CN108416150A - 一种具有流变及加速变形特征的斜边坡预警预报方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种具有流变及加速变形特征的斜边坡预警预报方法，该方法基于变形监测数据所建立的累积变形‑时间曲线(S‑t曲线)，通过坐标变化将S‑t曲线转换为横、纵坐标均为相同量纲的T‑t曲线，计算T‑t曲线的修正切线角θ并绘制θ‑t曲线分析其变化规律，利用修正切线角特征值θ特征以及修正切线角临滑值θ临滑，综合分析θ‑t曲线中修正切线角θ的变化规律及边坡裂缝的空间发展演化趋势对滑坡做出预警预报。本发明方法思路清楚，操作简便，计算简单，准确性高，适用范围广泛，克服了现有预警方法计算复杂或预报不准确的缺点，具有良好应用前景。
Description
技术领域
本发明属于地质灾害防治领域，尤其涉及一种具有流变及加速变形特征的斜边坡预警预报方法。
背景技术
简单且准确的边坡稳定性分析和预警预报方法研究一直是地质灾害防治领域的热点课题，也是目前尚未得到完善解决的难点问题。大量研究表明，松散土质斜坡(如库区古滑坡、人工填土边坡或其他各种成因的土质斜坡)和岩质斜坡从变形启动到整体滑动破坏具有时效变形特点，一般要经历初始变形、流变变形和加速变形三个变形阶段，而斜坡变形进入加速阶段是最终发生破坏的前提和基础。判识此类斜坡的稳定性及监测预警重点在于准确识别变形所处的阶段。
基于斜边坡的变形演化具有时效性的特点，近年来涌现出了根据累计变形-时间的切线角来进行滑坡的监测预警、以变形速率的发展趋势作为判断边坡稳定性的判据等方法，然而上述方法在实用性和准确性等方面均存在较大问题。斜坡位移-时间曲线的横、纵坐标其量纲明显不同，如果将纵横坐标的任一坐标作拉伸或压缩变换，位移-时间曲线仍可保持其三阶段的演化特征，但同一时刻的位移切线角则会随着因曲线的拉伸或压缩变换而发生变化，因此采用位移-时间切线角分析法进行滑坡的监测预警具有唯一不确定性问题。此外，变形速率的发展趋势并不能很好的反映斜坡变形所处的阶段，并且其变形速度阈值因不同的斜坡个体差异很大，往往具有较大的主观性和离散性，没有较好的普适性。此外一些斜边坡预警预报方法的中国专利或者没有考虑边坡破坏情况，或者计算涉及参数众多且公式繁琐等，如专利号为ZL201310376844.1、ZL201410014057.7的中国专利。因此本专利提出将S-t曲线转换为横、纵坐标均为相同量纲的T-t曲线，在分析T-t曲线的修正切线角变化规律的基础上再结合边坡宏观变形破坏特征及裂缝的空间演化规律及发育程度准确识别边坡稳定性和预警预报的方法不仅丰富了边坡稳定性评价方法，也为此类边坡治理和灾害防治提供科学根据，具有重要的工程应用意义。
发明内容
为解决上述问题，本发明的目的在于提供一种具有流变及加速变形特征的斜边坡预警预报方法，基于变形监测数据所建立的累积变形-时间曲线(S-t曲线)，通过坐标变化将S-t曲线转换为横、纵坐标均为相同量纲的T-t曲线，计算T-t曲线的修正切线角θ并绘制θ-t曲线分析其变化规律，利用修正切线角特征值θ特征以及修正切线角临滑值θ临滑，综合分析θ-t曲线中修正切线角θ的变化规律及边坡裂缝的空间发展演化趋势对滑坡做出预警预报。本发明方法思路清楚，操作简便，计算简单，准确性高，适用范围广泛，克服了现有预警方法计算复杂或预报不准确的缺点，具有良好应用前景。
本发明的技术方案是：一种具有流变及加速变形特征的斜边坡预警预报方法，适用于从开始出现变形到最终失稳破坏经历初始变形段、流变变形段和加速变形段三个变形阶段的斜边坡预警预报研究，该方法的步骤为：
