CN114485516A - 计及裂隙内冻胀力作用的危岩崩塌实时预警方法与系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及危岩崩塌预警技术领域，为解决如何根据冻胀力的实时变化进行危岩崩塌预警的技术问题，公开了一种计及裂隙内冻胀力作用的危岩崩塌实时预警方法与系统，实时获取岩体的裂隙内两个位置处冰的温度；裂隙尖端处的冻胀力作用则由裂隙尖端处的均布冻胀应力P以及从裂隙开口端至裂隙尖端由温度差引起的线性分布冻胀应力差ΔP_T产生；根据裂隙尖端处的冻胀应力计算I型应力强度因子K_I；根据I型应力强度因子K_I计算裂隙尖端处在弹性阶段产生的张开位移δ_e，再结合裂纹尖端处在塑性阶段产生的张开位移δ_P，得到在当前温度下的裂隙尖端张开位移总量δ；当δ≥δ_cr时，表示危岩在冻胀力作用下存在发生断裂而崩塌的风险，此时发出警报。

Description

计及裂隙内冻胀力作用的危岩崩塌实时预警方法与系统

技术领域

本发明涉及危岩崩塌预警技术领域。

背景技术

我国永冻土和季节性冻土的分布区域面积已经超过了我国国土总面积的三分之二，并且受海拔和气候等因素影响，冻土区主要分布在高海拔地区和北部季节性寒带气候区。伴随着交通基础设施建设的主要力量向西北地区转移，而边坡开挖又是工程施工过程中不可避免的环节难免会导致危岩的出现，因此西北地区危岩裂隙中水结冰所产生的冻胀力对危岩的影响是不容忽视的。为了使人民的生命安全、财产以及交通基础设施得到有效保护，通过监测手段实现危岩在冻胀力作用下的崩塌风险预测是十分紧要、迫切的。

当前对于危岩体的监测、预警主要是通过位移的变化和变形来实现，但岩质边坡在整体破坏之前并不一定有较为明显的位移发生，其具有突发性强、致灾能力强等特点，因此上述方法相对耗时而且预警效果较差；同时，冻胀力对危岩的影响仍然没有得到研究者们足够的重视。

发明内容

针对上述现有技术的不足，本发明提供一种计及裂隙内冻胀力作用的危岩崩塌实时预警方法与系统，解决如何根据冻胀力的实时变化进行危岩崩塌预警的技术问题。

为了解决上述技术问题，本发明采用了如下的技术方案：一种计及裂隙内冻胀力作用的危岩崩塌实时预警方法，包括以下步骤：

实时获取岩体的裂隙内两个位置处冰的温度，所述两个位置沿裂隙长度方向距离为b，b＞0；

根据以采集到的温度数据所推导的结冰过程的热传递特性计算公式，计算裂隙尖端处冰的实时温度T；

将整个裂隙内的冻胀应力分解为均布冻胀应力和线性分布冻胀应力，其中，裂隙内各位置处的均布冻胀应力均相等并等于裂隙尖端处的均布冻胀应力P，裂隙内各位置处的线性分布冻胀应力随着热传递过程的温差而变化；

裂隙尖端处的冻胀力作用则由裂隙尖端处的均布冻胀应力P以及从裂隙开口端至裂隙尖端由温度差引起的线性分布冻胀应力差ΔP_T产生；

根据裂隙尖端处的均布冻胀应力P计算第一应力强度因子K′_I；根据裂隙尖端处的线性分布冻胀应力差ΔP_T计算第二应力强度因子K″_I；

根据第一应力强度因子K′_I与第二应力强度因子K″_I组合得到裂隙尖端处的I型应力强度因子K_I；

根据I型应力强度因子K_I计算裂隙尖端处在弹性阶段产生的张开位移δ_e，再结合裂纹尖端处在塑性阶段产生的张开位移δ_P，得到在当前温度下的裂隙尖端张开位移总量δ；

