《工程科学学报》：基于动力学监测指标的崩塌早期预警研究进展

工程科学学报，第41卷，第4期：427-435,2019年4月 Chinese Journal of Engineering,Vol.41,No.4:427-435,April 2019 DOI:10.13374/j.issn2095-9389.2019.04.002:http://journals.ustb.edu.cn 基于动力学监测指标的崩塌早期预警研究进展 杜岩2)，谢漠文)区，蒋宇静23)，刘卫南”，刘日成2》，刘秋强) 1)北京科技大学城市地下空间工程北京市重点实验室，北京1000832)长崎大学工学研究科，长崎8528521 3)山东科技大学矿山灾害预防控制省部共建国家重点实验室培有基地，青岛2665904)中国地质环境监测院，北京100081 ☒通信作者，E-mail:mowenxie@usth.cu.cn 摘要崩塌灾害的早期预警一直是岩土工程领域研究的热点问题之一·传统的监测预警方法监测指标相对单一，更多关注 于加速破坏前兆的识别，使得崩塌的早期预警存在诸多困难.本文首先引入动力学监测指标，对岩土体破坏过程中的动力响 应进行综述，得出基于固有振动频率等动力学监测指标可以为危岩体的损伤提供数据支持.随后基于最新的实验研究发现动 力学监测指标可以有效反应边坡的物理力学特征的变化，进而可以实现岩体损伤与稳定性的动态识别和定量判断.在对国内 外现状进行综述发现，基于分离阶段破坏前兆识别的岩块体崩塌灾害预警思路，具有更好的时效性，是未来崩塌早期预警的 发展方向，同时对崩塌的早期预警指标体系进行展望，得出基于动力学指标、静力学指标和环境量指标三位一体的早期监测 预警指标体系，必将在工程监测与灾害预警方面发挥更大潜力，为从事应对崩塌等脆性破坏灾害预警预防的研究工作者提供 有效参考. 关键词崩塌：早期预警：动力学监测指标：分离破坏前兆：监测预警体系 分类号TG142.71 Research progress on dynamic monitoring index for early warning of rock collapse DU Yan'2,XIE Mo-en,JIANG Yujing,LIU Wei-nan,LIU Ri-cheng?,LIU Qiu-giang 1)Beijing Key Laboratory of Urban Underground Space Engineering,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China 2)Graduate School of Engineering,Nagasaki University,Nagasaki 852-8521,Japan 3)State Key Laboratory of Mining Disaster Prevention and Control,Shandong University of Science and Technology,Qingdao 266590,China 4)China Institute of Geo-Environment Monitoring,Beijing 100081,China Corresponding author,E-mail:mowenxie@ustb.edu.cn ABSTRACT Early warning of rock collapse is one of the hot issues in the field of geotechnical engineering.The traditional monito- ring and early warning methods of monitoring indicators are relatively uniform,with more attention being paid to the identification of ac- celerated damage precursors,which means that the early warning of collapse disasters has many inherent difficulties.In fact,rock- block collapse is caused by the dynamic failure of system instability,so it can be more effective to apply kinetic monitoring indicators to realize more scientific early warnings.In this paper,dynamic monitoring indexes were introduced to summarize the dynamic responses of rock and soil failure processes.A dynamic monitoring index based on natural vibration frequency can provide data for detecting dam- age in a dangerous rock mass.Based on the latest experimental research,it is concluded that the dynamic monitoring index can effec- tively reflect changes in physical and mechanical characteristics,and thus,can be used to dynamically and quantitatively analyze the damage and stability of a rock mass.A review of the literature on the current development of this field in China and abroad indicates that the early warning method of rock mass collapse disaster based on precursor failure identification in the detachment phase has better timeliness and will also to prove be more useful in future.Meanwhile,the development of an early warning index system of collapse is 收稿日期：2018-09-05 基金项目：国家重点研发计划资助项目(2018Y℉E0101100):国家自然科学基金资助项目(41702371,41572274)：中国博士后科学基金资助项 目(2016M591078):中央高校基本科研业务资助项目(FRF-TP-16014A1)

