CN103149340B - 一种利用降雨量测定滑坡稳定性的动力监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用降雨量测定滑坡稳定性的动力监测方法，将某一降雨过程中降雨量的增量变化与初始降雨量之比作为滑坡失稳的动力加载率，将相应滑坡位移速率的变化与初始位移速率之比作为滑体稳定性的位移动力响应率，将滑坡失稳的动力加载率与位移动力响应率之比定义为滑坡位移动力加载率，以滑坡的位移降雨动力加载率作为滑坡稳定性的判据，确定滑坡的降雨动力加载率预测参数，根据降雨动力加载率预测参数与滑坡稳定性的定量关系，建立滑坡稳定性评价模型，对滑坡的稳定性进行评价与预测预报。该方法将降雨与滑坡位移或位移速率进行同步监测，有预测滑坡的精确统一判据，对滑坡预测预报和预警治理提供了有效依据。

Description

一种利用降雨量测定滑坡稳定性的动力监测方法

技术领域

本发明涉及一种边坡监测方法，尤其是一种利用降雨量测定滑坡稳定性的动力监测方法。

背景技术

滑坡是危害性和破坏性较为严重的地质灾害之一，滑坡稳定性的科学监测与预测预报是滑坡灾害监测预警与防灾减灾工程的基础与前提。

目前，国内外最广泛应用的滑坡地质灾害预测评价方法是极限平衡力学评价法和位移时序预测法。

极限平衡力学评价方法是把滑坡体假设为刚体，分析其沿滑动面的力学平衡状态，通过下滑力、抗滑力的比值作为滑坡的安全系数Fs来评价边坡稳定性。但该类方法建立的力学评价模型为不含时间因素的静态模型且建模的假设条件与限制条件较多，使得预测评价结果易受上述因素的影响具有很强的不确定性，更无法预测滑坡发生的时间。

位移时序预测法是以位移时序观测曲线与蠕变理论为基础的预测和评价滑坡稳定性及失稳时间的一种方法。该方法监测滑坡系统演化的位移-时间序列，运用滑坡位移量、位移速率或位移加速度作为滑坡预测参数，分析其变化规律来预测滑坡稳定性以及滑坡失稳时间。该方法虽在某种程度上克服了极限力学平衡法的不足，但其评价的参数仅是滑坡演化过程中的位移或位移速率及其变化规律，解释不了滑坡位移或位移速率变化的动因，并且该方法所采用的位移预测参数易受外界因素干扰而出现多期加速阶梯状振荡变化，而这种位移加速阶梯状振荡变化并不能一定代表滑坡的整体失稳，而且该类方法位移预测参数并没有统一失稳判据，因而无法对滑坡灾害的发生时间做出准确判别与预测。

中国专利申请CN101598721.A公开了一种在降雨条件下土壤边坡稳定性预测预报方法，其首先通过11个参数建立土边坡稳定性控制因素综合表，再通过土边坡稳定性控制因素数学回归分析，建立各个控制因素抗洪能力评分表，然后通过区域滑坡与降雨关系调查统计分析，得出滑坡时有效降雨量阀值，最后是根据抗洪能力评分表，结合各种降雨量规律与特征，建立土边坡在降雨条件下的稳定性警戒等级图，根据土边坡在降雨条件下的稳定性警戒等级图，对某一边坡所处的稳定性状态进行预测预报。但该发明所述方法（1）没有考虑到在降雨或极端降雨在不同历时条件下的滞后作用对边坡稳定性的影响，（2）参数的选取对边坡稳定性的研究也是制约着本发明(3)滑坡失稳预测没有较准确的时间，(4)没有对应提出明确的滑坡预测判据。

中国专利申请CN102799756A公开了一种降雨作用下的滑坡预测方法，通过将基于物理概念的水文模型和毕肖普边坡稳定分析方法相结合，对研究位置滑坡灾变过程进行时空预测，是一种将土力学、水力学与计算机数值模拟相结合的滑坡预警预报方法。但此发明所述方法没有确定那个的滑坡预测模型及滑坡预测判据，仅仅以一个滑坡预警等级来预测滑坡，没有准确的滑坡预测时间，预测效果模糊，同时易受到原有极限平衡分析方法本身缺点的限制。对工程的实际操作有严重不可避免的制约性。