比较裂隙尖端张开位移总量δ与裂隙尖端张开位移临界值δ_cr，当δ≥δ_cr时，表示危岩在冻胀力作用下存在发生断裂而崩塌的风险，此时发出警报。

进一步的，所述热传递特性计算公式如下：

式中，T_i表示裂隙内某一位置的实时温度；T₁表示在裂隙开口端起始位置处采集到的冰的实时温度；T₂表示在沿裂隙长度方向距离裂隙开口端起始位置距离为b的位置处采集到的冰的实时温度；x表示沿裂隙长度方向距离裂隙开口端起始位置的距离，0≤x≤L，L表示从裂隙开口端起始位置到裂隙尖端处的裂隙长度，L≥b。

本发明还提供一种危岩崩塌实时预警系统，用于执行本发明的计及裂隙内冻胀力作用的危岩崩塌实时预警方法；包括温度采集系统、远程通信系统与远程预警系统；

所述温度采集系统包括第一温度传感器与第二温度传感器，所述第一温度传感器安装在裂隙开口端起始位置处，所述第二温度传感器安装在沿裂隙长度方向距离裂隙开口端起始位置距离为b的位置处；

所述温度采集系统用于实时获取岩体的裂隙内两个位置处冰的温度，并通过远程通信系统发送至远程预警系统；

所述远程预警系统用于根据岩体的裂隙内两个位置处冰的实时温度，计算裂隙尖端张开位移总量δ，并比较裂隙尖端张开位移总量δ与裂隙尖端张开位移临界值δ_cr，当δ≥δ_cr时，表示危岩在冻胀力作用下存在发生断裂而崩塌的风险，此时发出警报。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、本发明首次将冻胀力作用纳入危岩崩塌预警中，对于冻土地区的基础设置建设施工具有重要意义。要计及冻胀力作用必须要先能够测量到冻胀力，然而冻胀力不便于测量，现有技术中对冻胀力的测量几乎没有提供任何有效解决办法。然而，本发明将对冻胀力的测量转变为对温度的测量，根据冻胀力与温度的关系得到裂隙内各部位冻胀力的分布情况，有效解决了裂隙深处温度、冻胀力不便测量的问题。

2、随着所在地区温度的下降，岩体中的裂隙水开始发生由外及内的冻结，水结冰过程中将发生体积膨胀，因而对裂隙壁产生了额外的应力；温度持续降低的过程中，裂隙内的水也不断进行着冻结的过程，直至整个裂隙都被并充满。若冰已经充满整个裂隙后温度仍持续降低，将导致冻胀力的进一步增大，因此极容易导致危岩体裂隙的尖端发生扩展导致其整体破坏。本发明深入考虑了温度对冻胀力的影响，随着温度变化，冻胀力也实时发生变化，因此，本发明通过对温度的监测就能根据冻胀力的实时变化进行危岩崩塌预警。

3、本发明以裂缝发生断裂作为危岩体失稳的前提，符合危岩崩塌的自然过程，能够更加准确的对危岩崩塌进行预警，降低误报、漏报率。

附图说明

图1危岩体及裂隙示意图；

图2为危岩崩塌预警系统架构图；

图3为信号传输流向图；

图4为冻胀力在裂隙中的分布情况示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

危岩体及裂隙结构参考图1所示，危岩位于岩体基座2上，岩体上的裂隙3将岩体切割出危岩1，随着裂隙的扩展，危岩1将发生崩塌。岩体中的裂隙水发生冻结的过程产生的冻胀作用将加速危岩崩塌，通过监测手段实现危岩在冻胀力作用下的崩塌风险预测是十分紧要、迫切的，为此，本发明提供了一种计及裂隙内冻胀力作用的危岩崩塌实时预警方法，并设计了相应的危岩崩塌实时预警系统进行实施。下面对危岩崩塌预警系统的各部分进行说明。

