CN105788180B - 一种基于非饱和土体含水量的浅层降雨滑坡预警方法 - Google Patents
一种基于非饱和土体含水量的浅层降雨滑坡预警方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种基于非饱和土体含水量的浅层降雨滑坡预警方法，属于山地灾害领域。本发明根据非饱和土力学理论，水文学理论和滑坡稳定性分析理论，结合实时监测滑坡土体体积含水量对滑坡非饱和土的稳定系数进行实时求解，并以规范规定的稳定性状态建立预警指标为基础，实现对非饱和条件下浅层降雨滑坡进行实时预警的方法。本发明理论方法可靠，计算科学便捷，预警指标基于规范，既解决了浅层降雨滑坡非饱和破坏力学机理在预警报中的适用性问题，又提高了预报可靠性，准确性和科学性。本发明可直接为浅层降雨滑坡的稳定性分析和监测预警提供技术支撑。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于非饱和土体含水量的浅层降雨滑坡预警方法，属于山地灾害领域。
背景技术
目前，降雨滑坡的预警方法多实时监测的降雨量为基础以降雨临界值和“降雨强度+前期降雨量”或“降雨强度+降雨历时”为基本手段，往往忽视滑坡物理力学机理和滑坡非饱和破坏条件。根据最新研究成果，大量浅层降雨滑坡是在非饱和条件下发生破坏，因此滑坡勘查和防治规范中假设土体全部饱和工况下的稳定性分析必然过于保守，以此为基础的降雨滑坡的稳定性分析显然难以满足准确性要求。浅层降雨滑坡的破坏机理为斜坡非饱和土体在降雨入渗作用下含水量增加土体重量增加，同时非饱和土基质吸力降低，从而引发下滑力增大和抗滑力减小，最终导致坡面失稳产生浅层滑坡。
因此，基于降雨量开展滑坡预警方法存在如以几个方面的不足：一是降雨临界值的方法与滑坡破坏的力学机理脱节，物理意义不明确。降雨可能产生坡面径流和蒸散发等分流，且植被对降雨的分流也有雨伞效应，根本上讲滑坡破坏是由于雨水入渗到土体造成的，但不同滑坡下垫面状况不一，降雨入渗到土体的量差异很大；二是滑坡发生的前期雨量难以准确统计和计算，由于滑坡现象往往不可重复，且范围相对小，降雨量空间上差异又很大，因此通过历史滑坡和降雨量统计前期降雨，本身就存在很大的不确定性和局限性，且统计误差较大；三是基于单一降雨指标的预警模型中的指标单一，不能反映滑坡土体的力学性能和水文特征。降雨诱发滑坡破坏过程中基质吸力，含水量和渗透系数等水文力学参数都有不同的变化，因此未考虑滑坡土体上述水文和力学参数等指标的模型，也无法反应滑坡破坏的物理特征，很难做到对滑坡的精确预警报；也不能全面反映浅层滑坡变形破坏的物理力学特征。
发明内容
本发明的目的就是针对现有滑坡预警报技术的不足，提供一种非饱和条件下浅层降雨滑坡的预警方法，针对现行滑坡预警报方法多采用降雨单一指标，对滑坡物理力学状态和滑坡非饱和破坏考虑不充分，因而导致预警不准确的技术缺陷。
为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：一种基于非饱和土体含水量的浅层滑坡降雨预警方法，主要包括以下步骤：
步骤一：根据现场地质勘查确定滑坡范围，并通过岩土试验确定滑坡非饱和土体物理力学参数：其中，主要物理力学参数包括：土体有效内摩擦角φ',土体有效粘聚力c',土体干容重γs,土体的饱和体积含水量θs，土体的残余体积含水量θr和非饱和土水土特征曲线参数α，n；选定滑坡体积含水量监测站位置，制定监测方案；
步骤二：开展实时监测站点建设及传感器埋设安装，并实现实时监测，数据传输和存储到控制中心；
步骤三：建立基于实时体积含水量的稳定系数计算模型，对滑坡稳定系数进行计算，展示和存储；