工程科学学报，第 41 卷，第 4 期: 427--435，2019 年 4 月 Chinese Journal of Engineering，Vol． 41，No． 4: 427--435，April 2019 DOI: 10． 13374 /j． issn2095--9389． 2019． 04． 002; http: / /journals． ustb． edu． cn 基于动力学监测指标的崩塌早期预警研究进展 杜 岩1，2) ，谢谟文1) ，蒋宇静2，3) ，刘卫南1) ，刘日成2) ，刘秋强4) 1) 北京科技大学城市地下空间工程北京市重点实验室，北京 100083 2) 长崎大学工学研究科，长崎 852--8521 3) 山东科技大学矿山灾害预防控制省部共建国家重点实验室培育基地，青岛 266590 4) 中国地质环境监测院，北京 100081 通信作者，E-mail: mowenxie@ ustb． edu． cn 摘 要 崩塌灾害的早期预警一直是岩土工程领域研究的热点问题之一． 传统的监测预警方法监测指标相对单一，更多关注 于加速破坏前兆的识别，使得崩塌的早期预警存在诸多困难． 本文首先引入动力学监测指标，对岩土体破坏过程中的动力响 应进行综述，得出基于固有振动频率等动力学监测指标可以为危岩体的损伤提供数据支持． 随后基于最新的实验研究发现动 力学监测指标可以有效反应边坡的物理力学特征的变化，进而可以实现岩体损伤与稳定性的动态识别和定量判断． 在对国内 外现状进行综述发现，基于分离阶段破坏前兆识别的岩块体崩塌灾害预警思路，具有更好的时效性，是未来崩塌早期预警的 发展方向，同时对崩塌的早期预警指标体系进行展望，得出基于动力学指标、静力学指标和环境量指标三位一体的早期监测 预警指标体系，必将在工程监测与灾害预警方面发挥更大潜力，为从事应对崩塌等脆性破坏灾害预警预防的研究工作者提供 有效参考． 关键词 崩塌; 早期预警; 动力学监测指标; 分离破坏前兆; 监测预警体系 分类号 TG142. 71 收稿日期: 2018--09--05 基金项目: 国家重点研发计划资助项目( 2018YFE0101100) ; 国家自然科学基金资助项目( 41702371，41572274) ; 中国博士后科学基金资助项 目( 2016M591078) ; 中央高校基本科研业务资助项目( FＲF--TP--16--014A1) Ｒesearch progress on dynamic monitoring index for early warning of rock collapse DU Yan1，2) ，XIE Mo-wen1)  ，JIANG Yu-jing2，3) ，LIU Wei-nan1) ，LIU Ｒi-cheng2) ，LIU Qiu-qiang4) 1) Beijing Key Laboratory of Urban Underground Space Engineering，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China 2) Graduate School of Engineering，Nagasaki University，Nagasaki 852-8521，Japan 3) State Key Laboratory of Mining Disaster Prevention and Control，Shandong University of Science and Technology，Qingdao 266590，China 4) China Institute of Geo-Environment Monitoring，Beijing 100081，China Corresponding author，E-mail: mowenxie@ ustb． edu． cn ABSTＲACT Early warning of rock collapse is one of the hot issues in the field of geotechnical engineering． The traditional monito￾ring and early warning methods of monitoring indicators are relatively uniform，with more attention being paid to the identification of ac￾celerated damage precursors，which means that the early warning of collapse disasters has many inherent difficulties． In fact，rock￾block collapse is caused by the dynamic failure of system instability，so it can be more effective to apply kinetic monitoring indicators to realize more scientific early warnings． In this paper，dynamic monitoring indexes were introduced to summarize the dynamic