A1：基于监测数据，采用绘图软件绘制出斜边坡累积变形-时间曲线，即S-t曲线，根据曲线所具有的特征准确识别并界定曲线的三个变形阶段；
A2：利用流变变形阶段各监测周期的变形速率求平均值构建流变变形阶段的变形速率v，流变变形阶段的变形速率的计算公式为式(1)；
式中，v1、v2、v3、vn为流变变形阶段内各监测周期的变形速率，n为流变变形阶段内监测周期的次数；
A3：创建将S-t曲线转换为横、纵坐标均为相同量纲的T-t曲线的转换公式，转换公式表达式为式(2)；
式中：ΔSi为某一单位时间段(一般采用一个监测周期，如3天、5天或者1周等)内斜坡位移变化量，v为步骤A2求得的流变变形阶段的变形速率；
A4：利用转换公式将S-t曲线转换为横、纵坐标均为相同量纲的T-t曲线，在T-t曲线中纵坐标T的值为
A5：计算T-t曲线的修正切线角θ(即曲线的反正切值)并绘制θ-t曲线，其中曲线的反正切值计算公式为式(3)：
式中：tj为某一监测时刻，tj-1为下一监测时刻；Tj、Tj-1分别为在T-t曲线上tj、tj-1时刻对应的纵坐标T的值，Δt为对应ΔS的单位时间段(一般采用一个监测周期，如3天、5天或者1周等)，ΔT为单位时间段内Tj的变化量。
A6：设定边坡变形从流变变形阶段进入加速变形阶段时的修正切线角为修正切线角特征值θ特征，在θ-t曲线中找出该修正切线角特征值θ特征；
A7：综合分析θ-t曲线中θ特征前后修正切线角的变化规律与斜边坡宏观变形破坏特征及裂缝的空间演化规律及发育程度，将该滑坡的预警预报分为两个预警等级，即注意级和预警级。
优选，在步骤A6中同时设定斜边坡变形进入临滑阶段的修正切线角为修正切线角临滑值θ临滑，步骤A7中，综合分析θ-t曲线中θ特征、θ临滑前后修正切线角的变化规律与斜边坡宏观变形破坏特征及裂缝的空间演化规律及发育程度，将该滑坡的预警预报分为四个预警等级，即注意级、警示级、警惕级和危险级。
本发明方法的进一步特征在于所述修正切线角特征值θ特征以及修正切线角临滑值θ临滑分别为45°和80°；这俩个值的确定是大量文献资料并结合滑坡案例总结得出。
优选地，当待预警的斜边坡θ-t曲线中终点在θ特征点之前时，说明滑坡尚未进入加速变形阶段。若在此阶段破面出现不连续的张拉裂缝，则滑坡预警级别为注意级，发生滑坡的可能性较低，预警颜色为蓝色；
优选地，当待预警的斜边坡θ-t曲线中终点处于超过θ特征点而尚未达到θ临滑点之间时，说明边坡进入加速变形阶段，此时该边坡的地表变形开始加速，稳定性趋于不利状态，若张拉裂缝扩大、加深、趋于连续，发生滑坡的可能性中等，预警级别为警示级，预警颜色为黄色；若张拉裂缝相互连接，圈闭边界形成，则预警级别为警惕级，发生滑坡的可能性较高，预警颜色为橙色；
优选地，当待预警的斜边坡θ-t曲线中终点超过临滑点θ临滑之后，此时边坡的地表位移加速度已非常大，整体稳定性极弱，若此时滑坡裂缝圈闭边界与滑面完全贯通，此时预警级别为危险级，发生滑坡的可能性很高，预警颜色为红色；
本发明中所述绘图软件包括Origin、Tecplot、Matlab、Excel等所有具有绘制曲线图功能的绘图软件。
本发明对现有技术产生的有益效果是：
本发明突出的实质性特点是：本申请针对众多边坡从变形启动到整体破坏一般需经历初始变形，流变变形及加速变形三个阶段的特点，采用S-t曲线(位移-时间曲线)的切线角进行斜边坡稳定性分析具有惟一不确定性问题，因此通过坐标变化将S-t曲线转换为横、纵坐标均为相同量纲的T-t曲线，计算T-t曲线的修正切线角θ并绘制θ-t曲线分析其变化规律，准确界定边坡变形从流变变形阶段进入加速变形阶段时的修正切线角特征值θ特征及修正切线角临滑值θ临滑。通过分析θ特征和/或θ临滑前后修正切线角θ的变化规律与边坡宏观变形破坏特征及裂缝的空间演化规律及发育程度，可很好地鉴别此类斜坡的稳定性及监测预警。本发明方法简单实用，可靠性高，适用于所有变形-时间曲线具有流变及加速变形特征的斜边坡预警预报研究。
