山洪泥石流的案例
地聲波與次聲波在泥石流監(jiān)測預(yù)警中的應(yīng)用
作者：卜峰、陳琴、葉凱璇、許強(qiáng)
山洪泥石流等地質(zhì)災(zāi)害時常發(fā)生在高山地區(qū)，對基礎(chǔ)設(shè)施和人民安全造成嚴(yán)重影響。由于泥石流發(fā)生過程中都會形成地聲波和次聲波，為此可以通過采集地聲或次聲信號，并結(jié)合其它傳感器信息對泥石流災(zāi)害進(jìn)行預(yù)警。目前，大多的應(yīng)用方案中只采用了其中一種信號的采集，缺乏對地聲和次聲組合使用進(jìn)行評估。為此，對已發(fā)生的泥石流災(zāi)害案例中采集到的地聲波和次聲波進(jìn)行特征差異分析，討論了組合使用的可行性。
一、引言
由于山區(qū)的社會經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，山洪泥石流等地質(zhì)災(zāi)害對生命和財產(chǎn)構(gòu)成的危害日益嚴(yán)重。自汶川大地震以來，我國迎來了一個地震活躍期，造成西南地區(qū)山區(qū)地質(zhì)結(jié)構(gòu)松動，極易誘發(fā)泥石流等災(zāi)害。泥石流監(jiān)測預(yù)警作為一項重要的非工程減災(zāi)措施,是防災(zāi)減災(zāi)的有效途徑之一。
泥石流發(fā)生過程中存在石塊碰撞，水流與河道的摩擦，會造成地表振動，這種振動沿地表傳播，稱之為“地聲”。此外，還會發(fā)出通過空氣傳播的低于20Hz的低頻聲音，稱之為“次聲”。地聲波和次聲波在傳播方式、信號特征方面都有所不同，各有優(yōu)缺點[1,2]。
泥石流監(jiān)測預(yù)警方法主要有泥位法、聲學(xué)法、視頻監(jiān)視法等。泥位法能同時對泥石流的發(fā)生和規(guī)模進(jìn)行警報。聲學(xué)法通過捕捉地聲波或次聲波來判識并警報。其中，地聲法對傳感器的埋設(shè)要求很高；次聲法能獲得足夠長的警報提前量，是目前國內(nèi)外泥石流警報采取的主要方式之一。視頻監(jiān)視的最大優(yōu)勢是能實時掌握災(zāi)害發(fā)展的圖像信息，但設(shè)備易受損。
然而，目前泥石流監(jiān)測中次聲法通過設(shè)定閾值來進(jìn)行預(yù)警，這種方法無疑會降低預(yù)警的準(zhǔn)確度。
展開 【科普】遇見山洪泥石流該怎么辦？
【科普】遇見山洪泥石流該怎么辦？
防止洪水、崩塌、滑坡、泥石流等預(yù)防及危機(jī)處理辦法
泥石流
泥石流發(fā)生的時段，通常是每年的七八月份的雷暴雨季節(jié)比較容易發(fā)生。
怎樣判定泥石流的發(fā)生▼
（1）正常的流水突然斷流或者洪水突然增大，并拌夾有較多的柴草，樹木。
（2）深谷內(nèi)傳來類似火車轟鳴或者悶雷聲，就算是極其微聲，也應(yīng)判定泥石流已經(jīng)形成，要速離開。
（3）河谷溪谷深處突變昏暗，并拌有塌方現(xiàn)象，要速離開，不是山洪就是泥石流
泥石流預(yù)防▼
（1）不要在大雨天或者連續(xù)陰雨幾天，當(dāng)天還下雨的情況進(jìn)入溪谷，謹(jǐn)防山洪、滑坡、泥石流。
（2）泥石流常滯后于大雨暴雨而發(fā)山。
（3）不可存僥幸心理。
危機(jī)處理▼
（1）不能沿溝向上或者向下跑，而應(yīng)該向兩側(cè)山坡跑，快速離開河道、河谷、溪谷地帶。
展開 什么是泥石流呢？
一
什么是泥石流？?
泥石流是山區(qū)常見的一種自然災(zāi)害現(xiàn)象，是由泥沙、石塊等松散固體物質(zhì)和水混合組成的一種特殊流體。它暴發(fā)時，山谷轟鳴，地面震動，濃稠的流體洶涌澎湃，沿著山谷或坡面順勢而下，沖向山外或坡腳，往往在頃刻之間造成人員傷亡和財產(chǎn)損失。
泥石流在各地的叫法不一樣。西北地區(qū)稱為“流泥、流石”或“山洪急流”，華北和東北山區(qū)稱為 “龍扒”、“水泡”、“石洪”或“嘯山”，云南山區(qū)稱為“走龍”或“走蛟”，西藏地區(qū)則稱為“冰川暴發(fā)”，臺灣、香港地區(qū)稱之為“土石流”。
二
泥石流的類型 ?
