CN113240803B - 一种降雨诱发边坡地质灾害场景模拟分析方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种降雨诱发边坡地质灾害场景模拟分析方法，包括：基于倾斜摄影数据重构边坡场景的三维模型，获得地表等高线数据；处理地表等高线控制点，建立边坡的边界模型；在边界模型范围内生成用边坡岩土体质点集合，实现边坡场景模拟；采用物质点法进行自重作用力下的地应力平衡分析；分析边坡场地的历史降雨量数据，得到降雨强度、持时和降雨量的分布特征；在边坡岩土体区域上方随机生成水质点实现降雨场景模拟；采用双相物质点法，分时间步计算入渗条件下边坡岩土体的应力渗流耦合响应，实现降雨诱发边坡地质灾害演化全过程分析；充分考虑了降雨在边坡岩土体的入渗以及地表径流过程；具有操作简便、技术先进、计算精度高的优点。

Description

一种降雨诱发边坡地质灾害场景模拟分析方法
技术领域
本发明属于地质灾害、水利、交通等岩土工程技术领域，具体涉及一种降雨诱发边坡地质灾害场景分析方法，尤其适用于降雨诱发的边滑坡地质灾害演化全过程分析。
背景技术
随着国家战略的实施，水利水电、交通、土木建筑等工程在山区如火如荼地建设。然而我国山区地质灾害问题十分突出，特别是降雨诱发的边坡地质灾害，给人民生命财产安全造成巨大损失，给一大批在建与将建的工程带来巨大威胁，成为制约我国重大工程建设的关键问题，因此，开展降雨诱发边坡地质灾害场景分析是防灾减灾工程领域的重要课题。
目前对于降雨诱发边坡地质灾害场景分析主要集中在入渗条件下的边坡稳定性评价与失稳机理研究。在边坡稳定性评价方面，形成了以经验类比、分级评判等为代表的定性分析方法，以及以极限平衡分析和有限元为代表，通过安全系数与应力变形作为评价指标的定量分析方法。在失稳机理研究方面，现有研究系统揭示了降雨对边坡坡面的侵蚀和入渗雨水对边坡岩土体物理、化学、力学强度等的影响机制。然而，现有研究对雨水在空中运动—作用于边坡表面—潜在失稳区域岩土体渗流—雨水流出失稳区域的全过程大多采用模型试验进行，可模型试验在尺度效应上有局限性，因此，如何针对降雨诱发边坡地质灾害场景特征，发展普适性的模拟方法是边坡地质灾害预测与防治的重难点。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明目的在于提供了一种普适性的降雨诱发边坡地质灾害场景分析方法。
为了实现上述目的，本发明涉及：一种降雨诱发边坡地质灾害场景模拟分析方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：对边坡场地进行现场勘察，确定飞行摄像设备飞行参数和摄像参数；通过飞行摄像设备获得边坡场地的影像；
步骤2：基于倾斜摄影数据重构边坡场景的三维模型，获得地表等高线数据；
步骤3：基于边坡地表等高线数据，处理地表等高线控制点，采用一系列顶点围成的多边形面对地表轮廓进行表达，提取典型二维剖面高程数据，建立边坡的边界模型；
步骤4：对边坡边界模型，采用直线代曲线对边坡模型边界进行重构，并利用边界点首尾相接构成一个边界多边形；采用均匀分布或泊松随机分布方法，在大于模型边界范围的区域内生成岩土体质点，判断生成岩土体质点与边界多边形的位置关系，在边界模型范围内生成边坡岩土体质点集合，实现边坡场景模拟；
步骤5：采用物质点法进行自重作用力下的地应力平衡分析；
步骤6：分析边坡场地的历史降雨量数据，得到降雨强度、持时和降雨量的分布特征；
步骤7：将降雨视为水质点，建立存储水质点信息的容器，通过水质点的体积和分时间步控制降雨参数，即向容器内加入水质点，在边坡岩土体区域上方随机生成水质点实现降雨场景模拟；
