谢谟文：将岩土地质灾害防于“无形”

华南

谢谟文在十堰地质灾害项目现场介绍微芯桩安装使用

北京市延庆区松闫路佛峪口水库大坝段，是通往冬奥会核心区的一条重要通道。这段17.7公里的公路，是除京礼高速外唯一进出延庆赛区的地方道路。松闫路依山体而建、蜿蜒曲折，它的安全是延庆赛区对外联络关键一环。

延庆区地质条件整体稳定，但松闫路道路两侧紧挨山体，如果有山石滚落或土壤松动，就会对车辆通行造成安全隐患。

现在，这种隐患正被消除在萌芽状态。在松闫路佛峪口水库大坝段，大大小小的圆圈与钢绞线组成的帘式网，犹如巨型幕布结实地扎在边坡上。边坡中上部，一个个半圆柱体的“小蘑菇”，外面罩着透明有机玻璃罩，被“种”在路边山体坡边上。三个“小蘑菇”一组，作为监测仪器，实时监测佛峪口水库大坝上方边坡隐患的安全稳定性。

“这些‘小蘑菇叫微芯桩，它们和一杆式采集测站、数据服务平台及手机客户端组成自动化边坡安全监测预警系统，对边坡危险岩石的振动、倾向、倾角、形变等多个安全指标进行实时监测。”北京中关村智连安全科学研究院院长，北京科技大学土木与环境工程学院教授、博士生导师谢谟文介绍，微芯桩智能传感终端基于失稳动力学理论设计，采集静态形变和振动特征等30多种参数，通过数据采集传输终端将数据实时传输至物联网平台，基于安全失稳模型综合分析，实现对边坡等岩土体的安全监测及早期失稳预警。

此前，作为2020年北京市科技计划科技冬奥专项，自动化边坡安全监测预警系统已在国家雪车雪橇中心斜坡风险点、崩塌风险点、冰雪小镇基坑工程、松闫路边坡、冬奥综合管廊得到安装应用。

这是智连安全团队研发的第四代微芯桩产品，“我们对险情提前预警，为冬奥场地建设期、赛事服务期、赛后运营期提供全周期安全保障服务”，谢谟文说。从大学时迈进地质专业至今，他三十多年只做一件事，用科技向善的坚守，完成护卫更多人远离岩土地质灾害的梦想。

与灾害预警结缘的青年

1981年，謝谟文走进河海大学工程地质及水文地质专业时，还不知道这个专业是干什么的。这个16岁少年高考第一志愿是另一所大学电子信息专业，“那时候很穷，觉得电子信息能搞收音机，收音机是个好东西”。

四年本科读完，谢谟文短暂工作后，考取武汉水利电力大学岩土工程系，攻读硕士研究生。当时正值我国重点工程葛洲坝水电站全面复工建设，清江干流梯级开发的骨干工程隔河岩水电站动工修建。按照设计，电站厂房位于右岸河滩阶地上，采用隧洞引水。隧洞引水需要先开挖一条很长的导流洞，隔河岩水电站的导流洞将形成200多米的水头，具有很大压力。“按照现在技术，这不算什么，但在三十多年前，200多米的水头，压力很大、地质条件也不算好，施工单位束手无策。”谢谟文说。

“武汉水利学院在这方面有得天独厚优势，施工单位找到我们的研究室做咨询。”导师把这个项目交给谢谟文，让他带队处理。谢谟文带领团队进入隧道，实地勘察，制定解决方案。他们用当时国内一种新的方法——新奥法处理，对掌子面采取喷锚支护作业进行迅速固定，有效解决了问题。

把混凝土快速喷到隧道墙面、快速凝固、回弹小，回弹率在15%以内，在当时是一项技术创新，“我认为我们有能力处理这个事情”。初战告捷，谢谟文更有信心。

后来，在清江隔河岩水电站，谢谟文一直干了八年，深入参与这个工程的建设。“在建设关键期，施工面临一个难题，四条引水洞之间间隔距离短、墙面薄，而且引水还会造成压力，如何快速、安全地打通引水洞？各方争论不已。”初出茅庐的谢谟文，仔细研究后，提出自己的设想，用动力学方法分析隧道的振动，通过控制岩石的动力平衡实现四条引水洞同时开凿。

施工方负责人同意这个年轻人的意见，让他尝试论证可行性。那时没有电脑模拟仿真建模，回到学校，谢谟文在珞珈山下挖了个大坑，埋头在里面做相似材料模拟实验。“条件很艰苦，每一个环节都要自己动手做，一做就好几天”。先做了1：60地质力学模型试验，在此基础上，谢谟文不断推进自己的想法，最终验证了同时开凿四条引水洞是可行的。

伴随着工程问题解决，谢谟文首次在国际刊物上发表论文，硕士研究生论文也已成型，主题就是“互层状岩体中压力隧洞洞群施工运行全过程分析”。回望那段历程，谢谟文感慨：“搞科研时，我们在工地上，跟工人们吃住在一起，遇到危险情况，我带头到最前面查看。”