一)、温度采集系统

参考图2所示，温度采集系统包括第一温度传感器8-1与第二温度传感器8-2，所述第一温度传感器8-1安装在裂隙开口端起始位置处，所述第二温度传感器8-2安装在沿裂隙长度方向距离裂隙开口端起始位置距离为b的位置处；从裂隙开口端起始位置到裂隙尖端处的裂隙长度为L。

温度采集系统用于实时获取岩体的裂隙内两个位置处冰的温度，并通过远程通信系统发送至远程预警系统。

二)、远程通信系统

参考图3所示，温度传感器所监测到的实时数据以有线传输的方式传递到5G信号发射器处，5G信号发射器5将接受到的温度数据以5G信号的形式传送给卫星端9，并由卫星端9传输到远端的5G信号接收器10处，并及时将5G信号反馈给计算机主机11，再由主机9将5G信号转换成对应的温度信号并代入程序进行计算，从而实现了对远端数据的实时监测与传输。

由于危岩所在处大多地质条件一般甚至是存在一定安全隐患，不便于设置供电设施；同时为了响应国家使用清洁能源的号召，本发明在危岩体处设置的温度传感器、5G信号发射器等相关设备所需电能均通过太阳能板4将太阳能转换而来，而且其还有一定的电量储存能力以便在夜间或没有太阳光照的条件下依旧能够维持设备正常工作。

5G信号发射器5安装在太阳能板连接杆6上；所述太阳能板4通过支座7固定在岩体顶部，将太阳能转化为电能，并通过太阳能连接杆6内的电缆为5G信号发射器5和第一温度传感器8-1与第二温度传感器8-2供电。

三)、远程预警系统

远程预警系统用于根据岩体的裂隙内两个位置处冰的实时温度，计算裂隙尖端张开位移总量δ，并比较裂隙尖端张开位移总量δ与裂隙尖端张开位移临界值δ_cr，当δ≥δ_cr时，表示危岩在冻胀力作用下存在发生断裂而崩塌的风险，此时发出警报。

远程预警系统通过主机11中的数据处理模块计算裂隙尖端张开位移总量δ，再通过预警模块进行判断，将判断结果发送给显示器12，当判断出存在崩塌风险时将触发报警系统(亮起警示灯或发出警报声)，同时显示器将弹出报警窗口。

下面对裂隙尖端张开位移总量δ的计算进行具体说明，包括以下步骤：

1)实时获取岩体的裂隙内两个位置处冰的温度，所述两个位置沿裂隙长度方向距离为b，b＞0。

2)根据以采集到的温度数据所推导的结冰过程的热传递特性计算公式，计算裂隙尖端处冰的实时温度T；考虑热能在冰中的传递过程，此处将该过程简化为线性关系，得到热传递特性计算公式如下：

式中，T_i表示裂隙内某一位置的实时温度；T₁表示在裂隙开口端起始位置处采集到的冰的实时温度；T₂表示在沿裂隙长度方向距离裂隙开口端起始位置距离为b的位置处采集到的冰的实时温度；x表示沿裂隙长度方向距离裂隙开口端起始位置的距离，0≤x≤L，L表示从裂隙开口端起始位置到裂隙尖端处的裂隙长度，L≥b。裂隙长度L通过声表面波世间传递法进行测量。

3)参考图4所示，将整个裂隙内的冻胀应力P_i分解为均布冻胀应力和线性分布冻胀应力，其中，裂隙内各位置处的均布冻胀应力均相等并等于裂隙尖端处的均布冻胀应力P，裂隙内各位置处的线性分布冻胀应力随着热传递过程的温差而变化；

均布冻胀应力等于裂隙尖端处的均布冻胀应力P，计算公式如下：

式中，T表示裂隙尖端处的冰的实时温度；E(T)表示在温度T下冰的弹性模量；ε(T)表示在温度T下冰的应变。

线性分布冻胀应力的计算公式如下：

式中，ΔT表示热传递过程中裂隙内某位置处的温度增量，

0≤x≤L。

4)裂隙尖端处的冻胀力作用则由裂隙尖端处的均布冻胀应力P以及从裂隙开口端至裂隙尖端由温度差引起的线性分布冻胀应力差ΔP_T产生；

裂隙开口端至裂隙尖端温度差引起的线性分布冻胀应力差ΔP_T按如下方式计算：根据所述线性分布冻胀应力计算公式分别计算裂纹开口端与裂纹尖端的线性分布冻胀应力，即分别计算x＝0、x＝L时的线性分布冻胀应力，再相减即得到线性分布冻胀应力差ΔP_T。

