边坡声发射监测研究综述

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(江西理工大学 a.资源与环境工程学院； b.江西省矿业工程重点实验室，江西 赣州 341000)

1 研究背景

目前，边坡失稳滑塌已成为山区道路交通、矿山、水电等领域的一大安全隐患[1]。边坡失稳滑塌的产生并非发生在瞬间时间段内，而是经过一定时期不稳定性因素的积累，从蠕动向失稳滑动发展。对各个时期的边坡变形量、变形速率以及变形发展趋势的连续监测，是评价边坡能否产生破坏性滑坡，从而及时对边坡进行安全处置的核心；而掌握潜在滑移面的分布规律是边坡失稳监测与边坡防护的关键，因此，对边坡潜在滑移面进行有效准确的监测与预测是减轻滑坡灾害损失、减少人员伤亡的最有效途径。

因为边坡开始破坏前期的变形非常小，传统位移监测手段往往很难监测到岩质边坡破坏的前期信号。尤其是脆性岩石，破坏之前几乎没有明显的变形，实际上在边坡破坏早期阶段就开始有微裂隙的产生。这一微观破坏伴随着相关的变形增量并且有微弱的弹性波的发射，这种弹性波就是声发射，这就使得捕捉边坡破坏早期的信号成为了可能。边坡声发射监测方法能够对边坡滑移面进行定位，可对滑坡进行预测预警，最大限度地减轻滑坡灾害损失、减少人员伤亡[2]。

2 边坡监测技术

现阶段，对边坡潜在滑移面监测的处理方法主要有位移监测技术、应力监测技术、声波监测技术、电磁法监测技术等。

以位移监测为原理的技术主要是在稳定地段建立测量基准点，在被测量的地段上设置若干个有传感器的监测点，用仪器定期监测测点的位移变化，通过监测数据来推断边坡滑移面发展趋势[3]。但该方法中监测的位移量多大时边坡才会滑移还未有公认的标准，故难以识别其滑移面。

以应力监测为原理的技术主要是利用锚杆、锚索等作为加固手段，对所用的锚杆、锚索、主钢筋等进行应力监测，以便确定被加固岩质边坡的稳定性及其加固效果。其次，也需利用应力计、钢筋计等仪器直接量测工程岩体土中某点的应力[4]。但该方法中锚杆(索)、应力计的布置在规范中并不明显，大多根据现场勘探资料和工程师经验来布设，且判断岩质边坡滑移时的应力量化都没有公认的标准，只能为岩质边坡当前所处的稳定状态及其发展趋势提供依据，不能判断其滑移面。

声波监测技术是在边坡布置监测网，通过埋设在测点的探头来接收岩体内部产生的弹性波或人工在岩体中激发的弹性波，最后分析研究接收的波动信息，来确定岩体的力学特性，了解其内部缺陷[5-6]。但该方法中监测孔的间距、位置、孔深的选择只能根据地质资料和工程师经验确定；而且，在分析声波信号过程中，岩体失稳的声波信号特性参数指标达到什么样的临界值就可判断其滑移，都没有统一的标准，因此该方法只能够对岩体失稳破坏起到预报预警的作用，无法确定其滑移面位置。

电磁法监测主要是通过向地下发射信号，并接收地层界面反射后的信号，对该信号的特征参量进行分析，用以表明地层特征信息[7]。但该方法中测线的布置在规范中并不明确，而且该方法探查滑动层或滑动带的效果明显，对于岩质边坡滑移面中的裂隙和裂缝无法判断。

3 边坡声发射监测发展

3.1 声发射监测技术

声发射是材料在破坏过程中能量以弹性波的形式急剧释放产生的，声发射监测技术是借助灵敏的传感器将弹性波转换为可采集的电信号，再通过放大器、滤波、信号处理，最后对所采集的信号进行分析处理来判断声发射源存在的缺陷。

早在1923年国外学者霍奇森就提出亚声噪声现象[8]，美国杰克逊在1937年提出研究这种现象，1940年Obert和Duvall在铜矿山检测到了声发射现象；1950年前后，国外众多学者通过声发射监测技术对矿山及隧道工程的稳定性进行监测和预报。随着众多学者对声发射现象展开了研究工作，并逐渐应用到边坡监测领域，1956年，苏联列宁格勒矿业学院率先研制成功岩体声发射监测仪，并成功预报格里沃罗格矿区露天边坡岩体垮落[9]。