根據(jù)泥石流的性質(zhì)、激發(fā)泥石流的水源條件、發(fā)生位置、危害性、流體中固體物質(zhì)顆粒組成、發(fā)生頻率高低、規(guī)模大小、泥石流形成與人類活動的關(guān)系等對泥石流進(jìn)行分類。從不同的方面去認(rèn)識泥石流，然后把各種分類綜合起來進(jìn)行分析，就可以較全面地認(rèn)識泥石流，為有效防治泥石流提供科學(xué)依據(jù)。常見的泥石流分類有8種。
1、泥石流的流體性質(zhì) ?
粘性泥石流：泥沙、石塊與水混合均勻，流體中泥沙和石塊的含量多于水，濃稠得像攪拌均勻的混凝土，停留后即使水分喪失還能保持流動時的形態(tài)和結(jié)構(gòu)，如堆積物邊緣的坡度較陡等。
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基于LSDYNA的流固耦合模擬滑坡/泥石流ALE與結(jié)構(gòu)FEM之間的撞擊 ￥150
在歐拉方法中，系統(tǒng)的動力學(xué)是以一個觀察者在一個固定坐標(biāo)系下測量系統(tǒng)演化的角度來考慮的。用歐拉方法表述物理方程是電磁學(xué)和流體物理學(xué)等問題的通用方法，其中場變量表示為空間坐標(biāo)系中固定坐標(biāo)的函數(shù)。然而，對于力學(xué)問題，拉格朗日方法提供了另一種思路。力學(xué)方程是根據(jù)無限小的個體材料編寫，當(dāng)物體動態(tài)位移或變形時，材料會在物體內(nèi)移動。從拉格朗日坐標(biāo)系的角度來看，物體本身總是不變形的，而坐標(biāo)系始終保持附著在變形物體上并隨其移動。任意拉格朗日-歐拉法結(jié)合了兩種計算方法的優(yōu)點，在計算的過程中可實時調(diào)整網(wǎng)格，適用于大變形材料的計算模擬。
本文的計算采用LS-DYNA平臺，將滑坡體的運動采用ALE的方法模擬，樁體采用FEM的方法模擬。
以下為模擬的案例：
無結(jié)構(gòu)阻擋得模擬結(jié)果：
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有結(jié)構(gòu)物耦合作用的：
展開 如何控制礦山泥石流溝谷水土流失？
礦山泥石流屬于泥石流的一種，引發(fā)礦山泥石流的主要原因是在礦產(chǎn)資源開采過程中，導(dǎo)致地表植被破壞，改變了土地的利用性，以及廢石棄土堆放不合理。一旦發(fā)生礦山泥石流，不但導(dǎo)致溝谷發(fā)生大面積水土流失，而且會影響下方居民生命和財產(chǎn)的安全性。在這樣的基礎(chǔ)上，開展控制礦山泥石流溝谷水土流失的防治對策的研究就顯得尤為重要。
1? 礦山泥石流的特點
（1）人為性。通常情況下，礦山區(qū)域內(nèi)的地質(zhì)結(jié)構(gòu)、地形地貌以及地表覆蓋物在短時間內(nèi)是無法發(fā)生自然變化的。而引發(fā)礦山泥石流的主要原因是人類在開采礦產(chǎn)資源時，改變了周圍的地形地貌或者地表覆蓋物，因此，人類活動是引發(fā)礦山泥石流的主要因素之一。為提升礦產(chǎn)資源開采的效率，經(jīng)常隨意堆積廢石棄土，在雨水季節(jié)或外力的作用下，就容易發(fā)生礦山泥石流。
展開 用ansys能計算泥石流嗎
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中國地質(zhì)大學(xué)分享∣地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險普查、監(jiān)測防治的具體做法
1
崩塌滾石災(zāi)害減災(zāi)理論與技術(shù)
2
高烈度區(qū)邊坡位移控制設(shè)計與柔性支護(hù)
3
高速遠(yuǎn)程滑坡超強(qiáng)運動機(jī)理與成災(zāi)過程模擬
4
鏈?zhǔn)綖?zāi)害動力學(xué)機(jī)制與過程模擬
5
山區(qū)小流域山洪泥石流精細(xì)化數(shù)值預(yù)報
應(yīng)對暴雨天氣，預(yù)判能力很重要
同時，山區(qū)強(qiáng)降雨可能誘發(fā)中小河流洪水、山洪及泥石流、滑坡、崩塌等地質(zhì)災(zāi)害。
極端的暴雨天氣，考驗的不止是人們的反應(yīng)能力，更重要的是預(yù)判能力。只有及時、準(zhǔn)確地掌握災(zāi)情信息，才能采取有效的應(yīng)對措施，從而保障人們的生命財產(chǎn)安全。以下是一些可行的監(jiān)測暴雨情況的方法：
