杜 巖 謝謨文 蔣宇靜 陳 晨 賈北凝 霍磊晨

（1.北京科技大學(xué)城市地下空間工程北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100083；2.山東科技大學(xué)礦山災(zāi)害預(yù)防控制省部共建國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地，山東青島266590；3.中關(guān)村智連災(zāi)害感知科學(xué)研究院，北京102100；4.建設(shè)部綜合勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，北京100007）

隨著我國(guó)“深地、深海、深空、深藍(lán)”重點(diǎn)戰(zhàn)略的深入部署，深部巖石力學(xué)問(wèn)題成為巖土工程領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，并取得了許多積極成果，而反觀地面巖石力學(xué)問(wèn)題中的崩塌災(zāi)害，其早期預(yù)警卻遲遲未能得到有效解決。根據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)，2020年上半年我國(guó)發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害1 747起，造成直接經(jīng)濟(jì)損失10.1億元，其中崩塌災(zāi)害有678起［1］。崩塌災(zāi)害具有分布范圍廣、隱蔽性高、突發(fā)性強(qiáng)，危害性大等特點(diǎn)［2］，因此作為地面巖石力學(xué)中最主要的關(guān)鍵性課題之一，開(kāi)展崩塌等脆性破壞災(zāi)害早期預(yù)警研究無(wú)論是在礦山工程安全需求方面，還是在全國(guó)地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警預(yù)防方面，都將具有重要的理論意義與應(yīng)用價(jià)值。

基于此，本研究首先從崩塌災(zāi)害的成因機(jī)理方面展開(kāi)論述，并對(duì)崩塌災(zāi)害內(nèi)部主控因素與外部致災(zāi)因子進(jìn)行總結(jié)分析，為崩塌災(zāi)害早期預(yù)警研究提供基礎(chǔ)理論支持。隨后在巖體崩塌主控因素巖橋損傷識(shí)別與巖體穩(wěn)定性評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)上，分別從危巖體快速識(shí)別、早期預(yù)警理論方法以及監(jiān)測(cè)預(yù)警指標(biāo)體系等方面進(jìn)行分析；最后對(duì)目前巖體崩塌災(zāi)害早期監(jiān)測(cè)預(yù)警研究的技術(shù)瓶頸以及未來(lái)的應(yīng)對(duì)策略進(jìn)行了討論，以期為從事巖體崩塌等脆性破壞災(zāi)害預(yù)警預(yù)防的研究人員與現(xiàn)場(chǎng)工程技術(shù)人員提供有效參考。

1 崩塌災(zāi)害成因機(jī)理與致災(zāi)因子

1.1 崩塌災(zāi)害成因機(jī)理

傾斜陡坡上的巖體在重力作用下突然與母體脫離發(fā)生崩落，這種地質(zhì)現(xiàn)象即為崩塌。關(guān)于崩塌的成因，雖然可簡(jiǎn)化為由不同的結(jié)構(gòu)面和裂隙面的組合與切割所致，但實(shí)際上崩塌的成因種類繁多也十分復(fù)雜。STROM等［3］通過(guò)對(duì)天山山脈9個(gè)特大型巖質(zhì)邊坡實(shí)地勘察發(fā)現(xiàn)，破壞大多位于活動(dòng)斷層附近，認(rèn)為強(qiáng)烈的地震震動(dòng)可能觸發(fā)了這些大規(guī)模的巖體滑動(dòng)破壞。陳洪凱等［4］在工程巖體穩(wěn)定性評(píng)價(jià)研究中得出泥巖內(nèi)腔在陡崖底部的形成會(huì)促使崩塌災(zāi)害發(fā)生。馮振等［5］通過(guò)對(duì)南川甑子巖山體崩塌案例的研究得出，崩塌的成因主要有自然孕育、巖溶風(fēng)化、人類活動(dòng)等多個(gè)方面：巖體中傾斜節(jié)理發(fā)育，卸荷作用下在陡崖邊緣形成張拉裂隙，地下采空加速軟弱基座破壞變形，當(dāng)應(yīng)力累計(jì)超過(guò)巖體強(qiáng)度時(shí)發(fā)生崩塌破壞。曹衛(wèi)剛等［6］在分析鎮(zhèn)地壩古崩塌中總結(jié)出在崩塌形成過(guò)程中大致經(jīng)歷了地層形成、地殼抬升、溶蝕初期、溶洞擴(kuò)大、溶洞垮塌、傾倒崩塌6個(gè)階段，得出地下溶洞垮塌是傾倒崩塌的直接原因。劉傳正等［7］通過(guò)分析魯?shù)榈卣鹨l(fā)的紅石巖崩塌災(zāi)害，認(rèn)為地震加速度和地震持續(xù)時(shí)長(zhǎng)是引起紅石巖山體破壞的主要原因。因此，實(shí)際發(fā)生的很多崩塌災(zāi)害的成因機(jī)理都有可能不盡相同，不僅會(huì)受到巖體強(qiáng)度、結(jié)構(gòu)面力學(xué)狀況和邊界條件等多個(gè)內(nèi)部主控因素的耦合作用，還會(huì)受到降雨、地震、凍融、人類活動(dòng)等多種外部致災(zāi)因子的影響［8-10］。

雖然學(xué)術(shù)界在單體崩塌災(zāi)害的成因機(jī)理研究方面已經(jīng)取得了一定的進(jìn)展，但現(xiàn)有研究多為崩塌災(zāi)害事后的成因機(jī)理分析，很少能實(shí)現(xiàn)崩塌災(zāi)害發(fā)生前（即孕災(zāi)過(guò)程中）崩塌災(zāi)害發(fā)生、發(fā)展的完美演繹。由于不同地區(qū)不同環(huán)境下崩塌災(zāi)害發(fā)生的成因不盡相同，因此只有在了解崩塌災(zāi)害多發(fā)區(qū)特殊的地質(zhì)、水文等條件的基礎(chǔ)上，針對(duì)性地開(kāi)展崩塌災(zāi)害內(nèi)部主控因素和外部致災(zāi)因子研究，方可更好地實(shí)現(xiàn)崩塌災(zāi)害的科學(xué)預(yù)警和預(yù)防。

1.2 崩塌災(zāi)害內(nèi)部主控因素

崩塌災(zāi)害的發(fā)生與巖體及其所處的地質(zhì)環(huán)境條件等內(nèi)部主控因素密切相關(guān)。按照主客觀條件，可以將這些因素分為兩類：第一類為巖體主觀因素，如巖體強(qiáng)度、結(jié)構(gòu)面粗糙程度、裂隙貫通率等巖體自身控制因素，這些因素直接影響巖體的強(qiáng)度，為崩塌災(zāi)害最直接的主控因素；第二類為地質(zhì)環(huán)境等客觀因素，如斷層、溶洞等巖體所處的不利地質(zhì)條件，又如陡崖等崩塌災(zāi)害易發(fā)的地形地貌等。

雖然影響崩塌災(zāi)害的內(nèi)部主控因素很多，但最終的結(jié)果是巖體中潛在結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度的降低，造成巖橋的損傷破壞，進(jìn)而造成巖體崩塌的發(fā)生［11］。由于巖橋長(zhǎng)度和節(jié)理間距決定邊坡巖體的穩(wěn)定性，并控制崩塌災(zāi)害破壞失穩(wěn)的發(fā)生［12］，因此不少學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了大量研究并取得了一系列成果。朱振飛等［13］對(duì)花崗巖巖橋試樣進(jìn)行了單軸壓縮試驗(yàn)和聲發(fā)射監(jiān)測(cè)，獲得的裂紋擴(kuò)展的聲發(fā)射特征為巖橋破壞機(jī)制研究和監(jiān)測(cè)提供了依據(jù)。陳國(guó)慶等［14］通過(guò)不同路徑巖橋試驗(yàn)得出巖質(zhì)邊坡中巖橋貫通是巖體崩塌失穩(wěn)的重要誘因。鄭銀河等［15］提出了一種考慮巖橋破壞的塊體穩(wěn)定性分析方法，并將阻礙塊體移動(dòng)的巖橋抗剪切力納入塊體的抗滑力中。因此，巖橋的存在使非貫通結(jié)構(gòu)面巖體的受力及破壞特征都發(fā)生了明顯變化，不僅會(huì)造成巖體整體的破壞特征有所區(qū)別［16］，還會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)面端部應(yīng)力的高度集中以及臨滑階段剪應(yīng)力增速有所降低［17］。類似于材料科學(xué)中的位錯(cuò)機(jī)制理論，巖體中存在的這些內(nèi)部缺陷，是導(dǎo)致巖體破壞前產(chǎn)生明顯非協(xié)調(diào)性變形的根本原因［18］。由于目前經(jīng)典連續(xù)介質(zhì)力學(xué)理論忽略了巖體的內(nèi)部主控因素以及巖體破壞前的非協(xié)調(diào)應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)，使得在解釋巖體崩塌破壞啟動(dòng)彈沖加速機(jī)制方面存在一些不足［19］。最新的試驗(yàn)研究表明，巖橋鎖固段大小對(duì)巖體破壞時(shí)的啟程劇動(dòng)模式影響顯著［20］。因此在不同的工程案例研究中，需開(kāi)展工程巖體內(nèi)部主控因素的精細(xì)化識(shí)別，在分析巖橋力學(xué)指標(biāo)與損傷狀態(tài)的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)巖體崩塌破壞時(shí)的彈沖效應(yīng)與巖體破壞前的非協(xié)調(diào)性變形等理論與技術(shù)方法的突破，可為工程現(xiàn)場(chǎng)更好地應(yīng)對(duì)崩塌災(zāi)害提供理論支持。

