CN114495429A - 一种崩塌灾害早期预警方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种崩塌灾害早期预警方法及系统，方法包括以下步骤：根据崩塌灾害的发生原理、发生过程和被监测区域的实际地质条件，确定崩塌监测模块需要监测的参数，崩塌监测模块可获得被监测区域的地质特性、环境量指标、动力学特征、运动学指标以及其他指标；确定每个监测点的各个监测指标的权重值，根据各个监测指标的监测数值和权重值确定每个监测指标的预警等级量，根据每个监测指标的预警等级量计算综合预警等级量；根据综合预警等级量确定预警等级，生成输出并展示预警信息；根据不同的预警等级采取相应的应对措施。

Description

一种崩塌灾害早期预警方法及系统

技术领域

本发明涉及地质灾害监测技术领域，更具体地说，特别涉及一种崩塌灾害早期预警方法及系统。

背景技术

我国地形地质复杂，山区较多，崩塌、滑坡等地质灾害频发，而崩塌的早期预警一直是工程灾害中的难点问题。随着物联网的发展，自动化崩塌监测模块越来越多，能应用在崩塌灾害监测的设备种类也越来越丰富。目前，针对各类工程灾害的安全监测，国家规范内主要规定单个监测指标的警戒值，即当单个监测指标超过警戒值时，认为该监测点处于危险状态。但在实际工程中，监测指标达到警戒值前灾害可能就发生了，达到警戒值但灾害未发生等情况时有发生，为了减少这类情况的发生，可以将多种监测指标进行综合分析判断，建立合理的预警流程，提高监测的准确性，减少人工分析数据的工作量，提高灾害预警的时效性。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种崩塌灾害早期预警方法，将多种监测指标进行综合分析判断，建立合理的预警流程，提高监测的准确性，减少人工分析数据的工作量，提高灾害预警的时效性。

本发明的技术方案是：一种崩塌灾害早期预警方法，包括以下步骤：

S1、根据崩塌灾害的发生原理、发生过程和被监测区域的实际地质条件，确定崩塌监测模块需要监测的参数，崩塌监测模块可获得被监测区域的地质特性、环境量指标、动力学特征、运动学指标以及其他指标；

S2、确定每个监测点的各个监测指标的权重值，根据各个监测指标的监测数值和权重值确定每个监测指标的预警等级量，根据每个监测指标的预警等级量计算综合预警等级量；

S3、根据综合预警等级量确定预警等级，生成输出并展示预警信息；

S4、根据不同的预警等级采取相应的应对措施。

进一步地，所述地质特性包括土质特性和岩体特性；所述环境量指标包括24小时降雨量；所述动力学特征包括冲击振幅、固有振动频率、常时安全度变化率、振动冲击加速度和异常振动频次；所述运动学指标包括倾角量及倾角变化速率、位移量及位移变化速率；所述其他指标为可选指标，包括裂缝开合度。

进一步地，所述综合预警等级量F_C等于每个监测点的各个监测指标N的预警等级量Fi之和：

m为监测点数量，n为监测指标的数量，f_m为第m个监测点的n个监测指标的预警等级量之和。

进一步地，所述24小时降雨量的预警等级量F₁的计算公式如下：

式中：F₁——24小时降雨量预警等级量；w₁——24小时降雨量权重值；R——24小时最大降雨量，当R>6.7时，R取6.7；T₁——最大降雨量发生时刻；T——崩塌灾害早期预警系统计算触发时刻；