3.2 国外边坡声发射监测现状

国外学者较早对边坡声发射监测领域展开了研究工作，然而埋设声发射传感器只能监测到传感器周围球形范围内岩体的变化，不能够监测到从监测孔口到孔底之间各个部位的信号变化，这是由于岩体中存在节理、裂隙、破碎带等地质结构影响，使得声发射信号在传播过程中严重衰减、阻断、反射等[10]，于是研究者提出了利用波导杆埋设于边坡中来传递声发射信号，以达到连续监测的目的。

国内外学者用声发射技术研究岩质边坡和土质边坡的稳定性已经超过了50 a[11]。前后经历了从便携式声发射仪到自动化监控多通道监测系统，从单个传感器监测到多个传感器联合波导杆监测，从岩质边坡发展到监测土质边坡。

20世纪60年代日本Chichibu等人利用波导杆插入路堤边坡，将声发射传感器安装于波导杆端部来监测信号，对边坡稳定性监测起到一定作用，但是该作者并没有考虑波导杆与钻孔间的耦合作用对声发射信号传播的影响，以及声发射信号在波导杆中反射对后期信号分析处理产生的影响[12]。

20世纪70年代Hardy研究发现边坡在微裂隙发展、裂隙扩展、裂隙重新发展过程中都有声发射产生，但并未对边坡破坏进行预测预报[2]。

20世纪80年代Koerner进行了大量的室内和室外土质边坡声发射监测试验，结果表明声发射水平和土的应力状态有关；但当时边坡声发射监测主要用做定性的粗略预测方法，还缺少声发射信号传播的研究以及不同波导杆对信号量化评估影响的研究[13]。

20世纪90年代英国Dixon尝试采用PVC管作为波导杆，管内充满水，声发射传感器悬挂于水中来监测边坡[13]；1996年Cruden通过室内实验得到边坡变形与声发射率间的标准，分为慢、中等、快3个量级，并应用于现场试验中[14]；1999年日本Shiotani研究声发射信号在铝管和PVC管中的的传播特征；并利用声发射图形分析、声发射b值、声发射速率过程分析来判断边坡的稳定性[15]；1999年日本Fujiwara，Shiotani和Ohtsu将波导杆埋设于土壤边坡，周围回填砂子，声发射传感器安装于波导杆顶部来监测边坡稳定性[11]，然而以上学者对声发射信号的解释仅仅是定性的。

随着波导杆的广泛应用，不少学者提出了波导杆结合声发射的多种监测装置，同时结合其他仪器联合监测边坡稳定性，并应用于现场试验，成功监测到了边坡破坏[10]。

到21世纪初，日本学者Shiotani提出WEAD装置来监测岩质边坡，即将多个声发射传感器按一定距离安装在波导杆中，并用水泥砂浆埋设于岩质边坡中来监测边坡稳定性[16]。2003年英国Dixon利用钢管作为波导杆，周围回填砂子和碎石，单个声发射传感器耦合于波导杆端部，并联合测斜仪来监测边坡，将变形速率和声发射率进行量化，但是该量化标准中的变形速率是利用2 min内位移的平均值来对应声发射率的平均值，计算过程中存在较大误差[17]；2011年韩国Dae-Sung Cheon在Shiotani的WEAD基础上提出了一种改进的监测装置，即直径32 mm的波导杆两端分别安装一个声发射传感器，周围用脆性胶结材料包裹，该装置全部埋设于地表以下，排除了地表噪音的干扰[18]。2012年韩国Yo-Seph Byun提出了一种监测装置，类似于Shiotani的装置，并且可以对声发射源定位，通过分析剪切或者弯曲破坏来计算最终破坏事件[2]。

3.3 国内边坡声发射监测现状

我国声发射边坡监测技术的研究与应用始于20世纪70年代，主要利用声发射仪对现场监测[8],至80年代，国内各大研究院对声发射仪进行了研制和改进，多用于矿山地压监测。1984—1985年，于济民[19]在观音山车站岩体高边坡研究了声发射计数与地下水位的关系；1985—1987年陕西韩城电厂滑坡监测中将声发射探头埋设于监测孔中，确定了滑坡带形成过程，找出了孔内受挤压应力集中部位[20]；1991年马步坎高边坡中将探头置于孔底，监测大事件频度随时间的变化；1992年于济民[20]在黄土地区进行了声发射滑坡监测，2个相距0.3 m的垂直平行钻孔，其中一个孔用旁压仪加压，另一个孔监测，来研究土体破坏时声发射参数特征。