上述方法不足导致其实际工程应用性大大降低，因此探索一种适合该类性边坡的预测预报方案厄待解决的问题。

发明内容

本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种利用降雨量测定滑坡稳定性的动力监测方法，该方法改变了传统位移时序预测法仅仅选取滑坡位移或位移速率作为监测和评价参数的思路，将降雨与滑坡位移或位移速率进行同步监测，有预测滑坡的精确统一判据，对滑坡预测预报和预警治理提供了有效依据。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种利用降雨量测定滑坡稳定性的动力监测方法，步骤如下：

1）选取滑坡位移监测点与基准点；

2）布置于安装监测设备；

3）将监测设备获取的降雨量及位移速率监测与监测数据初处理；

4）确定滑坡动力加载率与位移动力响应率，即将某一降雨过程中降雨量的增量变化与初始降雨量之比作为滑坡失稳的动力加载率，将相应滑坡位移速率的变化与初始位移速率之比作为滑体稳定性的位移动力响应率；

5）确定滑坡位移动力加载率与滑坡稳定性判据，将滑坡失稳的动力加载率与位移动力响应率之比定义为滑坡位移动力加载率，以滑坡的位移降雨动力加载率作为滑坡稳定性的判据，确定滑坡的降雨动力加载率预测参数；

6）滑坡的监测与预警预报，根据降雨动力加载率预测参数与滑坡稳定性的定量关系，建立滑坡稳定性监测模型，对滑坡的稳定性监测与预警预报。

所述步骤1）中选取滑坡位移监测点与基准点具体为：对待评价滑坡，分析滑坡主滑区及后缘拉张裂缝、剪出口关键位置确定滑坡体尺寸与分布范围特征：①在边坡的主滑面的坡体、张拉裂缝或剪出口部位设定n个位移监测点，n为大于等于1的整数；②不少于3个位移监测基准点选在监测滑坡体以外稳定的基岩或无变形的区域，形成控制网，保证自我校核和控制边坡监测点全面监测。

所述步骤2）中的监测设备包括降雨量监测设备和位移速率监测设备，其中降雨量监测设备选用全自动水文监测系统，在边坡监测区域覆盖式监测，使所测降雨量具有普适性；位移速率监测是在坡体监测点采用无线位移速率监测系统，保证埋设的监测设备与滑坡体表层紧密结合，设备之间相互独立，互不干涉，每个监测点位移速率变化值得到有效监测。

所述步骤3）中降雨量及位移速率监测与监测数据初处理具体为：以一个月时间间隔同步同周期对滑坡区的降雨量及位移速率监测，并通过边坡场地数据信号收集器将监测数据传输到远程监测室;对监测数据分类预处理，并详细录入Excel表格。

所述步骤5）中的滑坡稳定性判据的确定是根据弹塑性力学基本原理，建立滑坡稳定性判据如下:

$Y\left(t\right)=\stackrel{\‾}{Y}\left(t\right)+\mathrm{m\σ},$

其中，m=1、2， $\stackrel{\‾}{Y}\left(t\right)=\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{Y}_i\left(t\right);$ $\mathrm{\σ}=\sqrt{\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{(Y_i\left(t\right)-\stackrel{\‾}{Y}\left(t\right))}^2},$ 其中Y_i(t)为每年所求的降雨动力加载率，n为大于1的总监测年数。

所述步骤6）中的滑坡的监测与预警预报具体为：当动力加载率为1时，表明滑坡处于稳定状态；当动力加载率突然持续增大，但时，滑坡处于不稳定阶段初期；当动力加载率滑坡处于不稳定阶段加速变形状态；当动力加载率滑坡处于整体滑移阶段，滑坡即将失稳；因此，若位移加载率折线图达到则说明滑坡达到加速变形阶段，需进行滑坡预警，若位移加载率折线图达到并超过则说明滑坡进入整体滑移阶段，整体滑坡失稳即将发生。