所述倾角量θ的预警等级量F₂的计算公式如下：

F₂＝w₂×θ，当θ＞2时，θ＝2，w₂为倾角量θ的权重值；

所述倾角变化速率v_θ的预警等级量F₃的计算公式如下：

F₃＝w₃×v_θ，当v_θ＞0.07时，v_θ＝0.07，w₃为倾角变化速率v_θ的权重值；

所述位移量d的预警等级量F₄的计算公式如下：

F₄＝w₄×d，当d＞30时，d＝30，w₄为位移量d的权重值；

所述位移变化速率v_d的预警等级量F₅的计算公式如下：

F₅＝w₅×v_d，当v_d＞2.3时，v_d＝2.3，w₅为位移变化速率v_d的权重值；

所述固有振动频率的预警等级量F₆的计算公式如下：

F₆＝w₆×v；

f₀为初始固有振动频率，f_n为实时测量的固有振动频率，v为安全度变化率，w₆为固有振动频率f₀的权重值；

所述异常振动频次的预警等级量F₇的计算公式如下：

F₇＝w₇×V×N，当V×N＞2.5时，V×N＝2.5；

V为振动大小，N为振动次数，w₇为异常振动频次的权重值；

所述冲击振幅A的预警等级量F₈的计算公式如下：

F₈＝w₈×A，当A＞2时，A＝2，w₈为冲击振幅A的权重值；

所述振动冲击加速度V_acc的预警等级量F₉的计算公式如下：

F₉＝w₉×V_acc，w₉为振动冲击加速度的权重值。

进一步地，各个监测指标的权重值根据土质特性和岩体特性调整。

进一步地，土质边坡权重值w₁、w₂、w₃、w₄、w₅、w₆增大，岩质边坡权重值w₁、w₂、w₃、w₄、w₅、w₆减小。

进一步地，岩体破碎程度越高，权重值w₂、w₃、w₄、w₅越大。

进一步地，岩块体积越大权重值w₇、w₈、w₉越低，岩块体积越小权重值w₇、w₈、w₉越大。

进一步地，预警等级分为0、Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ五个等级，分别对应绿、蓝、黄、橙和红色预警。

另一方面，本发明还提供一种崩塌灾害早期预警系统，包括：

崩塌监测数据模块，用于获取并存储监测区域的地质特征、环境量指标、动力学特征、运动学指标以及其他指标的数据；

综合预警等级量的计算模块，通过崩塌监测数据模块内各个监测指标的监测数值和权重值计算综合预警等级量；

预警信息输出模块，用于输出并展示预警信息；

运维控制模块，用于监测和控制崩塌灾害早期预警系统各模块的运行状况。

本发明具有以下有益效果：本发明综合考虑了监测区域的地质特征、环境量指标、动力学特征、运动学指标以及其他指标，通过综合预警等级量来确定监测区域是否处于危险状态以及危险的程度，各个监测指标的重要程度不同，其数值对最终的预警等级量贡献度也不一样，根据每个监测点位置的风险大小及监测指标的重要性，分别赋予每个监测点的各个监测指标不同的权重值，进行崩塌灾害早期预警前需要确定各个监测指标的权重值，将多种监测指标进行综合分析判断，建立合理的预警流程，提高监测的准确性，减少人工分析数据的工作量，提高灾害预警的时效性。

附图说明

图1是本发明的流程示意图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

实施例1

一种崩塌灾害早期预警方法，包括以下步骤：

S1、根据崩塌灾害的发生原理、发生过程和被监测区域的实际地质条件，确定崩塌监测模块需要监测的参数，崩塌监测模块可获得被监测区域的地质特性、环境量指标、动力学特征、运动学指标以及其他指标。

地质特性包括土质特性和岩体特性，土质松散，岩体破碎程度高，则发生崩塌灾害的概率高；环境量指标包括24小时降雨量，短时间的大量降雨可能降低土体的粘聚力和内摩擦角，从而提高崩塌灾害发生的概率；根据崩塌灾害发生迅速，且一般由于结构面粘结强度降低导致崩塌发生，而通过固有振动频率、冲击振幅等动力学特征能反应结构面的粘结强度，因此对于崩塌灾害着重监测动力学特征，同时以运动学指标作为监测指标对崩塌岩体的位移形变进行监测，动力学特征包括冲击振幅、固有振动频率、常时振动频率、振动冲击加速度和异常振动频次，运动学指标包括倾角量及倾角变化速率、位移量及位移变化速率，其他指标为可选指标，其包括裂缝开合度。

S2、确定每个监测点的各个监测指标的权重值，根据各个监测指标的监测数值和权重值确定每个监测指标的预警等级量，根据每个监测指标的预警等级量计算综合预警等级量。

将各个指标中随监测区域风险大小而变化的指标确定为监测指标，各个监测指标N的监测数值共同决定综合预警等级量F_C，通过综合预警等级量F_C来确定监测区域是否处于危险状态以及危险的程度，各个监测指标N的重要程度不同，其数值对最终的预警等级量F_C贡献度也不一样，根据每个监测点位置的风险大小及监测指标的重要性，分别赋予每个监测点的各个监测指标不同的权重值w_i，进行崩塌灾害早期预警前需要确定各个监测指标N的权重值w_i，监测点越接近危险点其监测指标N的权重值w_i越高，而监测指标N所对应的崩塌灾害诱发因素越主要其权重值w_i越高；监测指标N的权重值w_i越高，监测指标N发生变化所增加的预警等级量F_i越大，即F_i∝w_i。

