于無(wú)聲處聽(tīng)地動(dòng)

--基于多重散射波的滑坡監(jiān)測(cè)技術(shù)

邵博 中國(guó)長(zhǎng)江三峽集團(tuán)科研院

2021年7月，世界上在建規(guī)模最大的水電站白鶴灘水電站投產(chǎn)發(fā)電，助力“碳中和、碳達(dá)峰”目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。但是，每一個(gè)成功的背后，都有別人看不到的努力。白鶴灘水電站庫(kù)區(qū)地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜，地震頻發(fā)，降雨集中，人工造成的岸坡變形破壞嚴(yán)重?？睖y(cè)設(shè)計(jì)階段，三峽集團(tuán)的工程師們就在庫(kù)區(qū)發(fā)現(xiàn)了大量的危險(xiǎn)點(diǎn)。

監(jiān)測(cè)技術(shù)近些年快速發(fā)展，為庫(kù)區(qū)重大滑坡災(zāi)害隱患的超前識(shí)別提供了技術(shù)條件，有利于重大滑坡潛在風(fēng)險(xiǎn)的有效調(diào)控、蓄水前后岸坡失穩(wěn)責(zé)任的厘清。針對(duì)金沙江庫(kù)區(qū)存在滑坡重大隱患，該如何通過(guò)監(jiān)測(cè)及預(yù)警技術(shù)，盡量減少生命和財(cái)產(chǎn)損失呢？

首先要回答庫(kù)區(qū)滑坡監(jiān)測(cè)的難點(diǎn)在哪？下圖可以看到，滑坡在內(nèi)外動(dòng)力共同作用下發(fā)生，發(fā)育包括四個(gè)階段，是一個(gè)由內(nèi)向外的，由弱到強(qiáng)的過(guò)程?；骂A(yù)警的核心問(wèn)題和難點(diǎn)問(wèn)題是能不能監(jiān)測(cè)到應(yīng)力場(chǎng)的微弱變化。

圖1滑坡破裂過(guò)程

現(xiàn)有監(jiān)測(cè)手段主要有兩類(lèi)。一個(gè)是傳統(tǒng)的地表或中深部形變監(jiān)測(cè)，但是地表形變監(jiān)測(cè)具有滯后性，對(duì)中長(zhǎng)期預(yù)警無(wú)能為力，也不能告訴我們破裂點(diǎn)的空間分布。另一個(gè)是物探技術(shù)，可以看清地下的危險(xiǎn)，但庫(kù)區(qū)廣闊的面積，讓逐個(gè)險(xiǎn)情排除變得難以實(shí)現(xiàn)。

現(xiàn)有監(jiān)測(cè)手段在時(shí)間和空間這兩個(gè)維度上的不足，讓庫(kù)區(qū)滑坡內(nèi)部微弱的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程很難被掌握。

為了解決這個(gè)問(wèn)題，三峽集團(tuán)科研院和中國(guó)地震局地球物理研究所的工程師和科學(xué)家們一起努力，希望把庫(kù)區(qū)無(wú)處不在的噪聲作為源，借助多重散射波，對(duì)滑坡做一個(gè)長(zhǎng)時(shí)間的物探。圖2里可以看到，多重散射波長(zhǎng)長(zhǎng)的尾巴里攜帶了很多介質(zhì)信息，能夠反映介質(zhì)內(nèi)部的微弱變化。同時(shí)，它還高度可重復(fù)，可以用于監(jiān)測(cè)變化。

監(jiān)測(cè)這種變化的核心是干涉技術(shù)。監(jiān)測(cè)過(guò)程中，使用同一套裝置，得到同一個(gè)位置、不同時(shí)間的波形，如果介質(zhì)內(nèi)部出現(xiàn)了變化的話(huà)，就可以在尾波部分發(fā)現(xiàn)相位上的差異，通過(guò)測(cè)量這差異，就可以獲取介質(zhì)內(nèi)部的波速變化和微裂隙變化。

圖2多重散射波監(jiān)測(cè)原理

在庫(kù)區(qū)滑坡監(jiān)測(cè)時(shí)，只要所在區(qū)域周?chē)协h(huán)境噪聲，比如車(chē)輛開(kāi)過(guò)的聲音、河水流過(guò)的聲音，就可以在滑坡上設(shè)2個(gè)監(jiān)測(cè)臺(tái)站采集這些噪聲，進(jìn)行互相關(guān)或卷積，就能得到通過(guò)A點(diǎn)散射、B點(diǎn)接收，或者B點(diǎn)散射、A點(diǎn)接收的散射波。在這樣的設(shè)定中，沒(méi)有使用任何主動(dòng)激勵(lì)設(shè)備，觀測(cè)成本很低，長(zhǎng)時(shí)間的監(jiān)測(cè)，就可以發(fā)現(xiàn)規(guī)律找出異常。

早在2019年，中國(guó)地震局地球物理研究所把第一個(gè)監(jiān)測(cè)地點(diǎn)選在大渡河的拉裂體邊坡，在那里放了2臺(tái)記錄環(huán)境振動(dòng)的地震監(jiān)測(cè)設(shè)備。8月6號(hào)下午出現(xiàn)了局部的崩塌事件，雖然土方量比較小，估計(jì)約40方。而四川省地震局早在3天前的8月3日就根據(jù)觀測(cè)數(shù)據(jù)的突變，提前發(fā)布了預(yù)警通知。這是國(guó)內(nèi)第一次提前3天的成功預(yù)警。

圖3成果預(yù)警案例

研究過(guò)程中三峽集團(tuán)科研院也在不斷探索新的進(jìn)步。在軟件方面，正在建設(shè)高靈敏度、寬頻帶的多重散射波觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)，高效的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)及核心計(jì)算系統(tǒng)，平臺(tái)展示及預(yù)警發(fā)布系統(tǒng)，快捷的可視化發(fā)布及結(jié)果推送平臺(tái)。

在硬件方面，目前的散射波監(jiān)測(cè)儀器，需要箱體包裹，需要和溫度計(jì)、濕度計(jì)等其他監(jiān)測(cè)儀器同步使用，而且還需要傳回云端計(jì)算，數(shù)據(jù)安全性不高。在下一步工作中也會(huì)得到持續(xù)優(yōu)化。

未來(lái)的庫(kù)區(qū)滑坡監(jiān)測(cè)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)是對(duì)應(yīng)力狀態(tài)的監(jiān)測(cè)，多重散射波監(jiān)測(cè)可重復(fù)、時(shí)間上穩(wěn)定并可以成像，目前在滑坡預(yù)警方面已取得一定的成果并得到了驗(yàn)證，是一種有效的方法。下一步三峽集團(tuán)科研院將圍繞設(shè)備的集成化和小型化、閾值的定量化和平臺(tái)的可視化開(kāi)展研究，希望得到更迅速的預(yù)警發(fā)布系統(tǒng)，更直觀的可視化系統(tǒng)和更標(biāo)準(zhǔn)化的機(jī)理模型。