1.3 崩塌災(zāi)害的外部致災(zāi)因子

崩塌災(zāi)害的發(fā)生不僅與其內(nèi)部主控因素有關(guān)，還會(huì)受到外部致災(zāi)因子的影響。目前，崩塌災(zāi)害外部致災(zāi)因子可以分為兩大類：一類是大氣降雨、地震、風(fēng)化、河流侵蝕、植物根劈和晝夜溫差、冰雪凍脹等自然作用因子［21］，第二類是爆破、施工擾動(dòng)等人為作用因子。以降雨誘發(fā)性崩塌災(zāi)害為例，強(qiáng)降雨會(huì)增加主控結(jié)構(gòu)面中的孔隙水壓力和動(dòng)水壓力，弱化其力學(xué)特性，加速裂隙結(jié)構(gòu)面發(fā)育和巖橋貫通，致使崩塌災(zāi)害在汛期多有發(fā)生?！?·14”成昆鐵路山體崩塌災(zāi)害就是降雨誘發(fā)性崩塌災(zāi)害的典型案例，該起崩塌災(zāi)害發(fā)生前曾有1 d內(nèi)降雨量達(dá)到1 099.1 mm，連續(xù)的降雨弱化了泥質(zhì)白云巖構(gòu)成的山體軟弱夾層，并加速了結(jié)構(gòu)面裂隙發(fā)育，最終頂部巖體在重力作用下發(fā)生崩落［22］。因此，外部致災(zāi)因子可能會(huì)弱化巖體力學(xué)性能，加快巖橋損傷，進(jìn)而在形成風(fēng)險(xiǎn)性較高的危巖體后發(fā)生突發(fā)性的崩塌破壞。

許多學(xué)者的研究也證實(shí)了上述外部致災(zāi)因子對(duì)崩塌災(zāi)害的誘發(fā)作用。趙吉坤等［23］建立了三維陡峭巖體模型，在地震波作用下，模擬分析了巖體漸進(jìn)式破壞演化動(dòng)態(tài)過(guò)程。結(jié)果表明：在水平向橫波作用下，左側(cè)巖體漸進(jìn)式破壞嚴(yán)重，呈現(xiàn)出斷裂—分離—接觸碰撞—再分離的運(yùn)動(dòng)演化過(guò)程。曾芮等［24］研究得出強(qiáng)降水作用使得巖體后緣裂隙快速充水，對(duì)巖體產(chǎn)生向外的推力，成為巖體崩塌傾倒破壞的直接誘因。何思明［25］通過(guò)分析崩塌滾石災(zāi)害的形成條件，認(rèn)為地震在引起巖體上下振動(dòng)時(shí)可能將危巖體振松，巖體左右晃動(dòng)可能將巖體沿著臨空方向推出；水滲入危巖體裂縫中會(huì)產(chǎn)生較大的水劈和冰劈作用；人類活動(dòng)會(huì)引起巖體內(nèi)應(yīng)力重分布，加速裂隙發(fā)展。ZHANG 等［26］和許強(qiáng)等［27］通過(guò)對(duì)重慶武隆雞尾山崩塌案例的分析研究，發(fā)現(xiàn)采礦等人類活動(dòng)是誘發(fā)此次崩塌災(zāi)害的主要致災(zāi)因子。

綜合上述的眾多崩塌災(zāi)害案例，有的呈現(xiàn)明顯的季節(jié)性特征，如汛期（降雨、地下水位上漲）是崩塌災(zāi)害的多發(fā)期；有的與地震等劇烈的地質(zhì)活動(dòng)有關(guān)，如震后出現(xiàn)的大量崩塌災(zāi)害［28］；有的與礦山開(kāi)采等人類活動(dòng)有關(guān)，如武隆雞尾山崩塌［27］等。由于導(dǎo)致巖體崩塌的外部致災(zāi)因子較多［29］，因此只有收集更多致災(zāi)因子的信息才能更好地實(shí)現(xiàn)崩塌災(zāi)害的預(yù)警和預(yù)防，而集成多個(gè)監(jiān)測(cè)技術(shù)與分析指標(biāo)的綜合性預(yù)警平臺(tái)并輔以大數(shù)據(jù)分析的智能化監(jiān)測(cè)預(yù)警技術(shù)［30］，是實(shí)現(xiàn)崩塌災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別與監(jiān)測(cè)預(yù)警的有效手段。

2 巖體損傷與穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

2.1 巖橋損傷識(shí)別方法

巖體由穩(wěn)定到崩塌破壞的全過(guò)程中，也伴隨著強(qiáng)度的實(shí)時(shí)退化，主控結(jié)構(gòu)面的損傷與斷裂的發(fā)生發(fā)展是崩塌災(zāi)害機(jī)制研究與預(yù)警預(yù)防的關(guān)鍵［31］。因此，開(kāi)展巖橋損傷識(shí)別并對(duì)其進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)控，是巖體崩塌災(zāi)害早期預(yù)警需解決的關(guān)鍵性問(wèn)題之一。

巖體在破壞前，一般需要經(jīng)歷穩(wěn)定階段、分離階段和加速破壞階段。穩(wěn)定階段巖體的損傷較小，穩(wěn)定性良好；分離階段通常伴隨裂隙擴(kuò)展、小變形或小顆粒巖石掉落等；加速破壞階段則伴隨著潛在破壞面上巖橋強(qiáng)度的喪失［32］，進(jìn)而導(dǎo)致崩塌破壞發(fā)生。分離階段和加速破壞階段各有特點(diǎn)，但實(shí)際上都反映了危巖體內(nèi)部結(jié)構(gòu)面的損傷情況發(fā)生了質(zhì)的變化。

由于巖體可以被認(rèn)為由剛度、質(zhì)量、阻尼等物理參數(shù)組成的力學(xué)系統(tǒng)，一旦其結(jié)構(gòu)面發(fā)生損傷引起系統(tǒng)物理特性的變化，必然使得動(dòng)力學(xué)指標(biāo)等發(fā)生相應(yīng)的變化。以傾倒式巖體為例，假設(shè)將巖體視為一定質(zhì)量的剛體，巖橋簡(jiǎn)化為彈性體，巖體物理力學(xué)模型及其簡(jiǎn)化動(dòng)力學(xué)模型如圖1所示。

基于動(dòng)力學(xué)模型，巖體的振動(dòng)方程可表示為

式中，M為試塊質(zhì)量，kg；L為試塊重心到原點(diǎn)O的距離，m；K為巖橋剛度系數(shù)，N/m；l為巖橋長(zhǎng)度，m；θ為轉(zhuǎn)角，rad；θ¨為轉(zhuǎn)角加速度，rad/s2。

根據(jù)式（1）可得巖體的固有振動(dòng)頻率f，其計(jì)算公式為

假設(shè)應(yīng)變達(dá)到最大應(yīng)變量時(shí)，巖體產(chǎn)生破壞，則結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度T可進(jìn)行如下計(jì)算：