步骤8：采用双相物质点法，分时间步计算入渗条件下边坡岩土体的应力渗流耦合响应，实现降雨诱发边坡地质灾害演化全过程分析；
步骤9：结束场景分析。
进一步的，所述步骤1中飞行摄像设备为带摄像设备的无人机。
进一步的，所述飞行摄像设备飞行参数和摄像参数为无人机飞行高度参数、相机曝光间隔参数、飞行速度参数及航拍降落参数。
进一步的，所述步骤4的具体步骤为：
步骤4.1、针对边坡边界模型，视该模型边界内为岩土体，采用均匀分布或泊松随机分布方法，为了考虑复杂边界，首先找到边坡模型边界的外接长方形，在外接长方形边界范围的区域内按一定密度生成岩土体质点，将这些岩土体质点保存在集合Ω0中；
步骤4.2、以直线代曲线对边坡模型边界进行重构，确定构成边坡模型计算区域的边界点坐标，利用边界点首尾相接构成一个边界多边形；
步骤4.3、针对集合Ω0中的所有质点，判断其与边界多边形的关系，若在多边形外，则将该质点从集合Ω0中删除；
步骤4.4、集合Ω0中保留下的质点，即为边坡岩土体质点集合。
进一步的，所述步骤7包括如下步骤：
步骤7.1、根据降雨强度和降雨持时统计数据，计算每个物质点分析时间步内向边坡岩土体加入的水质点数量与体积；
步骤7.2、根据水质点的数量和体积信息，首先在边坡岩土体区域上方按规则排布形成降雨边界；然后通过生成0～1之间的随机数，将水质点位置随机分布在以降雨边界内任意位置为圆心、1/4倍物质点法背景网格尺寸为半径的圆内；
步骤7.3、为了模拟降雨下落过程，给定每个水质点的初始下落速度；
步骤7.4、根据水质点的形式种类，对水质点的压强进行更新。
进一步的，所述步骤7.4中根据水质点的形式种类，对水质点的压强进行更新的方法为：水质点存在雨水、孔隙水和自由水三种形式，其中雨水为水质点在空气中下落过程仅在重力作用下运动，水质点压强始终为0，不考虑水质点压强更新；雨水落地后一部分入渗土体成为孔隙水，水质点的运动需考虑压强；雨水落地后另一部分在地表形成径流成为自由水，水质点的运动也需考虑压强；因此当水质点接近边坡岩土体表面时，降雨将以地表径流自由水或入渗孔隙水的形式存在，此时更新水质点的压强。
进一步的，所述步骤8采用双相物质点法，分时间步计算入渗条件下边坡岩土体的应力渗流耦合响应的方法包括：
步骤8.1、双相物质点法采用一套背景网格、两套质点，其中两套质点分别为水质点与岩土体质点，水质点运动用考虑惯性力的达西定律描述，岩土体质点变形特征用固体本构关系描述；
步骤8.2、对背景网格与质点模型，设定岩土体物理力学参数；
步骤8.3、分时间步求解降雨入渗过程，若累计时间超过设定时长，进入步骤8.11；
步骤8.4、根据边坡模型边界上雨水流入与流出条件，更新水质点；
步骤8.5、对背景网格计算节点上的所有物理量进行初始化；
步骤8.6、将所有水质点与岩土体质点速度映射到对应的背景网格计算节点，得到各计算节点的两相速度；
步骤8.7、计算岩土体质点的应力与水质点的水压力，并将它们映射到对应的背景网格计算节点，得到各计算节点的内力和外力；
步骤8.8、根据式(1)求解背景网格计算节点的两相速度，更新背景网格计算节点的位置：
Figure GDA0003791908730000051
其中：质量矩阵
Figure GDA0003791908730000052
拉拽力矩阵
Figure GDA0003791908730000053
Figure GDA0003791908730000054
分别代表t时刻固相、液相背景网格节点质量；拖拽力矩阵中
Figure GDA0003791908730000055