为了把毕业论文写漂亮，在通行手写论文、手绘制图的时代，谢谟文特意买来一台电脑，自学编程语言，电脑画图、打印出来。最终，这篇写在祖国大地上的论文，被评为优秀毕业论文。

“答辩老师都是业界大咖，他们看到论文，都来问我：‘这图是怎么画的？真漂亮。”谢谟文说，他自己也特别兴奋，“第一次发现，计算机还能干这样的事”。他从此对信息时代怀有别样的期待。

硕士毕业后，谢谟文从事了10年岩土监测预警研究工作。1997年，他赴日本九州大学攻读博士学位，并开始利用测绘地理信息技术解决地质领域问题。就这样，谢谟文成为岩土地质界进行地理信息测绘的创先者。“与测绘领域的学者相比，我更懂岩土”，他利用这一优势，把在国外学到的用地理信息系统（GIS）分析方法与滑坡、边坡稳定性评价分析方法相结合，做出边坡三维稳定性定量分析模型，论文在国际顶级专业期刊上发表，并荣获GIS应用创新奖。时隔多年，除了发表论文的喜悦之外，写论文的艰辛过程也给谢谟文留下深刻印象：“汉语、英语思维方式不同，那篇论文因为语法和表达问题，改了很多遍。很多看上去正确的表达，其实并不准确。”

那一年，在国内举办的地理信息产业大会上，谢谟文荣获全国高校GIS创新人物奖，成为获得这一奖项唯一一名岩土地质学者。此后，谢谟文尝试通过遥感解译图片方法分析地表形状，首次利用三维表现形式和GIS分析方法相结合，解决了真实三维遥感解译和边坡稳定性定量分析的问题，提出了水库库区大规模遥感调查的分析方法等。

2005年，谢谟文做的金沙江库区1：5000三维地理信息系统，用情景再现式的逼真动画效果，解决库区地质调查“看不清，看不见”问题。现在，这一方法已经写入相关规范。

昔日那个喜欢电子信息、对传感器有所研究，又攻读地质学相关专业、了解地质灾害的青年，最终在学习、科研和实践中，将两者“跨界”结合，融为一体。

以“动”求“稳”，预防地质灾害

与物理、化学、生物等学科的定量变化不同，地质灾害是“活的”。地质灾害的发生总是看上去出其不意，让人防不胜防。地灾隐患在哪里、什么时间发生，是地质工作者一直致力解决的两大核心问题，虽然经过几代人努力，但地质灾害早期预警至今仍是世界性难题。

我国地质灾害多发，全国各地每年有崩塌、滑坡、泥石流、地面沉降等大大小小各类地质灾害发生，威胁生命安全，造成财产损失。到了汛期，地灾防治形势会更加严峻。打通了工程地质和遥感地理信息两个学科边界的谢谟文，决心要在这个领域往前趟一趟。

2019年11月9日，首届灾害感知新技术国际学术研讨会暨中关村智连灾害感知科学研究院揭牌儀式在北京举行。左一为谢谟文

谢谟文发现，自己和团队早期研究的极限平衡理论不能描述边坡从稳定到失稳的过程，也就没办法对地质灾害实现早期预警。边坡失稳是边坡岩土体在内外部不利因素影响下产生倾倒、滑移或崩落等突然丧失稳定性的现象。边坡失稳是一个从静止到运动的过程，经历了稳定、破裂、微动、形变、位移、加速位移到失稳破坏变化后，边坡岩土体重心发生变化，最终造成滑坡等灾害发生。分析并准确捕捉这一变化过程，能对灾害提前预警。

他坚信，好用的预警系统并非来自复杂的理论，于是致力于在基础理论中破题。牛顿第二定律描述力和运动之间的关系，这个高中物理基本知识，在谢谟文博士毕业若干年后给了他灵感和启发。其后，谢谟文带领团队首次融合牛顿力学中静力学、动力学和运动学理论，构建边坡失稳早期预警理论体系及模型，很好地解决了边坡灾害无法早期预警的技术难题。

谢谟文一边将水杯在沙发扶手上移动，一边解释：“这个水杯位移15公分还很稳定，但位移到第16公分时，却不稳定，掉到沙发下面去了。”为什么这个水杯从1公分移动到15公分是安全的，而再往前移动1公分就会出现危险？谢谟文说，答案很简单，水杯重心偏移发生了突变。“也就是说，解决了‘动的问题，才能解决‘稳的问题。”

“因为‘地灾是活的，所以要用边坡动力学来解决‘动的问题。只要解决了‘动的问题，就解决了边坡到底用什么指标监测的问题。”谢谟文介绍边坡失稳动力学理论及安全度模型，讲“动”与“静”的物理原理。“这个原理用到滑坡体研究上也一样，滑坡体原来跟周围山体本是一个整体，与地表‘同频共振，而当振动特征发生改变，就会产生形变，若达到易滑临界点，进而就会造成滑坡，甚至导致灾害发生，这可谓‘静为安，动则疑。”