responses of rock and soil failure processes． A dynamic monitoring index based on natural vibration frequency can provide data for detecting dam￾age in a dangerous rock mass． Based on the latest experimental research，it is concluded that the dynamic monitoring index can effec￾tively reflect changes in physical and mechanical characteristics，and thus，can be used to dynamically and quantitatively analyze the damage and stability of a rock mass． A review of the literature on the current development of this field in China and abroad indicates that the early warning method of rock mass collapse disaster based on precursor failure identification in the detachment phase has better timeliness and will also to prove be more useful in future． Meanwhile，the development of an early warning index system of collapse is

·428 工程科学学报，第41卷，第4期 forecasted.An early monitoring and early warning index system based on dynamic,static,and environmental quantity indexes has grea- ter potential for effective engineering monitoring and disaster warning.However,this new early warning method and its tripartite early warning indicator system offers a foundation for better responses to rock collapse in high-risk regions,and thus can improve the current passive prevention approach of rock-block monitoring and reduce the casualties and property losses that follow instantaneous rock col- lapse.This paper provides an effective reference for researchers studying early warning systems and the prevention of brittle damage dis- asters such as collapse. KEY WORDS rock collapse:early warning:kinetic monitoring indicators;failure precursor in detachment phase;monitoring and early warning system 高陡边坡的瞬时崩塌破坏在岩土工程界最为常 自然扰动和采矿等人类活动的影响；张永兴等回分 见，但在监测中成功预警的实例却很少.其原因主 析了岩块体内张性地应力和岩腔发育深度对差异风 要是在边坡上的危岩体监测中，往往是通过静力学 化型岩体破坏的影响：王述红等@对边坡岩块体进 指标（如变形、应力等）或是环境量指标（如地下水、 行稳定性判别，发现危岩块体的划分必须满足3个 降雨量等)来进行监测.通过静力学指标，虽然可以 条件：具有出露面、几何可移动和稳定系数小于规定 识别其破坏，但是预警的时效性有待进一步商榷：而 值.陈洪凯等1针对砂岩和泥岩交互沉积地区 通过对诱发因素等环境量指标的监测预警，虽然可 的危岩崩塌灾害探讨了崩塌形成机制，基于损伤力 以识别其风险，但是预警的科学性和准确率存在一 学和断裂力学对岩块体主控结构面端部损伤特性、 定不足.因此这些指标在土质滑坡或泥石流等塑性 裂隙水压力作用下的疲劳断裂特性、岩体断裂稳定 破坏灾害的早期预警方面可以发挥一定作用，但 性分析方法、岩块体弹冲动力参数和拉剪型危岩发 是在崩塌等脆性破坏灾害的早期预警实现方面存 育过程等做了大量研究并进行相关试验，得出危岩 在一定差距，而发展与脆性破坏灾害相适应的监 破坏具有链式效应，这种链式效应导致岩块体破坏 测预警体系和预警方法，是实现崩塌早期预警的 通常具有群发性，出现链式效应的动力因素应该与 关键所在. 岩体破坏激振效应有关.Valentin等a通过对振动 国内外很多学者都对岩块体的崩塌破坏问题进 监测信号的频谱分析，得出不同的动力学参数（固 行了大量研究，并取得了阶段性成果.Srom与 有振动频率、振幅等)，揭示了动力学指标对岩石断 Korup)认为危岩破坏失稳及其运动致灾过程是不 裂的指示作用，建议可通过检测这种不连续性的存 断演化的动力学过程；Aref等回在对也门山区危岩 在，实现对不稳定岩体的表征 体及落石进行调查后，总结出该地区崩塌破坏的诱 这些丰富的案例研究表明，岩体的崩塌破坏在 发因素，并提出相应的加固措施；Freyssines和Ha- 发生脆性动力学破坏的过程中，也伴随着强度的实 tz)通过沉积地区的岩体崩塌灾害分析了高陡边 时退化叨.事实上，崩塌的核心是其主控结构面的 坡岩体的破坏机制；Huang等0认为对于不同的岩 损伤和断裂的扩展，因此如何识别其结构面的损 体须根据其赋存的地质环境差异和威胁对象不同， 伤并对其进行动态识别是崩塌破坏早期预警的关 应采用不同的防治等级和针对性的技术方法； 键.