基本信息
- 项目名称：
- 危岩突发性崩塌应急安全警报系统与设备研发
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”作品
- 小类：
- 机械与控制
- 大类：
- 科技发明制作B类
- 简介：
- 目前有关危岩崩塌灾害预警多数从灾害体及其环境表象出发，不能实时获取危岩崩塌信息。因此，本项目基于断裂力学，构建了危岩稳定性计算方法，从危岩崩塌信号出发，采用三维应力采集器实时获取危岩崩塌的原始信息，通过构建的稳定性计算方法计算危岩的稳定性，最后再结合危岩安全评价标准，实时判别危岩所处的安全状态，将危岩的安全状态最终以不同颜色灯光和鸣笛等显示的方式实时公布。
- 详细介绍：
- 危岩崩塌具有突发性，致灾后果具有毁灭性。目前有关危岩崩塌灾害的科学研究仍然缺乏系统性，国外学者注重对灾害事件的描述及运动过程模拟，国内学者主要依靠经验和半定量方法现场确定危岩崩塌体位置，并概念性地提出治理方案。多数从灾害体及其环境表象出发实施灾害监测预警，强调崩塌灾害发生以后致灾危险区以外车辆、行人的应急避灾。不能从危岩崩塌信号出发，实时获取危岩崩塌信息，进而保证山区城镇、矿山及公路交通生命线建设及营运中普遍存在的突发性崩塌的应急安全警报。因此，本项目基于断裂力学，构建了危岩稳定性计算方法，从危岩崩塌信号出发，采用三维应力采集器实时获取危岩崩塌的原始信息，即主控结构面端部的最大拉应力和剪应力，然后以有线方式传送至信号处理器，将获取的应力信号通过构建的危岩断裂稳定性计算方法计算危岩的稳定性，最后再结合危岩安全评价标准，实时判别危岩所处的安全状态，将危岩的安全状态最终以不同颜色灯光和鸣笛等显示的方式实时公布。最大限度减少危岩崩塌灾害带来的生命财产损失，满足山地城市、矿山及公路交通生命线突发性崩塌的应急安全警报要求。
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作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 目的：构建基于危岩突发性崩塌应急安全警报系统与设备研发，为危岩突发性崩塌灾害防灾、减灾和应急避灾提供科学依据，确保相应路段、区域生命财产安全。基本思路：本项目基于断裂力学构建的危岩断裂稳定性分析方法，将危岩主控结构面端部岩石的断裂韧度与主控结构面联合断裂强度因子的比值（即KIC/Ke）定义为危岩稳定系数。由于主控结构面联合断裂强度因子具有实时性，则据此确定的危岩稳定系数也必然具有实时性，符合突发性崩塌应急安全警报目标。由危岩稳定系数经有线通讯传输并解调以后的危岩崩塌信号，是进行突发性崩塌应急安全警报的重要原始信息，再结合危岩安全性评价标准，实时判识危岩所处的安全性态，将危岩的安全状态以声音、灯光等显示方式予以实时公布，及时指导防灾、减灾和应急避灾。创新点：解决了危岩崩塌信号采集科学难题 （三维应力采集器 专利申请号201120078900.X） 构建了危岩突发性崩塌灾害应急安全警报系统，实现崩塌灾害实时安全警报。（突发性崩塌灾害应急安全警报装置 专利申请号201120078905.2）技术关键和主要技术指标：研发三维应力采集器，有效采集危岩崩塌信号，通过突发性崩塌灾害应急安全警报系统，实施危岩突发性崩塌应急安全警报。危岩断裂稳定性系数为主要技术指标。
科学性、先进性
- 科学先进性：危岩崩塌多发生于陡崖峭壁之上，隐蔽性强，进行实地勘察监测预警存在诸多不现实因素。国内已有报警系统更多的需要实地测绘，收集相关数据，通过变形，进行稳定性分析；而本项目基于断裂力学理论，将危岩主控结构面端部采集的压应力和剪应力变换成沿主控结构面的拉应力和剪应力，进而确定危岩的稳定性，在理论上具有先进性，并在以往的理论研究基础上实现了新的突破。最后通过有线方式，将信号以显示方式发出警报。同时本项目采用三维应力采集器，就避免了传统的应力采集器存在的信号失真，极大地提高了警报系统的精确度。技术性分析说明：危岩的崩塌破坏始于主控结构面端部的断裂扩展，实时采集危岩主控结构面端部的最大拉应力和最大剪应力，科学判断危岩稳定性态，并形象地显示安全性态，是对危岩突发性崩塌灾害有效而直接的预警预报。参考文献：1.陈洪凯，唐红梅，王林峰，叶四桥.危岩崩塌演化理论及应用[M].科学出版社,2009b 2.程靳，赵树山.断裂力学[M].科学出版社，2006
