山體滑坡動(dòng)態(tài)信息實(shí)時(shí)采集技術(shù)的實(shí)驗(yàn)研究

陳一平，何 華，唐冬梅，楊 振

（1.中南大學(xué) 地球科學(xué)與信息物理學(xué)院，長(zhǎng)沙 410083；2.湖南繼善高科技公司，長(zhǎng)沙 410208）

山體滑坡動(dòng)態(tài)信息實(shí)時(shí)采集技術(shù)的實(shí)驗(yàn)研究

陳一平1，何 華1，唐冬梅1，楊 振2

（1.中南大學(xué) 地球科學(xué)與信息物理學(xué)院，長(zhǎng)沙 410083；2.湖南繼善高科技公司，長(zhǎng)沙 410208）

山體滑坡動(dòng)態(tài)信息的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與預(yù)警技術(shù)的研究，是災(zāi)害性地質(zhì)滑坡防災(zāi)減災(zāi)研究的重要技術(shù)之一。通過(guò)對(duì)山體滑坡誘發(fā)內(nèi)因的物理動(dòng)態(tài)信息進(jìn)行有效實(shí)時(shí)采集觀測(cè)的實(shí)驗(yàn)與探討，研究出一種基于激發(fā)極化法針對(duì)滑坡主體介質(zhì)激電特征的“激發(fā)電抗”動(dòng)態(tài)信息采集方法。經(jīng)實(shí)驗(yàn)表明，該方法可推動(dòng)“山體滑坡”預(yù)警理論與技術(shù)的研究，從靜態(tài)勘探評(píng)估與誘發(fā)外因變量的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，向靜態(tài)勘探評(píng)估與誘發(fā)內(nèi)因變量的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)拓展，實(shí)現(xiàn)了對(duì)山體滑坡的動(dòng)態(tài)信息進(jìn)行實(shí)時(shí)有效的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。

滑坡預(yù)警；誘發(fā)內(nèi)因；動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)；仿真模擬；激發(fā)電抗閾值

0 前言

滑坡隱患體在滑坡過(guò)程中的動(dòng)態(tài)物理信息有效采集的理論與方法，是滑坡預(yù)警系統(tǒng)研究的重點(diǎn)。在造成山體滑坡的誘發(fā)外因統(tǒng)計(jì)中，暴雨誘發(fā)的滑坡，占滑坡災(zāi)害總數(shù)的90%左右［1］。目前在該領(lǐng)域應(yīng)用的相關(guān)理論與方法可歸納為四類：

（1）宏觀預(yù)報(bào)［2］（觀查法、氣象法）。

（2）變形預(yù)報(bào)［3］（GPS位移法、傾斜度測(cè)量法、TDR監(jiān)測(cè)等方法）。

（3）電法勘探法成像技術(shù)。

（4）統(tǒng)計(jì)預(yù)測(cè)法。

應(yīng)用在“臨滑”預(yù)報(bào)的理論和方法主要有四類：

（1）藤迪孝。

（2）灰色預(yù)報(bào)（GM 模型）。

（3）回歸分析法。

（4）應(yīng)力法。

隨著滑坡機(jī)理和地質(zhì)動(dòng)力學(xué)理論研究的發(fā)展，以及地質(zhì)災(zāi)害（防災(zāi)減災(zāi)）預(yù)報(bào)的科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，表面位移（GPS、InSAR）監(jiān)測(cè)法、氣象（降雨量統(tǒng)計(jì)預(yù)測(cè)）法等方法也逐漸得到應(yīng)用，并獲得理論與應(yīng)用成果。與滑體內(nèi)因動(dòng)態(tài)信息觀測(cè)技術(shù)相關(guān)的深部位移監(jiān)測(cè)法，即在“滑帶層”中鉆孔并安裝傾斜傳感器進(jìn)行監(jiān)測(cè)，能夠確定“滑帶層”產(chǎn)生變化的位置，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)信息的自動(dòng)采集，將宏觀觀測(cè)技術(shù)方法轉(zhuǎn)向內(nèi)因變量監(jiān)測(cè)，推進(jìn)了滑坡監(jiān)測(cè)預(yù)警的理論研究和技術(shù)方法的創(chuàng)新。但是，這對(duì)安裝傾斜傳感器的密度、深度、有效通訊、合理布局，以及安裝工藝等，都有著相當(dāng)高的技術(shù)要求。該方法的預(yù)警閾值范圍較窄，動(dòng)態(tài)信息的數(shù)字濾波也存在技術(shù)瓶頸。雖然上述方法的研究與實(shí)施，推進(jìn)了山體滑坡監(jiān)測(cè)和預(yù)警報(bào)警的技術(shù)發(fā)展，但由于地質(zhì)體表面位移和滑面位移的不一致性，以及表面動(dòng)態(tài)的宏觀觀測(cè)和“內(nèi)因”動(dòng)態(tài)的誘變過(guò)程在時(shí)空坐標(biāo)系統(tǒng)上的差異，導(dǎo)致動(dòng)態(tài)信息的有效適時(shí)觀測(cè)、正演、反演其動(dòng)態(tài)過(guò)程存在誤差等原因，阻礙了這類方法的理論研究和應(yīng)用發(fā)展。