5)根据裂隙尖端处的均布冻胀应力P计算第一应力强度因子K′_I；根据裂隙尖端处的线性分布冻胀应力差ΔP_T计算第二应力强度因子K″_I；

将岩石视为弹塑性材料，计算第一应力强度因子K_I′时考虑裂纹为边裂纹，因此有：

而考虑热传递过程时，冻胀应力为线性荷载，故有：

6)根据第一应力强度因子K′_I与第二应力强度因子K″_I组合得到裂隙尖端处的I型应力强度因子K_I，K_I＝K′_I+K″_I

7)根据I型应力强度因子K_I计算裂隙尖端处在弹性阶段产生的张开位移δ_e，再结合裂纹尖端处在塑性阶段产生的张开位移δ_P，得到在当前温度下的裂隙尖端张开位移总量δ：δ＝δ_e+δ_P。

裂隙尖端处在弹性阶段产生的张开位移δ_e的计算公式如下：

式中，μ为岩石材料的泊松比；E为岩石材料的弹性模量；σ_s为裂纹表面塑性区的均布拉应力，可用材料屈服极限和强度极限的平均值代替；K_I为Ⅰ型应力强度因子。

裂纹尖端处在塑性阶段产生的张开位移δ_P的计算公式如下：

式中，H为裂隙开口处与岩体基座的距离；h为裂隙深度；r_P为转动因子，取0.3～0.5；V_P为塑性部分引伸计位移(裂隙开口端宽度V的一部分)；β为主控结构面倾角。

8)比较裂隙尖端张开位移总量δ与裂隙尖端张开位移临界值δ_cr，当δ≥δ_cr时，表示危岩在冻胀力作用下存在发生断裂而崩塌的风险，此时发出警报。当δ＜δ_cr时δ＜δ_or，则危岩在冻胀力作用下仍处于较安全状态。

Claims (10)

1.一种计及裂隙内冻胀力作用的危岩崩塌实时预警方法，其特征在于，包括以下步骤：

实时获取岩体的裂隙内两个位置处冰的温度，所述两个位置沿裂隙长度方向距离为b，b＞0；

根据以采集到的温度数据所推导的结冰过程的热传递特性计算公式，计算裂隙尖端处冰的实时温度T；

将整个裂隙内的冻胀应力分解为均布冻胀应力和线性分布冻胀应力，其中，裂隙内各位置处的均布冻胀应力均相等并等于裂隙尖端处的均布冻胀应力P，裂隙内各位置处的线性分布冻胀应力随着热传递过程的温差而变化；

裂隙尖端处的冻胀力作用则由裂隙尖端处的均布冻胀应力P以及从裂隙开口端至裂隙尖端由温度差引起的线性分布冻胀应力差ΔP_T产生；

根据裂隙尖端处的均布冻胀应力P计算第一应力强度因子K′_I；根据裂隙尖端处的线性分布冻胀应力差ΔP_T计算第二应力强度因子K″_I；

根据第一应力强度因子K′_I与第二应力强度因子K″_I组合得到裂隙尖端处的I型应力强度因子K_I；

根据I型应力强度因子K_I计算裂隙尖端处在弹性阶段产生的张开位移δ_e，再结合裂纹尖端处在塑性阶段产生的张开位移δ_P，得到在当前温度下的裂隙尖端张开位移总量δ；

