謝謨文：將巖土地質(zhì)災(zāi)害防于“無形”

華南

北京市延慶區(qū)松閆路佛峪口水庫大壩段，是通往冬奧會(huì)核心區(qū)的一條重要通道。這段17.7公里的公路，是除京禮高速外唯一進(jìn)出延慶賽區(qū)的地方道路。松閆路依山體而建、蜿蜒曲折，它的安全是延慶賽區(qū)對外聯(lián)絡(luò)關(guān)鍵一環(huán)。

延慶區(qū)地質(zhì)條件整體穩(wěn)定，但松閆路道路兩側(cè)緊挨山體，如果有山石滾落或土壤松動(dòng)，就會(huì)對車輛通行造成安全隱患。

現(xiàn)在，這種隱患正被消除在萌芽狀態(tài)。在松閆路佛峪口水庫大壩段，大大小小的圓圈與鋼絞線組成的簾式網(wǎng)，猶如巨型幕布結(jié)實(shí)地扎在邊坡上。邊坡中上部，一個(gè)個(gè)半圓柱體的“小蘑菇”，外面罩著透明有機(jī)玻璃罩，被“種”在路邊山體坡邊上。三個(gè)“小蘑菇”一組，作為監(jiān)測儀器，實(shí)時(shí)監(jiān)測佛峪口水庫大壩上方邊坡隱患的安全穩(wěn)定性。

“這些‘小蘑菇叫微芯樁，它們和一桿式采集測站、數(shù)據(jù)服務(wù)平臺(tái)及手機(jī)客戶端組成自動(dòng)化邊坡安全監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)，對邊坡危險(xiǎn)巖石的振動(dòng)、傾向、傾角、形變等多個(gè)安全指標(biāo)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測?！北本┲嘘P(guān)村智連安全科學(xué)研究院院長，北京科技大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院教授、博士生導(dǎo)師謝謨文介紹，微芯樁智能傳感終端基于失穩(wěn)動(dòng)力學(xué)理論設(shè)計(jì)，采集靜態(tài)形變和振動(dòng)特征等30多種參數(shù)，通過數(shù)據(jù)采集傳輸終端將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸至物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，基于安全失穩(wěn)模型綜合分析，實(shí)現(xiàn)對邊坡等巖土體的安全監(jiān)測及早期失穩(wěn)預(yù)警。

此前，作為2020年北京市科技計(jì)劃科技冬奧專項(xiàng)，自動(dòng)化邊坡安全監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)已在國家雪車雪橇中心斜坡風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)、崩塌風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)、冰雪小鎮(zhèn)基坑工程、松閆路邊坡、冬奧綜合管廊得到安裝應(yīng)用。

這是智連安全團(tuán)隊(duì)研發(fā)的第四代微芯樁產(chǎn)品，“我們對險(xiǎn)情提前預(yù)警，為冬奧場地建設(shè)期、賽事服務(wù)期、賽后運(yùn)營期提供全周期安全保障服務(wù)”，謝謨文說。從大學(xué)時(shí)邁進(jìn)地質(zhì)專業(yè)至今，他三十多年只做一件事，用科技向善的堅(jiān)守，完成護(hù)衛(wèi)更多人遠(yuǎn)離巖土地質(zhì)災(zāi)害的夢想。

與災(zāi)害預(yù)警結(jié)緣的青年

1981年，謝謨文走進(jìn)河海大學(xué)工程地質(zhì)及水文地質(zhì)專業(yè)時(shí)，還不知道這個(gè)專業(yè)是干什么的。這個(gè)16歲少年高考第一志愿是另一所大學(xué)電子信息專業(yè)，“那時(shí)候很窮，覺得電子信息能搞收音機(jī)，收音機(jī)是個(gè)好東西”。

四年本科讀完，謝謨文短暫工作后，考取武漢水利電力大學(xué)巖土工程系，攻讀碩士研究生。當(dāng)時(shí)正值我國重點(diǎn)工程葛洲壩水電站全面復(fù)工建設(shè)，清江干流梯級開發(fā)的骨干工程隔河巖水電站動(dòng)工修建。按照設(shè)計(jì)，電站廠房位于右岸河灘階地上，采用隧洞引水。隧洞引水需要先開挖一條很長的導(dǎo)流洞，隔河巖水電站的導(dǎo)流洞將形成200多米的水頭，具有很大壓力?！鞍凑宅F(xiàn)在技術(shù)，這不算什么，但在三十多年前，200多米的水頭，壓力很大、地質(zhì)條件也不算好，施工單位束手無策。”謝謨文說。