分别代表固相、液相背景网格节点上由于相对运动产生的拖拽力；fs、fw表示固相、液相背景网格节点内力；g为重力加速度；Δt为步长；vs、vw分别代表固相、液相背景网格节点速度；t、
Figure GDA0003791908730000056
对应不同的更新时刻；
步骤8.9、根据背景网格计算节点的两相速度，更新所有水质点与岩土体质点的速度，并更新质点的位置；
步骤8.10、重置背景网格，进入步骤8.3开始下一个时间步计算；
步骤8.11、结束分析。
进一步的，所述步骤8.4根据边坡模型边界上雨水流入与流出条件，更新水质点的具体方法为：水质点运动需要判断是否流出边坡模型边界，在每一时间步计算每一个水质点与边坡模型边界的最短距离，对于处在边坡模型边界外的水质点，从存放水质点信息的容器中删除，从而模拟水质点透过边坡模型边界继续下渗的过程。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
(1)本发明的降雨诱发边坡地质灾害场景模拟分析方法，针对雨水在空中运动—作用于边坡表面—潜在失稳区域岩土体渗流—雨水流出失稳区域的全过程，通过无人机测量、降雨量统计、双相物质点分析等实现了测量—模型—计算三者数据的无缝衔接，再现了降雨诱发边坡地质灾害的情景演化过程，具有操作简便、技术先进、计算精度高等优点。
(2)本发明的降雨诱发边坡地质灾害场景模拟分析方法，充分考虑了降雨在边坡岩土体的入渗以及地表径流过程。与传统方法相比，在统一的现象学框架下，发展了降雨诱发边坡地质灾害全过程分析方法，为降雨作用下边坡地质灾害预测与防治提供了理论与技术支撑。
附图说明
图1为本发明较佳实施例的场景分析流程图；
图2为本发明较佳实施例降雨场景模拟的实施效果图；
图3为本发明较佳实施例双相物质点法耦合示意图；
图4为本发明较佳实施例物质点法求解过程中质点和背景网格的计算节点间的映射示意图；
图5为本发明较佳实施例典型的降雨作用下的边坡响应案例(降雨在空中运动过程)；
图6为本发明较佳实施例典型的降雨作用下的边坡响应案例(降雨运动至边坡表面)；
图7为本发明较佳实施例典型的降雨作用下的边坡响应案例(降雨入渗过程)。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
实施例1：
一种降雨诱发边坡地质灾害的场景模拟分析方法通过无人机倾斜摄影技术获得边坡场景模型，采用统计方法获得降雨分布特征，利用双相物质点法再现雨水在空中运动—作用于边坡表面—潜在失稳区域岩土体渗流—雨水流出失稳区域的典型地质灾害场景。
下面结合附图对本发明进行进一步说明：
请参考图1～图2，一种降雨诱发边坡地质灾害的场景模拟分析方法，具体实施步骤是：
步骤1、通过对边坡场地的现场勘察，确定无人机飞行高度、相机曝光间隔、飞行速度、航拍降落等参数，完成飞行航线设计，利用搭载高清相机的无人机超低空飞行从垂直、倾斜不同视角对整体边坡进行倾斜摄影测量，获取边坡场地的影像；
步骤2、读取基于倾斜摄影技术获得的边坡场地高分辨率影像，通过空中三角测量、加密点云、三角网构建、自动赋纹理，重构边坡场景的三维模型(该工作可采用现有技术中自动批量建模软件Smart3DCapture完成)，获得地表等高线数据；
步骤3、利用边坡地表等高线数据，处理地表等高线控制点，采用一系列顶点围成的多边形面对地表轮廓进行表达，提取典型二维剖面高程数据，建立边坡的边界模型；
步骤4、在边界模型范围内生成用边坡岩土体质点集合，实现边坡场景模拟，具体实施步骤如下：
步骤4.1、针对边坡边界模型，视该模型边界内为岩土体，采用均匀分布或泊松随机分布方法，为了考虑复杂边界，首先找到边坡模型边界的外接长方形，在外接长方形边界范围的区域内按一定密度生成岩土体质点，将这些岩土体质点保存在集合Ω0中；