作者在本文中的實(shí)驗(yàn)研究，是借鑒電法勘探法在物探領(lǐng)域的理論和研究成果，模擬滑坡隱患地質(zhì)體環(huán)境建立人工激電場(chǎng)源的方法，通過(guò)激發(fā)滑坡隱患地質(zhì)體（包括“滑動(dòng)體”、“滑帶層”、“滑床”）的介電特性，探討對(duì)滑坡主體介質(zhì)激電特征的動(dòng)態(tài)信息進(jìn)行實(shí)時(shí)有效采集方法。

1 實(shí)驗(yàn)技術(shù)路線與方法

（1）本實(shí)驗(yàn)研究的技術(shù)路線是：通過(guò)對(duì)樣品測(cè)試和物理模擬實(shí)驗(yàn)，探討與研究具有滑坡隱患的滑動(dòng)體（誘發(fā)內(nèi)因），在滑坡過(guò)程中的動(dòng)態(tài)信息采集技術(shù)。暴雨誘發(fā)滑坡的機(jī)理是：因氣象暴雨產(chǎn)生變化的地表水或地下水，向具有滑坡隱患地質(zhì)體中的滑動(dòng)主體（“滑動(dòng)體”、“滑帶層”、“滑床”）滲入。在滑坡隱患地質(zhì)體不同的構(gòu)造特征狀態(tài)下，造成各種特征地質(zhì)體在滲入過(guò)程中出現(xiàn)含水量的差異（ΔWS動(dòng)態(tài)差異）。這種差異將導(dǎo)致在各種特征地質(zhì)體界面上的摩擦因數(shù)（μ）差異（含Δμ動(dòng)態(tài)變化值的差異）。摩擦因數(shù)動(dòng)態(tài)變化值（Δμ）是破壞滑坡隱患地質(zhì)體的重力平衡狀態(tài)，造成滑坡現(xiàn)象的主要原因。對(duì)ΔWS動(dòng)態(tài)參數(shù)進(jìn)行有效監(jiān)測(cè)，就可以完成對(duì)Δμ動(dòng)態(tài)反演模擬。

（2）本實(shí)驗(yàn)的研究方法是：①在模擬具有滑坡隱患地質(zhì)體環(huán)境的樣品上，建立激發(fā)極化外電場(chǎng)，激發(fā)待測(cè)樣品的極化特性（水分子是一種低阻有極分子［4］，只有在外電場(chǎng)的激發(fā)下才能產(chǎn)生極化效應(yīng)，即取向極化和位移極化效應(yīng)）；②針對(duì)具有滑坡隱患地質(zhì)體特征，建立激發(fā)極化電場(chǎng)下的仿真復(fù)阻電抗模型，通過(guò)對(duì)測(cè)試樣品和仿真復(fù)阻電抗模型進(jìn)行物理與數(shù)字模擬，完成動(dòng)態(tài)含水量（ΔWS）與動(dòng)態(tài)復(fù)阻抗（RC低通電路的時(shí)間響應(yīng)傳遞函數(shù)［H（jω）］）等效模擬；③對(duì)其取向極化的效應(yīng)（隨外電場(chǎng)的幅頻特性和動(dòng)態(tài)含水量（ΔWS）的變化產(chǎn)生不同的介電參數(shù)（含ΔZS）），進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)試與動(dòng)態(tài)閾值的分析與研究；④探討研究對(duì)因滑坡隱患構(gòu)造坡體的動(dòng)態(tài)含水量（ΔWS）的變化而引起的動(dòng)態(tài)物理信息的變化，進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的技術(shù)方法。