“武漢水利學(xué)院在這方面有得天獨(dú)厚優(yōu)勢，施工單位找到我們的研究室做咨詢?！睂?dǎo)師把這個(gè)項(xiàng)目交給謝謨文，讓他帶隊(duì)處理。謝謨文帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)進(jìn)入隧道，實(shí)地勘察，制定解決方案。他們用當(dāng)時(shí)國內(nèi)一種新的方法——新奧法處理，對掌子面采取噴錨支護(hù)作業(yè)進(jìn)行迅速固定，有效解決了問題。

把混凝土快速噴到隧道墻面、快速凝固、回彈小，回彈率在15%以內(nèi)，在當(dāng)時(shí)是一項(xiàng)技術(shù)創(chuàng)新，“我認(rèn)為我們有能力處理這個(gè)事情”。初戰(zhàn)告捷，謝謨文更有信心。

后來，在清江隔河巖水電站，謝謨文一直干了八年，深入?yún)⑴c這個(gè)工程的建設(shè)?！霸诮ㄔO(shè)關(guān)鍵期，施工面臨一個(gè)難題，四條引水洞之間間隔距離短、墻面薄，而且引水還會(huì)造成壓力，如何快速、安全地打通引水洞？各方爭論不已。”初出茅廬的謝謨文，仔細(xì)研究后，提出自己的設(shè)想，用動(dòng)力學(xué)方法分析隧道的振動(dòng)，通過控制巖石的動(dòng)力平衡實(shí)現(xiàn)四條引水洞同時(shí)開鑿。

施工方負(fù)責(zé)人同意這個(gè)年輕人的意見，讓他嘗試論證可行性。那時(shí)沒有電腦模擬仿真建模，回到學(xué)校，謝謨文在珞珈山下挖了個(gè)大坑，埋頭在里面做相似材料模擬實(shí)驗(yàn)?！皸l件很艱苦，每一個(gè)環(huán)節(jié)都要自己動(dòng)手做，一做就好幾天”。先做了1：60地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)，在此基礎(chǔ)上，謝謨文不斷推進(jìn)自己的想法，最終驗(yàn)證了同時(shí)開鑿四條引水洞是可行的。

伴隨著工程問題解決，謝謨文首次在國際刊物上發(fā)表論文，碩士研究生論文也已成型，主題就是“互層狀巖體中壓力隧洞洞群施工運(yùn)行全過程分析”?；赝嵌螝v程，謝謨文感慨：“搞科研時(shí)，我們在工地上，跟工人們吃住在一起，遇到危險(xiǎn)情況，我?guī)ь^到最前面查看?！?p>

為了把畢業(yè)論文寫漂亮，在通行手寫論文、手繪制圖的時(shí)代，謝謨文特意買來一臺(tái)電腦，自學(xué)編程語言，電腦畫圖、打印出來。最終，這篇寫在祖國大地上的論文，被評為優(yōu)秀畢業(yè)論文。

“答辯老師都是業(yè)界大咖，他們看到論文，都來問我：‘這圖是怎么畫的？真漂亮。”謝謨文說，他自己也特別興奮，“第一次發(fā)現(xiàn)，計(jì)算機(jī)還能干這樣的事”。他從此對信息時(shí)代懷有別樣的期待。

碩士畢業(yè)后，謝謨文從事了10年巖土監(jiān)測預(yù)警研究工作。1997年，他赴日本九州大學(xué)攻讀博士學(xué)位，并開始利用測繪地理信息技術(shù)解決地質(zhì)領(lǐng)域問題。就這樣，謝謨文成為巖土地質(zhì)界進(jìn)行地理信息測繪的創(chuàng)先者?！芭c測繪領(lǐng)域的學(xué)者相比，我更懂巖土”，他利用這一優(yōu)勢，把在國外學(xué)到的用地理信息系統(tǒng)（GIS）分析方法與滑坡、邊坡穩(wěn)定性評價(jià)分析方法相結(jié)合，做出邊坡三維穩(wěn)定性定量分析模型，論文在國際頂級專業(yè)期刊上發(fā)表，并榮獲GIS應(yīng)用創(chuàng)新獎(jiǎng)。時(shí)隔多年，除了發(fā)表論文的喜悅之外，寫論文的艱辛過程也給謝謨文留下深刻印象：“漢語、英語思維方式不同，那篇論文因?yàn)檎Z法和表達(dá)問題，改了很多遍。很多看上去正確的表達(dá)，其實(shí)并不準(zhǔn)確?！?/p>

