山体滑坡动态信息实时采集技术的实验研究

陈一平，何 华，唐冬梅，杨 振

（1.中南大学 地球科学与信息物理学院，长沙 410083；2.湖南继善高科技公司，长沙 410208）

山体滑坡动态信息实时采集技术的实验研究

陈一平1，何 华1，唐冬梅1，杨 振2

（1.中南大学 地球科学与信息物理学院，长沙 410083；2.湖南继善高科技公司，长沙 410208）

山体滑坡动态信息的实时监测与预警技术的研究，是灾害性地质滑坡防灾减灾研究的重要技术之一。通过对山体滑坡诱发内因的物理动态信息进行有效实时采集观测的实验与探讨，研究出一种基于激发极化法针对滑坡主体介质激电特征的“激发电抗”动态信息采集方法。经实验表明，该方法可推动“山体滑坡”预警理论与技术的研究，从静态勘探评估与诱发外因变量的实时监测，向静态勘探评估与诱发内因变量的实时动态监测拓展，实现了对山体滑坡的动态信息进行实时有效的动态监测。

滑坡预警；诱发内因；动态监测；仿真模拟；激发电抗阈值

0 前言

滑坡隐患体在滑坡过程中的动态物理信息有效采集的理论与方法，是滑坡预警系统研究的重点。在造成山体滑坡的诱发外因统计中，暴雨诱发的滑坡，占滑坡灾害总数的90%左右［1］。目前在该领域应用的相关理论与方法可归纳为四类：

（1）宏观预报［2］（观查法、气象法）。

（2）变形预报［3］（GPS位移法、倾斜度测量法、TDR监测等方法）。

（3）电法勘探法成像技术。

（4）统计预测法。

应用在“临滑”预报的理论和方法主要有四类：

（1）藤迪孝。

（2）灰色预报（GM 模型）。

（3）回归分析法。

（4）应力法。

随着滑坡机理和地质动力学理论研究的发展，以及地质灾害（防灾减灾）预报的科学技术的发展，表面位移（GPS、InSAR）监测法、气象（降雨量统计预测）法等方法也逐渐得到应用，并获得理论与应用成果。与滑体内因动态信息观测技术相关的深部位移监测法，即在“滑带层”中钻孔并安装倾斜传感器进行监测，能够确定“滑带层”产生变化的位置，实现动态信息的自动采集，将宏观观测技术方法转向内因变量监测，推进了滑坡监测预警的理论研究和技术方法的创新。但是，这对安装倾斜传感器的密度、深度、有效通讯、合理布局，以及安装工艺等，都有着相当高的技术要求。该方法的预警阈值范围较窄，动态信息的数字滤波也存在技术瓶颈。虽然上述方法的研究与实施，推进了山体滑坡监测和预警报警的技术发展，但由于地质体表面位移和滑面位移的不一致性，以及表面动态的宏观观测和“内因”动态的诱变过程在时空坐标系统上的差异，导致动态信息的有效适时观测、正演、反演其动态过程存在误差等原因，阻碍了这类方法的理论研究和应用发展。

作者在本文中的实验研究，是借鉴电法勘探法在物探领域的理论和研究成果，模拟滑坡隐患地质体环境建立人工激电场源的方法，通过激发滑坡隐患地质体（包括“滑动体”、“滑带层”、“滑床”）的介电特性，探讨对滑坡主体介质激电特征的动态信息进行实时有效采集方法。

1 实验技术路线与方法

（1）本实验研究的技术路线是：通过对样品测试和物理模拟实验，探讨与研究具有滑坡隐患的滑动体（诱发内因），在滑坡过程中的动态信息采集技术。暴雨诱发滑坡的机理是：因气象暴雨产生变化的地表水或地下水，向具有滑坡隐患地质体中的滑动主体（“滑动体”、“滑带层”、“滑床”）渗入。在滑坡隐患地质体不同的构造特征状态下，造成各种特征地质体在渗入过程中出现含水量的差异（ΔWS动态差异）。这种差异将导致在各种特征地质体界面上的摩擦因数（μ）差异（含Δμ动态变化值的差异）。摩擦因数动态变化值（Δμ）是破坏滑坡隐患地质体的重力平衡状态，造成滑坡现象的主要原因。对ΔWS动态参数进行有效监测，就可以完成对Δμ动态反演模拟。

（2）本实验的研究方法是：①在模拟具有滑坡隐患地质体环境的样品上，建立激发极化外电场，激发待测样品的极化特性（水分子是一种低阻有极分子［4］，只有在外电场的激发下才能产生极化效应，即取向极化和位移极化效应）；②针对具有滑坡隐患地质体特征，建立激发极化电场下的仿真复阻电抗模型，通过对测试样品和仿真复阻电抗模型进行物理与数字模拟，完成动态含水量（ΔWS）与动态复阻抗（RC低通电路的时间响应传递函数［H（jω）］）等效模拟；③对其取向极化的效应（随外电场的幅频特性和动态含水量（ΔWS）的变化产生不同的介电参数（含ΔZS）），进行实时测试与动态阈值的分析与研究；④探讨研究对因滑坡隐患构造坡体的动态含水量（ΔWS）的变化而引起的动态物理信息的变化，进行实时监测的技术方法。

2 实验原理

经过大量的灾害地质（滑坡）勘查和调研成果表明，在滑坡的孕育过程中，滑动体的视电阻率大于滑动带的电阻率。由于受到含水量的影响，滑动带的视电阻率变化率大于“滑床”或“滑动体”的电阻率变化率。只要能有效地实时采集到滑动带的视电阻率变化率，将滑动带的视电阻率变化率拟合为滑动带的摩擦因素的变化率，则能给滑坡动态信息的监测与阈值报警提供有效的技术途径。