表1 损伤水平准则Table 1 Criteria for damage levels

4 边坡声发射监测的影响因素

4.1 耦合材料

边坡声发射监测中耦合剂的作用是将岩体产生的声发射信号或者自身产生的声发射信号传递给波导杆。当波导杆是实心钢棒或铜棒时，耦合剂有砂子、碎石、水泥浆、岩石相似材料；当波导杆是空心管时，回填材料有砂子、树脂、玻璃纤维等[21]；1993年英国Dixon利用膨润土、中粒砂、细砾石作为耦合剂[10]；1999年日本Shiotani用水(PVC管)、颗粒土壤作为耦合剂[15]；2001年日本Shiotani在声发射边坡监测中使用的耦合剂即回填材料，是由氧化钙、二氧化硅、氧化铝、三氧化硫按一定比例配置的[16]；2006年日本Shiotani在声发射边坡监测中耦合剂为水泥浆[21]；2011年韩国Dae-Sung Cheon声发射边坡监测中波导杆周围回填水泥砂浆，通过水泥砂浆破裂来产生声发射信号[18]；2012年韩国Yo-Seph Byun在声发射边坡监测中耦合剂使用水泥浆[2]。

4.2 波导杆选型

岩体中由于存在裂隙、断层、节理等结构面，使得声发射信号在传递过程中衰减或被阻断，很难被传感器捕捉。

20世纪60年代，日本学者开始使用波导杆来传递声发射信号，1993年英国Dixon利用直径50 mm的钢管作为波导杆来监测海岸边上的悬崖稳定性[10]；1999年日本Shiotani使用PVC管、铝管作为波导杆[15]；2001年日本Shiotani在声发射边坡监测中选用直径13 mm的加强棒[16]；2011年韩国Dae-Sung Cheon声发射边坡监测中使用直径32 mm的波导杆[18]；2012年韩国Yo-Seph Byun在声发射边坡监测中使用钢棒[2]。

4.3 传感器布置形式

声发射在边坡监测应用中，首先是使用单个传感器通过监测孔耦合于被监测岩体中。由于声发射信号在岩体中衰减、中断等因素，于是有学者提出使用波导杆来传递声发射信号，即波导杆埋入监测孔，周围回填耦合材料，传感器布置于波导杆上。20世纪60年代日本Chichibu等人将传感器黏贴于钢棒的顶端来监测土质路堤边坡；1993年英国Dixon用单个声发射传感器贴于波导杆表面来监测边坡[10]；1999年日本Shiotani将PVC管注满水，并将传感器悬浮于水中或贴于PVC管内壁[15]；2001年日本Shiotani在声发射边坡监测中使用5个传感器均匀布置[16]；2011年韩国Dae-Sung Cheon声发射边坡监测中波导杆上布置2个传感器[18]；2012年韩国Yo-Seph Byun在声发射边坡监测中使用4个传感器均匀布置于波导杆上[2]。

5 声发射边坡监测实例

5.1 实 例

监测点位于某市郊区，是一个开挖边坡，以前就有滑坡的记录，虽然部分边坡已经加固，但有可能会再次发生滑坡。监测之前首先对声发射监测装置进行室内试验，通过对水泥浆包裹波导杆的试件进行剪切和弯曲试验，得到了损伤水平准则，如表1所示。

该边坡长约200 m，高50 m，其中上部土质边坡的边坡比为1∶1.5，下部破碎岩质边坡的边坡比为1∶1，开挖边坡有煤层和黏土层出露。

图1为传感器的布置方式，2个监测孔分别位于地表20，40 m，孔1深10 m，4个声发射传感器从孔底依次布置，间隔2 m，孔口2 m充填砂子，防止外部噪音对声发射信号的干扰，其余部分回填水泥浆。孔2深12 m，孔底2 m充填砂子，依次布置4个声发射传感器，间隔2 m，孔口2 m同样用砂子封口，剩余部分同样充填水泥浆。声发射门槛为40 dB，传感器为防水探头，工作频率为35～100 kHz，监测信号通过无线网传输到监测站。

5.1.1 声发射信号分析

由图2可以看出，监测孔1的累计声发射撞击数在2007年，从6月至9月大幅度增加到190 000左右，表明声发射活动在这段时间内比较活跃；监测孔2的声发射撞击数从6月至7月高达360 000，这是由于边坡滑移面的移动造成的。声发射撞击数在7月份和9月份有突增现象。监测孔1在7月份记录 220个事件，监测孔2在9月份记录2 100个事件。

考虑到监测孔2记录的撞击、事件数比监测孔1更多，表明监测孔2中有更多声发射活动。观测地表发现，膨胀土有一条扩展的裂缝，因此推断边坡内部已经发生变形。

根据声发射源定位分析，由图3可以看出，在监测孔1的通道3和4之间监测到大量的声发射撞击数，我们可以理解为在深度-6～-4 m之间有一个滑移面。监测孔2中的声发射撞击数被所有的传感器监测到，是因为假设声发射撞击数定位在监测孔2附近有应力或者变形发生的地方。圆的直径大小反映了声发射源的振铃计数的规模，因此假设边坡内部拉伸破坏正在向剪切破坏转变，因为声发射撞击数属于损伤水平1或者损伤水平2。