获奖情况及鉴定结果
- 无
作品所处阶段
- 试验阶段
技术转让方式
- 无
作品可展示的形式
- 模型
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 使用说明：其安装使用是：（1）根据勘察资料指定的危岩，在其主控结构面尖端区域按照一定规律布置钻孔。（2）每个三维应力传感器，在安置在危岩体内之前，将压力传感器、防水压膜、信号传输线有效粘贴在开口的金属薄壁材料上。（3）在开口薄壁金属筒内浇筑膨胀混凝土，等凝固后将信号传输线与数据处理盒连接。技术特点和优势：本系统基于断裂力学，忽视作用在危岩体上的荷载组合，将危岩主控结构面端部岩石的断裂韧度与联合断裂强度因子的比值定义为危岩稳定系数。同时本项目采用三维应力采集器，就避免了传统的应力采集器存在的信号失真，极大地提高了警报系统的精确度。适应范围：本发明适应于山区道路、国防洞库道路、城市人行通道地质灾害及突发性危岩崩塌防御领域。推广前景的技术性说明：国内外目前尚未取得实质性进展，尚未提出有效的安全警报方法。因此，危岩突发性崩塌灾害应急安全警报系统填补了国内空缺，市场容量巨大，将具有可观的市场前景和市场效益。
同类课题研究水平概述
- 查新结论： 根据本项目的查新要求，按相关主题词和学科分类法，采用计算机检索与手工检索相结合的方式，在检索范围内查阅了国内16种数据库和检索资源，筛选列出相关文献14篇，分析比较如下： 文献1通过对重庆南川金佛山甑子岩W12^#危岩体现场勘查，分析了该危岩体的成因机制和破坏模式；文献2采用常规监测仪器和人工变形量测手段进行了预警预报研究构建了公路边坡崩塌灾害警报系统；文献3根据力学特征建立了危岩的拉裂式倾倒崩塌计算模型；文献4报道了奉节李子垭危岩体的稳定性研究；文献5从线弹性断裂力学角度，分析在拉剪综合应力作用下锚固力对减小主控裂隙面尖端相当应力强度因子的贡献，并讨论了锚杆水平角变化对相当应力强度因子的影响；文献6建立了在渗透力作用下两种受力形式的危岩主控结构面应力强度因子和断裂角的计算方法，；文献7基于断裂力学方法建立了主控结构面尖端岩石断裂角和联合断裂强度因子计算方法，提出了危岩稳定系数计算式；文献8报道了岩质陡坡上危岩崩落机理研究，基于断裂力学和损伤力学原理得到了各危岩块崩落时间的计算方法；文献9报道了危岩体细观损伤断裂力学研究；文献10通过对织金县城关镇白岩村危岩（崩塌带）调查,结合危岩体发育特征及周边地质环境状况,对危岩体稳定性进行定性评价和定量评价；文献11通过对崩塌区地质灾害的调查,结合所收集的地质资料,分析了崩塌地质灾害的形成机制以及危害性,并选择区内典型危岩及断面,采用危岩体平面滑动法及岩有限元应力分析法,对崩塌区危岩体在各种工况条件下的稳定性进行评价；文献12通过建立优化的斜分条机动许可速度场,依据外力功率和内能耗散率相平衡的原理以此得到危岩体崩塌的稳定系数；文献13分析了危岩体崩塌破坏的三种模式，并提出了不同破坏模式的力学模型，应用极限平衡法对不同破坏模式的危岩体进行了稳定性计算分析；文献14采用赤平投影法与极限平衡法对小孤山崩塌稳定性进行定性与定量分析。 综上所述，在所检文献范围内，可得出如下结论：（1）见少量危岩崩塌预警分析及系统研究、基于断裂力学的危岩锚固计算等研究的文献报道，但未见利用断裂力学方法建立危岩稳定系数计算模型的危岩崩塌预警装置研究的文献报道；（2）综合具备本项目各项技术要点的“突发性崩塌灾害应急安全系统与设备研发”，在所检索范围及时限内，国内尚未见相关研究的文献报道。