式中，μ為黏結(jié)系數(shù)；θmax為破壞最大轉(zhuǎn)角，（°）。

將式（3）代入式（2）可得固有振動(dòng)頻率方程為

當(dāng)其他條件不變時(shí)，隨著巖橋長(zhǎng)度l降低，會(huì)導(dǎo)致固有振動(dòng)頻率等動(dòng)力學(xué)指標(biāo)發(fā)生顯著下降，意味著巖體與母巖開(kāi)始分離，并趨于破壞危險(xiǎn)。由式（4）可知，當(dāng)巖橋發(fā)生損傷導(dǎo)致結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度發(fā)生下降時(shí)，巖體的動(dòng)力學(xué)指標(biāo)會(huì)發(fā)生相應(yīng)的趨勢(shì)變化。

大量研究顯示，相對(duì)于位移等傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)指標(biāo)，固有振動(dòng)頻率等動(dòng)力學(xué)指標(biāo)在分析巖體結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度以及巖橋損傷等方面具有較好的指示作用［33-36］。因此開(kāi)展基于實(shí)時(shí)動(dòng)力學(xué)指標(biāo)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的損傷識(shí)別技術(shù)研究是未來(lái)巖體巖橋損傷識(shí)別的研究方向之一。

一般來(lái)說(shuō)，巖體的累積損傷破壞潛伏期較長(zhǎng)，且是由微小的損傷裂縫引起的，很難用肉眼或觀測(cè)儀器進(jìn)行分析識(shí)別。最新的研究成果顯示，固有振動(dòng)頻率等動(dòng)力學(xué)指標(biāo)可以有效反映巖體在累計(jì)損傷后自身屬性的變化，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)巖橋的損傷識(shí)別［37］。相關(guān)工程實(shí)踐和研究成果［38］表明，基于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的間接損傷識(shí)別技術(shù)具有可行性強(qiáng)、識(shí)別效率高與經(jīng)濟(jì)成本低等優(yōu)點(diǎn)，可以在礦山工程領(lǐng)域進(jìn)行推廣應(yīng)用，尤其是在危險(xiǎn)性和施工難度較大的高陡邊坡危巖體識(shí)別等方面具有無(wú)可比擬的優(yōu)越性。

2.2 巖體穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方法

目前國(guó)內(nèi)已經(jīng)有比較成熟的危巖穩(wěn)定性分析與評(píng)價(jià)方法問(wèn)世，如楊志法等［39］在深入研究工程類比法的理論依據(jù)與應(yīng)用條件后，提出了可比度的概念和以影響因素分析為基礎(chǔ)的可比度分析方法。王玉瑣等［40］提出采用初步定性評(píng)估和細(xì)部定量評(píng)估相結(jié)合的隧道洞口段危巖落石風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法，根據(jù)危巖風(fēng)險(xiǎn)情況將危巖分為小心、注意、危險(xiǎn)、極危險(xiǎn)4個(gè)等級(jí)。董好剛等［41］選取地形地貌、地層巖性、巖體結(jié)構(gòu)、危巖體規(guī)模、水的作用、風(fēng)化作用、土地利用類型7個(gè)因子作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，建立了危巖穩(wěn)定性評(píng)價(jià)數(shù)學(xué)模型，并根據(jù)穩(wěn)定性指數(shù)對(duì)危巖穩(wěn)定性進(jìn)行了評(píng)價(jià)。王新民等［42］運(yùn)用層次分析法確定了影響邊坡穩(wěn)定性的安全評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)，根據(jù)可拓學(xué)理論構(gòu)造了經(jīng)典域物元、節(jié)域物元和可拓集合中的關(guān)聯(lián)函數(shù)，建立了巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性安全評(píng)價(jià)的層次分析法-可拓學(xué)模型。陳滔等［43］以黃金坪水電站進(jìn)水口邊坡為例，結(jié)合工程地質(zhì)條件和監(jiān)測(cè)資料分析了強(qiáng)烈松弛巖質(zhì)邊坡的變形特征，并應(yīng)用FLAC3D軟件對(duì)巖體穩(wěn)定性進(jìn)行了評(píng)價(jià)，為同類工程提供了參考。王述紅等［44］將可拓理論和地震力對(duì)巖體穩(wěn)定性的影響相結(jié)合，考慮了地質(zhì)條件、環(huán)境條件、工程條件等多種影響因素，提供了一種邊坡穩(wěn)定性分析的綜合評(píng)價(jià)方法。杜時(shí)貴等［45］基于結(jié)構(gòu)面空間位置、規(guī)模大小與邊坡匹配關(guān)系的分層分析，提出了系統(tǒng)評(píng)價(jià)大型露天礦山邊坡巖體工程穩(wěn)定性的分級(jí)分析方法，不僅實(shí)現(xiàn)了巖體結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度精細(xì)取值定準(zhǔn)，而且建立了精細(xì)的巖體穩(wěn)定性計(jì)算模型。劉賀軍等［46］應(yīng)用赤平投影法，結(jié)合基于剛體極限平衡理論的穩(wěn)定性定量計(jì)算方法對(duì)邊坡進(jìn)行了穩(wěn)定性分析。袁維等［47］基于懸臂梁計(jì)算理論，推導(dǎo)了任意形狀的倒懸危巖體在水平地震荷載和自身重力作用下最危險(xiǎn)截面的最大拉應(yīng)力計(jì)算公式，建立了最大拉應(yīng)力的地震時(shí)程曲線模型，同時(shí)將最大拉應(yīng)力強(qiáng)度準(zhǔn)則作為危巖體裂縫擴(kuò)展的依據(jù)，并結(jié)合彈性應(yīng)變能與裂縫擴(kuò)展能量密度之間的關(guān)系，提出了裂縫擴(kuò)展深度的計(jì)算方法。鄔愛(ài)清［48］以關(guān)鍵塊體理論為基礎(chǔ)，提出了任意形狀塊體的體積計(jì)算、凹形塊體幾何構(gòu)型以及考慮一般水壓模式條件下的塊體水載荷計(jì)算等一系列方法，實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜巖體地質(zhì)結(jié)構(gòu)面切割條件下的關(guān)鍵塊體識(shí)別及多種載荷組合下的關(guān)鍵塊體穩(wěn)定性評(píng)價(jià)。

大量研究表明，目前無(wú)論是定性的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)還是定量的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方法，在理論研究或技術(shù)應(yīng)用水平方面都有了顯著提升，很多方法通過(guò)采用新的數(shù)學(xué)理論與物理力學(xué)模型，實(shí)現(xiàn)了更為科學(xué)準(zhǔn)確的巖體安全評(píng)價(jià)，但在如何實(shí)現(xiàn)巖體快速動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方面還有待于進(jìn)一步研究。

巖體崩塌災(zāi)害發(fā)生之前的孕災(zāi)過(guò)程中，巖體的穩(wěn)定性不斷降低，因此巖體穩(wěn)定性動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)作為一項(xiàng)極為重要的內(nèi)容，可以為現(xiàn)場(chǎng)科學(xué)決策提供合理依據(jù)。國(guó)內(nèi)外最新研究顯示，巖體的動(dòng)力特性監(jiān)測(cè)可以為危巖體安全評(píng)價(jià)提供損傷后的分析參數(shù)［49］，并實(shí)現(xiàn)基于動(dòng)力學(xué)監(jiān)測(cè)指標(biāo)的巖體穩(wěn)定性動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)，例如固有振動(dòng)頻率等指標(biāo)不僅可以定量分析巖體巖橋的損傷，還可以為巖體動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性評(píng)價(jià)提供新的技術(shù)支持［50］。隨著新型監(jiān)測(cè)技術(shù)不斷更新與損傷識(shí)別技術(shù)不斷發(fā)展，基于模態(tài)參量變化的穩(wěn)定性動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)方法必將會(huì)成為一種新的發(fā)展趨勢(shì)，為現(xiàn)場(chǎng)危巖快速識(shí)別和崩塌災(zāi)害的預(yù)警和預(yù)防提供新的技術(shù)支持。

3 崩塌災(zāi)害的早期預(yù)警研究新進(jìn)展

崩塌災(zāi)害的早期預(yù)警研究一直是巖土工程與防災(zāi)減災(zāi)工程中的難點(diǎn)和熱點(diǎn)問(wèn)題。由于崩塌災(zāi)害預(yù)警時(shí)效性差，使得人們?cè)跒?zāi)害來(lái)臨前很難有充足時(shí)間實(shí)現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)防范與應(yīng)急疏散，因此人類在巖體崩塌等脆性破壞災(zāi)害預(yù)警方面仍處于被動(dòng)預(yù)防態(tài)勢(shì)。

