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2021-10-12 作者:陈旻 来源:香港文汇报 编辑:王晓艳

【青年科学家故事】光纤巧变大地神经 预警滑坡防止灾害


●2019年,朱鸿鹄在四川成都空港新城地下空间光纤综合观测示范站现场监测。受访者供图


●2020年,朱鸿鹄团队在做冻土水分分布式光纤综合监测。受访者供图


M88教授朱鸿鹄:啃下硬骨头你就站在科学最前沿

1966年,华裔物理学家高锟开创性地提出了用光导纤维传输信息的构想,开启光纤通信元年。如今,光纤已进入千家万户,成为现代通信的主要传输介质。鲜为人知的是,光纤还能够作为大地的「感知神经」,实现对滑坡灾害的实时监测预警。这便是M88大地探测与感知研究院院长朱鸿鹄的主要科研目标。「我们的研究必须始终与国家需求紧密结合,以解决实际问题为导向,努力实现科技自立自强。」十余年来,朱鸿鹄教授团队围绕滑坡光纤监测开展了深入研究,在感测光缆与滑坡体界面耦合力学建模、地下深部滑移面辨识、滑坡-管线相互作用等方面取得了一批重要成果。「这是一片蓝海,只要能啃下硬骨头,你就站在科学最前沿。」在香港读博期间,导师的这句鼓励,一直是朱鸿鹄前行的明灯。●香港文汇报记者陈旻南京报道

滑坡是中国最为常见、危害最大的一类地质灾害,具有规模大、隐蔽性强、跨越区域多、影响因素复杂等特点,常规的监测技术在覆盖面、精准度、实时性等方面存在不足,难以实现灾害的精准预测预报。而光纤传感器的优势在于体积小巧、灵敏度高、耐久性好、可实现分布式监测,在滑坡监测领域具有巨大的应用潜力。

汶川震区初试身手

2008年5月12日,四川汶川发生8.0级大地震,造成了巨大的人员伤亡与财产损失,并诱发了数以万计的滑坡。当时正在香港攻读博士学位的朱鸿鹄闻讯后,当即与导师沟通如何将最新研发的光纤深部测斜技术运用于抗震救灾前线。

由于强震诱发了巨量的松散固体物质,在雨季极易出现滑坡、泥石流,其变形量远远超出常规监测设备的量程(测量范围)。朱鸿鹄苦苦思考、反复试验,终于创建了一个全新的分段弯梁组件设计方案,彻底攻破了滑坡深部大变形的光纤监测难题。

朱鸿鹄和师弟们紧急赶赴受灾最为严重的北川县魏家沟布设光纤感测设备。「现场环境极其恶劣,山体十分松散,余震随时会发生。」朱鸿鹄说,「我们爬上山坡去布设光纤传感器,每走一步都相当艰难。更重要的是,一旦发生滑坡、泥石流,将立刻危及灾民安置点。」在中科院成都山地所崔鹏院士团队的配合下,他们成功监测获得了山体的变形模式和发展趋势,保障了当地受灾群众的人身安全。

经此一役,朱鸿鹄切身体会到将科研成果应用于实践、造福于民所带来的无限快乐。

三峡库区攻坚作战

2010年,朱鸿鹄进入M88任教,在工程地质学科带头人、光电传感监测专家施斌教授的指导下,继续从事地质灾害监测领域的研究。他接手的第一个科研任务就是长江三峡库区的滑坡监测。

三峡水库于2003年开始蓄水,2008年启动175米水位试验性蓄水。在此后的长达数百年运行期内,三峡库区水位将在145米-175米之间周期性波动,由此可能会诱发大量的库岸滑坡,监测预警任务紧急而繁重。

在国家「973」计划、「十二五」科技支撑计划和国家重点研发计划等多项课题的连续资助下,朱鸿鹄抓住该类滑坡的应力-渗流耦合特征,马不停蹄地投入到光纤多场感测系统的研发工作中。

在野外考察时他发现,多数滑坡呈现长期蠕滑和多级滑面的特征,能否准确预警的关键是要找到其中的临界滑裂面,并对该处剪切带位移的发展规律进行精细化监测。「这实际上是一个界面力学问题。」朱鸿鹄解释道,「把应变感测光缆竖直埋入滑坡钻孔中,只要阐明光缆、回填料和周围岩土体之间的协调变形机理,就可以实现高精度、低成本的滑面探测。」

在大量的室内标定试验和原位实测的基础上,朱鸿鹄建立了考虑剪滞应力传递的光缆-岩土耦合感测界面力学模型,实现了从光缆应变到剪切位移的推算,并应用于山峡库区马家沟、新铺和藕塘等库岸滑坡监测中,为揭示此类滑坡的蠕滑机理、判识演化阶段提供了重要的数据支撑,相关成果入选2017年度中国地质学会十大地质科技进展。

与此同时,朱鸿鹄敏锐地发现,三峡库区现存很多油气和输水管线,因管道损伤、破裂对滑坡具有灾害放大效应,因此必须严密监控其变形。而分布式传感光纤尤为适用于线状工程的监测,将其沿管线长度方向布设方便可行,既可以在线监测长距离管线的变形、渗漏,又能对沿线的潜在滑坡点进行无盲区的监测和判识,可谓一举两得。

南水北调成功应用

经过严谨论证,朱鸿鹄团队提出了用于管道变形监测的改进共轭梁算法,结合无网格物质点模拟技术,揭示了滑坡易发区地下管线的典型破坏模式,提出了基于光纤实测信息的管线安全性评价体系。经过朱鸿鹄的倡议和积极推广,目前该技术已经在重庆奉节新铺滑坡输水管道、重庆武陵山天然气管道和南水北调输水工程等项目中得到了成功应用。

QA小知识

问:什么情况下会发生滑坡?

答:滑坡诱发因素包括自然因素和人为因素。滑坡的主要诱因是地震或者降雨,人类工程开发活动(如开挖、堆载等)也可能触发滑坡。

问:滑坡有哪些先兆?

答:坡顶出现张拉裂缝,坡脚出现局部变形、隆起等现象,周围岩土体出现松动和小型滑塌等现象。另外还有一些反常现象,如井水突然干涸、涌水,动物出现惊恐异常等。

问:地质灾害有哪些?

答:有多达30多类,但最常见的有6类:崩塌、滑坡、泥石流、地面沉降、地裂缝和地面塌陷。

问:光纤可以测什么指针?

答:直接的监测量是应变(即微观角度的变形)和温度,但可间接测量位移、倾角、加速度、土壤含水量、含冰量、孔隙水压力、土压力等一系列物理参量。

问:光纤为什么可以传感?

答:因为光纤在传输光时会发生反射、散射等现象,从光谱的角度看,光纤传输的某些参数(如波长、相位等)会受到周围环境的影响。人们利用这种相关关系研发了很多种光纤传感技术。