步骤四：控制中心根据计算结果，对比滑坡预警分级指标，对降雨滑坡开展实时监测预警。
作为优选，所述步骤一和步骤二中的监测站点建设中，体积含水量监测站应布置在滑坡范围内，并至少安装一个体积含水量传感器，传感器埋深为20～50cm。
作为优选，所述步骤二具体如下：(1)根据滑坡现场勘查确定滑坡监测范围，建设滑坡体积含水量监测站，开展监测站点布置，传感器的埋设安装；(2)进一步开展滑坡土体的体积含水量实时监测，通过GPRS无线传输，将监测数据实时传输并存储到控制中心。
作为优选，所述的步骤三中涉及的基于实时体积含水量的非饱和土体稳定系数计算方法，是耦合非饱和土理论，水文学理论和滑坡稳定性分析理论，对滑坡非饱和土的稳定系数进行实时求解，具体按照如下方法实施：根据水文学理论中计算有效饱和度Se(Z,t)：
式中：Se(Z,t)为有效饱和度，θ(Z,t)为土体的饱和体积含水量，θs为土体的饱和体积含水量，θr为土体的残余体积含水量；t为不同时刻，Z为不同土层深度；
根据土壤学理论计算非饱和土体基质吸力ψ(Z,t)：
式中：ψ(Z,t)为滑坡非饱和土体基质吸力，γw为水的容重,α和n为水土特征曲线特征参数；
根据非饱和土力学理论计算吸应力σs(Z,t)：
σs(Z,t)＝Seψ(Z,t)
耦合非饱和土理论，水文学理论和滑坡稳定性分析理论，计算滑坡非饱和土体稳定系数Fs(Z,t)：
式中，Fs(Z,t)为滑坡非饱和土体稳定系数，σs(Z,t)为非饱和土体深度的吸应力；φ'为土体有效内摩擦角；c'为土体有效粘聚力,γs为土体干容重,γw为水的容重,β为滑坡坡度。
作为优选，所述步骤四中滑坡预警预报指标是根据规范规定的滑坡稳定性状态划分，具体为：根据规范规定将滑坡稳定性分为稳定状态(1.15＜Fs)，基本稳定状态(1.05＜Fs＜1.15)，欠稳定状态(1＜Fs＜1.05)，不稳定状态(Fs＜1)四个级别，预警指标相应采用不预警、黄色预警、橙色预警和红色预警四级划分。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明通过滑坡地质勘查和实时土体含水量的监测，采用滑坡物理力学参数结合实时土体含水量监测数据，基于耦合非饱和土理论和滑坡稳定性分析方法理论，进一步计算出的滑坡稳定系数直接指标来实现对浅层降雨滑坡的实时预报预警。与现行的采用“临界雨量+前期雨量”或“降雨强度+持续时间”等通过间接降雨单一指标的预警模式相比，本发明直接结合土体力学机理指标，利用滑坡土体实时监测的体积含水量结合土体物理力学参数，实时计算土体力学状态和稳定性，并规范提出的滑坡稳定性评价指标确定预警级别，本发明提出的方法更加具有理论性和科学性，计算结果客观，程序简单实用，指标简单，适用性和准确性更强。因此，本发明解决了滑坡预警中由于缺乏长期观测降雨数据而无法获得降雨临界值的适用性问题技术问题，以及利用间接降雨指标无法反应土体力学机理而导致的准确性技术问题，可为准确的开展浅层降雨滑坡的预警提供了有效的技术手段。本发明提出的滑坡稳定性分析方法耦合水文学，非饱和土力学和滑坡稳定性分析理论，揭示了降雨激发浅层滑坡在非饱和条件下发生变形破坏的物理过程和力学机理，对于推动滑坡学理论进步具有理论意义。
附图说明
图1为本发明的方法流程图；
图2为本发明的具体实施方式中建设监测站传回的的体积含水量和降雨量的随时间变化的监测数据示意图；
图3为本发明的具体实施方式计算滑坡稳定系数随时间变化的过程及相应达到的预警指标级别图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的优选实施例作进一步的描述。
一种基于非饱和土体含水量的浅层滑坡降雨预警方法，包括以下步骤：