一个崩塌隐患点的综合预警等级量F_C等于每个监测点的各个监测指标N的预警等级量F_i之和：

m为监测点数量，n为监测指标的数量，f_m为第m个监测点的n个监测指标的预警等级量之和。

以下是第m个监测点的各个监测指标N的预警等级量F_i的具体确定方法：

1、24小时降雨量。

降雨量大小和发生时刻两个影响因素反应24小时降雨量的预警等级量。

将过去24小时降雨量分成无雨、小雨或中雨、大雨或暴雨、大暴雨或特大暴雨四个等级，降雨量越大对应的预警等级量越大。同时分析最大降雨量发生时刻到崩塌灾害早期预警系统计算触发时刻的时间长短，时间越短说明最大降雨量发生时刻越临近，其预警等级量也越大。具体公式如下：

式中：F₁——24小时降雨量预警等级量；

w₁——24小时降雨量权重值；

R——24小时最大降雨量，当R>6.7时，R取6.7；

T₁——最大降雨量发生时刻；

T——崩塌灾害早期预警系统计算触发时刻。

2、倾角量。随着倾角θ的增大，其预警等级量增大，即F₂＝w₂×θ，当θ＞2时，θ＝2。

3、倾角变化速率。倾角变化速率v_θ为每天的倾角变化量。取每天设备温度中位数上下浮动4℃采集的倾角的平均值计算倾角变化速率从而减小倾角温漂的影响。随着倾角变化速率的增大，其预警等级量增大，即F₃＝w₃×v_θ，当v_θ＞0.07时，v_θ＝0.07。

4、位移量。随着位移量d的增大，其预警等级量增大，即F₄＝w₄×d，当d＞30时，d＝30。

5、位移变化速率。位移变化速率v_d为每天的位移变化量。随着位移变化速率的增大，其预警等级量增大，即F₅＝w₅×v_d，当v_d＞2.3时，v_d＝2.3。

6、固有振动频率。记录监测设备安装后所测量到的第一个稳定的固有振动频率作为初始固有振动频率f₀，实时测量的固有振动频率为f_n，则安全度变化率v为

安全度变化率越大，对应的预警等级量也越大，即F₆＝w₆×v。

7、常时振动频率。记录监测设备安装后所测量到的第一个稳定的常时振动频率作为初始常时振动频率f'₀，实时测量的常时振动频率为f'_n，则安全度变化率v'为

安全度变化率越大，对应的预警等级量也越大，即F₇＝w₇×v'。

8、异常振动频次。分为振动大小V和振动次数N两个影响因素：统计10分钟内的振动值及振动触发次数。振动触发次数越多，预警等级量越大；每次的振动数值越大，预警等级量越大，即F₈＝w₈×V×N，当V×N＞2.5时，V×N＝2.5。

9、冲击振幅。冲击振幅A越大，对应的预警等级量越大，即F₉＝w₉×A，当A＞2时，A＝2。

10、振动冲击加速度。发生的振动冲击加速度值V_acc越大，对应的预警等级量越大，即F₁₀＝w₁₀×V_acc。

11、裂缝开合度。测量危岩体上关键裂缝的发展情况，裂缝开合度D越大，对应预警等级越大，即F₁₁＝w₁₁×D。

如表1所示，给出了11种检测指标分别对应的基础权重值w_i，以及根据地质特性调整各基础权重值w_i的原则：

表1监测指标权重表

S3、根据综合预警等级量确定预警等级，生成输出并展示预警信息。

综合所有监测指标的预警等级量就可得到崩塌点的综合预警等级量，崩塌点综合预警等级量大小对应预警等级，预警等级分为绿、蓝、黄、橙和红色预警五个等级，如下图所示：

根据综合预警等级量确定预警等级，生成输出并展示预警信息。

S4、根据不同的预警等级采取相应的应对措施。

得到崩塌点的预警等级后，根据不同的预警等级采取不同的措施，预警等级0为安全，无需进行处理；预警等级Ⅰ，经过专业人员确认后提示现场注意观察；预警等级Ⅱ，经过专业人员确认后提示现场加强观察，并加密监测指标采集频率，12小时后恢复；预警等级Ⅲ，经过专业人员确认后提示现场排查问题，并加密监测指标采集频率，24小时后恢复；预警等级Ⅳ，系统自动警示现场人员，注意避险、排查问题，并加密监测指标采集频率直到现场排查并处理安全问题。

实施例2

一种崩塌灾害早期预警系统，包括：崩塌监测数据模块，用于获取并存储监测区域的地质特征、环境量指标、动力学特征、运动学指标以及其他指标的数据；综合预警等级量的计算模块，通过崩塌监测数据模块内各个监测指标的监测数值和权重值计算综合预警等级量；预警信息输出模块，用于输出并展示预警信息；运维控制模块，用于监测和控制崩塌灾害早期预警系统各模块的运行状况。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种崩塌灾害早期预警方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、根据崩塌灾害的发生原理、发生过程和被监测区域的实际地质条件，确定崩塌监测模块需要监测的参数，崩塌监测模块可获得被监测区域的地质特性、环境量指标、动力学特征、运动学指标以及其他指标；