2.1 在激发极化条件下建立等效的复阻抗数学模型

Cole－Cole模型在频率域的复阻抗数学表达式［5］为式（1）。

其中 Z（0）为频率为“0”时的等效电路阻抗；m为充电率；τ为激发极化过程中的时间常数；c为频率相关系数。

m为充电率：

式中 Z（0）为直流（频率为0时）的等效电路阻抗。

在研究地球物理信息的电性能时［4］，常采用频率域（FD）和时间域（TD）二种研究方法。在频率域（FD）时：研究的主要对象是充电率（m）和（τ）充电时间常数；在时间域（TD）时：研究的主要对象是时间域的阶跃响应函数Z（t）。Cole－Cole模型在时间域（TD）求Z（t）的演算过程非常繁琐［6］，如果改用阻容模型对时间域的阶跃响应函数Z（t）进行模拟，则演算过程要简单很多。

2.2 阻容模型的建立

根据基尔霍夫定律，可以建立模型的端口电压Vo的数学表达式：

其中 Li和Le分别是模型中的内电感和外电感；C为容抗；R为直流阻抗。

在不考虑模型中的内电感和外电感的情况下，式（3）可写为式（4）。

根据图1（见下页）计算阻容网络复阻抗：

根据基尔霍夫定律建立的等效复阻抗模型的数学表达式为式（5）。

当R1＝R2＝R、c1＝c2＝C，R0≫R时有：

等效复阻抗模型的传递函数为式（6）。

在Cole－Cole模型频率域的复阻抗数学表达式中，充电率式（2）可以用RC低通电路的时间响应传递函数 ［H（jω）］等效模拟。

3 含水量（ΔWs）的变化率与视电阻率（ΔZs）变化率的物理模拟

从微观的角度出发，在实验中将含水量的电介质体视为各向同性的电介质体，被极化的电介质体的电偶极矩为p。根据实验统计，均值可以视为电介质体中的每一分子都具备相同的平均值。

其中 N为电介质每单位体积的水分子数；P为电场极化强度，单位为C／m2。

从宏观的角度出发，在实验中将不同含水量的滑坡主体，视为各向同性的电介质体，被极化的电介质体的偶极矩为p，每处的电极化强度（P）与该处的总电场强度成正比，且方向相同：

式中 ε0为真空介电常数；εr为相对介电常数；ε＝ （ε0εr）为绝对介电常数；χ为电场极化率。

3.1 试验装置

试验测量装置如图2所示。在图2中，A为测试样品，B为信号源（任意波形发生器DG1022），C为介电参数模拟与功率放大器（自制），D为超低频慢扫描示波器（YB43020D），E为水份测试仪（TZS－3X型）。

3.2 试验样品与试验数据

作者在本试验中，选择具有代表性的砂质粘土为试验样本（见下页图3）。将试验样本分为四组不同含水量的待测样本，通过水份测试仪（TZS－3X型）和LCR电桥的测量，分别将它们分别标定含水量为6.27%至51.68%的样本（见图4和图5）。

3.3 物理模拟与实验结果

物理模拟与样品复阻抗测试实验按两组进行：①样品实测组采用自制样品通过图2装置进行实测；②仿真物理模拟组采用［电路仿真软件WEWB32］对阻容网络进行物理仿真模拟。测试的实验结果如下。

（1）W0＝6.27%样品测试的幅频特性波形图与物理模拟（R＝19.63kΩ，C＝2.313μf）（见下页图6）。

（2）W0＝13.85% 样品的物理模拟 （R ＝4.098 3kΩ，C＝14.140 2μf）（见下页图7）。

（3）W0＝21.89% 样品的物理模拟 （R ＝3.282kΩ，C＝17.908μf）（见下页图8）。

（3）W0＝51.68%样品的物理模拟 （R ＝0.704 98kΩ，C＝86.424 7μf）（见后面图9）。

4 结论

通过物理模拟与实验的结果表明：

（1）测试样品的拟合电容值，随含水量的增加而增大；测试样品的拟合电阻值随含水量的增加而减小。这充分证明了滑坡主体在含水量变化过程中的发生的取向极化效应的复阻抗动态信息，存在可量化的模拟参数值，给动态信息的适时采集提供了技术条件。

（2）通过对样品在不同激发场强和频率下获得测试的数据，得到了样品动态含水量与幅频特性的拟合波形图。在幅频特性波形图中的直流分量与交流分量，分别为等效电阻值和电容值。不同含水量样品的等效电阻值和电容值，具有宽动态阈值范围，这给动态信息的适时观测提供了数字模拟的技术途径。

（3）对不同含水量样品测试的幅频特性波形截图与复阻抗物理仿真模拟的幅频特性波形截图进行数字模拟，具有良好的一致性（通过复阻抗参数的介入，可以进一步提高观测精度）。这就证明了该方法的有效性，同时也证明了在激发极化条件下，建立的样品本动态含水量等效的复阻抗阻容模型的可靠性。

（4）从本样品实测和复阻抗物理模拟的实验研究和分析中得知，具有滑坡隐患地质体中的滑动主体，在激发极化条件下会因含水量（W0）的变化将导致其取向极化强度的改变，并且具有较宽的（量化）动态范围。宽动态的极化阈值，给滑坡预警动态参数的实时监测，以及阈值报警提供了理论根据和技术研究的途径。

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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

陈一平（1953－），男，副研究员，中南大学地球科学与信息物理学院硕士生导师，主要研究方向：地球探测与信息技术智能地球物理仪器研究。