岩石破裂次声探测技术及信号特征概述

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1、岩石破裂次声探测技术及信号特征概述第1章前言1.1选题背景与研究意义随着人类社会的不断进步，人类以社会经济建设为导向的工程活动对地质环境的扰动不断加大，同时由于全球气候逐步变暖、极端气候变化（如区域极度干旱、强降水等）等条件的影响，全球范围内地质灾害发生越来越频繁，也对人类的生命财产安全造成越来越大的威胁和损失[1]。我国的地质灾害种类繁多，分布较广，是世界上地质灾害最为严重的国家之一，遍布了全国30个省、市、自治区。西部地区尤其是西南地区如云南、四川、贵州等省（区），由于地形、地貌和地质条件复杂，地处断裂活动带

2、，加之人类工程活动（如水利水电设施、矿藏资源开发等）和极端气候变化（如强降水等），滑坡、崩塌和泥石流等灾害日益加剧。另外，由于强烈地震，如叠溪地震、5•12汶川大地震等所诱发的滑坡、崩塌等灾害突显出规模大、破坏性强等特征。1933年的叠溪地震大范围内诱发强烈的河流岸坡及沟谷斜坡的崩塌与滑坡，摧毁了叠溪古城、沙湾、龙池附近的近20个羌寨，造成6865人死亡[2]。1965年云南禄劝高速远程滑坡掩埋了5个村庄，造成400多人遇难。后来又相继出现：1989年四川华蓥溪口滑坡造成293人死亡；1991年云南昭通

3、头寨沟滑坡；2000年西藏易贡滑坡；2001年重庆武隆滑坡；2003年三峡千将坪滑坡；2004年四川宣汉天台乡滑坡；2005年四川丹巴滑坡；2010年四川汉源二蛮山滑坡等。特别是2008年5•12汶川特大地震触发了不同规模崩塌滑坡数万起[3]。据统计，自上世纪80年代以来，我国每年因地质灾害造成的直接经济损失达到数百亿元，且滑坡和崩塌是主要构成部分（如图1-1所示）。严重的滑坡灾害不仅给当地居民的生命财产造成极大威胁和损失，而且还摧毁了道路交通、工厂矿山、水利水电等重要的基础设施，严重影响了国民经济建设

4、和人类文明的发展[4]。1.2国内外研究现状20世纪以来，针对全球范围内不断发生的滑坡灾害，众多学者和科研院所越来越重视对滑坡的科学研究，并取得了很多研究成果。据目前的研究成果来看，行之有效的方法主要是加强对滑坡的灾变过程进行科学监测，获取监测信息（如位移、形变等）后有效掌握滑坡的实际情况，建立量化判据对滑坡的稳定性进行评估，达到防灾减灾的最终目的。因此，滑坡监测技术正逐渐成为滑坡灾害防治研究工作中的一个热门课题。滑坡灾害监测技术是一门综合性很强的应用学科，是以工程地质学、土力学、电子学、传感器、测量学及计算机技

5、术等多门学科交叉为理论实践基础的技术方法体系的综合应用。回顾国内外滑坡灾害监测现状，按监测内容主要分为变形监测、地下水和地应力监测、微破裂信息监测等。（1）变形监测。主要分为地表位移、地面沉降和深部位移监测。地表位移常用的监测方法有基于GPS技术的地表位移监测[31-35]、基于光纤技术的滑坡变形监测[36,37]、基于电阻式位移计的地表裂缝监测等。随着科学技术的发展，地表形变监测除此之外还有一些近年发展起来的高新技术手段，如InSAR(InterferometricSyntheticApertureRadar,

6、合成孔径雷达干涉测量)[38]、近景数字摄影技术[39]、3-D激光扫描成像[39,40]等方法也逐步在滑坡地表形变监测上得到较为成熟的应用。地面沉降观测主要有沉降仪、静力水准仪等[41]。深部位移主要监测方法由滑动式钻孔测斜仪、一体化深部位移监测仪和钻孔多点位移计等技术方法来获取灾害体内部变形特征[41,42]。.第2章数字化次声探测仪器研究2.1次声传感器原理与相关理论次声传感器是将物理次声波转换成为电信号（电压或电流）的功能部件。次声传感器的性能直接影响到次声的准确探测和特征分析研究。通过对国内外次声传感器

7、性能的综合比较与分析，考虑到电容式次声传感器具备灵敏度高、频带宽、频响好、稳定性佳等诸多优点以及性价比因素，本课题选择了中国科学院声学研究所研制的InSAS2008高精度电容式次声传感器，如图2-1所示。电容式次声传感器是利用了电容器的原理将非电量信息转换成为电量信号，进而实现了物理次声波到电压（或电流）信号的转换。InSAS2008高精度电容式次声传感器的基本原理是[19,87]：如图2-1(a)所示，金属膜片声顺与金属极板之间构成电容器，金属膜片受外界次声波左右而产生振动而使得板间距离d发生变化，从而反应出平

8、行板电容器的电容变化，电容的变化实现了从非电信号向电信号的转换，变化的电容经过测量反应出次声波的信息。..2.2总体方案设计数字化次声探测仪器是为了实现对岩石破裂、大规模地质灾害包括地震、滑坡以及泥石流灾害声发射次声特征的基础研究而自主研制的自动次声波数据采集与分析系统。数字化次声探测仪器需要实现对次声传感器输出模拟电压量的全波形采集、存储和传输，以及按预定参数的分析，包