那一年，在國內(nèi)舉辦的地理信息產(chǎn)業(yè)大會(huì)上，謝謨文榮獲全國高校GIS創(chuàng)新人物獎(jiǎng)，成為獲得這一獎(jiǎng)項(xiàng)唯一一名巖土地質(zhì)學(xué)者。此后，謝謨文嘗試通過遙感解譯圖片方法分析地表形狀，首次利用三維表現(xiàn)形式和GIS分析方法相結(jié)合，解決了真實(shí)三維遙感解譯和邊坡穩(wěn)定性定量分析的問題，提出了水庫庫區(qū)大規(guī)模遙感調(diào)查的分析方法等。

2005年，謝謨文做的金沙江庫區(qū)1：5000三維地理信息系統(tǒng)，用情景再現(xiàn)式的逼真動(dòng)畫效果，解決庫區(qū)地質(zhì)調(diào)查“看不清，看不見”問題?，F(xiàn)在，這一方法已經(jīng)寫入相關(guān)規(guī)范。

昔日那個(gè)喜歡電子信息、對傳感器有所研究，又攻讀地質(zhì)學(xué)相關(guān)專業(yè)、了解地質(zhì)災(zāi)害的青年，最終在學(xué)習(xí)、科研和實(shí)踐中，將兩者“跨界”結(jié)合，融為一體。

以“動(dòng)”求“穩(wěn)”，預(yù)防地質(zhì)災(zāi)害

與物理、化學(xué)、生物等學(xué)科的定量變化不同，地質(zhì)災(zāi)害是“活的”。地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生總是看上去出其不意，讓人防不勝防。地災(zāi)隱患在哪里、什么時(shí)間發(fā)生，是地質(zhì)工作者一直致力解決的兩大核心問題，雖然經(jīng)過幾代人努力，但地質(zhì)災(zāi)害早期預(yù)警至今仍是世界性難題。

我國地質(zhì)災(zāi)害多發(fā)，全國各地每年有崩塌、滑坡、泥石流、地面沉降等大大小小各類地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生，威脅生命安全，造成財(cái)產(chǎn)損失。到了汛期，地災(zāi)防治形勢會(huì)更加嚴(yán)峻。打通了工程地質(zhì)和遙感地理信息兩個(gè)學(xué)科邊界的謝謨文，決心要在這個(gè)領(lǐng)域往前趟一趟。

謝謨文發(fā)現(xiàn)，自己和團(tuán)隊(duì)早期研究的極限平衡理論不能描述邊坡從穩(wěn)定到失穩(wěn)的過程，也就沒辦法對地質(zhì)災(zāi)害實(shí)現(xiàn)早期預(yù)警。邊坡失穩(wěn)是邊坡巖土體在內(nèi)外部不利因素影響下產(chǎn)生傾倒、滑移或崩落等突然喪失穩(wěn)定性的現(xiàn)象。邊坡失穩(wěn)是一個(gè)從靜止到運(yùn)動(dòng)的過程，經(jīng)歷了穩(wěn)定、破裂、微動(dòng)、形變、位移、加速位移到失穩(wěn)破壞變化后，邊坡巖土體重心發(fā)生變化，最終造成滑坡等災(zāi)害發(fā)生。分析并準(zhǔn)確捕捉這一變化過程，能對災(zāi)害提前預(yù)警。

他堅(jiān)信，好用的預(yù)警系統(tǒng)并非來自復(fù)雜的理論，于是致力于在基礎(chǔ)理論中破題。牛頓第二定律描述力和運(yùn)動(dòng)之間的關(guān)系，這個(gè)高中物理基本知識，在謝謨文博士畢業(yè)若干年后給了他靈感和啟發(fā)。其后，謝謨文帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)首次融合牛頓力學(xué)中靜力學(xué)、動(dòng)力學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)理論，構(gòu)建邊坡失穩(wěn)早期預(yù)警理論體系及模型，很好地解決了邊坡災(zāi)害無法早期預(yù)警的技術(shù)難題。

謝謨文一邊將水杯在沙發(fā)扶手上移動(dòng)，一邊解釋：“這個(gè)水杯位移15公分還很穩(wěn)定，但位移到第16公分時(shí)，卻不穩(wěn)定，掉到沙發(fā)下面去了?！睘槭裁催@個(gè)水杯從1公分移動(dòng)到15公分是安全的，而再往前移動(dòng)1公分就會(huì)出現(xiàn)危險(xiǎn)？謝謨文說，答案很簡單，水杯重心偏移發(fā)生了突變?！耙簿褪钦f，解決了‘動(dòng)的問題，才能解決‘穩(wěn)的問題?！?/p>