步骤4.2、以直线代曲线对边坡模型边界进行重构，确定构成边坡模型计算区域的边界点坐标，利用边界点首尾相接构成一个边界多边形；
步骤4.3、针对集合Ω0中的所有质点，判断其与边界多边形的位置关系，若在多边形外，则将该质点从集合Ω0中删除；
步骤4.4、集合Ω0中保留下的质点，即为边坡岩土体质点集合，形成了边坡场景模型。
步骤5、采用物质点法进行自重作用力下的地应力平衡分析；
步骤6、分析边坡场地的历史降雨量数据，得到降雨强度、持时和降雨量的分布特征；
步骤7、将降雨视为水质点，建立一个存储水质点信息的容器，通过水质点的体积和分时间步控制降雨参数，即向容器内加入一定数量的水质点，在边坡岩土体区域上方随机生成水质点实现降雨场景模拟，实施效果如图2，具体实施步骤如下：
步骤7.1、根据降雨强度和降雨持时统计数据，计算每个物质点分析时间步内向边坡岩土体加入的水质点数量与体积；
步骤7.2、根据水质点的数量和体积信息，首先在边坡岩土体区域上方按规则排布形成降雨边界；然后通过生成0～1之间的随机数，将水质点位置随机分布在以降雨边界内任意位置为圆心、1/4倍物质点法背景网格尺寸为半径的圆内；
步骤7.3、为了模拟降雨下落过程，给定每个水质点的初始下落速度；
步骤7.4、水质点在下落过程中不考虑压强更新，仅在重力驱动下运动；
步骤7.5、当水质点接近边坡岩土体表面时，降雨将以地表径流自由水或入渗孔隙水的形式存在，此时更新水的压强。
步骤8、采用双相物质点法，分时间步计算入渗条件下边坡岩土体的应力渗流耦合响应，实现降雨诱发边坡地质灾害演化全过程分析，具体实施步骤如下：
步骤8.1、请参考图3，双相物质点法采用一套背景网格、两套质点，其中两套质点分别为水质点(液相)与岩土体质点(固相)，水质点运动用考虑惯性力的达西定律描述，岩土体质点变形特征用固体本构关系描述；
步骤8.2、对背景网格与质点模型，设定岩土体物理力学参数；
步骤8.3、请参考图4，分时间步求解降雨入渗过程，求解过程中双相物质点法与传统单相物质点一样，两相质点和背景网格的计算节点间的物质信息相互映射，若累计时间超过设定时长，进入步骤8.11；
步骤8.4、根据边坡模型边界上雨水流入与流出条件，更新水质点；水质点运动需要判断是否流出边坡模型边界，在每一时间步计算每一个水质点与边坡模型边界的最短距离，对于处在边坡模型边界外的水质点，从存放水质点信息的容器中删除，从而模拟水质点透过边坡模型边界继续下渗的过程。
步骤8.5、对背景网格计算节点上的所有物理量进行初始化；
步骤8.6、将所有水质点与岩土体质点速度映射到对应的背景网格计算节点，得到各计算节点的两相速度；
步骤8.7、计算岩土体质点的应力与水质点的水压力，并将它们映射到对应的背景网格计算节点，得到各计算节点的内力和外力；
步骤8.8、根据式(1)求解背景网格计算节点的两相速度，更新背景网格计算节点的位置；
Figure GDA0003791908730000101
其中：质量矩阵
Figure GDA0003791908730000102
拉拽力矩阵
Figure GDA0003791908730000103
Figure GDA0003791908730000104
分别代表t时刻固相、液相背景网格节点质量；拖拽力矩阵中
Figure GDA0003791908730000105
分别代表固相、液相背景网格节点上由于相对运动产生的拖拽力；fs、fw表示固相、液相背景网格节点内力；g为重力加速度；Δt为步长；vs、vw分别代表固相、液相背景网格节点速度；t、
Figure GDA0003791908730000106
对应不同的更新时刻。
