于无声处听地动

--基于多重散射波的滑坡监测技术

邵博 中国长江三峡集团科研院

2021年7月，世界上在建规模最大的水电站白鹤滩水电站投产发电，助力“碳中和、碳达峰”目标的实现。但是，每一个成功的背后，都有别人看不到的努力。白鹤滩水电站库区地质环境复杂，地震频发，降雨集中，人工造成的岸坡变形破坏严重。勘测设计阶段，三峡集团的工程师们就在库区发现了大量的危险点。

监测技术近些年快速发展，为库区重大滑坡灾害隐患的超前识别提供了技术条件，有利于重大滑坡潜在风险的有效调控、蓄水前后岸坡失稳责任的厘清。针对金沙江库区存在滑坡重大隐患，该如何通过监测及预警技术，尽量减少生命和财产损失呢？

首先要回答库区滑坡监测的难点在哪？下图可以看到，滑坡在内外动力共同作用下发生，发育包括四个阶段，是一个由内向外的，由弱到强的过程。滑坡预警的核心问题和难点问题是能不能监测到应力场的微弱变化。

图1滑坡破裂过程

现有监测手段主要有两类。一个是传统的地表或中深部形变监测，但是地表形变监测具有滞后性，对中长期预警无能为力，也不能告诉我们破裂点的空间分布。另一个是物探技术，可以看清地下的危险，但库区广阔的面积，让逐个险情排除变得难以实现。

现有监测手段在时间和空间这两个维度上的不足，让库区滑坡内部微弱的动态变化过程很难被掌握。

为了解决这个问题，三峡集团科研院和中国地震局地球物理研究所的工程师和科学家们一起努力，希望把库区无处不在的噪声作为源，借助多重散射波，对滑坡做一个长时间的物探。图2里可以看到，多重散射波长长的尾巴里携带了很多介质信息，能够反映介质内部的微弱变化。同时，它还高度可重复，可以用于监测变化。

监测这种变化的核心是干涉技术。监测过程中，使用同一套装置，得到同一个位置、不同时间的波形，如果介质内部出现了变化的话，就可以在尾波部分发现相位上的差异，通过测量这差异，就可以获取介质内部的波速变化和微裂隙变化。

图2多重散射波监测原理

在库区滑坡监测时，只要所在区域周围有环境噪声，比如车辆开过的声音、河水流过的声音，就可以在滑坡上设2个监测台站采集这些噪声，进行互相关或卷积，就能得到通过A点散射、B点接收，或者B点散射、A点接收的散射波。在这样的设定中，没有使用任何主动激励设备，观测成本很低，长时间的监测，就可以发现规律找出异常。

早在2019年，中国地震局地球物理研究所把第一个监测地点选在大渡河的拉裂体边坡，在那里放了2台记录环境振动的地震监测设备。8月6号下午出现了局部的崩塌事件，虽然土方量比较小，估计约40方。而四川省地震局早在3天前的8月3日就根据观测数据的突变，提前发布了预警通知。这是国内第一次提前3天的成功预警。

图3成果预警案例

研究过程中三峡集团科研院也在不断探索新的进步。在软件方面，正在建设高灵敏度、宽频带的多重散射波观测网络，高效的数据传输系统及核心计算系统，平台展示及预警发布系统，快捷的可视化发布及结果推送平台。

在硬件方面，目前的散射波监测仪器，需要箱体包裹，需要和温度计、湿度计等其他监测仪器同步使用，而且还需要传回云端计算，数据安全性不高。在下一步工作中也会得到持续优化。

未来的库区滑坡监测技术发展趋势是对应力状态的监测，多重散射波监测可重复、时间上稳定并可以成像，目前在滑坡预警方面已取得一定的成果并得到了验证，是一种有效的方法。下一步三峡集团科研院将围绕设备的集成化和小型化、阈值的定量化和平台的可视化开展研究，希望得到更迅速的预警发布系统，更直观的可视化系统和更标准化的机理模型。

来源: 中国电机工程学会

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