“因?yàn)椤貫?zāi)是活的，所以要用邊坡動(dòng)力學(xué)來解決‘動(dòng)的問題。只要解決了‘動(dòng)的問題，就解決了邊坡到底用什么指標(biāo)監(jiān)測的問題。”謝謨文介紹邊坡失穩(wěn)動(dòng)力學(xué)理論及安全度模型，講“動(dòng)”與“靜”的物理原理?！斑@個(gè)原理用到滑坡體研究上也一樣，滑坡體原來跟周圍山體本是一個(gè)整體，與地表‘同頻共振，而當(dāng)振動(dòng)特征發(fā)生改變，就會(huì)產(chǎn)生形變，若達(dá)到易滑臨界點(diǎn)，進(jìn)而就會(huì)造成滑坡，甚至導(dǎo)致災(zāi)害發(fā)生，這可謂‘靜為安，動(dòng)則疑?！?/p>

在這一思路指導(dǎo)下，謝謨文利用邊坡失穩(wěn)解決地質(zhì)土層“動(dòng)”的問題，地質(zhì)災(zāi)害最核心的監(jiān)測預(yù)警問題隨之迎刃而解，“微芯樁”地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)的原理形成。微芯樁作為智能傳感終端，集成多組高精度MEMS傳感，將動(dòng)力學(xué)特征邊緣算法、預(yù)警模型自適應(yīng)融合算法植入，以每秒1000次的高頻率采集監(jiān)測對象動(dòng)力學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)指標(biāo)，利用不同指標(biāo)在不同失穩(wěn)演化階段的敏感性及差異性，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測對象健康狀態(tài)診斷與失穩(wěn)早期預(yù)警的融合。

但單一微芯樁監(jiān)測范圍有限，在一定面積上，需要多個(gè)微芯樁分布安裝，進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測和融合計(jì)算，才能得到完整的信息?！叭娓采w、快速計(jì)算，都需要科技手段支撐，”謝謨文給微芯樁配套設(shè)計(jì)了更強(qiáng)大的云計(jì)算平臺(tái)——安全態(tài)勢感知平臺(tái)，作為支撐。平臺(tái)基于人工智能、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等技術(shù)，融合多維度微芯衛(wèi)士監(jiān)測數(shù)據(jù)，以AI技術(shù)為基礎(chǔ)，基于災(zāi)害預(yù)警預(yù)測模型，快速分析地質(zhì)災(zāi)害安全風(fēng)險(xiǎn)等級，預(yù)測災(zāi)害發(fā)生，分析成災(zāi)范圍。

基礎(chǔ)理論作為支撐，輔以新技術(shù)的“加持”，軟件、硬件、服務(wù)于一體，能夠?qū)崿F(xiàn)主動(dòng)采集、邊緣計(jì)算、無線傳輸和實(shí)時(shí)響應(yīng)這一預(yù)警過程，達(dá)到地質(zhì)災(zāi)害早期預(yù)警目的。

在很多場合，謝謨文這樣介紹微芯樁：微芯樁傳感和安全態(tài)勢感知云平臺(tái)共同筑起強(qiáng)大的安全監(jiān)測分析預(yù)警能力，將各類安全參數(shù)升級為智慧決策，提供多維度的安全事件監(jiān)測防控、智能分析、預(yù)測預(yù)警、統(tǒng)一指揮、應(yīng)急處置和評估，讓安全保障管理者擁有更敏銳的洞察力、更科學(xué)的決策依據(jù)，為民眾提供自動(dòng)化、全天候、全方位、智能化高精度的預(yù)警，最大程度保障人民生命和財(cái)產(chǎn)安全。

“偵察衛(wèi)士”守護(hù)人民生命和財(cái)產(chǎn)安全

2017年11月18日，四川大渡河猴子巖水庫區(qū)域的安全巡視人員發(fā)現(xiàn)，一處庫岸山體出現(xiàn)變形。

專業(yè)人員隨即采用星載SAR（合成孔徑雷達(dá)）、無人機(jī)遙感、三維激光掃描及GNSS位移監(jiān)測技術(shù)，對該區(qū)域進(jìn)行全覆蓋式位移監(jiān)測。同時(shí)，通過雷達(dá)影像、InSAR（合成孔徑雷達(dá)干涉）進(jìn)行形變分析，發(fā)現(xiàn)滑坡體形變每天超過100毫米，并處于持續(xù)下滑狀態(tài)，存在大規(guī)?？逅L(fēng)險(xiǎn)。根據(jù)無人機(jī)遙感獲取的滑坡區(qū)影像解譯，專業(yè)人員最終確定測得滑坡體總體積約400萬立方米。