為了有效減少崩塌災(zāi)害帶來(lái)的人員傷亡，工程中通常先行對(duì)可能發(fā)生崩塌危險(xiǎn)的巖體進(jìn)行分析評(píng)價(jià)，從而達(dá)到提前進(jìn)行規(guī)避與重點(diǎn)防范的目的。在此基礎(chǔ)上，開(kāi)展崩塌災(zāi)害的早期預(yù)警理論方法研究與監(jiān)測(cè)預(yù)警指標(biāo)體系構(gòu)建，是改變目前巖體崩塌等脆性破壞災(zāi)害早期預(yù)警被動(dòng)預(yù)防態(tài)勢(shì)的關(guān)鍵。本研究從危巖體的快速識(shí)別技術(shù)、崩塌災(zāi)害的早期預(yù)警理論方法、監(jiān)測(cè)預(yù)警指標(biāo)體系與振動(dòng)監(jiān)測(cè)新技術(shù)等4個(gè)方面進(jìn)行分析，為地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警和預(yù)防的相關(guān)研究者和工程實(shí)踐人員提供參考。

3.1 危巖體快速識(shí)別

由于目前崩塌災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警時(shí)效性不足，工程中通常對(duì)瀕臨破壞的危巖體進(jìn)行快速定量識(shí)別，進(jìn)而達(dá)到提前規(guī)避與風(fēng)險(xiǎn)防范目的。通常，工程師需到現(xiàn)場(chǎng)對(duì)可能發(fā)生崩塌災(zāi)害的巖體進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)核查，在收集變形開(kāi)裂監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，通過(guò)穩(wěn)定性分析判斷危巖體。近年來(lái)，隨著技術(shù)的進(jìn)步，特別是傾斜攝影技術(shù)、合成孔徑雷達(dá)干涉測(cè)量技術(shù)（InSAR）、激光多普勒測(cè)振技術(shù)（LDV）等天—空—地一體化監(jiān)測(cè)技術(shù)的發(fā)展，危巖體快速識(shí)別的效率和準(zhǔn)確性得到了進(jìn)一步提升。

陳宙翔等［51］采用無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)獲取危巖體高清影像資料，建立了空間模型獲取危巖體特征參數(shù)，從而識(shí)別了強(qiáng)震區(qū)公路高位危巖體。郭學(xué)飛等［52］以北京房山區(qū)一處典型崩塌隱患點(diǎn)為例，采用傾斜攝影測(cè)量技術(shù)獲取了研究區(qū)三維實(shí)景模型，通過(guò)獲取崩塌災(zāi)害隱患的一系列信息，為崩塌災(zāi)害隱患勘查提供了參考。王學(xué)良等［53］針對(duì)山區(qū)輸變電工程的危巖體識(shí)別問(wèn)題，分析了傳統(tǒng)測(cè)量方式的缺點(diǎn)并考慮到無(wú)人機(jī)獲取巖體結(jié)構(gòu)面信息的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，提出了區(qū)域工程地質(zhì)分區(qū)—區(qū)段遙感分析—山體無(wú)人機(jī)航拍—巖體結(jié)構(gòu)特征分析的崩塌危巖體識(shí)別方法。岳發(fā)政等［54］利用地基合成孔徑雷達(dá)干涉測(cè)量（GB-InSAR）技術(shù)監(jiān)測(cè)得到貴州某崩塌殘余危巖體的毫米級(jí)高精度連續(xù)形變結(jié)果，并對(duì)殘余危巖體可能發(fā)生的二次崩塌和穩(wěn)定性進(jìn)行了評(píng)估。葛大慶等［55］綜合分析了InSAR在崩塌等地質(zhì)災(zāi)害隱患早期識(shí)別中的應(yīng)用情況，并給出了InSAR不同技術(shù)方法的適用條件。謝謨文等［56-58］將GIS應(yīng)用到邊坡巖體的三維穩(wěn)定分析中，實(shí)現(xiàn)基于三維穩(wěn)定性評(píng)價(jià)的危巖體定量識(shí)別。MUTAR等［59］提出了一種基于機(jī)載和地面高分辨率激光掃描數(shù)據(jù)（LiDAR）的落石災(zāi)害綜合評(píng)價(jià)方法，通過(guò)開(kāi)發(fā)基于Bagging神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的混合模型來(lái)識(shí)別落石源?？紤]到不同識(shí)別方法各有特點(diǎn)，許強(qiáng)等［60］提出構(gòu)建星載平臺(tái)、航空平臺(tái)、無(wú)人機(jī)攝影和地面平臺(tái)相結(jié)合的天—空—地一體化的多源立體觀測(cè)體系，綜合利用現(xiàn)有技術(shù)手段，通過(guò)“三查”（衛(wèi)星普查、無(wú)人機(jī)詳查和人工核查）精確識(shí)別危巖體。DU等［61］提出了一種基于LDV的危巖體識(shí)別方法，通過(guò)固有振動(dòng)頻率與振動(dòng)振幅兩個(gè)指標(biāo)實(shí)現(xiàn)危巖與穩(wěn)定巖體的區(qū)分，為危巖體快速核查識(shí)別提供了新的技術(shù)支持?？傮w上，InSAR、LiDAR、GIS、無(wú)人機(jī)航拍、LDV等遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)手段大大提升了現(xiàn)場(chǎng)不良地質(zhì)體的識(shí)別效率，節(jié)省了大量人力物力；通過(guò)這些技術(shù)手段的綜合應(yīng)用，進(jìn)一步提高了危巖體識(shí)別準(zhǔn)確率，為現(xiàn)場(chǎng)提供了較為精確的崩塌災(zāi)害重點(diǎn)防范區(qū)域或巖體目標(biāo)。

雖然目前危巖體快速識(shí)別的技術(shù)手段很多，但是從力學(xué)指標(biāo)方面實(shí)現(xiàn)危巖定量判識(shí)還存在一定的缺失。目前在危巖體力學(xué)分析中，往往根據(jù)經(jīng)驗(yàn)或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置一個(gè)取值在1.05～1.50范圍內(nèi)的安全系數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)危巖體的分析識(shí)別。如在鐵道工程中，通常取安全系數(shù)小于1.5的巖體為危巖體，而在水利、礦山等工程中，通常將安全系數(shù)小于1.15的巖體認(rèn)定為欠穩(wěn)定的危巖體。判識(shí)標(biāo)準(zhǔn)的不統(tǒng)一，使得同一巖體在不同工程或不同行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)下會(huì)得出截然不同的評(píng)價(jià)結(jié)論。因此，引入合適的力學(xué)指標(biāo)并建立一套統(tǒng)一的力學(xué)判識(shí)方法是未來(lái)危巖快速定量識(shí)別研究的發(fā)展方向之一。

由于不同崩塌的致災(zāi)因子、所處環(huán)境、發(fā)展過(guò)程、成災(zāi)范圍等都不盡相同，所以危巖體等地災(zāi)隱患排查仍存在較大難度，尤其是目前現(xiàn)場(chǎng)可用的勘察手段仍然十分有限，且存在信息源相對(duì)單一、力學(xué)評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一等諸多問(wèn)題，因此還需要開(kāi)展一系列面向重大地災(zāi)隱患早期識(shí)別的理論與技術(shù)方法研究。只有這樣才能突破目前傳統(tǒng)地災(zāi)隱患排查的技術(shù)瓶頸，建立高效科學(xué)的自然災(zāi)害防治體系，為更好地應(yīng)對(duì)崩塌災(zāi)害提供切合實(shí)際的潛在隱患點(diǎn)或重點(diǎn)關(guān)注區(qū)。