步骤一：根据现场地质勘查确定滑坡范围，并通过岩土试验确定滑坡非饱和土体物理力学参数，主要参数包括：土体有效内摩擦角φ',土体有效粘聚力c',土体干容重γs,土体的饱和体积含水量θs，土体的残余体积含水量θr和非饱和土水土特征曲线参数α，n；同时，选定待建设的滑坡体积含水量监测站位置，在本发明的方法中要求选择对滑坡体实地勘查后确监测点和位置作为预警区，并根据实地勘查成果编制监测方案。
步骤二：根据滑坡现场勘查确定滑坡监测范围，开展滑坡土体的体积含水量实时监测，将监测数据实时传输并存储到控制中心。基于步骤二中的计算原理，在滑坡的预警区至少要安装1个以上的体积含水量监测站。
本发明涉及土体含水量监测站的传感器埋置深度(Z)一般为20cm～50cm，其原因在于，浅层降雨型滑坡的滑动面多发生住20cm～50cm土体内，因此监测这个深度的含水量对于后续计算浅层滑坡的稳定性有重要意义。
步骤三：建立基于不同时刻体积含水量的稳定系数计算模型，本发明耦合非饱和土吸应力模型和无线边坡模型方法，建立非饱和土浅层滑坡稳定性计算模型。
控制中心通过实时传回的体积含水量数据，以步骤二中的方法为基础，结合公式1～4计算确定不同时刻(t)的非饱和土体有效饱和度，基质吸力和滑坡稳定系数，并进行展示和存储。
本发明的核心是耦合非饱和土理论，水文学理论和滑坡稳定性分析理论，通过实时监测的不同时刻不同土层深度的体积含水量，对滑坡非饱和土的稳定系数进行实时求解，不但能够根据结果对降雨滑坡进行预警报解决滑坡防灾减灾的实际问题，而且还可以揭示降雨激发浅层滑坡在非饱和条件下发生变形破坏的物理过程和力学机理，对于推动滑坡学理论进一步深入打下基础。
下面对本发明提出的滑坡非饱和土的稳定系数求解过程进行介绍。根据水文学理论中有效饱和度Se的概念和方法，根据实时监测得到不同时刻和不同土体深度的体积含水量θ(Z,t)数据计算有效饱和度Se(Z,t)：
式中：Se(Z,t)为有效饱和度，θ(Z,t)为土体的饱和体积含水量，θs为土体的饱和体积含水量，θr为土体的残余体积含水量；t为不同时刻，Z为不同土层深度；
接下来，根据土壤学中对于非饱和土体基质吸力的计算模型，根据公式1得到的有效饱和度Se(Z,t)，计算非饱和土体基质吸力：
式中：ψ(Z,t)为滑坡非饱和土体基质吸力，γw为水的容重,α，n为水土特征曲线特征参数；
根据非饱和土力学理论中吸应力的表达式，计算非饱和土在不同时刻和不同土体深度的吸应力σs(Z,t)：
σs(Z,t)＝Seψ(Z,t)公式3
下一步再耦合非饱和土理论，水文学理论和滑坡稳定性分析理论，对不同时刻和不同土层深度的浅层降雨滑坡非饱和土的进行求解：
式中，Fs(Z,t)为滑坡非饱和土体稳定系数，σs(Z,t)为非饱和土体深度的吸应力；φ'为土体有效内摩擦角；c'为土体有效粘聚力,γs为土体干容重,γw为水的容重,β为滑坡坡度；
步骤四：控制中心根据计算的实时计算的滑坡稳定系数，对比本发明提出的浅层降雨滑坡预警分级指标(表1)，决定是否发出相应等级的预警，并发布预警结果。
根据《滑坡防治工程勘查规范》(DZ/T0218-2006)规定的滑坡稳定性状态划分标准，将滑坡预警预报指标分为4级,见表1。根据规范规定，通过滑坡的稳定系数将的滑坡稳定性状态分成4个级别，本发明基于规范制定的预警分级，避免了预警指标通过拍脑袋等方式人为制定分级标准，在一定程度上提高了滑坡预警的客观性、科学性和可靠性。
表1浅层降雨滑坡预警分级指标
| 稳定系数 | 稳定状态 | 预警指标 | 变形情况 |
| Fs＞1.15 | 稳定状态 | 不预警 | 滑坡处于稳定状态 |
| 1.05＜Fs＜1.15 | 基本稳定状态 | 黄色预警 | 滑坡处于蠕动挤压状态 |