比较裂隙尖端张开位移总量δ与裂隙尖端张开位移临界值δ_cr，当δ≥δ_cr时，表示危岩在冻胀力作用下存在发生断裂而崩塌的风险，此时发出警报。

2.根据权利要求1所述的计及裂隙内冻胀力作用的危岩崩塌实时预警方法，其特征在于，所述热传递特性计算公式如下：

式中，T_i表示裂隙内某一位置的实时温度；T₁表示在裂隙开口端起始位置处采集到的冰的实时温度；T₂表示在沿裂隙长度方向距离裂隙开口端起始位置距离为b的位置处采集到的冰的实时温度；x表示沿裂隙长度方向距离裂隙开口端起始位置的距离，0≤x≤L，L表示从裂隙开口端起始位置到裂隙尖端处的裂隙长度，L≥b。

3.根据权利要求2所述的计及裂隙内冻胀力作用的危岩崩塌实时预警方法，其特征在于，所述裂隙尖端处的均布冻胀应力P的计算公式如下：

式中，T表示裂隙尖端处的冰的实时温度；E(T)表示在温度T下冰的弹性模量；ε(T)表示在温度T下冰的应变。

4.根据权利要求2所述的计及裂隙内冻胀力作用的危岩崩塌实时预警方法，其特征在于，线性分布冻胀应力的计算公式如下：

式中，ΔT表示热传递过程中裂隙内某位置处的温度增量，

0≤x≤L；

裂隙开口端至裂隙尖端温度差引起的线性分布冻胀应力差ΔP_T按如下方式计算：根据所述线性分布冻胀应力计算公式分别计算裂纹开口端与裂纹尖端的线性分布冻胀应力，即分别计算x＝0、x＝L时的线性分布冻胀应力，再相减即得到线性分布冻胀应力差ΔP_T。

5.根据权利要求4所述的计及裂隙内冻胀力作用的危岩崩塌实时预警方法，其特征在于，第一应力强度因子K′_I与第二应力强度因子K″_I的计算公式分别如下：

I型应力强度因子K_I的表达式如下：K_I＝K′_I+K″_I。

6.根据权利要求4所述的计及裂隙内冻胀力作用的危岩崩塌实时预警方法，其特征在于，裂隙尖端处在弹性阶段产生的张开位移δ_e的计算公式如下：

式中，μ为岩石材料的泊松比；E为岩石材料的弹性模量；σ_s为裂纹表面塑性区的均布拉应力；K_I为Ⅰ型应力强度因子。

7.根据权利要求4所述的计及裂隙内冻胀力作用的危岩崩塌实时预警方法，其特征在于，裂纹尖端处在塑性阶段产生的张开位移δ_P的计算公式如下：

式中，H为裂隙开口处与岩体基座的距离；h为裂隙深度；r_P为转动因子，取0.3～0.5；V_P为塑性部分引伸计位移。

8.一种危岩崩塌实时预警系统，其特征在于，用于执行如权利要求1～7任一所述的计及裂隙内冻胀力作用的危岩崩塌实时预警方法；包括温度采集系统、远程通信系统与远程预警系统；

所述温度采集系统包括第一温度传感器与第二温度传感器，所述第一温度传感器安装在裂隙开口端起始位置处，所述第二温度传感器安装在沿裂隙长度方向距离裂隙开口端起始位置距离为b的位置处；

所述温度采集系统用于实时获取岩体的裂隙内两个位置处冰的温度，并通过远程通信系统发送至远程预警系统；

所述远程预警系统用于根据岩体的裂隙内两个位置处冰的实时温度，计算裂隙尖端张开位移总量δ，并比较裂隙尖端张开位移总量δ与裂隙尖端张开位移临界值δ_cr，当δ≥δ_cr时，表示危岩在冻胀力作用下存在发生断裂而崩塌的风险，此时发出警报。

9.根据权利要求8所述的危岩崩塌实时预警系统，其特征在于，所述远程通信系统为5G通信系统。

10.根据权利要求8所述的危岩崩塌实时预警系统，其特征在于，所述温度采集系统通过太阳能电池板供电。

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