3.2 巖體崩塌早期預(yù)警理論方法

傳統(tǒng)的早期預(yù)警思路是基于加速破壞前兆識(shí)別的預(yù)警方法，其預(yù)警時(shí)刻與災(zāi)害發(fā)生時(shí)刻接近，因此該方法在崩塌等脆性破壞災(zāi)害的早期預(yù)警方面存在諸多限制［32］。以土質(zhì)滑坡（塑性破壞災(zāi)害）與崩塌（脆性破壞災(zāi)害）對(duì)比為例，土質(zhì)滑坡加速破壞階段較長(zhǎng)，破壞前有明顯的加速破壞前兆，如位移增大等，且前兆異常事件與其發(fā)生時(shí)刻有較大的時(shí)間差；而針對(duì)崩塌災(zāi)害，由于其加速破壞階段時(shí)間短，傳統(tǒng)方法很難達(dá)到早期預(yù)警的目的［32］。

國(guó)外學(xué)者通過(guò)對(duì)巖體崩塌破壞的研究發(fā)現(xiàn)，巖體在破壞前一般需要經(jīng)歷兩個(gè)階段：一是分離階段，二是加速破壞階段［62］。因此，在預(yù)警方法理論研究中，可將邊坡巖體從穩(wěn)定到破壞全過(guò)程分為3個(gè)階段：穩(wěn)定階段、分離階段和加速破壞階段。

（1）穩(wěn)定階段。該階段邊坡巖體與母巖有效黏結(jié)，巖體與母巖為一整體，符合靜力平衡狀態(tài)。該階段目標(biāo)巖體的抗滑力可完全由潛在結(jié)構(gòu)面上的黏聚力提供。

（2）分離階段。隨著結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度降低，巖體黏聚力隨之下降，當(dāng)其不足抵抗下滑力時(shí)，開(kāi)始進(jìn)入分離階段。此階段巖體在結(jié)構(gòu)面的破裂位置開(kāi)始逐漸形成連續(xù)的結(jié)構(gòu)面，并從母巖分離。由于抗滑力中有摩擦力的作用，該階段內(nèi)巖體處于弱穩(wěn)定狀態(tài)（即危巖體），大部分危巖體都處于分離階段。相較于強(qiáng)穩(wěn)定階段，該階段會(huì)因巖體結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度的下降，造成固有振動(dòng)頻率等動(dòng)力學(xué)參量發(fā)生變化。

（3）加速破壞階段。當(dāng)邊坡巖土體進(jìn)一步受到摩擦力達(dá)到最大靜摩擦力后，塊體產(chǎn)生滑動(dòng)，摩擦力不足彌補(bǔ)黏結(jié)力的進(jìn)一步損失，邊坡巖體位移急劇增大，發(fā)生破壞失穩(wěn)。該階段持續(xù)時(shí)間極短，一般在數(shù)秒之內(nèi)。

崩塌災(zāi)害3個(gè)階段的預(yù)警效果對(duì)比如表1所示。由表1可知：相對(duì)于穩(wěn)定階段和加速破壞階段，基于分離階段的崩塌災(zāi)害預(yù)警效果無(wú)論在距離破壞時(shí)間的時(shí)效性上，還是在可實(shí)施性方面都具有明顯的優(yōu)勢(shì)，因此基于分離破壞前兆識(shí)別的早期預(yù)警方法在崩塌災(zāi)害的預(yù)警和預(yù)防方面具有較好的適用性。

在過(guò)去的數(shù)十年內(nèi)，人們?cè)诒浪鸀?zāi)害的早期預(yù)警研究中，更多關(guān)注的是加速破壞階段，監(jiān)測(cè)中往往只能識(shí)別崩塌的發(fā)生，因而在這些脆性破壞災(zāi)害的早期預(yù)警實(shí)現(xiàn)方面存在困難。前期的試驗(yàn)研究表明，基于加速破壞階段前兆識(shí)別的早期預(yù)警思路，雖然可以實(shí)現(xiàn)對(duì)崩塌災(zāi)害的判識(shí)，但是無(wú)法實(shí)現(xiàn)崩塌的早期預(yù)警；通過(guò)分離破壞前兆識(shí)別的早期預(yù)警思路，往往可以提前實(shí)現(xiàn)崩塌災(zāi)害預(yù)警［63］。試驗(yàn)中，基于分離破壞前兆識(shí)別的早期預(yù)警提前了65 s對(duì)巖體崩塌破壞進(jìn)行預(yù)警，充分利用了早期預(yù)警黃金期，如圖2所示［63］。根據(jù)不同案例黃金時(shí)間段的時(shí)間長(zhǎng)短，可分別提前短則數(shù)十秒、長(zhǎng)則數(shù)十小時(shí)［64］的風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)對(duì)時(shí)間，因此，關(guān)注分離破壞前兆并進(jìn)行分離破壞前兆識(shí)別預(yù)警方法研究，可以實(shí)現(xiàn)崩塌災(zāi)害的應(yīng)急預(yù)警和風(fēng)險(xiǎn)規(guī)避，進(jìn)而有效改變巖體崩塌等脆性破壞災(zāi)害早期預(yù)警的被動(dòng)預(yù)防態(tài)勢(shì)。

3.3 巖體崩塌災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警指標(biāo)體系

目前，邊坡工程中常用的監(jiān)測(cè)指標(biāo)都是以應(yīng)力、位移等靜力學(xué)指標(biāo)與降雨、地下水位等環(huán)境量指標(biāo)為主，雖然這些指標(biāo)在崩塌識(shí)別精度或降雨誘發(fā)的崩塌案例應(yīng)用中具有很好的效果，但是在大部分的崩塌災(zāi)害案例中的預(yù)警時(shí)效性、準(zhǔn)確率和可實(shí)施性方面還存在一些問(wèn)題。以位移變形為例，雖然可以根據(jù)變形—時(shí)間曲線，提出不同尺度的時(shí)間預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)模型方法，如采用速度倒數(shù)模型或齋藤迪孝模型等，但是因崩塌加速變形階段的快速性和突發(fā)性，很難實(shí)現(xiàn)巖體崩塌的早期預(yù)警［65］。

巖體崩塌多為巖體與邊坡巖體黏結(jié)程度不斷降低而導(dǎo)致的動(dòng)力破壞［32］。20世紀(jì)90年代，部分學(xué)者通過(guò)引入動(dòng)力學(xué)指標(biāo)來(lái)對(duì)巖體崩塌災(zāi)害的監(jiān)測(cè)指標(biāo)體系進(jìn)行補(bǔ)充［35，66］，隨后國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者在此基礎(chǔ)上開(kāi)展了一系列崩塌災(zāi)害監(jiān)測(cè)與早期預(yù)警研究。BURJANEK等［67-68］利用環(huán)境振動(dòng)來(lái)分析邊坡的動(dòng)力響應(yīng)，通過(guò)f-k方法、基點(diǎn)光譜比率法、時(shí)頻依賴極化等方法對(duì)潛在不穩(wěn)定邊坡體的波場(chǎng)進(jìn)行了分析，認(rèn)為巖體動(dòng)力特征評(píng)價(jià)是一種十分新穎的評(píng)價(jià)方法，可將穩(wěn)定區(qū)域與不穩(wěn)定區(qū)域進(jìn)行有效劃分。陳洪凱等［69-71］針對(duì)砂巖和泥巖交互沉積地區(qū)的危巖崩塌災(zāi)害探討了崩塌形成機(jī)制，基于損傷力學(xué)和斷裂力學(xué)對(duì)巖體主控結(jié)構(gòu)面端部損傷特性、巖體彈沖動(dòng)力參數(shù)和頻域特征進(jìn)行了大量研究，得出危巖破壞具有鏈?zhǔn)叫?yīng)，且會(huì)出現(xiàn)不同的振動(dòng)特征差異；MA等［72-73］以混凝土試塊為例，通過(guò)不同邊坡坡度和不同質(zhì)量滑塊等系列試驗(yàn)，進(jìn)一步證明固有振動(dòng)頻率不僅可以定量分析巖體的穩(wěn)定情況，還可以為危巖體定量識(shí)別提供參考；杜巖等［74-76］通過(guò)建立巖體動(dòng)力學(xué)模型，在室內(nèi)試驗(yàn)中通過(guò)固有振動(dòng)頻率監(jiān)測(cè)實(shí)現(xiàn)了巖體損傷識(shí)別與動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性評(píng)價(jià)，認(rèn)為固有振動(dòng)頻率等動(dòng)力學(xué)指標(biāo)可以作為崩塌災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警的敏感性指標(biāo)。VALENTIN等［34］通過(guò)對(duì)振動(dòng)監(jiān)測(cè)信號(hào)的頻譜分析，得出不同的動(dòng)力學(xué)參數(shù)，揭示了動(dòng)力學(xué)指標(biāo)對(duì)巖石斷裂的指示作用，認(rèn)為可通過(guò)監(jiān)測(cè)這種斷裂的發(fā)生來(lái)實(shí)現(xiàn)巖體崩塌的早期預(yù)警。