| 1.00＜Fs＜1.05 | 欠稳定状态 | 橙色预警 | 滑坡处于蠕滑变形状态 |
| Fs＜1.00 | 不稳定状态 | 红色预警 | 滑坡发生滑动 |
本发明的技术思想在于：以降雨条件下非饱和土体发生浅层滑坡的形成过程和力学机理作为理论基础，将不同时刻浅层滑坡非饱和土体的含水量θ(Z,t)与滑坡的稳定性Fs(Z,t)建立联系，并用运用滑坡稳定性分析的常规方法来判定浅层滑坡的稳定状态和预警指标。
依照该技术思想，本泥石流预警方法的基本技术原理在于：在步骤一中根据地质勘查确定滑坡的监测区和滑坡土体的物理力学参数等基础数据，并建设体积含水量的观测点位。在此基础上，在步骤三中利用步骤一和步骤二获得的基础数据和本发明提出的基于非饱和土的稳定性计算方法，根据实时传回的体积含水量数据对滑坡的实时稳定性进行计算。步骤四根据规范规定的滑坡稳定性分析方法建立预警分级指标，根据对比计算值是否达到预警值，实现对预警区内滑坡的稳定性做出判断与评估，由此实现滑坡预报预警(图1)。采用此方法对降雨过程中浅层滑坡进行预报预警，用滑坡土体体积含水量这一直接反应边坡体力学破坏机理的指标替代现行的基于统计的有效前期雨量或降雨临界值等间接指标来表征滑坡区的实时土体力学状况和稳定性随时间和降雨条件变化，通过土体体积含水量计算滑坡稳定性来判定滑坡土体是否接近或达到失稳破坏，因此相比降雨指标方法具备更高的可靠性与准确性。
本发明提出的上述预警方法主要适用于降雨激发条件下非饱和土体浅层滑坡的预报预警，以下举例说明：
实施例一
用本发明提供的方法，对都江堰联合村银洞子沟滑坡开展基于非饱和土体积含水量的浅层滑坡预警方法的实例分析。
银洞子沟滑坡位于汶川地震极震区都江堰市白沙河流域，为典型的中山峡谷地貌，滑坡为汶川地震诱发的同震滑坡堆积体，滑坡规模100万方。地震以后在降雨条件下发生多次浅层滑坡，滑坡为银洞子沟提供了大量的有效物源并转化为泥石流，威胁沟口联合村灾后重建安置点56户，人口228人的生命财产安全。
步骤一：实地勘察银洞子沟滑坡区域，通过采集滑坡砾石土土样，通过室内土力学实验测试土体物理力学参数(详见表2)：
表2 银洞子沟土体物理力学参数测试值
| 符号 | 参数说明 | 测试值 |
| c' | 土体有效粘聚力；(单位：1/kPa) | 12.5 |
| φ' | 土体有效内摩擦角；(单位：°) | 33 |
| γs | 土体干容重；(单位：kN/m3) | 15 |
| β | 滑坡坡度；(单位：°) | 60 |
| θr | 土体残余体积含水量；(单位：-) | 0.05 |
| θs | 土体饱和体积含水量；(单位：-) | 0.45 |
| α | 非饱和土水土特征曲线参数；(单位：1/kPa) | 1.985 |
| n | 非饱和土水土特征曲线参数；(单位：-) | 0.798 |
| Z | 土体深度；(单位：m) | 0.5 |
步骤二：采用本发明方法进一步对银洞子沟滑坡进行监测预警，本实施例中，在进行预警区滑坡砾石土的采用实验获取土体物理力学参数的基础上，进一步在预警区内布置土体含水量监测站与降雨量监测站两个实时监测站点，对滑坡开展实时监测。体积含水量传感器布置在滑坡坡面土体上，传感器埋深50cm。实时监测站获取的土体体积含水量与降雨量数据通过GPRS网络实时传输传输至山地所控制中心。
步骤三：以银洞子沟滑坡在2014年7月9日17:00至2014年7月10日17:00发生的降雨过程为例，控制中心监测和记录到这一时段降雨过程的降雨量和体积含水量如图2所示。对这一降雨过程的实时的稳定系数随时间的变化进行计算并进行预警模拟(图3)。