根据结构动力学理论，动力学监测指标与结构 Youssef等对Raidah悬崖公路旁边的岩质边坡进 体的物理性质有关.而结构发生破坏或损伤必先导 行稳定性分析，发现六处可能发生岩块体崩塌滑落 致结构体物理参数发生变化.因此，动力学监测指 的区域，后通过数值分析得出其中四处威胁公路安 标必然会在结构体发生损伤时产生变化9-0，同时 全，并提出相应的工程措施；Roym等使用地面激 基于振动的监测技术可以测得许多复杂结构损 光雷达对边坡岩块体进行了长期的时空变形分析， 伤1-四.这些理论研究和技术的发展为崩塌灾害 对发生高落石的9个区域进行变形监测，增加了对 安全监测与早期预警提供了新的技术思路.基于 岩落破坏前兆特征的认知：Wang等)对飞凤山的 此，本研究从监测指标、实验研究、应用技术开发等 某边坡岩体进行定量风险分析，通过对旱季和雨季 多个方面进行文献综述与分析，基于动力学指标监 发生的破坏的概率、波及范围等方面的评估，为当地 测对岩体崩塌灾害的损伤识别、动态稳定性评价等 管理者做出科学决策提供参考；许强等侧在对重庆 进行综述，提出适用于崩塌等脆性破坏灾害的新的 武隆鸡尾山特大型山体崩塌案例中研究发现，岩体 技术理论和监测指标体系，以便为崩塌灾害早期预 不仅赋存不良的地质构造，且长期受到来自岩溶等 警的实现提供参考

工程科学学报，第 41 卷，第 4 期 forecasted． An early monitoring and early warning index system based on dynamic，static，and environmental quantity indexes has grea￾ter potential for effective engineering monitoring and disaster warning． However，this new early warning method and its tripartite early warning indicator system offers a foundation for better responses to rock collapse in high-risk regions，and thus can improve the current passive prevention approach of rock-block monitoring and reduce the casualties and property losses that follow instantaneous rock col￾lapse． This paper provides an effective reference for researchers studying early warning systems and the prevention of brittle damage dis￾asters such as collapse． KEY WOＲDS rock collapse; early warning; kinetic monitoring indicators; failure precursor in detachment phase; monitoring and early warning system 高陡边坡的瞬时崩塌破坏在岩土工程界最为常 见，但在监测中成功预警的实例却很少． 其原因主 要是在边坡上的危岩体监测中，往往是通过静力学 指标( 如变形、应力等) 或是环境量指标( 如地下水、 降雨量等) 来进行监测． 通过静力学指标，虽然可以 识别其破坏，但是预警的时效性有待进一步商榷; 而 通过对诱发因素等环境量指标的监测预警，虽然可 以识别其风险，但是预警的科学性和准确率存在一 定不足． 因此这些指标在土质滑坡或泥石流等塑性 破坏灾害的早期预警方面可以发挥一定作用，但 是在崩塌等脆性破坏灾害的早期预警实现方面存 在一定差距，而发展与脆性破坏灾害相适应的监 测预警体系和预警方法，是实现崩塌早期预警的 关键所在． 国内外很多学者都对岩块体的崩塌破坏问题进 行了 大 量 研 究，并取得了阶段性成果． Strom 与 Korup［1］认为危岩破坏失稳及其运动致灾过程是不 断演化的动力学过程; Aref 等［2］在对也门山区危岩 体及落石进行调查后，总结出该地区崩塌破坏的诱 发因素，并提出相应的加固措施; Freyssines 和 Ha￾ntz［3］通过沉积地区的岩体崩塌灾害分析了高陡边 坡岩体的破坏机制; Huang 等［4］认为对于不同的岩 体须根据其赋存的地质环境差异和威胁对象不同， 应采用不同的防治等级和针对性的技术方法; Youssef 等［5］对 Ｒaidah 悬崖公路旁边的岩质边坡进 行稳定性分析，发现六处可能发生岩块体崩塌滑落 的区域，后通过数值分析得出其中四处威胁公路安 全，并提出相应的工程措施; Ｒoyán 等［6］使用地面激 光雷达对边坡岩块体进行了长期的时空变形分析， 对发生高落石的 9 个区域进行变形监测，增加了对 岩落破坏前兆特征的认知; Wang 等［7］对飞凤山的 某边坡岩体进行定量风险分析，通过对旱季和雨季 发生的破坏的概率、波及范围等方面的评估，为当地 管理者做出科学决策提供参考; 许强等［8］在对重庆 武隆鸡尾山特大型山体崩塌案例中研究发现，岩体 不仅赋存不良的地质构造，且长期受到来自岩溶等 自然扰动和采矿等人类活动的影响; 张永兴等［9］分 析了岩块体内张性地应力和岩腔发育深度对差异风 化型岩体破坏的影响; 王述红等［10］对边坡岩块体进 行稳定性判别，发现危岩块体的划分必须满足 3 个 条件: 具有出露面、几何可移动和稳定系数小于规定 值． 陈洪凯等［11--15］针对砂岩和泥岩交互沉积地区 的危岩崩塌灾害探讨了崩塌形成机制，基于损伤力 学和断裂力学对岩块体主控结构面端部损伤特性、 裂隙水压力作用下的疲劳断裂特性、岩体断裂稳定 性分析方法、岩块体弹冲动力参数和拉剪型危岩发 育过程等做了大量研究并进行相关试验，得出危岩 破坏具有链式效应，这种链式效应导致岩块体破坏 通常具有群发性，出现链式效应的动力因素应该与 岩体破坏激振效应有关． Valentin 等［16］通过对振动 监测信号的频谱分析，得出不同的动力学参数( 固 有振动频率、振幅等) ，揭示了动力学指标对岩石断 裂的指示作用，建议可通过检测这种不连续性的存 在，实现对不稳定岩体的表征． 