2 實(shí)驗(yàn)原理

經(jīng)過(guò)大量的災(zāi)害地質(zhì)（滑坡）勘查和調(diào)研成果表明，在滑坡的孕育過(guò)程中，滑動(dòng)體的視電阻率大于滑動(dòng)帶的電阻率。由于受到含水量的影響，滑動(dòng)帶的視電阻率變化率大于“滑床”或“滑動(dòng)體”的電阻率變化率。只要能有效地實(shí)時(shí)采集到滑動(dòng)帶的視電阻率變化率，將滑動(dòng)帶的視電阻率變化率擬合為滑動(dòng)帶的摩擦因素的變化率，則能給滑坡動(dòng)態(tài)信息的監(jiān)測(cè)與閾值報(bào)警提供有效的技術(shù)途徑。

2.1 在激發(fā)極化條件下建立等效的復(fù)阻抗數(shù)學(xué)模型

Cole－Cole模型在頻率域的復(fù)阻抗數(shù)學(xué)表達(dá)式［5］為式（1）。

其中 Z（0）為頻率為“0”時(shí)的等效電路阻抗；m為充電率；τ為激發(fā)極化過(guò)程中的時(shí)間常數(shù)；c為頻率相關(guān)系數(shù)。

m為充電率：

式中 Z（0）為直流（頻率為0時(shí)）的等效電路阻抗。

在研究地球物理信息的電性能時(shí)［4］，常采用頻率域（FD）和時(shí)間域（TD）二種研究方法。在頻率域（FD）時(shí)：研究的主要對(duì)象是充電率（m）和（τ）充電時(shí)間常數(shù)；在時(shí)間域（TD）時(shí)：研究的主要對(duì)象是時(shí)間域的階躍響應(yīng)函數(shù)Z（t）。Cole－Cole模型在時(shí)間域（TD）求Z（t）的演算過(guò)程非常繁瑣［6］，如果改用阻容模型對(duì)時(shí)間域的階躍響應(yīng)函數(shù)Z（t）進(jìn)行模擬，則演算過(guò)程要簡(jiǎn)單很多。

2.2 阻容模型的建立

根據(jù)基爾霍夫定律，可以建立模型的端口電壓Vo的數(shù)學(xué)表達(dá)式：

其中 Li和Le分別是模型中的內(nèi)電感和外電感；C為容抗；R為直流阻抗。

在不考慮模型中的內(nèi)電感和外電感的情況下，式（3）可寫為式（4）。

根據(jù)圖1（見(jiàn)下頁(yè)）計(jì)算阻容網(wǎng)絡(luò)復(fù)阻抗：

根據(jù)基爾霍夫定律建立的等效復(fù)阻抗模型的數(shù)學(xué)表達(dá)式為式（5）。

當(dāng)R1＝R2＝R、c1＝c2＝C，R0?R時(shí)有：

等效復(fù)阻抗模型的傳遞函數(shù)為式（6）。

在Cole－Cole模型頻率域的復(fù)阻抗數(shù)學(xué)表達(dá)式中，充電率式（2）可以用RC低通電路的時(shí)間響應(yīng)傳遞函數(shù) ［H（jω）］等效模擬。

3 含水量（ΔWs）的變化率與視電阻率（ΔZs）變化率的物理模擬

從微觀的角度出發(fā)，在實(shí)驗(yàn)中將含水量的電介質(zhì)體視為各向同性的電介質(zhì)體，被極化的電介質(zhì)體的電偶極矩為p。根據(jù)實(shí)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)，均值可以視為電介質(zhì)體中的每一分子都具備相同的平均值。

其中 N為電介質(zhì)每單位體積的水分子數(shù)；P為電場(chǎng)極化強(qiáng)度，單位為C／m2。

從宏觀的角度出發(fā)，在實(shí)驗(yàn)中將不同含水量的滑坡主體，視為各向同性的電介質(zhì)體，被極化的電介質(zhì)體的偶極矩為p，每處的電極化強(qiáng)度（P）與該處的總電場(chǎng)強(qiáng)度成正比，且方向相同：

式中 ε0為真空介電常數(shù)；εr為相對(duì)介電常數(shù)；ε＝ （ε0εr）為絕對(duì)介電常數(shù)；χ為電場(chǎng)極化率。

3.1 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)測(cè)量裝置如圖2所示。在圖2中，A為測(cè)試樣品，B為信號(hào)源（任意波形發(fā)生器DG1022），C為介電參數(shù)模擬與功率放大器（自制），D為超低頻慢掃描示波器（YB43020D），E為水份測(cè)試儀（TZS－3X型）。