步骤8.9、根据背景网格计算节点的两相速度，更新所有水质点与岩土体质点的速度，并更新质点的位置；
步骤8.10、重置背景网格，进入步骤3开始下一个时间步计算；
步骤8.11、结束分析。
I、结束场景分析。
通过上述步骤，即可实现降雨作用下边坡地质灾害场景推演过程，
请参考图5-图7，图5-图7展示了一个典型的降雨作用下的边坡响应案例。图5中，采用随机生成质点模拟的降雨在空中运动过程，与实际降雨过程中雨滴的无序状态十分接近；图6为降雨运动至边坡表面，开始向内部岩土体入渗；图7为降雨入渗过程，由于入渗速度小于降雨强度，降雨在边坡表面汇聚成径流。
因此，通过本发明的技术措施，采用无人机倾斜摄影技术重构边坡场景模型，采用统计方法获取降雨分布特征，利用双相物质点法再现雨水在空中运动—作用于边坡表面—潜在失稳区域岩土体渗流—雨水流出失稳区域的全过程，实现了测量—模型—计算三者数据的无缝衔接，再现了降雨诱发边坡地质灾害的情景演化过程，具有操作简便、技术先进、计算精度高等优点。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种降雨诱发边坡地质灾害场景模拟分析方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：对边坡场地进行现场勘察，确定飞行摄像设备飞行参数和摄像参数；通过飞行摄像设备获得边坡场地的影像；
步骤2：基于倾斜摄影数据重构边坡场景的三维模型，获得地表等高线数据；
步骤3：基于边坡地表等高线数据，处理地表等高线控制点，采用一系列顶点围成的多边形面对地表轮廓进行表达，提取典型二维剖面高程数据，建立边坡的边界模型；
步骤4：对边坡边界模型，采用均匀分布或泊松随机分布方法，在边界模型外接长方形边界范围的区域内生成岩土体质点；以直线代曲线对边坡模型边界进行重构，确定构成边坡模型计算区域的边界点坐标，利用边界点首尾相接构成一个边界多边形；判断生成岩土体质点与边界多边形的位置关系，在边界模型范围内生成边坡岩土体质点集合，实现边坡场景模拟；
步骤5：采用物质点法进行自重作用力下的地应力平衡分析；
步骤6：分析边坡场地的历史降雨量数据，得到降雨强度、持时和降雨量的分布特征；
步骤7：将降雨视为水质点，建立存储水质点信息的容器，通过水质点的体积和分时间步控制降雨参数，即向容器内加入水质点，在边坡岩土体区域上方随机生成水质点实现降雨场景模拟；
所述步骤7包括如下步骤：
步骤7.1、根据降雨强度和降雨持时统计数据，计算每个物质点在分析时间步内向边坡岩土体加入的水质点数量与体积；
步骤7.2、根据水质点的数量和体积信息，首先在边坡岩土体区域上方按规则排布形成降雨边界；然后通过生成0～1之间的随机数，将水质点位置随机分布在以降雨边界内任意位置为圆心、1/4倍物质点法背景网格尺寸为半径的圆内；
步骤7.3、为了模拟降雨下落过程，给定每个水质点的初始下落速度；
步骤7.4、根据水质点的形式种类，对水质点的压强进行更新；
步骤8：采用双相物质点法，分时间步计算入渗条件下边坡岩土体的应力渗流耦合响应。
2.根据权利要求1所述的降雨诱发边坡地质灾害场景模拟分析方法，其特征在于:所述步骤1中飞行摄像设备为带摄像设备的无人机。
3.根据权利要求1所述的降雨诱发边坡地质灾害场景模拟分析方法，其特征在于:所述飞行摄像设备飞行参数和摄像参数为无人机飞行高度参数、相机曝光间隔参数、飞行速度参数及航拍降落参数。
4.根据权利要求1所述的降雨诱发边坡地质灾害场景模拟分析方法，其特征在于:所述步骤4的具体步骤为：