本发明的有益效果是，本发明为降雨量监测滑坡地质灾害的位移耦合动力检测参数和稳定性监测方法，该方法改变了传统位移时序预测法仅仅选取滑坡位移或位移速率作为监测和评价参数的思路，将降雨与滑坡位移或位移速率进行同步监测。本发明将滑坡监测区降雨加载动力参数与滑坡位移或位移速率响应参数进行了有机耦合，有效克服静态极限力学评价法无法分析和评价边坡稳定性随时间的变化规律的局限，同时又可克服传统位移时序预测方法无法分析和评价滑坡形成机理与动因及无统一失稳判据的弊端等问题，有预测滑坡的精确统一判据，对滑坡预测预报和预警治理提供了有效依据。

附图说明

图1是本发明工艺流程示意图；

图2是滑坡监测点布置示意图；

图3为实施例监测点位置布设示意图；

图4为实施例中A3监测点的位移加载率曲线图；

图5为实施例中B3监测点的位移加载率曲线图；

其中01为滑坡体，02为位移速率监测点，03为滑坡体剪切张拉裂缝。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

为了更好地阐述本发明，下面以某降雨诱发滑坡为例进行详细说明。该滑坡为长江沿岸堆积层滑坡，本实施例滑坡的监测时间为1978年1月至1985年6月，滑坡于1985年6月发生失稳破坏而终止。具体的实施步骤如下：

第一步：滑坡位移监测点与基准点选取

根据该滑坡主滑区及后缘滑坡体剪切拉张裂缝03、剪出口等关键位置与特征以及滑坡带状分布与基岩出露于两侧的情况，在滑坡体01上选取A3、B3（见图4）两点作为分析目标位移速率监测点02并设置位移基准点。

第二步:监测设备布置与安装

在A3、B3两点安置无线位移速率监测系统来监测边坡位移速率，并在滑坡所在区域安装全自动水文监测系统，对滑坡监测区域覆盖式监测降雨量。

第三步：降雨量及位移速率监测与监测数据初处理

以月为时间间隔同步同周期通过滑坡场地数据信号收集器收集滑坡的位移速率和降雨量监测数据，并传输到远程监测室，在监测室每隔一月用Excel处理软件进行监测数据的预处理，得到降雨量（见表1）和滑坡位移速率值（见表2～3）。

第四步：滑坡动力加载率与位移动力响应率的确定

自1978年1月开始，对监测到的数据进行处理，将每月的降雨量数据和位移速率数据累加一年得到年降雨量和年位移速率，记录如表4，并将监测到1985年6月这一降雨过程中降雨量的增量变化与初始降雨量之比确定为滑坡失稳的动力加载率;将相应滑坡位移速率的变化与初始位移速率之比确定为滑体稳定性的位移动力响应率。

表1  滑坡区降雨数据

表2  A3点月位移速率

表3  B3点月位移速率

表4 滑坡年降雨量与A3、B3点年位移速率

第五步：滑坡位移动力加载率与稳定性评价参数的确定

根据第四步计算结果,将A3、B3两点的滑坡失稳的动力加载率与位移动力响应率之比Y（t）=(v/v₀)/（q/q₀）确定为滑坡位移动力加载率（见表5），以滑坡位移动力加载率作为其稳定性评价参数,对其稳定性进行评价与预测，并作出位移动力加载率曲线图（图4、图5）。

表5  A3、B3点位移动力加载率

第六步：滑坡的监测评价与预警

根据弹塑性力学基本原理,建立的滑坡稳定性判据，其中， $\stackrel{\‾}{Y}\left(t\right)=\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{Y}_i\left(t\right),$ ${\mathrm{\σ}}^2=\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{(Y_i\left(t\right)-\stackrel{\‾}{Y}\left(t\right))}^2,$ 位移动力加载率见表5，按照A3、B3点代入 $\stackrel{\‾}{Y}\left(t\right)=\frac{1}{8}\underset{i=1}{\overset{8}{\mathrm{\Σ}}}{Y}_i\left(t\right),$ ${\mathrm{\σ}}^2=\frac{1}{8}\underset{i=1}{\overset{8}{\mathrm{\Σ}}}{(Y_i\left(t\right)-\stackrel{\‾}{Y}\left(t\right))}^2$ 分别计算当m取值1和2时的 $Y\left(t\right)=\stackrel{\‾}{Y}\left(t\right)+\mathrm{m\σ}$ 的稳定性判据值（见表6）。

表6  滑坡稳定性判据

将确定为滑坡加速变形阶段开始点，为整体滑移阶段开始点，因此，若位移加载率折线图达到的话，则说明滑坡达到加速变形阶段，需进行滑坡预警，若位移加载率折线图达到则说明滑坡进入整体滑移阶段，整体滑坡即将发生。