越來(lái)越多的研究顯示，動(dòng)力學(xué)監(jiān)測(cè)指標(biāo)可滿足巖體崩塌等脆性破壞災(zāi)害損傷監(jiān)測(cè)的需求，從而進(jìn)一步豐富現(xiàn)有的崩塌災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警指標(biāo)體系［77］。更為重要的是，作為巖體直接本質(zhì)屬性，動(dòng)力學(xué)指標(biāo)監(jiān)測(cè)可以識(shí)別崩塌前兆異常現(xiàn)象，并在預(yù)警的科學(xué)性和時(shí)效性方面發(fā)揮更為積極的作用，越來(lái)越多的動(dòng)力學(xué)指標(biāo)監(jiān)測(cè)方法在礦山工程等巖體脆性破壞災(zāi)害的早期監(jiān)測(cè)預(yù)警中取得了很好的效果［78-81］。

圖3是某邊坡巖體崩塌前1 150 s的固有振動(dòng)頻率曲線。分析可知：該巖體在610 s左右發(fā)生分離破壞前兆，并進(jìn)入分離階段，隨后在1 145 s左右發(fā)生加速破壞前兆，并在1 150 s發(fā)生滑移破壞，而位移指標(biāo)由于無(wú)法識(shí)別損傷，無(wú)法反映巖體的分離破壞前兆現(xiàn)象。因此在實(shí)際工程中，可通過(guò)構(gòu)建多層次動(dòng)力學(xué)參量與結(jié)構(gòu)面力學(xué)強(qiáng)度關(guān)系損傷模型，定量分析巖體從穩(wěn)定到破壞的動(dòng)力特征整體變化規(guī)律，進(jìn)而為巖體崩塌破壞早期預(yù)警研究提供理論依據(jù)。這些損傷關(guān)系模型的構(gòu)建，不僅可為動(dòng)態(tài)調(diào)整巖體崩塌災(zāi)害動(dòng)力學(xué)預(yù)警閾值提供分析模型，還有助于分析巖體崩塌災(zāi)害的全過(guò)程變化規(guī)律，為進(jìn)一步提升巖體崩塌災(zāi)害早期預(yù)警成效提供一定的理論依據(jù)。在后續(xù)研究中，通過(guò)引入多種動(dòng)力學(xué)參量，構(gòu)建多個(gè)動(dòng)力學(xué)參量與巖體結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度關(guān)系模型，建立一套集成多層次動(dòng)力學(xué)指標(biāo)的三位一體監(jiān)測(cè)預(yù)警指標(biāo)體系，為巖體崩塌災(zāi)害等脆性破壞災(zāi)害提供相對(duì)豐富的監(jiān)測(cè)指標(biāo)與相對(duì)完善的預(yù)警方案。

3.4 巖體崩塌災(zāi)害振動(dòng)監(jiān)測(cè)新技術(shù)

雖然理論與工程試驗(yàn)研究得到的基于動(dòng)力學(xué)指標(biāo)的監(jiān)測(cè)預(yù)警方法與監(jiān)測(cè)指標(biāo)體系可以在脆性破壞災(zāi)害預(yù)警監(jiān)測(cè)中發(fā)揮積極作用，但在實(shí)際監(jiān)測(cè)中，動(dòng)力學(xué)監(jiān)測(cè)預(yù)警指標(biāo)體系的應(yīng)用限制更多的來(lái)自于設(shè)備層面。

目前邊坡工程中常用的動(dòng)力學(xué)指標(biāo)監(jiān)測(cè)技術(shù)主要有加速度計(jì)、微震（聲發(fā)射）［82］等原位測(cè)振技術(shù)。雖然這些技術(shù)監(jiān)測(cè)精度較高，在一些工程開(kāi)挖邊坡、隧道等領(lǐng)域應(yīng)用效果較好，但是針對(duì)高山峽谷地區(qū)邊坡巖體的監(jiān)測(cè)，在設(shè)備安裝、能源持續(xù)性以及儀器更新維護(hù)等方面存在諸多限制。例如，原位設(shè)備在陡峭巖壁上安裝困難，電源續(xù)航能力不足以支撐設(shè)備長(zhǎng)期運(yùn)行；嚴(yán)寒等惡劣環(huán)境大大增加了儀器在野外的故障率，從而增大工程的維護(hù)成本等，這些問(wèn)題造成動(dòng)力學(xué)指標(biāo)難以廣泛應(yīng)用于高陡邊坡巖體穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)。針對(duì)這些問(wèn)題，新型原位測(cè)振技術(shù)的研究者開(kāi)展了從簡(jiǎn)單模塊組合到復(fù)雜芯片集成的升級(jí)改造，目前以微芯樁為代表的新型原位測(cè)振技術(shù)以智能化、一體化、小型化、低成本、低功耗等特點(diǎn)，在礦山、水利等領(lǐng)域發(fā)揮了越來(lái)越大的作用。

此外，隨著光學(xué)監(jiān)測(cè)技術(shù)的發(fā)展，新一代遙感測(cè)振技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)300 m以外邊坡巖體的遠(yuǎn)程振動(dòng)監(jiān)測(cè)［32］，有效解決了目前高陡邊坡巖體振動(dòng)監(jiān)測(cè)的難題。較典型的光學(xué)監(jiān)測(cè)設(shè)備如激光多普勒測(cè)振儀（LDV），該設(shè)備是利用激光束發(fā)射到被測(cè)物體表面，并且由于該表面的運(yùn)動(dòng)使反射的激光束產(chǎn)生多普勒頻移，提取被測(cè)物表面高精度的振動(dòng)特征。相對(duì)于原位測(cè)振技術(shù)，其遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)點(diǎn)位設(shè)置靈活，可以選擇有市電供應(yīng)的監(jiān)測(cè)地點(diǎn)，從而有助于解決監(jiān)測(cè)設(shè)備能耗供應(yīng)問(wèn)題；同時(shí)LDV能在高壓、低溫、易燃易爆等惡劣環(huán)境下可靠運(yùn)行，因此可在嚴(yán)寒等惡劣條件下實(shí)施連續(xù)監(jiān)測(cè)。此外，新技術(shù)還具有高精度、高靈敏度、高監(jiān)測(cè)效率與超長(zhǎng)監(jiān)測(cè)距離等特點(diǎn)，在有效保證監(jiān)測(cè)人員安全的同時(shí)，還可實(shí)現(xiàn)多處巖體的同時(shí)在線監(jiān)測(cè)，從而大大提高監(jiān)測(cè)效率。

目前傳統(tǒng)的原位振動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)無(wú)法有效滿足高山峽谷地區(qū)巖體崩塌等脆性破壞的實(shí)際工程需求，系統(tǒng)開(kāi)展新型測(cè)振技術(shù)研發(fā)，并進(jìn)行高山峽谷以及施工難度較大的巖土邊坡等高危地區(qū)的工程監(jiān)測(cè)應(yīng)用研究十分必要。例如基于LDV等遠(yuǎn)程動(dòng)力學(xué)參數(shù)的遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)，不僅可以在目前高山峽谷地區(qū)巖質(zhì)邊坡和不穩(wěn)定巖體實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)模擬和安全評(píng)價(jià)方面進(jìn)一步發(fā)揮作用［81］，還可為實(shí)現(xiàn)基于輸出模態(tài)損傷識(shí)別技術(shù)的巖體健康評(píng)價(jià)提供技術(shù)支持［82-84］，從而實(shí)現(xiàn)巖體崩塌災(zāi)害的高效預(yù)警和預(yù)防。由于新型測(cè)振技術(shù)在監(jiān)測(cè)效率、可實(shí)施性、智能化以及安全性保障方面存在顯著優(yōu)勢(shì)，在工程現(xiàn)場(chǎng)可通過(guò)對(duì)多個(gè)動(dòng)力學(xué)指標(biāo)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)時(shí)域動(dòng)力學(xué)指標(biāo)、頻域動(dòng)力學(xué)指標(biāo)以及模態(tài)指標(biāo)的獲取，通過(guò)集成多層次動(dòng)力學(xué)指標(biāo)損傷識(shí)別模型，建立一套基于多層次動(dòng)力學(xué)指標(biāo)的分離破壞前兆識(shí)別方法，進(jìn)而在巖體穩(wěn)定分析評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)巖體崩塌破壞的早期監(jiān)測(cè)預(yù)警，目前該監(jiān)測(cè)技術(shù)與預(yù)警思路正在猴子巖邊坡等高風(fēng)險(xiǎn)地區(qū)進(jìn)行工程應(yīng)用，取得了良好的效果。