步骤4.1、针对边坡边界模型，视该模型边界内为岩土体，采用均匀分布或泊松随机分布方法，为了考虑复杂边界，首先找到边坡模型边界的外接长方形，在外接长方形边界范围的区域内按一定密度生成岩土体质点，将这些岩土体质点保存在集合Ω0中；
步骤4.2、以直线代曲线对边坡模型边界进行重构，确定构成边坡模型计算区域的边界点坐标，利用边界点首尾相接构成一个边界多边形；
步骤4.3、针对集合Ω0中的所有质点，判断其与边界多边形的关系，若在多边形外，则将该质点从集合Ω0中删除；
步骤4.4、集合Ω0中保留下的质点，即为边坡岩土体质点集合。
5.根据权利要求1所述的降雨诱发边坡地质灾害场景模拟分析方法，其特征在于，所述步骤7.4中根据水质点的形式种类，对水质点的压强进行更新的方法为：水质点存在雨水、孔隙水和自由水三种形式，其中雨水为水质点在空气中下落过程仅在重力作用下运动，水质点压强始终为0，不考虑水质点压强更新；雨水落地后一部分入渗土体成为孔隙水，水质点的运动需考虑压强；雨水落地后另一部分在地表形成径流成为自由水，水质点的运动也需考虑压强；因此当水质点接近边坡岩土体表面时，降雨将以地表径流自由水或入渗孔隙水的形式存在，此时更新水质点的压强。
6.根据权利要求1所述的降雨诱发边坡地质灾害场景模拟分析方法，其特征在于:所述步骤8采用双相物质点法，分时间步计算入渗条件下边坡岩土体的应力渗流耦合响应的方法包括：
步骤8.1、双相物质点法采用一套背景网格、两套质点，其中两套质点分别为水质点与岩土体质点，水质点运动用考虑惯性力的达西定律描述，岩土体质点变形特征用固体本构关系描述；
步骤8.2、对背景网格与质点模型，设定岩土体物理力学参数；
步骤8.3、分时间步求解降雨入渗过程，若累计时间超过设定时长，进入步骤8.11；
步骤8.4、根据边坡模型边界上雨水流入与流出条件，更新水质点；
步骤8.5、对背景网格计算节点上的所有物理量进行初始化；
步骤8.6、将所有水质点与岩土体质点速度映射到对应的背景网格计算节点，得到各计算节点的两相速度；
步骤8.7、计算岩土体质点的应力与水质点的水压力，并将它们映射到对应的背景网格计算节点，得到各计算节点的内力和外力；
步骤8.8、根据式(1)求解背景网格计算节点的两相速度，更新背景网格计算节点的位置：
Figure FDA0003791908720000041
其中：质量矩阵
Figure FDA0003791908720000042
拉拽力矩阵
Figure FDA0003791908720000043
Figure FDA0003791908720000044
分别代表t时刻固相、液相背景网格节点质量；拖拽力矩阵中
Figure FDA0003791908720000045
分别代表固相、液相背景网格节点上由于相对运动产生的拖拽力；fs、fw表示固相、液相背景网格节点内力；g为重力加速度；Δt为步长；vs、vw分别代表固相、液相背景网格节点速度；t、
Figure FDA0003791908720000046
对应不同的更新时刻；
步骤8.9、根据背景网格计算节点的两相速度，更新所有水质点与岩土体质点的速度，并更新质点的位置；
步骤8.10、重置背景网格，进入步骤8.3开始下一个时间步计算；
步骤8.11、结束分析。
7.根据权利要求6所述的降雨诱发边坡地质灾害场景模拟分析方法，其特征在于:所述步骤8.4根据边坡模型边界上雨水流入与流出条件，更新水质点的具体方法为：水质点运动需要判断是否流出边坡模型边界，在每一时间步计算每一个水质点与边坡模型边界的最短距离，对于处在边坡模型边界外的水质点，从存放水质点信息的容器中删除，从而模拟水质点透过边坡模型边界继续下渗的过程。
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