本发明的显著进步是：
1.本发明方法适用于所有具有时效变形特征的松散土质边坡、类土质边坡以及岩质边坡等，应用范围广，方法简单，易于计算。
2.本发明创造性地提出了将创建S-t曲线转换为横、纵坐标均为相同量纲的T-t曲线的转换公式；采用综合分析修正切线角变化特点与滑坡裂缝空间演化规律相结合的方法判识边坡的稳定性及监测预警，操作简便，结果准确可靠，丰富了现有的滑坡预警预报方法。
附图说明
为了使本发明的目的，技术方案和分析方法更加清楚，本发明提供如下附图说明：
图1、三峡库区某滑坡的累积变形-时间曲线(S-t曲线)。
图2、转换后的T-t曲线。
图3、转换后的θ-t曲线。
图中，1.初始变形阶段，2.流变变形阶段，3.加速变形阶段。
具体实施方式
下面结合实施例及附图进一步解释本发明，但并不以此作为对本申请保护范围的限定。
本方法的具体实施方法，可以结合附图和实例说明如下。本实例以三峡库区某滑坡为研究对象，该滑坡后缘高程540m，前缘高程115m，前后缘相对高程425m，体积约21×106m3滑坡区地表坡度在10—35°间，主滑方向335°。滑坡体自1998年以来开始出现变形，变形宏观表现为滑坡中上部部分民房出现张拉裂缝和地表裂缝，长近104m，宽0.1—2.4m，因此相关单位展开了长时间的地表变形监测。为了保护当地人民群众生命财产安全，准确分析该滑坡的稳定性至关重要。运用以往方法分析此具有流变和加速变形特征的滑坡准确性不高，易对决策者产生误导。而采用本发明专利提供的方法则能够较好的对此边坡进行预警预报。
根据监测数据采用Origin绘制累积变形-时间(S-t)曲线图(参见图1)，曲线分为初始变形阶段1、流变变形阶段2、加速变形阶段3三个阶段。
准确识别并界定图1中曲线的三个变形阶段并计算流变变形阶段的变形速率v：
式中，vi为流变变形阶段内各监测周期的变形速率，i＝1,2,3,…,n，n为流变变形阶段内监测周期的次数。
创建将S-t曲线转换为横、纵坐标均为相同量纲的T-t曲线的转换公式；
式中：ΔSi为某一单位时间段(一般采用一个监测周期，如3天、5天或者1周等)内斜坡位移变化量，v为流变变形阶段的变形速率。
利用转换公式(2)将S-t曲线转换为横、纵坐标均为相同量纲的T-t曲线(参见图2)；
计算T-t曲线的修正切线角θi(即曲线的反正切值)并绘制θ-t曲线(参见图3)，其中曲线的反正切值计算公式为：
式中：tj为某一监测时刻，tj-1为下一监测时刻；Tj、Tj-1分别为在T-t曲线上tj、tj-1时刻对应的纵坐标T的值，Δt为单位时间段(一般采用一个监测周期，如3天、5天或者1周等)，ΔT为单位时间段内Tj的变化量；
基于θ-t曲线，设定边坡变形从流变变形阶段进入加速变形阶段时的修正切线角为修正切线角特征值θ特征以及设定斜边坡变形进入临滑阶段的修正切线角为修正切线角临滑值θ临滑，θ特征、θ临滑具体取值通过大量的实验数据总结归纳得到；本实施例中θ特征＝45°，θ临滑＝80°。
在θ-t曲线图中标记出修正切线角特征值θ特征＝45°的点A和修正切线角临滑值θ临滑＝80°的点B。本实施例的滑坡的修正切线角经过计算为84.5°，即C点，现场勘查认识到此时(C点处)滑坡裂缝圈闭边界与滑面完全贯通，故根据表1可知该滑坡的预警级别为危险级，发生滑坡的可能性很高，预警颜色为红色。