4 崩塌災(zāi)害早期預(yù)警研究展望

隨著我國(guó)“一帶一路”等重大戰(zhàn)略的深入部署，川藏鐵路、烏東德水電站、中緬油氣管道等重大交通、水利和能源工程將在復(fù)雜多變的高山峽谷進(jìn)行建設(shè)，不可避免地會(huì)加劇崩塌災(zāi)害的破壞風(fēng)險(xiǎn)和數(shù)量等級(jí)。例如我國(guó)的川藏鐵路建設(shè)就將穿越世界上地質(zhì)災(zāi)害最發(fā)育的高山峽谷地區(qū)，工程作業(yè)人員時(shí)刻受到巖體崩塌等脆性破壞災(zāi)害的威脅。目前尚無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)巖體崩塌災(zāi)害的高效預(yù)警，原因在于：

（1）崩塌等脆性破壞災(zāi)害的監(jiān)測(cè)預(yù)警理論研究不足。在過(guò)去的數(shù)十年內(nèi)，根據(jù)相關(guān)檢索與統(tǒng)計(jì)，中國(guó)知網(wǎng)上主題為“泥石流”與“滑坡”的監(jiān)測(cè)預(yù)警期刊文獻(xiàn)高達(dá)1 100余篇，而主題為“崩塌”的監(jiān)測(cè)預(yù)警文獻(xiàn)僅為160篇左右，有關(guān)崩塌等脆性破壞災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警基礎(chǔ)理論研究論文僅占兩者總數(shù)的12%左右，遠(yuǎn)遠(yuǎn)無(wú)法滿足礦山工程等崩塌災(zāi)害多發(fā)區(qū)脆性破壞災(zāi)害預(yù)警預(yù)防的需要。值得注意的是，人們?cè)诤荛L(zhǎng)時(shí)間內(nèi)傾向于將塑性破壞災(zāi)害的早期預(yù)警思路應(yīng)用于崩塌等脆性破壞災(zāi)害的早期預(yù)警研究中，工程實(shí)踐中也時(shí)常將崩塌災(zāi)害置于滑坡等塑性破壞災(zāi)害監(jiān)測(cè)框架體系下，人類對(duì)脆性破壞災(zāi)害預(yù)警理論研究缺乏足夠重視使得崩塌災(zāi)害的預(yù)警理論研究發(fā)展有所滯后。

（2）危巖體的定量識(shí)別標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一。危巖體的定量識(shí)別是實(shí)現(xiàn)巖體監(jiān)測(cè)預(yù)警的前提，由于目前在巖橋損傷識(shí)別與巖體動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方面存在諸多困難，現(xiàn)階段仍無(wú)法從力學(xué)角度客觀準(zhǔn)確地識(shí)別高風(fēng)險(xiǎn)危巖體。例如危巖體的力學(xué)分析指標(biāo)不完善、判識(shí)標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一等使得現(xiàn)場(chǎng)在危巖體判識(shí)方面存在諸多問(wèn)題。

（3）巖體穩(wěn)定性評(píng)價(jià)技術(shù)時(shí)效性差。一般來(lái)說(shuō)，巖體的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性評(píng)價(jià)技術(shù)是監(jiān)測(cè)預(yù)警有效實(shí)施的基礎(chǔ)。如果崩塌災(zāi)害的早期監(jiān)測(cè)預(yù)警不能從巖體穩(wěn)定性評(píng)價(jià)結(jié)果的基礎(chǔ)上考慮，則會(huì)使得崩塌災(zāi)害預(yù)警的可靠性不足。崩塌災(zāi)害破壞機(jī)制復(fù)雜多變，只有充分認(rèn)識(shí)巖體在累計(jì)損傷下穩(wěn)定性的變化情況，才能有效減少“災(zāi)者未測(cè)，測(cè)者未災(zāi)”的情況發(fā)生。

（4）工程現(xiàn)場(chǎng)取用的監(jiān)測(cè)指標(biāo)無(wú)法滿足脆性破壞早期預(yù)警需要。巖體崩塌多是巖體與邊坡巖體黏結(jié)程度不斷降低而最終導(dǎo)致的動(dòng)力破壞。在這個(gè)變化過(guò)程中，高精度的應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測(cè)以及相應(yīng)的環(huán)境參量監(jiān)測(cè)雖然在識(shí)別崩塌方面具有一定的效果［85］，但是在崩塌等脆性破壞災(zāi)害的預(yù)警時(shí)效性、準(zhǔn)確率和可實(shí)施性方面還存在明顯不足。現(xiàn)場(chǎng)所取用的監(jiān)測(cè)指標(biāo)的不適用性，使得工程實(shí)踐中很難有效識(shí)別巖體崩塌災(zāi)害分離破壞前兆，從而無(wú)法有效實(shí)施巖體崩塌的早期監(jiān)測(cè)預(yù)警。

（5）現(xiàn)有的監(jiān)測(cè)技術(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)無(wú)法滿足巖體崩塌等脆性破壞早期預(yù)警的要求。巖體是一個(gè)極其復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，其破壞不僅受到兩大內(nèi)部主控因素控制，還會(huì)受到多種外部致災(zāi)因子影響。因此只有通過(guò)多種新型監(jiān)測(cè)技術(shù)收集更多致災(zāi)因子的信息才能有效實(shí)現(xiàn)崩塌災(zāi)害的預(yù)警和預(yù)防。相比較如此之多的信息數(shù)據(jù)需求，現(xiàn)有的可用于實(shí)際工程的監(jiān)測(cè)技術(shù)仍相對(duì)單一［86］，使得在巖體內(nèi)部裂隙、巖橋貫通率等巖體內(nèi)部災(zāi)變關(guān)鍵信息獲取方面存在眾多技術(shù)難題。

圖4為崩塌災(zāi)害早期預(yù)警難點(diǎn)及其應(yīng)對(duì)策略。

根據(jù)圖4所示思路，針對(duì)目前崩塌災(zāi)害早期預(yù)警存在的難點(diǎn)問(wèn)題，還需要從以下幾個(gè)方面開(kāi)展深入研究：

（1）重點(diǎn)推進(jìn)脆性破壞災(zāi)害的監(jiān)測(cè)預(yù)警理論體系建設(shè)。崩塌災(zāi)害等脆性破壞災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警研究需要從塑性破壞災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警的框架體系中獨(dú)立出來(lái)，無(wú)論是在工程地質(zhì)災(zāi)害隱患點(diǎn)的排查方面，還是在地質(zhì)災(zāi)害的監(jiān)測(cè)預(yù)警方面，都需要區(qū)分對(duì)待。一方面需要增加崩塌等脆性破壞災(zāi)害成因機(jī)理的工程案例研究，從崩塌災(zāi)變前孕育過(guò)程中實(shí)現(xiàn)脆性破壞災(zāi)害的監(jiān)測(cè)預(yù)警新理論與新方法的突破；另一方面還需開(kāi)展崩塌巖體從穩(wěn)定到破壞全過(guò)程監(jiān)測(cè)的基礎(chǔ)試驗(yàn)研究，通過(guò)在自重作用下發(fā)生崩塌破壞等真實(shí)工況試驗(yàn)研究，配合傳統(tǒng)巖體三軸壓縮試驗(yàn)、振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)等，彌補(bǔ)目前脆性破壞災(zāi)害物理模型試驗(yàn)研究的不足，為構(gòu)建脆性破壞災(zāi)害的監(jiān)測(cè)預(yù)警理論體系并驗(yàn)證相關(guān)新理論、新技術(shù)和新方法提供數(shù)據(jù)支持。