猴子巖水電站位于四川省甘孜州康定市境內(nèi)，是大渡河干流水電規(guī)劃28級開發(fā)方案中第10個(gè)梯級電站?！霸诰嚯x滑坡點(diǎn)下方不足15米處，就是車來車往的川西211省道，為保證人民生命財(cái)產(chǎn)安全，當(dāng)?shù)夭坏靡逊忾]了該路段，等待滑坡體穩(wěn)定再放行?！敝x謨文一位在成都勘測設(shè)計(jì)研究院工作的同學(xué)打電話向他“求助”。了解情況后，謝謨文第二天一早就趕早班飛機(jī)到成都，在滑坡現(xiàn)場勘測后，迅速組織安裝了14個(gè)微芯樁預(yù)警裝置，部署了預(yù)警系統(tǒng)。

預(yù)警系統(tǒng)不但實(shí)時(shí)監(jiān)測，而且實(shí)時(shí)將安全警示信息發(fā)送到現(xiàn)場及后方相關(guān)人員手機(jī)上，以及時(shí)了解邊坡動(dòng)態(tài)變化情況?！爸灰⑿緲吨笜?biāo)不發(fā)生突變、系統(tǒng)不預(yù)警，即使滑坡還在持續(xù)形變，下方道路也可以放心通行?！敝x謨文說。

2018年6月19日14時(shí)40分，預(yù)警系統(tǒng)監(jiān)測到，位于滑坡后緣的2號微芯樁連續(xù)發(fā)生較大振動(dòng)并發(fā)出預(yù)警。當(dāng)時(shí)謝謨文剛好在現(xiàn)場，看到預(yù)警后，立即通知現(xiàn)場值班人員封鎖道路，全體人員撤離。

約30分鐘后，山體滑坡發(fā)生，大量巨石滾落?！斑@次，‘偵察衛(wèi)士又立功了。”謝謨文說。

此后兩年時(shí)間，安裝在大渡河猴子巖庫區(qū)的預(yù)警系統(tǒng)，成功預(yù)警避險(xiǎn)滑坡8次，預(yù)警成功率100%。70萬丹巴人交通要道的通暢、坡下3000名施工人員的安全有了保障，預(yù)警系統(tǒng)也確保高峰期2萬輛車順利通行，為水電站帶來2.2億元經(jīng)濟(jì)效益。

經(jīng)過幾年技術(shù)迭代，微芯樁產(chǎn)品已升級到第四代，不僅越來越小巧，集成度也越來越高，傳感系列產(chǎn)品已達(dá)到國際領(lǐng)先水平，并在多項(xiàng)應(yīng)用中成功預(yù)警。

2020年，自然資源部印發(fā)《地質(zhì)災(zāi)害防治三年行動(dòng)實(shí)施綱要》，明確全面開展地質(zhì)災(zāi)害隱患識別與1∶5萬調(diào)查和風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)，對重點(diǎn)地區(qū)開展1∶1萬精細(xì)化調(diào)查，查明風(fēng)險(xiǎn)底數(shù)，夯實(shí)防治工作基礎(chǔ)。微芯樁入選自然資源部地災(zāi)普適型監(jiān)測預(yù)警設(shè)備，并已在北京、湖南、貴州、四川、廣東等省、市推廣應(yīng)用。

謝謨文的夢想，是打造天地一體化安全態(tài)勢感知網(wǎng)系統(tǒng)。也就是說，“將來你走到任何地方，都可以通過手機(jī)終端隨時(shí)隨地查看是否置身危險(xiǎn)。比如站在高樓旁，系統(tǒng)馬上會(huì)顯示整棟樓房的安全狀態(tài)；走到山腳，能通過系統(tǒng)了解山體是否有地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)；通過橋梁，系統(tǒng)也會(huì)提示這座橋的安全情況”。他坦言“這些取決于創(chuàng)新商業(yè)模式、技術(shù)過硬、價(jià)格夠低、產(chǎn)品更普適，還有很長的路要走”。讓民眾置身安全環(huán)境，謝謨文愿意為這個(gè)夢想付出全部心血，不懈努力。