图4 监测孔2在9月份的声发射撞击率[2]Fig.4 AE impact rate of hole 2 in September[2]

5.1.2 降雨的影响

降雨是影响边坡稳定性的重要因素之一，它不仅增加了滑体的重量，还减小了边坡的抗滑力。2007年，月降雨量超过100 mm的有4次，超过300 mm的有2次，超过500 mm的有1次，这1 a中记录降雨量最高的是9月份，503 mm/月。因此对9月份声发射活动与降雨的关系做进一步调查。

图4显示了监测孔2在9月份的声发射撞击率，通道5在9月23日的声发射撞击数最大值为2 456，在9月17日通道8的声发射撞击数最大值为3 035。

根据这一事实，推测声发射撞击的突增是由降雨引起的，尤其是累计降雨量。推断累计降雨引起了孔隙水压力和渗透力的增加，导致饱和带的变形，从而影响边坡的稳定性。因此，证实了声发射撞击数是由各种降雨因素影响，从而影响边坡的稳定性，表明降雨和声发射撞击数有着密切的联系。

5.2 小 结

上述实例在边坡监测预警、降雨影响等方面取得较好的阶段性研究成果，对我国声发射边坡监测具有很好的参考价值和借鉴意义。

利用网络，通过远程监测获得实时声发射信号有助于提高声发射监测的可靠性。此外，在将来预测边坡滑塌的每个位置都将成为可能，岩石边坡早期预警也将实现。

声发射撞击数与降雨量的增长规律类似，当降雨量是恒定值时，声发射撞击数率趋于收敛，这表明边坡稳定性主要受降雨量影响。

6 存在的问题

6.1 硬件设备及软件

由于野外环境条件恶劣，不仅有人工开挖、爆破等因素，还受暴雨、雷电、高温、严寒、大风等恶劣环境的影响，使得声发射监测设备受到严峻的考验[22]，因此声发射传感器和电缆线埋设于地下要做好接头处的保护工作，防止地下水的腐蚀。野外监测的关键问题之一就是供电问题，选择太阳能和蓄电池联合供电，但因狂风暴雨等恶劣天气容易导致电源损坏，需工作人员定期检查电源能否正常工作。

6.2 定位精度

波导杆、耦合剂及传感器的布置方式的选择对声发射定位精度产生很大影响。在边坡监测中，声发射在不同直径的波导杆中传播规律不同，在不同长度的波导杆中的衰减量也不同，因此需要用声发射源定位技术来测定声发射信号的衰减量。水泥浆、砂子、砾石等不同耦合剂在边坡监测过程中产生的声发射特性、参数量级不同，故现场应用之前一定要在室内精确测定耦合剂的声发射特性。传感器的布置方式是边坡声发射定位的关键因素，传感器布置的个数、方式、位置都会对声发射定位产生影响，所以传感器的布置方式有待更进一步的研究与探讨。

7 结论与讨论

7.1 结 论

本文结合国内外声发射边坡监测状况，与现有的边坡监测技术进行对比分析，阐述了声发射监测技术在边坡监测中的发展历程与优点，指出了声发射监测技术在边坡监测应用中存在的一些问题，主要研究结论如下：

(1)当前应用的边坡监测技术各有优缺点，难以对边坡滑移面有效的监测，波导杆结合声发射监测边坡在滑移面定位及声发射量化等方面具有一定优势，可以有效地对边坡滑移进行预测预警。

(2)通过分析声发射技术结合波导杆监测边坡的实例，发现该装置不仅能实现对边坡滑移面定位，还能对边坡破坏水平进行分析，将声发射参数划分为不同的破坏等级来判断边坡的稳定性。

(3)由于边坡特殊的地质条件，声发射结合波导杆装置监测时，在波导杆和耦合剂的选择、传感器布置方式以及耦合剂产生的声发射与周围岩体破坏的相关性等方面有待进一步的研究与探索。

7.2 讨 论

现场应用表明了这种监测装置和准则对边坡稳定性的评估是可行的，该方法间接地评估岩质边坡的稳定性，其中有优点也有缺点。优点是此方法忽略了地质条件而建立了损伤准则，监测岩质边坡脆性破坏的前兆。但是有一个争论点，即关于波导杆装置的声发射损伤水平与边坡不稳定性之间的相关性。因此，声发射活动与真正岩体的破坏，以及声发射活动是由水泥砂浆产生的还是岩体自身产生的都是需要解决的问题。