[發明專利]壓剪滑移式巖溶危巖失穩預警的聲響多前兆方法及裝置

有效

• 申請號: 202010820187.5
• 申請日: 2020-08-14
• 公開（公告）號: CN111965255B
• 公開（公告）日: 2023-04-14
• 發明（設計）人: 蘇國韶;李培峰;許華杰;張研;羅丹旎;黃小華;蔣劍青;鄭志
• 申請（專利權）人: 廣西大學
• 主分類號: G01N29/04
• 分類號: G01N29/04;G01N29/12;G08C17/02
• 代理公司: 廣西匯佳知識產權代理事務所(普通合伙) 45125
• 代理人: 林鵬

本發明公開了一種壓剪滑移式巖溶危巖失穩預警的聲響多前兆方法及裝置，以解決巖溶地區壓剪滑移式危巖崩塌災害的自動預警問題。首先，根據危巖失穩前夕的聲響變化特征，制定5種危巖聲響前兆特征與穩定性等級的關系規則；然后，從室內試驗及現場工程實例兩種途徑收集危巖失穩過程中各階段的5種聲響前兆特征作為機器學習樣本集；最后，利用機器學習樣本集建立具有優異統計模式識別性能的高斯過程分類模型，由此建立聲響前兆特征與危巖穩定性的非線性映射關系，進而實現在線監測中的危巖穩定性等級的快速評價，并通過預警裝置將評價結果傳輸至危巖管理者的預警信息接收終端。

技術領域

本發明屬于地質災害防治工程技術領域，涉及一種利用聲響信號預警壓剪滑移式巖溶危巖崩塌的方法及裝置。

背景技術

危巖是指被多組結構面切割分離，穩定性差，可能以傾倒、墜落、滑移等形式發生崩塌的地質體。壓剪滑移式巖溶危巖，是指巖溶地區陡峻斜坡的危巖體在重力等因素作用下沿傾向坡外的軟弱結構面滑出坡外，產生以豎向為主的運動，終堆積于坡腳，呈現壓剪破壞機理，見附圖1。

危巖崩塌是巖溶地區的主要地質災害，是一個嚴重的全球性地質災害問題。我國巖溶地區分布非常廣泛，全國碳酸鹽類巖體分布面積約130萬km²，以西南、華中、地區的石灰巖分布集中而廣泛，面積約占全國分布面積的一半，并且西南地區的巖溶地區占地區幅員面積的三分之一以上。巖溶危巖具有巖體裂隙豐富、受水體影響較大以及穩定性差等特點，相較于普通危巖更容易失穩崩塌。近年來，針對壓剪滑移式巖溶危巖，國內外研究學者從力學分析、數值計算、物理試驗等不同角度研究失穩崩塌的發生機制，但是，由于壓剪滑移式巖溶危巖穩定性影響因素與壓剪滑移式巖溶危巖穩定性之間呈現高度復雜的非線性關系，采用上述角度來識別壓剪滑移式巖溶危巖穩定性存在識別準確率較低、計算耗時較大、人為參與程度較高等諸多的弊端，難以達到針對壓剪滑移式巖溶危巖失穩崩塌預警上的工程實際應用的目的。

聲響(Sound)(頻率范圍在20-20000Hz)是由巖體內部結構振動產生的聲波，是通過介質(空氣或固體、液體)傳播并能被人或動物聽覺器官所感知的波動現象；聲響信號傳播不僅能夠在空氣中遠距離傳播，而且不受巖體介質空間變異性的影響，還能直觀反映在整個變形失穩破壞階段的巖體內部損傷情況以及微觀裂紋(中等尺度)的產生、擴展、貫通的演化過程，便于接收與采集，是一種潛在的可被利于壓剪滑移式巖溶危巖預警的物理信號。

壓剪滑移式巖溶危巖是單體危巖的主要類型之一，其穩定主要受到陡崖的卸荷拉張主控結構面控制，主控結構面下端潛存于陡崖巖體內，危巖體重心位于主控結構面內側。在重力、地震力以及裂隙水壓力綜合作用下其失穩主要呈現剪切破壞力學特征。失穩過程中，

通過監測和辨識聲響前兆特征，可以有效預警危巖失穩，從而避免災害發生。

聲響采集裝置僅需極少數量(根據壓剪滑移式巖溶危巖大小而定)即可完成某個壓剪滑移式巖溶危巖失穩崩塌預警監測，并且，其安裝部位一般偏離失穩崩塌致災區域，其使用壽命較長、且單個裝置成本較低，對廣泛應用于壓剪滑移巖溶危巖失穩崩塌上具有良好的應用前景。

機器學習是人工智能的一個新興分支，是研究如何利用機器來模擬人類學習活動的一門學科。從已知實例中自動發現規律，建立對未知實例的預測模型，根據經驗不斷提高、改進預測性能，正是機器學習的實質。當前，流行的機器學習分類方法中，淺層人工神經網絡存在拓撲結構不易確定、過(欠)學習風險高、超參數尋優容易陷入局部最小值的諸多不足，近年來興起的深度學習則存在模型訓練需要大樣本不適用于小樣本學習的瓶頸問題，小樣本分類性能優異的支持向量機則存在核函數難以合理確定、分類結果不具備概率意義等局限性問題。因此，有必要繼續探尋準確可靠且在經濟和技術上可行的機器學習方法用于壓剪滑移式巖溶危巖崩塌綜合預警。