朱鸿鹄:光纤巧变大地神经!预警滑坡止灾害

原标题:朱鸿鹄:光纤巧变大地神经!预警滑坡止灾害

来源:南京大学

精益求精

千锤百炼

探索大地奥秘

专注地质灾害监测领域

创新成果引领国际科技前沿

……

近日,《香港文汇报》

整版报道了

南京大学青年科学家

朱鸿鹄教授的事迹

以下为报道全文

引言

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。这便是南京大学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。

学者朱鸿鹄简介

朱鸿鹄,1979年生,江苏苏州人。南京大学地球科学与工程学院教授、博导,南京大学大地探测与感知研究院院长,国家优秀青年科学基金获得者。长期从事地质与岩土工程监测评价领域的研究工作,近年来主持了国家重点研发计划、国家自然科学基金等30余项科研项目。在国内外重要期刊发表学术论文120余篇,出版专著2部,授权发明专利9项、软件著作权3项,参编国家标准1部,荣获国家科技进步奖一等奖等多项科技奖励。

朱鸿鹄:光纤巧变大地神经!预警滑坡止灾害

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

2019年初,朱鸿鹄作为核心骨干完成的成果“地质工程分布式光纤监测关键技术及其应用”荣获国家科学技术进步奖一等奖,这是中国在地质灾害监测领域取得的一项引领国际科技前沿的自主创新成果。

在港求学五年

开创全新空间

今年42岁的朱鸿鹄出生于江苏苏州一个工薪家庭。“两耳不闻窗外事,一心只读圣贤书,是我从小学到大学的最好诠释。”朱鸿鹄非常怀念在香港的5年光阴。“我硕士期间从事的是软土力学研究,在香港读博让我走出舒适区,开创了一片全新的空间。”

2005年,朱鸿鹄进入香港理工大学土木及结构工程系攻读博士学位,师从土力学学科带头人殷建华教授。当时殷教授了解到国际上正在探索研发一种光纤传感技术,能够在线监测被测物的形变和温度等物理指标,尤其适用于长距离和大范围的工程监测。彼时国际上光纤传感应用最多的领域是结构工程和航空航天工程。朱鸿鹄说,“香港青马大桥率先建立了一个光纤监测系统,一举成为国际结构健康监测史上的经典案例”,“而光纤监测应用于滑坡防治,既有很大的发展潜力,也面临巨大的挑战”。

“这是由于监测对象是天然岩土体,地质环境复杂多样,因此脆弱的光纤传感器几乎一碰就会损坏,在国际上也几乎查不到任何成功的案例。”朱鸿鹄解释道,从事这个研究方向,意味着要实现“从零到一”的突破,必须从最基本的光电知识入手,不仅要深入了解各类光电设备的调制解调原理和工作特性,而且还要熟练掌握光纤传感器的设计制作流程和安装工艺。

“和光电专业出身的人相比,我们的优势是最了解滑坡的失稳机理和监测需求,可以有针对性地开发新型的光纤监测系统。”说干就干,朱鸿鹄从连续36个小时加班加点刻制光纤布拉格光栅,到新填地街、鸭寮街市场购买几十种胶水尝试改进封装工艺,再到梅窝、大埔、上水、大窝口、沙头角、九龙塘、宝珊道等工程现场小心翼翼地布设光纤、调试设备,研究工作慢慢有了些许起色。

为了进行现场监测,朱鸿鹄曾在四川攀枝花在建的攀枝花-田房高速公路施工现场驻守3个月,每天清早背着几十斤重的监测装备及线缆爬山涉水,在罕有人烟的环境里安装传感器、测试系统,经常一干就是大半夜。

繁重的现场监测任务使得朱鸿鹄脚踝和腰部多次扭伤,每次出野外既是对身体的考验,又是对意志的磨炼。他说,只要想到自己所做的一切是为了山区老百姓不再担惊受怕,再苦再累也值得。“科研是一个厚积薄发的过程,任何成果都是长期积累、长期努力的结果。”朱鸿鹄笑谈,“千锤百炼将我从一块铁变成了钢。”

“啃下硬骨头,

你就站在科学最前沿”

朱鸿鹄:光纤巧变大地神经!预警滑坡止灾害

2020年新冠病毒疫情期间,朱鸿鹄在三峡库区奉节县安坪镇新铺滑坡现场考察

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。朱鸿鹄苦苦思考、反覆试验,终于创建了一个全新的分段弯梁元件设计方案,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,朱鸿鹄进入南京大学任教,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。

朱鸿鹄:光纤巧变大地神经!预警滑坡止灾害

2010年,朱鸿鹄在汶川震区魏家沟布设泥石流传感器,进行泥石流监测

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,并应用于三峡库区马家沟、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。

朱鸿鹄:光纤巧变大地神经!预警滑坡止灾害

2020年新冠病毒疫情期间,朱鸿鹄团队完成长江三峡库区滑坡监测示范

理工男文学心

读莎翁品人生

作为本硕博一直就读工科专业的理工男,朱鸿鹄的胸膛里却跳动着一颗文学心。他自幼喜爱莎士比亚的戏剧,这已成为支撑着他在科研中日复一日、不断创新的动力源泉。

“因为文学,所有经历都变得意味无穷。”朱鸿鹄说,“莎翁的作品有一种魔力,能让人的心很快安静下来,启发我们洞悉人性、思考人生,在科学研究的过程中不断传递人文关怀。”

2014年,在国家留学基金委的资助下,朱鸿鹄赴英国剑桥大学工程系访学一年。在旅英期间,他心无旁骛,连续提出了基于应变监测的滑坡稳定性评价方法、光纤测值可靠性的应变梯度判据等创新性成果。

“莎士比亚说过,在时间的大钟上,只有两个字‘现在’。我们要把握好当下,踏踏实实把小事做好。”随着“一带一路”建设的持续推进,朱鸿鹄又盯上了冻土滑坡的原位高精度监测这一全球性科学难题。为了捕捉季节性冻土的水分迁移和冰水相变过程,他提出了基于分布式温度传感的主动-被动联合监测方法。通过在甘肃、河北等地的原位观测和示范,验证了该方法在冻土水分高精度、微扰动、全自动监测中的可行性。这一成果为揭示原位冻土的热-水-力耦合机理及冻土滑坡演化规律提供了技术支撑,未来将为保障川藏铁路等工程建设安全保驾护航。

“感谢这个伟大的时代,也感谢南大的支持,让我们走出一条产学研相结合的道路。”朱鸿鹄说,“2009年,南京大学高新技术研究院成立了苏州南智传感产学研平台,课题组的研究成果得以顺利转化、应用,使得我们的科研工作能够顶天立地,在工程实践中真正创出成效。”

Q&A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:光纤可以测什么指标?

答:直接的监测量是应变和温度,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。

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