1、基于傳感器的監(jiān)測。傳感器是一種可以感知環(huán)境變化的設(shè)備，可以通過傳感器監(jiān)測暴雨天氣下的一些情況，如降雨量、氣溫、濕度等。通過這些信息可以及時發(fā)現(xiàn)潛在的安全風(fēng)險，如危險的洪水等。
2、安全監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)。安全監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)可以通過監(jiān)測傳感器感知到的信息，及時預(yù)警和通知相關(guān)人員，以采取必要的措施避免安全事故的發(fā)生。通過這種方式可以最大限度地減少人們因暴雨天氣造成的安全風(fēng)險。
3、基于人工智能的監(jiān)測。人工智能技術(shù)可以通過分析歷史數(shù)據(jù)、預(yù)測未來的趨勢等方式，及時預(yù)測暴雨天氣下的一些情況，如降雨量、災(zāi)害風(fēng)險等。通過這些信息可以及時發(fā)現(xiàn)潛在的安全風(fēng)險，避免安全事故的發(fā)生。
4、氣象衛(wèi)星監(jiān)測。氣象衛(wèi)星可以對全球的天氣情況進(jìn)行監(jiān)測和預(yù)報，對暴雨等極端天氣的監(jiān)測更是具有重要意義。通過氣象衛(wèi)星可以獲得更全面的信息，及時預(yù)警和減少暴雨造成的損失。
融合了以上技術(shù)的千尋位置安全監(jiān)測解決方案，依托北斗高精度定位創(chuàng)新技術(shù)與時空智能平臺，能夠?qū)Φ叵滤弧⒔涤炅康冗M(jìn)行實時監(jiān)測，具備實時監(jiān)測、智能分析、在線監(jiān)控、預(yù)警預(yù)報、人技聯(lián)防等能力，助力政府主管部門和相關(guān)企事業(yè)單位進(jìn)行遠(yuǎn)程在線實時監(jiān)控、分析和預(yù)警，為應(yīng)對大暴雨提供有力支持。
展開 住建部公布征求意見：全國縣城新建住宅以6層為主 不得超過18層
縣城新建建筑應(yīng)選擇在安全、適宜的地段進(jìn)行建設(shè)，避開山洪、滑坡、泥石流等地質(zhì)和自然災(zāi)害易發(fā)的區(qū)域，并做好防災(zāi)安全論證。此外，縣城建設(shè)應(yīng)充分利用原有地形地貌，不挖山、不填湖，不破壞原有的山水環(huán)境，保持山水脈絡(luò)和自然風(fēng)貌。
（來源：建筑時報）
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”十三五“流體力學(xué)學(xué)科重點發(fā)展戰(zhàn)略
主要研究內(nèi)容包括：
自然流動的基本理論，包括自然界非牛頓流、多相流和顆粒物質(zhì)流動的力學(xué)特性，大氣、水體和巖土體中的復(fù)雜流動機(jī)理，自然流動的非線性作用和多尺度效應(yīng)，流動與物理、化學(xué)、生物過程的耦合機(jī)理。
西部干旱環(huán)境，包括計及大氣邊界層高雷諾數(shù)效應(yīng)的風(fēng)沙流 / 沙塵暴形成和演化過程及其定量預(yù)測，沙漠化防治設(shè)施及其布局的優(yōu)化設(shè)計和防治效果定量評估的方法，土壤侵蝕的力學(xué)機(jī)制及流域侵蝕的多尺度動力學(xué)模型等。
重大水環(huán)境，包括河流、河口海岸泥沙、污染物輸運及其對生態(tài)環(huán)境的影響，湖泊 / 水庫水質(zhì)污染及富營養(yǎng)化動力學(xué)模型。
城市大氣環(huán)境，包括大氣污染及擴(kuò)散輸運過程，霧霾形成機(jī)理及治理措施，城市熱島效應(yīng)等。
重大環(huán)境災(zāi)害，包括熱帶氣旋、風(fēng)暴潮、山洪、泥石流的發(fā)生機(jī)理及預(yù)報模型和全球氣候變暖等。
2、材料設(shè)計與復(fù)雜流動的物理力學(xué)
物理力學(xué)以量子力學(xué)、統(tǒng)計力學(xué)、分子動力學(xué)、位錯動力學(xué)和連續(xù)介質(zhì)力學(xué)等為代表性手段，開展跨尺度研究，建立介質(zhì)宏觀力學(xué)特性與微觀結(jié)構(gòu)演化之間的關(guān)聯(lián)。一方面可以彌補極端加載手段和精細(xì)觀察條件的不足，從理論上獲得極端條件下介質(zhì)的宏觀力學(xué)性能；另一方面在材料設(shè)計、材料高壓狀態(tài)方程、表界面的基本物理特性、非平衡流動、復(fù)雜流體及高能束流與物質(zhì)的相互作用等多個應(yīng)用領(lǐng)域，對揭示非平衡現(xiàn)象、多場耦合機(jī)制、不同尺度結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)聯(lián)，具有獨特的優(yōu)勢。