（2）系統(tǒng)開(kāi)展危巖體快速識(shí)別技術(shù)方法與判別體系研究。危巖體快速識(shí)別技術(shù)是崩塌災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警的前期必備工作。雖然崩塌災(zāi)害的內(nèi)部主控因素和外部致災(zāi)因子很多，但對(duì)崩塌破壞發(fā)生起著重要作用是巖橋破壞。因此，在開(kāi)展巖體巖橋強(qiáng)度定量識(shí)別與模糊評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)上，研究危巖體的快速識(shí)別技術(shù)方法并豐富目前的危巖體定量識(shí)別評(píng)價(jià)體系，有助于進(jìn)一步提高隱患排查效率、風(fēng)險(xiǎn)調(diào)查識(shí)別精度與危巖監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確率。

（3）加快構(gòu)建巖體動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性評(píng)價(jià)技術(shù)體系。巖體的崩塌破壞在發(fā)生脆性動(dòng)力學(xué)破壞的過(guò)程中，也伴隨著強(qiáng)度的實(shí)時(shí)退化。因此，巖體的實(shí)時(shí)穩(wěn)定性評(píng)價(jià)是崩塌災(zāi)害預(yù)警準(zhǔn)確性的有力保障，開(kāi)展基于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的巖體穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方法是目前減少崩塌災(zāi)害預(yù)警誤報(bào)率的有效方法之一。巖體動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性評(píng)價(jià)技術(shù)方法等相關(guān)研究可以為工程中更好地應(yīng)對(duì)崩塌災(zāi)害提供新的技術(shù)支持，進(jìn)而有助于解決目前崩塌災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警研究面臨的核心技術(shù)難題。

（4）不斷豐富目前脆性破壞災(zāi)害的監(jiān)測(cè)預(yù)警指標(biāo)體系。目前，集成多個(gè)監(jiān)測(cè)分析指標(biāo)的綜合性預(yù)警平臺(tái)并輔以大數(shù)據(jù)與智能化分析的預(yù)警技術(shù)，無(wú)論在危巖體的快速識(shí)別還是在崩塌災(zāi)害的早期預(yù)警方面都具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢(shì)［87］。通過(guò)引入微芯樁、微芯方與激光測(cè)振等多種監(jiān)測(cè)手段，構(gòu)建一套基于靜力學(xué)、動(dòng)力學(xué)與環(huán)境量指標(biāo)的三位一體監(jiān)測(cè)預(yù)警指標(biāo)體系，可為崩塌災(zāi)害的早期預(yù)警預(yù)防提供相對(duì)豐富的數(shù)據(jù)支持［32］。同時(shí)，新增加的監(jiān)測(cè)指標(biāo)，可以為我國(guó)構(gòu)建天—空—地一體化的崩塌災(zāi)害隱患識(shí)別提供更多的致災(zāi)因子分析的有效信息。

（5）同步推動(dòng)國(guó)產(chǎn)高精度遙感振動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)裝備研發(fā)。隨著LDV等一些新型遙感測(cè)振設(shè)備的研發(fā)不斷取得技術(shù)突破，在未來(lái)幾年，尤其是在“一帶一路”等工程以及高山峽谷等地區(qū)建設(shè)中，亟需大量高精度、高靈敏度和超遠(yuǎn)程距離的激光設(shè)備，然而現(xiàn)有的相當(dāng)一部分硬件設(shè)備在技術(shù)上受制于國(guó)外，因此實(shí)現(xiàn)上述硬件設(shè)備的國(guó)產(chǎn)化，并在此基礎(chǔ)上，加強(qiáng)中國(guó)特色的智能專業(yè)一體化傳感技術(shù)攻關(guān)并開(kāi)展具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的普適性監(jiān)測(cè)預(yù)警裝備研發(fā)，可為進(jìn)一步推動(dòng)我國(guó)礦山智能化監(jiān)測(cè)技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用提供技術(shù)保障。

崩塌等災(zāi)害在災(zāi)害孕育、災(zāi)害識(shí)別與監(jiān)測(cè)預(yù)警理論方面與泥石流等塑性破壞災(zāi)害有一定的區(qū)別。建立脆性破壞災(zāi)害的監(jiān)測(cè)預(yù)警理論體系，構(gòu)建更為豐富的地質(zhì)災(zāi)害防治體系，從而有助于提高崩塌等脆性破壞災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)的應(yīng)對(duì)能力。因此，系統(tǒng)開(kāi)展巖體崩塌等脆性破壞災(zāi)害的早期監(jiān)測(cè)預(yù)警研究，并實(shí)現(xiàn)上述技術(shù)突破無(wú)論是在“一帶一路“等礦山工程安全需求方面，還是在全國(guó)地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警預(yù)防方面，都將具有極強(qiáng)的理論意義與應(yīng)用價(jià)值。

5 結(jié)論

本研究從崩塌災(zāi)害的成因機(jī)理、致災(zāi)因子、巖橋損傷識(shí)別和監(jiān)測(cè)預(yù)警等多個(gè)方面進(jìn)行了綜述，并重點(diǎn)對(duì)脆性破壞災(zāi)害預(yù)警理論與崩塌災(zāi)害早期預(yù)警研究的發(fā)展方向進(jìn)行討論，得出如下結(jié)論：

（1）崩塌災(zāi)害的內(nèi)部主控因素和外部致災(zāi)因子雖然很多，但對(duì)崩塌破壞發(fā)生起著重要作用是巖橋破壞，開(kāi)展巖體巖橋強(qiáng)度的定量損傷識(shí)別與模糊評(píng)價(jià)，并建立基于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的損傷識(shí)別與動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性評(píng)價(jià)技術(shù)體系，可以為礦山工程等更好地應(yīng)對(duì)崩塌災(zāi)害提供技術(shù)支持。

（2）相對(duì)于加速破壞前兆識(shí)別的傳統(tǒng)預(yù)警方法，基于分離破壞前兆識(shí)別的預(yù)警方法可提前短則數(shù)十秒、長(zhǎng)則數(shù)十小時(shí)的風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)對(duì)時(shí)間。因此，關(guān)注分離階段及其分離破壞前兆是提高巖塊體崩塌災(zāi)害早期預(yù)警時(shí)效性的有效手段之一。

（3）通過(guò)引入多種動(dòng)力學(xué)監(jiān)測(cè)指標(biāo)，構(gòu)建一套基于靜力學(xué)、動(dòng)力學(xué)與環(huán)境量指標(biāo)的三位一體監(jiān)測(cè)預(yù)警指標(biāo)體系，可為崩塌災(zāi)害早期預(yù)警和預(yù)防提供相對(duì)豐富的數(shù)據(jù)支持，而集成多個(gè)監(jiān)測(cè)分析指標(biāo)的綜合性監(jiān)測(cè)平臺(tái)并輔以智能化分析的預(yù)警技術(shù)，無(wú)論在危巖體的快速識(shí)別還是在崩塌災(zāi)害的早期預(yù)警方面都具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

（4）系統(tǒng)開(kāi)展高精度遙感振動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)設(shè)備研發(fā)是崩塌災(zāi)害早期監(jiān)測(cè)預(yù)警研究市場(chǎng)化應(yīng)用的關(guān)鍵。實(shí)現(xiàn)LDV等新型遙感測(cè)振設(shè)備研發(fā)的技術(shù)突破，加強(qiáng)智能專業(yè)一體化傳感技術(shù)研發(fā)，可為礦山工程現(xiàn)場(chǎng)實(shí)現(xiàn)動(dòng)力學(xué)指標(biāo)常態(tài)化監(jiān)測(cè)發(fā)揮積極作用；推動(dòng)新型遙感測(cè)振設(shè)備的國(guó)產(chǎn)化是實(shí)現(xiàn)巖體脆性破壞災(zāi)害早期預(yù)警技術(shù)創(chuàng)新發(fā)展和滿足國(guó)家工程安全建設(shè)戰(zhàn)略需要的必由之路。

致 謝

本研究得到了日本長(zhǎng)崎大學(xué)工學(xué)研究科與巴基斯坦CECOS University of IT and Emerging Sciences的大力支持，特致謝意；感謝Asim Farooq博士、劉衛(wèi)南博士、賀錚博士、張曉勇博士與吳志祥博士給予的現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)支持；北京科技大學(xué)馬國(guó)星碩士、張金戈碩士與白云飛碩士在室內(nèi)試驗(yàn)研究、國(guó)內(nèi)外技術(shù)調(diào)研與資料后期收集整理等方面也付出了辛勤勞動(dòng)，一并表示感謝！