陳一平，何 華，唐冬梅，楊 振

（1.中南大學 地球科學與信息物理學院，長沙 410083；2.湖南繼善高科技公司，長沙 410208）

山體滑坡動態(tài)信息實時采集技術的實驗研究

陳一平1，何 華1，唐冬梅1，楊 振2

（1.中南大學 地球科學與信息物理學院，長沙 410083；2.湖南繼善高科技公司，長沙 410208）

山體滑坡動態(tài)信息的實時監(jiān)測與預警技術的研究，是災害性地質滑坡防災減災研究的重要技術之一。通過對山體滑坡誘發(fā)內因的物理動態(tài)信息進行有效實時采集觀測的實驗與探討，研究出一種基于激發(fā)極化法針對滑坡主體介質激電特征的“激發(fā)電抗”動態(tài)信息采集方法。經實驗表明，該方法可推動“山體滑坡”預警理論與技術的研究，從靜態(tài)勘探評估與誘發(fā)外因變量的實時監(jiān)測，向靜態(tài)勘探評估與誘發(fā)內因變量的實時動態(tài)監(jiān)測拓展，實現(xiàn)了對山體滑坡的動態(tài)信息進行實時有效的動態(tài)監(jiān)測。

滑坡預警；誘發(fā)內因；動態(tài)監(jiān)測；仿真模擬；激發(fā)電抗閾值

0 前言

滑坡隱患體在滑坡過程中的動態(tài)物理信息有效采集的理論與方法，是滑坡預警系統(tǒng)研究的重點。在造成山體滑坡的誘發(fā)外因統(tǒng)計中，暴雨誘發(fā)的滑坡，占滑坡災害總數(shù)的90%左右［1］。目前在該領域應用的相關理論與方法可歸納為四類：

（1）宏觀預報［2］（觀查法、氣象法）。

（2）變形預報［3］（GPS位移法、傾斜度測量法、TDR監(jiān)測等方法）。

（3）電法勘探法成像技術。

（4）統(tǒng)計預測法。

應用在“臨滑”預報的理論和方法主要有四類：

（1）藤迪孝。

（2）灰色預報（GM 模型）。

（3）回歸分析法。

（4）應力法。

隨著滑坡機理和地質動力學理論研究的發(fā)展，以及地質災害（防災減災）預報的科學技術的發(fā)展，表面位移（GPS、InSAR）監(jiān)測法、氣象（降雨量統(tǒng)計預測）法等方法也逐漸得到應用，并獲得理論與應用成果。與滑體內因動態(tài)信息觀測技術相關的深部位移監(jiān)測法，即在“滑帶層”中鉆孔并安裝傾斜傳感器進行監(jiān)測，能夠確定“滑帶層”產生變化的位置，實現(xiàn)動態(tài)信息的自動采集，將宏觀觀測技術方法轉向內因變量監(jiān)測，推進了滑坡監(jiān)測預警的理論研究和技術方法的創(chuàng)新。但是，這對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，都有著相當高的技術要求。該方法的預警閾值范圍較窄，動態(tài)信息的數(shù)字濾波也存在技術瓶頸。雖然上述方法的研究與實施，推進了山體滑坡監(jiān)測和預警報警的技術發(fā)展，但由于地質體表面位移和滑面位移的不一致性，以及表面動態(tài)的宏觀觀測和“內因”動態(tài)的誘變過程在時空坐標系統(tǒng)上的差異，導致動態(tài)信息的有效適時觀測、正演、反演其動態(tài)過程存在誤差等原因，阻礙了這類方法的理論研究和應用發(fā)展。

作者在本文中的實驗研究，是借鑒電法勘探法在物探領域的理論和研究成果，模擬滑坡隱患地質體環(huán)境建立人工激電場源的方法，通過激發(fā)滑坡隱患地質體（包括“滑動體”、“滑帶層”、“滑床”）的介電特性，探討對滑坡主體介質激電特征的動態(tài)信息進行實時有效采集方法。

1 實驗技術路線與方法

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

（2）本實驗的研究方法是：①在模擬具有滑坡隱患地質體環(huán)境的樣品上，建立激發(fā)極化外電場，激發(fā)待測樣品的極化特性（水分子是一種低阻有極分子［4］，只有在外電場的激發(fā)下才能產生極化效應，即取向極化和位移極化效應）；②針對具有滑坡隱患地質體特征，建立激發(fā)極化電場下的仿真復阻電抗模型，通過對測試樣品和仿真復阻電抗模型進行物理與數(shù)字模擬，完成動態(tài)含水量（ΔWS）與動態(tài)復阻抗（RC低通電路的時間響應傳遞函數(shù)［H（jω）］）等效模擬；③對其取向極化的效應（隨外電場的幅頻特性和動態(tài)含水量（ΔWS）的變化產生不同的介電參數(shù)（含ΔZS）），進行實時測試與動態(tài)閾值的分析與研究；④探討研究對因滑坡隱患構造坡體的動態(tài)含水量（ΔWS）的變化而引起的動態(tài)物理信息的變化，進行實時監(jiān)測的技術方法。