步骤四：控制中心根据计算的滑坡稳定系数(图3)，对比稳定系数相对应的滑坡稳定状态，可知在降雨开始后，随着体积含水量的增加，滑坡的稳定系数从1.2为稳定状态，迅速降到1.08为基本稳定状态，控制中心可根据预警分级指标在2014年7月9日21:30相对应黄色预警；随着降雨的继续，体积含水量也随着雨量的大小继续波动，到2014年7月10日6：20，滑坡的稳定系数降低至1.05到达欠稳定状态，对应控制中心可根据预警分级指标发出相对应的橙色预警。
Claims (2)
1.一种基于非饱和土体含水量的浅层降雨滑坡预警方法，其特征在于：其包括以下步骤：
步骤一：根据现场地质勘查确定滑坡范围，并通过岩土试验确定滑坡非饱和土体物理力学参数：其中，物理力学参数包括：土体有效内摩擦角φ',土体有效粘聚力c',土体干容重γs,土体的饱和体积含水量θs，土体的残余体积含水量θr和非饱和土水土特征曲线参数α，n；选定滑坡体积含水量监测站位置，制定监测方案；
步骤二：开展实时监测站点建设及传感器埋设安装，并实现实时监测，数据传输和存储到控制中心；
步骤三：建立基于实时体积含水量的非饱和土体稳定系数计算模型，对滑坡非饱和土体稳定系数进行计算，展示和存储；
步骤四：控制中心根据计算结果，对比滑坡预警分级指标，对降雨滑坡开展实时监测预警；
所述步骤一和步骤二中的监测站点建设中，滑坡体积含水量监测站应布置在滑坡范围内，并至少安装一个体积含水量传感器，传感器埋深为20～50cm；
所述步骤二具体如下：(1)根据滑坡现场勘查确定滑坡监测范围，建设滑坡体积含水量监测站，开展监测站点布置，传感器的埋设安装；(2)进一步开展滑坡土体的体积含水量实时监测，通过GPRS无线传输，将监测数据实时传输并存储到控制中心；
所述的步骤三中涉及的基于实时体积含水量的非饱和土体稳定系数计算方法，是耦合非饱和土理论，水文学理论和滑坡稳定性分析理论，对滑坡非饱和土体稳定系数进行实时求解，具体按照如下方法实施：
根据水文学理论计算有效饱和度Se(Z,t)：
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式中：Se(Z,t)为有效饱和度，θs为土体的饱和体积含水量，θr为土体的残余体积含水量；t为不同时刻，Z为不同土层深度；θ(Z,t)为土体不同时刻t和不同深度Z的体积含水量；
根据土壤学理论计算非饱和土体基质吸力ψ(Z,t)：
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式中：ψ(Z,t)为滑坡非饱和土体基质吸力，γw为水的容重,α和n为水土特征曲线特征参数；
根据非饱和土理论计算非饱和土体深度的吸应力σs(Z,t)：
σs(Z,t)＝Seψ(Z,t)
耦合非饱和土理论，水文学理论和滑坡稳定性分析理论，计算滑坡非饱和土体稳定系数Fs(Z,t)：
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式中，Fs(Z,t)为滑坡非饱和土体稳定系数，σs(Z,t)为非饱和土体深度的吸应力；φ'为土体有效内摩擦角；c'为土体有效粘聚力,γs为土体干容重,γw为水的容重,β为滑坡坡度。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤四中滑坡预警分级指标是根据规范规定的滑坡稳定性状态划分，具体为：根据规范规定将滑坡稳定性分为稳定状态1.15＜Fs，基本稳定状态1.05＜Fs＜1.15，欠稳定状态1＜Fs＜1.05，不稳定状态Fs＜1四个级别，滑坡预警分级指标相应采用不预警、黄色预警、橙色预警和红色预警四级划分。
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