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 ·