數的統計信息是度量巖石材料和力學結構穩定性的有效途徑之一[28-29]。因此監測巖體在能量累積過程中伴隨的物理現象并探究其特征，獲取巖體失穩過程中起到破壞前兆特征作用的信息，是進行巖體失穩可監測預警的研究方向。

國內外學者在巖石聲發射實驗研究方面進行了大量的工作，取得了豐碩成果。張流等[30]通過花崗巖變形破壞聲發射試驗，探究了不同圍壓條件下巖石變形破壞和摩擦滑動過程次聲響應機制。Lavrov等[31]利用聲發射試驗研究了外部荷載作用下粘土和鹽巖內部損傷演化特征。Chai等[32]用不同巖性巖石進行單軸壓縮聲發射試驗時，發現花崗巖破裂過程中也產生次聲信號。朱星[33]選取花崗巖、泥巖、砂巖、千層巖、石灰巖、紅砂巖6種典型巖石，通過單軸壓縮聲發射試驗，監測到巖石破壞前產生的明顯次聲波，其特征頻率在2.0～8.0 Hz之間，且信號頻率與巖石巖性無直接關聯。Zhang等[34]運用聲發射技術，對深部煤層開采時應力集中造成的巖石破裂演化機制進行了研究。鄭菲等[35]結合損傷力學理論研究了巖石破裂產生次聲的機理，認為巖石破壞產生低頻次聲的原因是巖石微裂縫逐漸擴展，并提出臨災、發災和預警次聲波的概念，進一步加深了對巖石破壞產生次聲機理的理解。徐洪等[36]對巖石變形破壞產生次聲異常的能量特征進行分析，研究結果為巖石破壞前兆預警提供了重要依據。姜亮亮[37]通過紅砂巖單軸壓縮試驗，研究了峰值應力前后的次聲信號特征，證明了不同破壞模式與次聲特征的關系，發現紅砂巖破壞特征頻率集中在1～4 Hz。吳述寬等[38]通過閃長巖在單軸壓縮條件下的聲發射試驗，研究整個過程中巖石變形破壞與次聲特征間的關系，分析了傳感器位置對聲發射參數的影響，提出了Kaiser點的確定方法。賈炳等[39]對煤樣進行了單軸加載過程中的聲波測試。提出了一種煤樣損傷預測的新方法，為次聲波預測技術在煤礦災害預測中的進一步應用提供了指導。陳忠清等[40]通過單軸壓縮試驗、巖橋剪切試驗和結構面剪切試驗，研究了玄武巖、砂巖、灰巖及凝灰巖4種典型巖石在不同加載條件下破壞所產生的次聲特征，研究結果為滑坡災害次聲監測預警提供參考。趙奎等[41]通過花崗巖單軸壓縮聲學試驗，研究了試件失穩破壞過程的聲發射信號的頻域演化特征，發現了巖石試件臨界破壞的前兆特征。目前對巖石聲發射的研究相對零散，各學者研究的方法也不同，未形成完整的體系，相關試驗規范也有待改進和完善。

2.2" 室內物理模型試驗

物理模型試驗能準確反映滑坡內外因素的相互作用，直觀呈現滑坡變形破壞的全過程，是滑坡變形演化機制、失穩破壞模式和聲發射監測的有效手段[42]。學者在滑坡物理模型試驗的聲發射研究中取得了豐碩成果。易武等[43]通過研究巖質邊坡聲發射特征，提出了巖質邊坡失穩破壞的基本力學分類及其聲發射的監測預報方法和判據。袁雙喜[44]通過模型試驗、數值模擬及理論分析重點研究了擋墻式鎖固段滑坡鎖固體的破裂模式、破裂機制、破裂過程、破裂力學特征和破裂聲發射特征，利用激光測振技術揭示鎖固體破裂動力特征，揭示擋墻式鎖固型滑坡失穩時鎖固體動力特征和破裂特征。李深海等[45]通過開展室內模型試驗模擬排土場滑移失穩過程，采集并分析了次聲特征，該研究成果可為排土場滑移失穩的監測預警提供支持。中國科學院重慶綠色智能技術研究院、聲學研究所和成都山地災害與環境研究所[46-49]團隊基于土質滑坡原位實驗和室內試驗獲得的次聲數據，研發了基于次聲的滑坡監測預警系統，并在三峽庫區奉節段新鋪滑坡布設了次聲陣列。結果表明：次聲波動與降雨幾乎同步，且二者峰值強度時刻也同步，次聲信號比滑動力和位移信號提前數小時。證明了滑坡次聲前兆預警的可行性，可為居民提供較為充足的逃生時間。目前關于室內巖質滑坡的次聲物理模型試驗鮮有報道，且滑坡次聲特征不明確，滑坡次聲產生機理尚未厘清，阻礙了滑坡次聲監測預警的應用和推廣。