在这一思路指导下，谢谟文利用边坡失稳解决地质土层“动”的问题，地质灾害最核心的监测预警问题随之迎刃而解，“微芯桩”地质灾害监测预警系统的原理形成。微芯桩作为智能传感终端，集成多组高精度MEMS传感，将动力学特征边缘算法、预警模型自适应融合算法植入，以每秒1000次的高频率采集监测对象动力学和运动学指标，利用不同指标在不同失稳演化阶段的敏感性及差异性，实现监测对象健康状态诊断与失稳早期预警的融合。

但单一微芯桩监测范围有限，在一定面积上，需要多个微芯桩分布安装，进行实时监测和融合计算，才能得到完整的信息。“全面覆盖、快速计算，都需要科技手段支撑，”谢谟文给微芯桩配套设计了更强大的云计算平台——安全态势感知平台，作为支撑。平台基于人工智能、大数据、云计算等技术，融合多维度微芯卫士监测数据，以AI技术为基础，基于灾害预警预测模型，快速分析地质灾害安全风险等级，预测灾害发生，分析成灾范围。

基础理论作为支撑，辅以新技术的“加持”，软件、硬件、服务于一体，能够实现主动采集、边缘计算、无线传输和实时响应这一预警过程，达到地质灾害早期预警目的。

谢谟文（右二）在地质灾害防治展会上向参会者介绍微芯桩

在很多场合，谢谟文这样介绍微芯桩：微芯桩传感和安全态势感知云平台共同筑起强大的安全监测分析预警能力，将各类安全参数升级为智慧决策，提供多维度的安全事件监测防控、智能分析、预测预警、统一指挥、应急处置和评估，让安全保障管理者拥有更敏锐的洞察力、更科学的决策依据，为民众提供自动化、全天候、全方位、智能化高精度的预警，最大程度保障人民生命和财产安全。

“侦察卫士”守护人民生命和财产安全

2017年11月18日，四川大渡河猴子岩水库区域的安全巡视人员发现，一处库岸山体出现变形。

专业人员随即采用星载SAR（合成孔径雷达）、无人机遥感、三维激光扫描及GNSS位移监测技术，对该区域进行全覆盖式位移监测。同时，通过雷达影像、InSAR（合成孔径雷达干涉）进行形变分析，发现滑坡体形变每天超过100毫米，并处于持续下滑状态，存在大规模垮塌风险。根据无人机遥感获取的滑坡区影像解译，专业人员最终确定测得滑坡体总体积约400万立方米。

猴子岩水电站位于四川省甘孜州康定市境内，是大渡河干流水电规划28级开发方案中第10个梯级电站。“在距离滑坡点下方不足15米处，就是车来车往的川西211省道，为保证人民生命财产安全，当地不得已封闭了该路段，等待滑坡体稳定再放行。”谢谟文一位在成都勘测设计研究院工作的同学打电话向他“求助”。了解情况后，谢谟文第二天一早就赶早班飞机到成都，在滑坡现场勘测后，迅速组织安装了14个微芯桩预警装置，部署了预警系统。

预警系统不但实时监测，而且实时将安全警示信息发送到现场及后方相关人员手机上，以及时了解边坡动态变化情况。“只要微芯桩指标不发生突变、系统不预警，即使滑坡还在持续形变，下方道路也可以放心通行。”谢谟文说。

2018年6月19日14时40分，预警系统监测到，位于滑坡后缘的2号微芯桩连续发生较大振动并发出预警。当时谢谟文刚好在现场，看到预警后，立即通知现场值班人员封锁道路，全体人员撤离。

约30分钟后，山体滑坡发生，大量巨石滚落。“这次，‘侦察卫士又立功了。”谢谟文说。

此后两年时间，安装在大渡河猴子岩库区的预警系统，成功预警避险滑坡8次，预警成功率100%。70万丹巴人交通要道的通畅、坡下3000名施工人员的安全有了保障，预警系统也确保高峰期2万辆车顺利通行，为水电站带来2.2亿元经济效益。

经过几年技术迭代，微芯桩产品已升级到第四代，不仅越来越小巧，集成度也越来越高，传感系列产品已达到国际领先水平，并在多项应用中成功预警。

2020年，自然资源部印发《地质灾害防治三年行动实施纲要》，明确全面开展地质灾害隐患识别与1∶5万调查和风险评价，对重点地区开展1∶1万精细化调查，查明风险底数，夯实防治工作基础。微芯桩入选自然资源部地灾普适型监测预警设备，并已在北京、湖南、贵州、四川、广东等省、市推广应用。

谢谟文的梦想，是打造天地一体化安全态势感知网系统。也就是说，“将来你走到任何地方，都可以通过手机终端随时随地查看是否置身危险。比如站在高楼旁，系统马上会显示整栋楼房的安全状态;走到山脚，能通过系统了解山体是否有地质灾害危险;通过桥梁，系统也会提示这座桥的安全情况”。他坦言“这些取决于创新商业模式、技术过硬、价格够低、产品更普适，还有很长的路要走”。让民众置身安全环境，谢谟文愿意为这个梦想付出全部心血，不懈努力。