这些丰富的案例研究表明，岩体的崩塌破坏在 发生脆性动力学破坏的过程中，也伴随着强度的实 时退化［17］． 事实上，崩塌的核心是其主控结构面的 损伤和断裂的扩展［18］，因此如何识别其结构面的损 伤并对其进行动态识别是崩塌破坏早期预警的关 键． 根据结构动力学理论，动力学监测指标与结构 体的物理性质有关． 而结构发生破坏或损伤必先导 致结构体物理参数发生变化． 因此，动力学监测指 标必然会在结构体发生损伤时产生变化［19--20］，同时 基于振动的监测技术可以测得许多复杂结构损 伤［21--22］． 这些理论研究和技术的发展为崩塌灾害 安全监测与早期预警提供了新的技术思路． 基于 此，本研究从监测指标、实验研究、应用技术开发等 多个方面进行文献综述与分析，基于动力学指标监 测对岩体崩塌灾害的损伤识别、动态稳定性评价等 进行综述，提出适用于崩塌等脆性破坏灾害的新的 技术理论和监测指标体系，以便为崩塌灾害早期预 警的实现提供参考． · 824 ·

杜岩等：基于动力学监测指标的崩塌早期预警研究进展 ·429· 力特征监测在理论、室内实验和初期应用实践可以 1动力学监测指标 为危岩体的损伤识别和安全评价提供新的技术支 通常，结构可以被认为由刚度、质量、阻尼等物 持：一方面可以定量识别岩块体的损伤，识别崩塌破 理参数组成的力学系统.一旦结构发生损伤，必然 坏前的动力破坏前兆，另一方面也促进了基于输出 起系统物理特性的变化，进而导致动力学监测指 模态损伤识别技术的安全评价方法的发展，为工 标的变化.常用的指标参数主要有：固有振动频率、 程现场形成一套考虑累计损伤的实时安全评价和早 阻尼比、模态振型、模态应变能、模态曲率、模态柔 期预警方法提供数据支持 度、模态刚度、传递函数等.基于结构动力学，通过 2基础实验研究 选取合理的动力学监测指标，将测得的动力特征参 数与基准值做比较，对结构损伤进行定性乃至定量 2.1岩块体稳定评价基础实验 分析，是最为典型的损伤识别方法. 崩塌的核心是岩体主控结构面的断裂扩展，而 国内外学者在对岩土体破坏过程中的动力学监 如何识别其断裂情况是早期预警的关键问题之一. 测上做了大量工作.王来贵等从动力学系统稳 基于此，Ma等网以混凝土试块为例，通过改变其黏 定性的观点出发，认为滑体滑动的稳定与滑动的阻 结面积，将频率监测与试块安全性系数进行比较，取 尼性质密切相关，系统存在的正负阻尼的差别，是边 得了良好的效果.如图1所示，通过改变黏结面积 坡稳定与破坏的一个标志，并提出判别边坡滑动系 的形式来测量滑体在不同损伤条件下的频率变化 统稳定性的准则.林成功认为边坡于地震期间 情况 的动力行为的变化是受地震波特性、边坡几何形状、 材料性质及是否有弱面存在等因素的影响，指出动 力数值分析法是最佳模拟应力应变行为的方法. Zheng等根据现场调查，发现汶川地震引起的边 坡破坏是由地震的蹦床机理效应所致，以此提出了 一种新的“多元加速度模型”，并在振动台试验中进 行验证.殷跃平等运用FLAC3D模拟大光包滑 坡变形失稳特征，并输入距离滑坡约4.3km的清平 图1模型示意图 Fig.1 Schematic of the model 台站强震加速度三向记录，认为动力响应较为复杂， 其结果与岩体结构等多种因素有关.Burjanek等m 表1为岩块体模型实验数据结果及误差分析 利用环境振动来分析边坡的动力响应，得出在不稳 结果可知：根据黏结面积得出的抗滑力与频率计算 定边坡测点的光谱比与稳定边坡测点相比表现出放 出来的折减系数误差在5%左右.误差来源主要是 大效应和一定的方向性，并得出固有振动频率分析 黏结层物理属性不同造成动力响应不同阅，从而引 可以有效分析边坡的物理参数变化.随后Burjanek 起的频率误差.基于结构面物理参数测试困难，用 等网又通过一k方法、基点光谱比率法和时频依赖 动力学指标，可反向分析岩块体的损伤和断裂情 极化等方法对潜在不稳定边坡体的波场进行分析， 况，使得崩塌的早期预警在理论上成为可能 据此划分边坡体的不稳定区域，这种边坡动力特征 表1实验数据误差分析 评价是一种十分新颖的评价方法，可有效将稳定区 Table 1 Analysis of the experimental data error 域与不稳定区域进行划分.Gao等四用依据二维动 有效黏结实际折减 频率/ 计算折减误差/ 力学模型和加速度计成功监测山体隧洞的损伤，并 模型 面积/m2 系数/% Hz 系数/% % 验证了基于固有振动频率的动力特性参数监测技术 1 0.048 310 可以有效评价结构的健康状况，这为危岩体的安全 2* 0.030 62.5 210 67.7 5.2 监测与损伤识别提供了新的技术思路. 3# 0.015 31.3 111 35.4 4.1 相比较于其他动力学监测指标，基于固有振动 频率的损伤识别不需要较多的测点与转动自由度等 随着黏结面积的减少，频率也发生相应下降 测试信息0，因此，固有振动频率作为一个简单直 由实验可知，自振频率可以有效反应边坡损伤后潜 接易得的动力特征参数，首先应用于工程监测领域 在滑移面的结构参数变化.随着岩体因地震，或是 变得可能.最新的研究也表明，固有振动频率等动 降雨引起的抗滑面物理力学等属性的变化的，必然