S2、确定每个监测点的各个监测指标的权重值，根据各个监测指标的监测数值和权重值确定每个监测指标的预警等级量，根据每个监测指标的预警等级量计算综合预警等级量；

S3、根据综合预警等级量确定预警等级，生成输出并展示预警信息；

S4、根据不同的预警等级采取相应的应对措施。

2.根据权利要求1所述的一种崩塌灾害早期预警方法，其特征在于，

所述地质特性包括土质特性和岩体特性；

所述环境量指标包括24小时降雨量；

所述动力学特征包括冲击振幅、固有振动频率、常时安全度变化率、振动冲击加速度和异常振动频次；

所述运动学指标包括倾角量及倾角变化速率、位移量及位移变化速率；

所述其他指标为可选指标，包括裂缝开合度。

3.根据权利要求1所述的一种崩塌灾害早期预警方法，其特征在于，

所述综合预警等级量F_C等于每个监测点的各个监测指标N的预警等级量F_i之和：

m为监测点数量，n为监测指标的数量，f_m为第m个监测点的n个监测指标的预警等级量之和。

4.根据权利要求1所述的一种崩塌灾害早期预警方法，其特征在于，

所述24小时降雨量的预警等级量F₁的计算公式如下：

式中：F₁——24小时降雨量预警等级量；w₁——24小时降雨量权重值；R——24小时最大降雨量，当R>6.7时，R取6.7；T₁——最大降雨量发生时刻；T——崩塌灾害早期预警系统计算触发时刻；

所述倾角量θ的预警等级量F₂的计算公式如下：

F₂＝w₂×θ，当θ＞2时，θ＝2，w₂为倾角量θ的权重值；

所述倾角变化速率v_θ的预警等级量F₃的计算公式如下：

F₃＝w₃×v_θ，当v_θ＞0.07时，v_θ＝0.07，w₃为倾角变化速率v_θ的权重值；

所述位移量d的预警等级量F₄的计算公式如下：

F₄＝w₄×d，当d＞30时，d＝30，w₄为位移量d的权重值；

所述位移变化速率v_d的预警等级量F₅的计算公式如下：

F₅＝w₅×v_d，当v_d＞2.3时，v_d＝2.3，w₅为位移变化速率v_d的权重值；

所述固有振动频率的预警等级量F₆的计算公式如下：

F₆＝w₆×v；

f₀为初始固有振动频率，f_n为实时测量的固有振动频率，v为安全度变化率，w₆为固有振动频率的权重值；

所述异常振动频次的预警等级量F₇的计算公式如下：

F₇＝w₇×V×N，当V×N＞2.5时，V×N＝2.5；

V为振动大小，N为振动次数，w₇为异常振动频次的权重值；

所述冲击振幅A的预警等级量F₈的计算公式如下：

F₈＝w₈×A，当A＞2时，A＝2，w₈为冲击振幅A的权重值；

所述振动冲击加速度V_acc的预警等级量F₉的计算公式如下：

F₉＝w₉×V_acc，w₉为振动冲击加速度的权重值。

5.根据权利要求4所述的一种崩塌灾害早期预警方法，其特征在于，各个监测指标的权重值根据土质特性和岩体特性调整。

6.根据权利要求5所述的一种崩塌灾害早期预警方法，其特征在于，土质边坡权重值w₁、w₂、w₃、w₄、w₅、w₆增大，岩质边坡权重值w₁、w₂、w₃、w₄、w₅、w₆减小。

7.根据权利要求5所述的一种崩塌灾害早期预警方法，其特征在于，岩体破碎程度越高，权重值w₂、w₃、w₄、w₅越大。

8.根据权利要求5所述的一种崩塌灾害早期预警方法，其特征在于，岩块体积越大权重值w₇、w₈、w₉越低，岩块体积越小权重值w₇、w₈、w₉越大。

9.根据权利要求1所述的一种崩塌灾害早期预警方法，其特征在于，预警等级分为0、Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ五个等级，分别对应绿、蓝、黄、橙和红色预警。

10.一种崩塌灾害早期预警系统，其特征在于，包括：

崩塌监测数据模块，用于获取并存储监测区域的地质特征、环境量指标、动力学特征、运动学指标以及其他指标的数据；

综合预警等级量的计算模块，通过崩塌监测数据模块内各个监测指标的监测数值和权重值计算综合预警等级量；

预警信息输出模块，用于输出并展示预警信息；

运维控制模块，用于监测和控制崩塌灾害早期预警系统各模块的运行状况。

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