3.2 試驗(yàn)樣品與試驗(yàn)數(shù)據(jù)

作者在本試驗(yàn)中，選擇具有代表性的砂質(zhì)粘土為試驗(yàn)樣本（見(jiàn)下頁(yè)圖3）。將試驗(yàn)樣本分為四組不同含水量的待測(cè)樣本，通過(guò)水份測(cè)試儀（TZS－3X型）和LCR電橋的測(cè)量，分別將它們分別標(biāo)定含水量為6.27%至51.68%的樣本（見(jiàn)圖4和圖5）。

3.3 物理模擬與實(shí)驗(yàn)結(jié)果

物理模擬與樣品復(fù)阻抗測(cè)試實(shí)驗(yàn)按兩組進(jìn)行：①樣品實(shí)測(cè)組采用自制樣品通過(guò)圖2裝置進(jìn)行實(shí)測(cè)；②仿真物理模擬組采用［電路仿真軟件WEWB32］對(duì)阻容網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行物理仿真模擬。測(cè)試的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下。

（1）W0＝6.27%樣品測(cè)試的幅頻特性波形圖與物理模擬（R＝19.63kΩ，C＝2.313μf）（見(jiàn)下頁(yè)圖6）。

（2）W0＝13.85% 樣品的物理模擬 （R ＝4.098 3kΩ，C＝14.140 2μf）（見(jiàn)下頁(yè)圖7）。

（3）W0＝21.89% 樣品的物理模擬 （R ＝3.282kΩ，C＝17.908μf）（見(jiàn)下頁(yè)圖8）。

（3）W0＝51.68%樣品的物理模擬 （R ＝0.704 98kΩ，C＝86.424 7μf）（見(jiàn)后面圖9）。

4 結(jié)論

通過(guò)物理模擬與實(shí)驗(yàn)的結(jié)果表明：

（1）測(cè)試樣品的擬合電容值，隨含水量的增加而增大；測(cè)試樣品的擬合電阻值隨含水量的增加而減小。這充分證明了滑坡主體在含水量變化過(guò)程中的發(fā)生的取向極化效應(yīng)的復(fù)阻抗動(dòng)態(tài)信息，存在可量化的模擬參數(shù)值，給動(dòng)態(tài)信息的適時(shí)采集提供了技術(shù)條件。

（2）通過(guò)對(duì)樣品在不同激發(fā)場(chǎng)強(qiáng)和頻率下獲得測(cè)試的數(shù)據(jù)，得到了樣品動(dòng)態(tài)含水量與幅頻特性的擬合波形圖。在幅頻特性波形圖中的直流分量與交流分量，分別為等效電阻值和電容值。不同含水量樣品的等效電阻值和電容值，具有寬動(dòng)態(tài)閾值范圍，這給動(dòng)態(tài)信息的適時(shí)觀測(cè)提供了數(shù)字模擬的技術(shù)途徑。

（3）對(duì)不同含水量樣品測(cè)試的幅頻特性波形截圖與復(fù)阻抗物理仿真模擬的幅頻特性波形截圖進(jìn)行數(shù)字模擬，具有良好的一致性（通過(guò)復(fù)阻抗參數(shù)的介入，可以進(jìn)一步提高觀測(cè)精度）。這就證明了該方法的有效性，同時(shí)也證明了在激發(fā)極化條件下，建立的樣品本動(dòng)態(tài)含水量等效的復(fù)阻抗阻容模型的可靠性。

（4）從本樣品實(shí)測(cè)和復(fù)阻抗物理模擬的實(shí)驗(yàn)研究和分析中得知，具有滑坡隱患地質(zhì)體中的滑動(dòng)主體，在激發(fā)極化條件下會(huì)因含水量（W0）的變化將導(dǎo)致其取向極化強(qiáng)度的改變，并且具有較寬的（量化）動(dòng)態(tài)范圍。寬動(dòng)態(tài)的極化閾值，給滑坡預(yù)警動(dòng)態(tài)參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，以及閾值報(bào)警提供了理論根據(jù)和技術(shù)研究的途徑。

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P 631.3＋24

A

1001—1749（2012）01—0101—06

2011－05－30 改回日期：2011－10－11

陳一平（1953－），男，副研究員，中南大學(xué)地球科學(xué)與信息物理學(xué)院碩士生導(dǎo)師，主要研究方向：地球探測(cè)與信息技術(shù)智能地球物理儀器研究。