2.3" 滑坡次聲監測預警的應用

滑坡次聲監測預警的野外應用實例也有很多。周憲德等[50]經過大量研究，研制了坡地災害次聲監測系統，用以監控土石流和滑坡的發生，并發出預警訊息，以達到減災、防災的功能。馮懷升等[51]利用SMS 技術設計了滑坡臨滑次聲波監測預警系統， 該系統集采次聲，處理、存儲、顯示和報警等工作于一體，具有運行穩定、數據準確、實時遠程且具有較高的監測精度。任際周[52]研發了一套基于次聲的滑坡監測系統，數據庫中包含國內數十起重大滑坡臨滑次聲數據，并以此作為對照模型，實際使用時與監測到的滑坡次聲信號進行對比，從而判斷滑坡是否進入臨滑階段。趙久彬等[53]通過數值模擬的方法證明了三維多測點振速矢量直線匯聚次聲源定位方法。若能成功運用于地質災害監測預警技術中，便可實現災害發生點位的準確預測，為精準防控。避災避險提供了可靠的技術支持，具有廣闊的發展前景。Fu等[54]通過室內和室外試驗，比較了不同應力狀態（壓縮、剪切和拉伸）下土質邊坡破壞和巖石的次聲信號特征，并對重慶奉節新浦滑坡進行了驗證，結果表明，巖土破壞的次聲信號特征與室內試驗基本一致，次聲信號比位移信號提前3～5 h。陳楊等[55]結合滑坡變形過程和聲發射監測數據，建立了基于聲發射監測的滑坡過程預警模型，通過實驗室和現場滑坡的實踐證明了其預警的準確性和穩定性。

3" 面臨挑戰和技術展望

隨著地殼的不斷運動、人類活動的加劇和極端氣候的出現，滑坡災害的發生將會愈加頻繁。三峽水庫的周期性蓄放水使一系列古滑坡復活，以川藏鐵路為代表的國家重大戰略工程向西部發展，將面臨崇山峻嶺的不穩定邊坡等地質災害的威脅。基于次聲的滑坡監測預警技術處于發展階段，在新環境中仍將面臨諸多問題和挑戰。

3.1" 面臨的主要挑戰

3.1.1" 設備研制的挑戰

目前國產次聲傳感器和數據采集器在軟硬件上還有待優化。次聲傳感器野外監測時抗風噪能力弱，采集設備長期作業時發熱嚴重、穩定性不高，終端數據接收處理軟件智能化有待提升。

3.1.2" 次聲數據庫的挑戰

目前次聲監測預警的瓶頸問題是次聲信號特征數據庫，由于目前缺乏全面系統性的監測設備布設，加之不同滑坡物質組成的差異性和發生的瞬時性，導致收集到的野外真實的滑坡次聲信號數據很少，次聲總樣本不足將會導致特征信息匹配出現誤差。

3.1.3" 滑坡災害精確預警的挑戰

滑坡預警中的漏報和誤報可能造成非常嚴重的后果，應高度重視滑坡監測預警工作，始終牢記“監測僅是手段，預警才是目的”硬道理。監測設備的布置只是基礎和前提，如何提高滑坡次聲波準確識別的概率，對受災群眾進行預警，減少漏報誤報，避免“狼來了”現象出現，是當前需要解決的主要問題。

3.2" 未來技術展望

滑坡次聲監測預警技術要想突破瓶頸實現質的飛躍，必須要從設備研制、監測部署、系統判別和有效預警4個方面出發，解決目前困擾的一系列難題，最終完成一套滑坡次聲監測預警系統，如圖4所示。

3.2.1 次聲傳感器采集

滑坡臨滑前因巖石斷裂和摩擦會產生微弱聲波，不同產生機理會導致這些聲波具有其自身特定的頻譜特征，通過次聲傳感器捕捉滑坡次聲信號的異常，從而實現對滑坡體的監測預警。當前我國的基礎設施建設正向更偏遠的復雜山區拓展，現實需求對次聲監測技術提出“設備普適智能，技術穩定可靠，預警快速精確”的高要求。

3.2.2" 次聲陣列聲源定位技術

目前滑坡次聲波仍屬于被觀測事件，大多數研究理論、監測設備和預警網絡是基于核爆炸、地震等次聲監測預警設立的。為了實現滑坡次聲監測預警的現代化，有必要在滑坡頻發區、高風險區專門設置次聲預警臺站，作為遠程監測的次聲陣列系統通過構建次聲陣列，結合次聲波傳播路徑模擬算法，通過不同次聲設備收到異常次聲信號反演實現目標滑坡的精準定位。

3.2.3" 基于大數據和人工智能的滑坡綜合監測預警技術

未來可建立基于次聲的滑坡監測預警綜合平臺，實現滑坡次聲信號的實時判斷和數據庫更新。同時利用云平臺大數據和人工智能，結合力學、位移等監測數據綜合分析，深入挖掘滑坡的致災因素與滑坡演化機理的內在聯系，建立基于滑坡災變機理的趨勢預測方法、預警判據和模型[56]，爭取實現滑坡次聲預警的智能化、精準化和科學化。

4" 結束語

滑坡監測預警的研究與人類社會經濟可持續發展密切相關，如今研究者和技術人員從預報預測理論、技術、方法等方面都取得了突破性的進展。但多種監測方法和技術缺少統一性，缺乏互聯互通和信息共享導致目前滑坡監測預警效果并不理想。次聲的研究對滑坡監測預警多了一項更有效的選擇，通過對滑坡體進行實時監測，系統自動篩選和分析處理尋找滑坡前兆次聲信號，可為進一步的災害預測提供有效的數據支撐，但仍需進行深入的研究。由于缺乏有效觀測巖土體內部結構變化的設備，滑坡次聲信號產生的力學機理還未探明。滑坡前兆次聲識別精準度有待提高，且計算速度還有待提升。未來的研究方向應重視綜合運用多種方法和手段對滑坡災害進行監測、分析、預報，充分利用監測臺站和互聯網絡等優勢，建立一體化滑坡綜合監測預警技術體系，實現動態監測、實時跟蹤預報。

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