主要研究內(nèi)容有：
以高強(qiáng)、高韌、輕質(zhì)結(jié)構(gòu)材料和滿足各種極端服役條件的先進(jìn)材料為背景，開展材料跨尺度力學(xué)行為與材料設(shè)計研究，探討跨越不同尺度的描述方法及突變出現(xiàn)的規(guī)律。
表面 / 界面物理力學(xué)，重點關(guān)注多場耦合下“固-液”界面移動接觸線問題， “固-固”界面納微米接觸、摩擦、潤滑、吸合和黏附等問題，“固 - 生物”界面的生物組織與固體材料表面接觸和黏附相互作用。
展開 機(jī)載LiDAR與傾斜攝影測量在地質(zhì)災(zāi)害中的應(yīng)用
評估區(qū)內(nèi)沖溝具備了泥石流形成的地形地貌和水源條件,但泥石流物源貧乏,物源主要來自于溝谷兩側(cè)山坡殘坡積層的沖刷剝蝕,以及坡面零星分布的碎石,山坡植被茂密,覆蓋層薄,提供的物源極為有限。根據(jù)《泥石流發(fā)育程度量化評分及評判等級標(biāo)準(zhǔn)表》,對樞紐區(qū)左岸兩條沖溝自然狀況下各影響因素打分進(jìn)行綜合評價,如圖8所示,溝1、溝2得分均為56分,泥石流發(fā)育程度均為弱發(fā)育,發(fā)生泥石流可能性小,但在大暴雨等極端天氣條件下具備發(fā)生山洪-稀性泥石流(水石流)的條件。
圖8 左岸沖溝全景圖
4 結(jié)束語
文中運用無人機(jī)傾斜攝影技術(shù),機(jī)載LiDAR對水電站地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行評估。對采用傾斜攝影技術(shù)以及機(jī)載LiDAR技術(shù)應(yīng)用于地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行了探索和研究,并對其三維模型的準(zhǔn)確性進(jìn)行了檢驗。實驗結(jié)果表明,機(jī)載非接觸的無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)在地質(zhì)災(zāi)害評估與識別中的應(yīng)用,具有效率高、安全方便等優(yōu)勢,能夠快速獲取災(zāi)害點高分辨率三維模型數(shù)據(jù)以及高精度地形數(shù)據(jù)。機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)能夠透過植被,獲取植被覆蓋下的地形數(shù)據(jù),很好地克服了傳統(tǒng)監(jiān)測不全面的問題。同時,高精度的實景三維模型可以直觀呈現(xiàn)地質(zhì)災(zāi)害特征信息,可清晰識別、分析和量測災(zāi)害信息。因此,將無人機(jī)攝影測量技術(shù)、機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù),地質(zhì)災(zāi)害常規(guī)調(diào)查技術(shù)相結(jié)合,實現(xiàn)多種技術(shù)手段優(yōu)勢互補,大大減少人工野外實地調(diào)查工作量,實現(xiàn)地質(zhì)調(diào)查手段從實地調(diào)查到空地一體化,調(diào)查成果實現(xiàn)從二維到三維。豐富的調(diào)查成果數(shù)據(jù)為災(zāi)害評估以及災(zāi)害救援提供更有利的數(shù)據(jù)支撐。
參考文獻(xiàn)
[1] 許強(qiáng),董秀軍,李為樂.基于天-空-地一體化的重大地質(zhì)災(zāi)害隱患早期識別與監(jiān)測預(yù)警[J].武漢大學(xué)學(xué)報(信息科學(xué)版),2019,44(7):957-966.
[2] 鄭史芳,黎治坤.結(jié)合傾斜攝影技術(shù)的地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測[J].測繪通報,2018(8):88-92.
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