2 實驗原理

經過大量的災害地質（滑坡）勘查和調研成果表明，在滑坡的孕育過程中，滑動體的視電阻率大于滑動帶的電阻率。由于受到含水量的影響，滑動帶的視電阻率變化率大于“滑床”或“滑動體”的電阻率變化率。只要能有效地實時采集到滑動帶的視電阻率變化率，將滑動帶的視電阻率變化率擬合為滑動帶的摩擦因素的變化率，則能給滑坡動態(tài)信息的監(jiān)測與閾值報警提供有效的技術途徑。

2.1 在激發(fā)極化條件下建立等效的復阻抗數(shù)學模型

Cole－Cole模型在頻率域的復阻抗數(shù)學表達式［5］為式（1）。

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

m為充電率：

式中 Z（0）為直流（頻率為0時）的等效電路阻抗。

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

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)學表達式：

其中 Li和Le分別是模型中的內電感和外電感；C為容抗；R為直流阻抗。

在不考慮模型中的內電感和外電感的情況下，式（3）可寫為式（4）。

根據(jù)圖1（見下頁）計算阻容網絡復阻抗：

根據(jù)基爾霍夫定律建立的等效復阻抗模型的數(shù)學表達式為式（5）。

當R1＝R2＝R、c1＝c2＝C，R0?R時有：

等效復阻抗模型的傳遞函數(shù)為式（6）。

在Cole－Cole模型頻率域的復阻抗數(shù)學表達式中，充電率式（2）可以用RC低通電路的時間響應傳遞函數(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)，在實驗中將含水量的電介質體視為各向同性的電介質體，被極化的電介質體的電偶極矩為p。根據(jù)實驗統(tǒng)計，均值可以視為電介質體中的每一分子都具備相同的平均值。

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

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

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

3.1 試驗裝置

試驗測量裝置如圖2所示。在圖2中，A為測試樣品，B為信號源（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為水份測試儀（TZS－3X型）。

3.2 試驗樣品與試驗數(shù)據(jù)

作者在本試驗中，選擇具有代表性的砂質粘土為試驗樣本（見下頁圖3）。將試驗樣本分為四組不同含水量的待測樣本，通過水份測試儀（TZS－3X型）和LCR電橋的測量，分別將它們分別標定含水量為6.27%至51.68%的樣本（見圖4和圖5）。

3.3 物理模擬與實驗結果

物理模擬與樣品復阻抗測試實驗按兩組進行：①樣品實測組采用自制樣品通過圖2裝置進行實測；②仿真物理模擬組采用［電路仿真軟件WEWB32］對阻容網絡進行物理仿真模擬。測試的實驗結果如下。

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

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

（3）W0＝21.89% 樣品的物理模擬 （R ＝3.282kΩ，C＝17.908μf）（見下頁圖8）。

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

4 結論

通過物理模擬與實驗的結果表明：

（1）測試樣品的擬合電容值，隨含水量的增加而增大；測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程中的發(fā)生的取向極化效應的復阻抗動態(tài)信息，存在可量化的模擬參數(shù)值，給動態(tài)信息的適時采集提供了技術條件。

（2）通過對樣品在不同激發(fā)場強和頻率下獲得測試的數(shù)據(jù)，得到了樣品動態(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，具有寬動態(tài)閾值范圍，這給動態(tài)信息的適時觀測提供了數(shù)字模擬的技術途徑。

（3）對不同含水量樣品測試的幅頻特性波形截圖與復阻抗物理仿真模擬的幅頻特性波形截圖進行數(shù)字模擬，具有良好的一致性（通過復阻抗參數(shù)的介入，可以進一步提高觀測精度）。這就證明了該方法的有效性，同時也證明了在激發(fā)極化條件下，建立的樣品本動態(tài)含水量等效的復阻抗阻容模型的可靠性。

（4）從本樣品實測和復阻抗物理模擬的實驗研究和分析中得知，具有滑坡隱患地質體中的滑動主體，在激發(fā)極化條件下會因含水量（W0）的變化將導致其取向極化強度的改變，并且具有較寬的（量化）動態(tài)范圍。寬動態(tài)的極化閾值，給滑坡預警動態(tài)參數(shù)的實時監(jiān)測，以及閾值報警提供了理論根據(jù)和技術研究的途徑。

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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，中南大學地球科學與信息物理學院碩士生導師，主要研究方向：地球探測與信息技術智能地球物理儀器研究。