经分析滑坡区的降雨量监测数据以及A3、B3两点的位移速率监测值，得到A3、B3两点的位移动力加载率及其稳定性判据曲线图（见图4、图5）。

对于A3点，在1984年之前，滑坡的位移加载率Y(t)均小于异常值滑坡处于稳定状态，1984～1985年期间,位移加载率开始增大，且当表明滑坡进入加速变形阶段，在滑坡失稳前位移加载率突然增大且滑坡已进入整体滑移阶段，灾害即将发生；

同理，对于B3点，在1984年之前，滑坡的位移加载率Y(t)均小于异常值处于稳定状态，1984～1985年期间,位移加载率开始增大，且当表明滑坡进入加速变形阶段，在滑坡失稳前位移加载率突然增大且滑坡已进入整体滑移阶段，灾害即将发生位。上述预测结果与该滑坡实际失稳时间相吻合。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (5)

1.一种利用降雨量测定滑坡稳定性的动力监测方法，其特征是，步骤如下：

1)选取滑坡位移监测点与基准点；

2)布置于安装监测设备；

3)将监测设备获取的降雨量及位移速率监测与监测数据初处理；

4)确定滑坡动力加载率与位移动力响应率，即将某一降雨过程中降雨量的增量变化与初始降雨量之比作为滑坡失稳的动力加载率，将相应滑坡位移速率的变化与初始位移速率之比作为滑体稳定性的位移动力响应率；

5)确定滑坡位移动力加载率与滑坡稳定性判据，将滑坡失稳的动力加载率与位移动力响应率之比定义为滑坡位移动力加载率，以滑坡的位移降雨动力加载率作为滑坡稳定性的判据，确定滑坡的降雨动力加载率预测参数；所述滑坡稳定性判据的确定是根据弹塑性力学和数理统计基本原理，建立滑坡稳定性判据如下:

所求的降雨动力加载率，n为大于1的总监测年数；

6)滑坡的监测与预警预报，根据降雨动力加载率预测参数与滑坡稳定性的定量关系，建立滑坡稳定性监测模型，对滑坡的稳定性监测与预警预报。

2.如权利要求1所述的方法，其特征是，所述步骤1)中选取滑坡位移监测点与基准点具体为：对待评价滑坡，分析滑坡主滑区及后缘拉张裂缝、剪出口关键位置确定滑坡体尺寸与分布范围特征：①在边坡的主滑面的坡体、张拉裂缝或剪出口部位设定n个位移监测点，n为大于等于1的整数；②不少于3个位移监测基准点选在监测滑坡体以外稳定的基岩或无变形的区域，形成控制网，保证自我校核和控制边坡监测点全面监测。

3.如权利要求1所述的方法，其特征是，所述步骤2)中的监测设备包括降雨量监测设备和位移速率监测设备，其中降雨量监测设备选用全自动水文监测系统，在边坡监测区域覆盖式监测，使所测降雨量具有普适性；位移速率监测是在坡体监测点采用无线位移速率监测系统，保证埋设的监测设备与滑坡体表层紧密结合，设备之间相互独立，互不干涉，每个监测点位移速率变化值得到有效监测。

4.如权利要求1所述的方法，其特征是，所述步骤3)中降雨量及位移速率监测与监测数据初处理具体为：以一个月时间间隔同步同周期对滑坡区的降雨量及位移速率监测，并通过边坡场地数据信号收集器将监测数据传输到远程监测室；对监测数据分类预处理，并详细录入Excel表格。

5.如权利要求1所述的方法，其特征是，所述步骤6)中的滑坡的监测与预警预报具体为：当动力加载率为1时，表明滑坡处于稳定状态；当动力加载率突然持续增大，但Y(t)＜时，滑坡处于不稳定阶段初期；当动力加载率滑坡处于不稳定阶段加速变形状态；当动力加载率滑坡处于整体滑移阶段，滑坡即将失稳；因此，若位移加载率折线图达到的话，则说明滑坡达到加速变形阶段，需进行滑坡预警，若位移加载率折线图达到则说明滑坡进入整体滑移阶段，整体滑坡失稳即将发生。