杜 岩等: 基于动力学监测指标的崩塌早期预警研究进展 1 动力学监测指标 通常，结构可以被认为由刚度、质量、阻尼等物 理参数组成的力学系统． 一旦结构发生损伤，必然 引起系统物理特性的变化，进而导致动力学监测指 标的变化． 常用的指标参数主要有: 固有振动频率、 阻尼比、模态振型、模态应变能、模态曲率、模态柔 度、模态刚度、传递函数等． 基于结构动力学，通过 选取合理的动力学监测指标，将测得的动力特征参 数与基准值做比较，对结构损伤进行定性乃至定量 分析，是最为典型的损伤识别方法． 国内外学者在对岩土体破坏过程中的动力学监 测上做了大量工作． 王来贵等［23］从动力学系统稳 定性的观点出发，认为滑体滑动的稳定与滑动的阻 尼性质密切相关，系统存在的正负阻尼的差别，是边 坡稳定与破坏的一个标志，并提出判别边坡滑动系 统稳定性的准则． 林成功［24］认为边坡于地震期间 的动力行为的变化是受地震波特性、边坡几何形状、 材料性质及是否有弱面存在等因素的影响，指出动 力数值分析法是最佳模拟应力应变行为的方法． Zheng 等［25］根据现场调查，发现汶川地震引起的边 坡破坏是由地震的蹦床机理效应所致，以此提出了 一种新的“多元加速度模型”，并在振动台试验中进 行验证． 殷跃平等［26］运用 FLAC3D 模拟大光包滑 坡变形失稳特征，并输入距离滑坡约 4. 3 km 的清平 台站强震加速度三向记录，认为动力响应较为复杂， 其结果与岩体结构等多种因素有关． Burjánek 等［27］ 利用环境振动来分析边坡的动力响应，得出在不稳 定边坡测点的光谱比与稳定边坡测点相比表现出放 大效应和一定的方向性，并得出固有振动频率分析 可以有效分析边坡的物理参数变化． 随后 Burjánek 等［28］又通过 f--k 方法、基点光谱比率法和时频依赖 极化等方法对潜在不稳定边坡体的波场进行分析， 据此划分边坡体的不稳定区域，这种边坡动力特征 评价是一种十分新颖的评价方法，可有效将稳定区 域与不稳定区域进行划分． Gao 等［29］用依据二维动 力学模型和加速度计成功监测山体隧洞的损伤，并 验证了基于固有振动频率的动力特性参数监测技术 可以有效评价结构的健康状况，这为危岩体的安全 监测与损伤识别提供了新的技术思路． 相比较于其他动力学监测指标，基于固有振动 频率的损伤识别不需要较多的测点与转动自由度等 测试信息［30］，因此，固有振动频率作为一个简单直 接易得的动力特征参数，首先应用于工程监测领域 变得可能． 最新的研究也表明，固有振动频率等动 力特征监测在理论、室内实验和初期应用实践可以 为危岩体的损伤识别和安全评价提供新的技术支 持: 一方面可以定量识别岩块体的损伤，识别崩塌破 坏前的动力破坏前兆，另一方面也促进了基于输出 模态损伤识别技术的安全评价方法的发展［31］，为工 程现场形成一套考虑累计损伤的实时安全评价和早 期预警方法提供数据支持． 2 基础实验研究 2. 1 岩块体稳定评价基础实验 崩塌的核心是岩体主控结构面的断裂扩展，而 如何识别其断裂情况是早期预警的关键问题之一． 基于此，Ma 等［32］以混凝土试块为例，通过改变其黏 结面积，将频率监测与试块安全性系数进行比较，取 得了良好的效果． 如图 1 所示，通过改变黏结面积 的形式来测量滑体在不同损伤条件下的频率变化 情况． 图 1 模型示意图 Fig． 1 Schematic of the model 表 1 为岩块体模型实验数据结果及误差分析． 结果可知: 根据黏结面积得出的抗滑力与频率计算 出来的折减系数误差在 5% 左右． 误差来源主要是 黏结层物理属性不同造成动力响应不同［33］，从而引 起的频率误差． 基于结构面物理参数测试困难，用 动力学指标，可反向分析岩块体的损伤和断裂情 况［34］，使得崩塌的早期预警在理论上成为可能． 表 1 实验数据误差分析 Table 1 Analysis of the experimental data error 模型 有效黏结 面积/m2 实际折减 系数/% 频率/ Hz 计算折减 系数/% 误差/ % 1# 0. 048 — 310 — — 2# 0. 030 62. 5 210 67. 7 5. 2 3# 0. 015 31. 3 111 35. 4 4. 1 随着黏结面积的减少，频率也发生相应下降． 由实验可知，自振频率可以有效反应边坡损伤后潜 在滑移面的结构参数变化． 随着岩体因地震，或是 降雨引起的抗滑面物理力学等属性的变化［35］，必然 · 924 ·

·430 工程科学学报，第41卷，第4期 会在结构固有频率的监测中有所体现. 过实测的固有振动频率来实现对潜在滑移面的黏结 随后，Ma等的又分别对不同边坡坡度和不同 力指标的动态修正，从而快速得出边坡上的危险岩 质量滑块等做了一系列实验，进一步证明固有振动 土体的安全系数，并取得了与现场实际相吻合的结 频率不仅定量可以分析岩体的损伤情况，同时还可 果.基于强度折减原理和地理信息系统三维安全分 以为数值模拟在滑移面的结构参数选取上提供数据 析模块，通过实时监测的动力学监测指标对黏结力 支持B切 参量进行调整，实现坡体更加客观的强度折减.通 2.2危岩体动态稳定评价方法 过试验和实际边坡的应用，基于模态参量变化的动 杜岩等通过简化动力模型（图2），建立振动 态数值分析，避开了数值模拟参数选取困难和极限 方程及其频率如下： 平衡法主观缺点，实现了岩质边坡或边坡岩体的动 态安全评价. 大量的实验研究表明，动力学监测指标对危岩 体损伤和稳定性评价具有一定的指示作用，建立与 0 12 之相关的监测预警指标体系，可有助于形成基于稳 定性分析的岩体崩塌损伤识别方法，进而实现崩塌 灾害的早期预警预报. 图2简化实验模型 3崩塌灾害早期预警 Fig.2 Simplified experimental model 3.1传统预警方法 ML0 USP 基于应力应变等静力学监测指标或降雨量等环 29=0 (1) 境量监测指标，在对于崩塌等脆性灾害的早期预警 1 LSP 方面具有一定局限，主要有以下两个方面制约. f=2√2MD (2) 一是早期预警的思路存在明显的缺陷.如图4 其中：f为固有振动频率，Hz;M为试块质量，kg;L为 所示，土质滑坡等塑性灾害加速破坏阶段较长，破坏 型心到原点O的距离，mmu为黏结系数，N·mm-2; 前有明显的破坏前兆，如位移增大等，且其前兆异常 S为模块宽度，mm;l为黏结长度，mm;0为转角， 事件与其发生时刻有较大的时间差，因此可以实现 ():g为重力加速度，ms2. 早期预警：而崩塌破坏加速破坏阶段时间很短，因此 通过公式(2)，将频率与抗滑力指标黏结系数 关注破坏阶段并对其破坏前兆进行识别虽然可以实 建立相关关系，并在实验中进行验证 现其破坏时刻的准确识别，但没有充分的预警避险 图3为实验模型.滑体与基座之间的潜在滑移 时间，很难达到早期预警的目的.因此，基于加速破 面黏结强度随着时间推移不断降低，并最终在重力 坏前兆识别的早期预警思路来对崩塌等脆性破坏灾 作用下发生破坏.实验得出，在滑体与基座之间的 害具有明显的不适用性 潜在滑移面随着时间黏结力逐渐减弱的过程中，固 二是取用的监测指标不能满足脆性破坏早期预 有振动频率不断下降，并通过固有振动频率的变化 警的需要.岩块体崩塌多是岩体与边坡岩体黏结程 模拟滑坡体的抗滑黏结力强度变化. 度不断降低而最终导致的动力破坏.在这个变化过 随后，杜岩等B9-应用激光多普勒测振仪，通 程中，高精度的应力应变监测以及相应的环境量监 测虽然在识别崩塌的结果与风险评价上起到一定的 16cm 30 25 一土质滑坡→崩塌 破坏时刻 滑体 s204 10 潜在滑移面← 基座0-309 20 4060 80 100120 时间/s 图3实验模型 图4土质滑坡与崩塌破坏特征对比 Fig.3 Experimental model Fig.4 Comparison of soil landslide and rock collapse