表1斜坡预警级别
本发明方法在使用时，对于任意滑坡，裂缝的空间演化规律均可以通过现场勘查得知，因此可以认为任意对于任意滑坡，裂缝的空间演化规律是已知。
最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明所限定的保护范围。
Claims (4)
1.一种具有流变及加速变形特征的斜边坡预警预报方法，该方法的步骤为：
A1：基于监测数据，采用绘图软件绘制出斜边坡累积变形-时间曲线，即S-t曲线，根据曲线所具有的特征准确识别并界定曲线的三个变形阶段；
A2：利用流变变形阶段各监测周期的变形速率求平均值构建流变变形阶段的变形速率v，流变变形阶段的变形速率的计算公式为式(1)；
式中，v1、v2、v3、vn为流变变形阶段内各监测周期的变形速率，n为流变变形阶段内监测周期的次数；
A3：创建将S-t曲线转换为横、纵坐标均为相同量纲的T-t曲线的转换公式，转换公式表达式为式(2)；
式中：ΔSi为某一单位时间段内斜坡位移变化量，v为步骤A2求得的流变变形阶段的变形速率；
A4：利用转换公式将S-t曲线转换为横、纵坐标均为相同量纲的T-t曲线，在T-t曲线中纵坐标T的值为
A5：计算T-t曲线的修正切线角θ，即曲线的反正切值，并绘制θ-t曲线，其中曲线的反正切值计算公式为式(3)：
式中：tj为某一监测时刻，tj-1为下一监测时刻；Tj、Tj-1分别为在T-t曲线上tj、tj-1时刻对应的纵坐标T的值，Δt为单位时间段，ΔT为单位时间段内Tj的变化量；
A6：设定边坡变形从流变变形阶段进入加速变形阶段时的修正切线角为修正切线角特征值θ特征，在θ-t曲线中找出该修正切线角特征值θ特征；
A7：综合分析θ-t曲线中θ特征前后修正切线角的变化规律与斜边坡宏观变形破坏特征及裂缝的空间演化规律及发育程度，将该滑坡的预警预报分为两个预警等级，即注意级和预警级。
2.根据权利要求1所述的具有流变及加速变形特征的斜边坡预警预报方法，其特征在于，在步骤A6中同时设定斜边坡变形进入临滑阶段的修正切线角为修正切线角临滑值θ临滑，步骤A7中，综合分析θ-t曲线中θ特征、θ临滑前后修正切线角的变化规律与斜边坡宏观变形破坏特征及裂缝的空间演化规律及发育程度，将该滑坡的预警预报分为四个预警等级，即注意级、警示级、警惕级和危险级。
3.根据权利要求2所述的具有流变及加速变形特征的斜边坡预警预报方法，其特征在于，当待预警的斜边坡θ-t曲线中终点在θ特征点之前时，说明滑坡尚未进入加速变形阶段；若在此阶段破面出现不连续的张拉裂缝，则滑坡预警级别为注意级，发生滑坡的可能性较低，预警颜色为蓝色；
当待预警的斜边坡θ-t曲线中终点处于超过θ特征点而尚未达到θ临滑点之间时，说明边坡进入加速变形阶段，此时该边坡的地表变形开始加速，稳定性趋于不利状态，若张拉裂缝扩大、加深、趋于连续，发生滑坡的可能性中等，预警级别为警示级，预警颜色为黄色；若张拉裂缝相互连接，圈闭边界形成，则预警级别为警惕级，发生滑坡的可能性较高，预警颜色为橙色；
当待预警的斜边坡θ-t曲线中终点超过临滑点θ临滑之后，此时边坡的地表位移加速度已非常大，整体稳定性极弱，若此时滑坡裂缝圈闭边界与滑面完全贯通，此时预警级别为危险级，发生滑坡的可能性很高，预警颜色为红色。
4.根据权利要求2所述的具有流变及加速变形特征的斜边坡预警预报方法，其特征在于，所述修正切线角特征值θ特征以及修正切线角临滑值θ临滑分别为45°和80°。
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