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中关村智连灾感院谢谟文:微芯桩,地质灾害侦察卫士

用InSAR等遥感技术解决滑坡地质灾害预警问题前景广阔,但任重而道远。

地质灾害的发生不像物理、化学这些学科有明确的定量规律,每一个地灾点都存在差异,甚至每天都不一样,因为“地灾是活的”。“地灾隐患在哪里?”“什么时间可能发生?”一直是地质工作者努力探索解决的两大核心问题,然而地质灾害的早期预警仍是一项世界性难题。

我国是地质灾害多发的国家之一,每年都会有大大小小不同的地质灾害发生。崩塌、滑坡、泥石流、地面沉降等地质灾害时常威胁着人们的安全,造成生命财产损失。到了汛期,地灾防治形势会更加严峻。

中关村智连灾害感知科学研究院(下称“研究院”)院长谢谟文教授和他的团队首次构建了边坡失稳早期预警理论体系及预警模型,较好地解决了无法对地质灾害进行早期预警的技术难题。该团队研发的“微芯”系列监测预警系统,已经多次在一线“立功”,赢得“侦察卫士”的美誉。

“侦察卫士”守护生命安全

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。随即,专业人员采用星载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,处于持续下滑状态,存在大规模垮塌风险。利用无人机遥感获取滑坡区影像解译,测得滑坡体总体积约400万立方米。

“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。”谢谟文告诉记者,他在成都勘测设计研究院的一位同学打来电话,请求技术支持。谢谟文二话没说,第二天一早就“飞”到滑坡现场,并迅速组织安装了14个微芯桩预警装置,部署了预警系统。该系统可以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,处在滑坡后缘的2号微芯桩连续发生较大振动并发出预警,“当时我刚好在现场,随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,发生了山体滑坡,大量巨石滚落。这次,‘侦察卫士’又立功了。”谢谟文介绍说,2018、2019的两年时间里,大渡河猴子岩库区的预警系统,成功预警避险滑坡8次,预警成功率达100%,确保了丹巴70万人交通要道的通畅和安全,以及坡下3000名施工人员的安全,并保证高峰期2万辆车的顺利通行,为水电站带来了2.2亿元的经济效益,微芯桩因此获得“侦察卫士”的美誉。

如今,该处滑坡仍在持续,两年内已经下滑了28米,微芯桩预警系统时刻没有松懈,依然坚守岗位,守护一方百姓出行安全。

在另一处现场——广东梅州兴宁市居民在原始山体大规模削坡建房,住宅紧邻坡脚,距离最近处约3米,而且边坡没有任何支护措施,山体局部明显变形,存在大量裂缝,当地居民安全受到威胁。

2020年1月9日,经多方商议,该处建立起了危险边坡自动化安全监测预警系统,对边坡进行全天候、自动化、一站式实时监测。根据边坡的地形情况,现场共设置了5个微芯桩监测点、1个雨量监测站点、1个视频监测站点。

今年入汛以来,监测人员密切关注该处边坡的安全状态。4月23日10时和4月24日1时,现场2号点微芯桩捕捉到崩塌体两次振动;24日5时,倾角累计变化量达到2度以上,即发生了形变,监测预警平台通过专业数学预警模型分析立即发出预警信息,技术人员立即通知附近村民疏散;6时,系统再次捕捉到边坡振动突变,平台再次发出预警信息;7时,崩塌体发生局部垮塌,由于疏散及时,避免了一次重大灾害的发生。目前边坡体仍处于数据不稳定期,仍有可能发生更大规模的崩塌,微芯桩经过重新布设,又一次履行“时刻守护群众安全”的使命。

“微芯桩”解决地质灾害早期预警难题,这只是它技能的冰山一角。在深圳鹿丹村基坑监测中,它也提前46小时成功预警基坑地面塌陷和突水,使周边多栋高层住宅破坏险情得以避免;在大渡河流域、金沙江流域等地数十个滑坡灾害点和重特大危险点监测中,曾经20次有效预警大规模滑坡垮塌,避免了多次重特大安全事故发生,避免直接经济损失达9.8亿元。

找到“静”与“动”的平衡点

科学研究的基本逻辑就是发现问题、分析问题、提出问题、解决问题以及持续改进的过程。如何用最简单的理论解决地质灾害预警,是谢谟文研发团队一直在思考的问题。

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,且无法实现早期预警。“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去监测的问题。”谢谟文深入浅出对记者讲起他的边坡失稳动力学理论及安全度模型,讲动与静的物理原理。

边坡失稳是指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的阶段变化。谢谟文一边将办公桌上的一只电脑鼠标拖动到桌子边沿一边解释说,为什么这只鼠标从1公分移动到15公分是安全的,但为什么从这儿再往前移动1公分就会出现危险呢?答案是重心偏移发生了突变。就如老人为什么会摔倒,这不是位移引发的,而是重心偏移造成的。

中关村智连灾感院谢谟文:微芯桩,地质灾害侦察卫士微芯桩解决了地灾监测普适性难题

去年,在贵阳召开的地质灾害监测新技术新方法交流推介会上,自然资源部地质勘测管理司司长于海峰表示,地勘部门要针对不同灾害点,安装不同设备,需要相关企业继续大力投入研发、降低成本、提高产品性能、推广普适性设备。可见,不久后大批量的普适性设备将进场竞技。

那么,未来市场如何开拓?技术如何创新?商业模式如何运营?谢谟文有了初步想法,并正在规划实施中,即“技术+管理+保险”的商业模式。他解释说,“这是我们开始建设研究院时就提出的目标:一是技术降低风险,要有叫得响的产品;二是管理是提升安全的保障,技术与管理结合,尽量做到安全有序;三是保险机制,通过保险方式减轻灾害损失。”其实,这种模式在欧美、在日本早已是一套成熟的运营体系。用户安装上技术产品,不仅仅是地质灾害的防治,同时还得到一份保险作保障,万一发生灾害后,保险公司来赔付,这样既减轻了政府的压力,又让百姓安心,可谓一举多得。

不可否认,创新的商业模式前提是技术过硬、价格够低、产品更普适。“我们正在打造天地一体化安全态势感知网系统。将来你走到任何地方,都可以随时随地提醒你有没有身处危险。比如走到桥边,系统马上会提示这个桥的安全状态;走到山边,系统会提示这个山的安全状态;走到房子边,系统也会提示房子的安全态势。”谢谟文坦言,目标很宏大,实现起来有难度,但会朝着目标去努力,践行为人民安全服务的理念。

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