工程科学学报，第 41 卷，第 4 期 会在结构固有频率的监测中有所体现． 随后，Ma 等［36］又分别对不同边坡坡度和不同 质量滑块等做了一系列实验，进一步证明固有振动 频率不仅定量可以分析岩体的损伤情况，同时还可 以为数值模拟在滑移面的结构参数选取上提供数据 支持［37］． 2. 2 危岩体动态稳定评价方法 杜岩等［38］通过简化动力模型( 图 2) ，建立振动 方程及其频率如下: 图 2 简化实验模型 Fig． 2 Simplified experimental model ML2 θ ·· + μSl2 2 θ = 0 ( 1) f = 1 2π μSl2 槡2ML2 ( 2) 其中: f 为固有振动频率，Hz; M 为试块质量，kg; L 为 型心到原点 O 的距离，mm; μ 为黏结系数，N·mm － 2 ; S 为模块宽度，mm; l 为黏结长度，mm; θ 为转角， ( °) ; g 为重力加速度，m·s － 2 ． 通过公式( 2) ，将频率与抗滑力指标黏结系数 建立相关关系，并在实验中进行验证． 图 3 为实验模型． 滑体与基座之间的潜在滑移 面黏结强度随着时间推移不断降低，并最终在重力 作用下发生破坏． 实验得出，在滑体与基座之间的 潜在滑移面随着时间黏结力逐渐减弱的过程中，固 有振动频率不断下降，并通过固有振动频率的变化 模拟滑坡体的抗滑黏结力强度变化． 图 3 实验模型 Fig． 3 Experimental model 随后，杜岩等［39--43］应用激光多普勒测振仪，通 过实测的固有振动频率来实现对潜在滑移面的黏结 力指标的动态修正，从而快速得出边坡上的危险岩 土体的安全系数，并取得了与现场实际相吻合的结 果． 基于强度折减原理和地理信息系统三维安全分 析模块，通过实时监测的动力学监测指标对黏结力 参量进行调整，实现坡体更加客观的强度折减． 通 过试验和实际边坡的应用，基于模态参量变化的动 态数值分析，避开了数值模拟参数选取困难和极限 平衡法主观缺点，实现了岩质边坡或边坡岩体的动 态安全评价． 大量的实验研究表明，动力学监测指标对危岩 体损伤和稳定性评价具有一定的指示作用，建立与 之相关的监测预警指标体系，可有助于形成基于稳 定性分析的岩体崩塌损伤识别方法，进而实现崩塌 灾害的早期预警预报． 3 崩塌灾害早期预警 3. 1 传统预警方法 基于应力应变等静力学监测指标或降雨量等环 境量监测指标，在对于崩塌等脆性灾害的早期预警 方面具有一定局限，主要有以下两个方面制约． 一是早期预警的思路存在明显的缺陷． 如图 4 所示，土质滑坡等塑性灾害加速破坏阶段较长，破坏 前有明显的破坏前兆，如位移增大等，且其前兆异常 事件与其发生时刻有较大的时间差，因此可以实现 早期预警; 而崩塌破坏加速破坏阶段时间很短，因此 关注破坏阶段并对其破坏前兆进行识别虽然可以实 现其破坏时刻的准确识别，但没有充分的预警避险 时间，很难达到早期预警的目的． 因此，基于加速破 坏前兆识别的早期预警思路来对崩塌等脆性破坏灾 害具有明显的不适用性． 图 4 土质滑坡与崩塌破坏特征对比 Fig． 4 Comparison of soil landslide and rock collapse 二是取用的监测指标不能满足脆性破坏早期预 警的需要． 岩块体崩塌多是岩体与边坡岩体黏结程 度不断降低而最终导致的动力破坏． 在这个变化过 程中，高精度的应力应变监测以及相应的环境量监 测虽然在识别崩塌的结果与风险评价上起到一定的 · 034 ·

杜岩等：基于动力学监测指标的崩塌早期预警研究进展 ·431· 效果，但是在预警时效性、正确率和准确性方面 二是加速破坏阶段，则伴随着潜在破坏面的强 还有待考量.以位移变形为例，可以根据变形一时 度的丧失并产生崩塌破坏 间曲线，提出的不同尺度的时间预测预报模型和方 在过去的几十年时间里，人们在地质灾害的早 法，如采用速度倒数模型或斋藤迪孝模型等，但是因 期预警研究中，更加关注的是加速破坏阶段，预警思 崩塌加速变形阶段的快速性和突发性，使其很难满 路往往过多关注于识别加速破坏前兆事件，故难以 足在加速变形前实现崩塌的早期预警的， 实现崩塌等具有脆性破坏特征灾害的早期预警.大 因此，转变目前的预警思路，并建立与脆性破坏 量群测群防资料也显示，基于加速破坏阶段前兆识 相适应的早期预警指标体系，是岩体崩塌等脆性破 别的早期预警思路，虽然可以实现对崩塌灾害的判 坏灾害早期预警的必然选择.越来越多的研究表 识，但是无法实现崩塌的早期预警：而通过分离阶段 明，边坡上的岩块体崩塌等脆性破坏多是系统不稳 的早期预警，往往可以实现崩塌的早期预警预防 定导致的动力破坏6-切，且发生破坏时的动力学指 因此在针对崩塌等脆性破坏中，关注分离阶段前兆 标前兆现象十分明显网.因此，选取合适的预警思 识别的预警思路，是改变岩块体崩塌等脆性破坏灾 路并建立含有动力学监测指标的预警指标体系，才 害早期预警被动预防态势的有效手段之一 能有效改变目前崩塌灾害监测被动预防的态势 表2为脆性破坏灾害不同阶段的预警效果对比 3.2基于分离阶段破坏前兆的早期预警 分析.由表2可知，基于稳定阶段的预警历时太久， 前人在对块体崩塌破坏进行预警研究发现，岩 无法起到预警效果；而基于加速或是破坏阶段，则时 块体在破坏前，一般需要经历两个阶段网： 效性较差，没有充分的预警避险时间，只能指示崩塌 一是分离阶段，通常伴随裂隙的扩展、小变形或 的发生或进行相关反演计算：但在分离阶段或是分 是小颗粒岩石的掉落等： 离→加速过渡期实施预警，却具有较好的时效性。 表2不同阶段的预警效果 Table 2 Warning effects at different stages 阶段 稳定阶段 分离阶段 分离→加速 加速阶段 破坏阶段 般持续时间 几十年 多天 数十秒 数秒 数十毫秒 距破坏时刻 10s以远 10s以远 10s以内 1s以内 预警时效性 太久 合适 合适 差 差 由于岩体崩塌等不可控的能量释放可能由一系 监测中，监测指标不能主动识别主控结构面的损伤， 列小事件引起@，因此从早期预警的实际需求出 因此导致预警的显著滞后，在235s才实现黄色预 发，实现并发展基于分离破坏前兆识别的岩块体崩 警，如图5所示：而基于应力一频率多指标对比分 塌灾害预警思路，可为工程现场提供一种相对可行 析，对应力的预警指标进行动态调整，实现了岩体在 的针对岩体脆性破坏灾害的早期预警思路：应用激 地震及环境发生重大变化下的内部损伤和健康状况 光测振等多种监测技术对分离阶段破坏前兆进行预 的考量，可提前15s实现预警（图6）. 警识别，充分利用“分离阶段”或“分离→加速阶段” 实际应力 这些脆性破坏的预警黄金时间，进而满足工程应急 红色预警线 黄色预警线 避险预警的需要，实现崩塌灾害早期预警之目的 3.3崩塌监测预警指标体系 针对岩体脆性破坏灾害，除了形成合理的预警 ☒3 思路，还需建立与之相适应的预警指标体系.大量 24 案例证明，相对单一的预警指标虽然可以在具体的 工程应用中起到一定作用，但是暴露的缺点也是毋 50 100 150 200 250300 时间/s 庸置疑的.以单一位移指标为例，无法实现崩塌等 图5固定预警线指标预警分析网 脆性破坏的早期预警：但通过频率等多指标监测，可 Fig.5 Safety analysis based on fixed waming line index 识别其分离阶段破坏前兆，从而可以实现对崩塌等 脆性破坏的早期预警识别即.另外，以单一的应力 因此，多监测指标的相互验证与结合，可以提供 指标和应力一频率多指标对比为例：在单一的应力 预警效果.而开发一套与崩塌灾害早期预警相适应

杜 岩等: 基于动力学监测指标的崩塌早期预警研究进展 效果［44］，但是在预警时效性、正确率和准确性方面 还有待考量． 以位移变形为例，可以根据变形—时 间曲线，提出的不同尺度的时间预测预报模型和方 法，如采用速度倒数模型或斋藤迪孝模型等，但是因 崩塌加速变形阶段的快速性和突发性，使其很难满 足在加速变形前实现崩塌的早期预警［45］． 因此，转变目前的预警思路，并建立与脆性破坏 相适应的早期预警指标体系，是岩体崩塌等脆性破 坏灾害早期预警的必然选择． 越来越多的研究表 明，边坡上的岩块体崩塌等脆性破坏多是系统不稳 定导致的动力破坏［46--47］，且发生破坏时的动力学指 标前兆现象十分明显［48］． 因此，选取合适的预警思 路并建立含有动力学监测指标的预警指标体系，才 能有效改变目前崩塌灾害监测被动预防的态势． 3. 2 基于分离阶段破坏前兆的早期预警 前人在对块体崩塌破坏进行预警研究发现，岩 块体在破坏前，一般需要经历两个阶段［49］: 一是分离阶段，通常伴随裂隙的扩展、小变形或 是小颗粒岩石的掉落等; 二是加速破坏阶段，则伴随着潜在破坏面的强 度的丧失并产生崩塌破坏． 在过去的几十年时间里，人们在地质灾害的早 期预警研究中，更加关注的是加速破坏阶段，预警思 路往往过多关注于识别加速破坏前兆事件，故难以 实现崩塌等具有脆性破坏特征灾害的早期预警． 大 量群测群防资料也显示，基于加速破坏阶段前兆识 别的早期预警思路，虽然可以实现对崩塌灾害的判 识，但是无法实现崩塌的早期预警; 而通过分离阶段 的早期预警，往往可以实现崩塌的早期预警预防． 因此在针对崩塌等脆性破坏中，关注分离阶段前兆 识别的预警思路，是改变岩块体崩塌等脆性破坏灾 害早期预警被动预防态势的有效手段之一． 表 2 为脆性破坏灾害不同阶段的预警效果对比 分析． 由表 2 可知，基于稳定阶段的预警历时太久， 无法起到预警效果; 而基于加速或是破坏阶段，则时 效性较差，没有充分的预警避险时间，只能指示崩塌 的发生或进行相关反演计算; 但在分离阶段或是分 离→加速过渡期实施预警，却具有较好的时效性． 表 2 不同阶段的预警效果 Table 2 Warning effects at different stages 阶段 稳定阶段 分离阶段 分离→加速 加速阶段 破坏阶段 一般持续时间 几十年 多天 数十秒 数秒 数十毫秒 距破坏时刻 — 10 s 以远 10 s 以远 10 s 以内 1 s 以内 预警时效性 太久 合适 合适 差 差 由于岩体崩塌等不可控的能量释放可能由一系 列小事件引起［50］，因此从早期预警的实际需求出 发，实现并发展基于分离破坏前兆识别的岩块体崩 塌灾害预警思路，可为工程现场提供一种相对可行 的针对岩体脆性破坏灾害的早期预警思路: 应用激 光测振等多种监测技术对分离阶段破坏前兆进行预 警识别，充分利用“分离阶段”或“分离→加速阶段” 这些脆性破坏的预警黄金时间，进而满足工程应急 避险预警的需要，实现崩塌灾害早期预警之目的． 3. 3 崩塌监测预警指标体系 针对岩体脆性破坏灾害，除了形成合理的预警 思路，还需建立与之相适应的预警指标体系． 大量 案例证明，相对单一的预警指标虽然可以在具体的 工程应用中起到一定作用，但是暴露的缺点也是毋 庸置疑的． 以单一位移指标为例，无法实现崩塌等 脆性破坏的早期预警; 但通过频率等多指标监测，可 识别其分离阶段破坏前兆，从而可以实现对崩塌等 脆性破坏的早期预警识别［31］． 另外，以单一的应力 指标和应力--频率多指标对比为例: 在单一的应力 监测中，监测指标不能主动识别主控结构面的损伤， 因此导致预警的显著滞后，在 235 s 才实现黄色预 警，如图 5 所示; 而基于应力--频率多指标对比分 析，对应力的预警指标进行动态调整，实现了岩体在 地震及环境发生重大变化下的内部损伤和健康状况 的考量，可提前 15 s 实现预警( 图 6) ． 图 5 固定预警线指标预警分析［39］ Fig． 5 Safety analysis based on fixed warning line index［39］ 因此，多监测指标的相互验证与结合，可以提供 预警效果． 而开发一套与崩塌灾害早期预警相适应 · 134 ·