JP7466883B1 - 降雨型地滑りモニタリング・早期警報方法とシステム - Google Patents

Abstract

【課題】地下水の動的特徴に基づく降雨型地滑りモニタリング・早期警報方法とシステムを開示する。【解決課題】一実施例によれば、地上排水流速のモニタリングに基づいて降雨型地滑りモニタリング・早期警報を実現し、斜面の安全安定性に対するモニタリング評価を地上排水口の流速に対するモニタリングに転入し、全く新しい地下水モニタリング型降雨型地滑りモニタリング・早期警報技術案が開示される。当該技術は、任意の形状の滑り面に用いることができ、且つ滑り面底部の空隙水圧力のリアルタイムデータを考慮し、計算時間が短く、計算効率が高く、モニタリング手段を簡略化するだけでなく、同時期降雨モニタリング型技術案よりもより高いモニタリング精度を有する。【選択図】図１

Description

本発明は、地滑りモニタリング・早期警報技術に関し、特に傾斜面地下水の物理的特徴のモニタリングに基づいて実現される降雨型地滑りモニタリング・早期警報方法とシステムに関し、地質災害防除、地質災害モニタリング・早期警報技術分野に属する。

地滑りは、三つの地質災害タイプの一つであり、山間部の環境安全建設の重要なモニタリング防除対象である。地滑りの誘発要因は、多様であるが、統計データによると、９０％以上の地滑りは、降雨型地滑りに属する。

従来の降雨型地滑り研究の一般的な認識は、雨水が傾斜面に浸入すると土壌体の含水率が上昇すると同時に、地下水位の上昇を引き起こす可能性もあり、土壌体の容積重の増大により滑り面のせん断応力が増加する一方、土壌体における負の空隙水圧力の上昇によりせん断強度が低下することである。限界バランス状態を超えると、傾斜面の不安定滑りを引き起こす。これは、降雨型地滑りに対して、最も理想的且つ効果的なモニタリング・早期警報方案が、早期警報モデルの入力変数を地下水位モニタリングレベルに設計し、即ち地下水位パラメータ、土壌体の空隙水圧力、土壌体の容積重などのパラメータの動的モニタリング値を入力データとすべきことを意味する。その上で、より好ましくは、動的地下水位パラメータを最も基礎的な入力として、動的地下水位パラメータを利用して動的土壌体の空隙水圧力を二次入力として測算する。しかしながら、従来の降雨型地滑りモニタリング・早期警報方案は、まだこの技術構想を実現していない。

従来の技術が地下水位又は空隙水圧力の動的データを入力変数として地滑り災害に対するモニタリング・早期警報の実施を実現できない最も主な原因は、地下水位の動的モニタリングの技術問題をよく解決できないことにある。現在の地下水位に対するモニタリングは、一般的には「埋深」方式で行われ、即ちボーリング穴を開けて各種のセンサを取り付け、地上でセンサデータを読み取る。このような測定方式は、野外での制限が多く、現場での方案の実況運行をサポートしにくい。モニタリング・早期警報方案においてこの一環を回避するために、従来の技術が採用する考え方は、主に降雨強度と地下水との関係モデル（例えばＲｏｓｓｏモデル）に基づいて、まずシミュレーション実験によって異なる降雨タイプが浅層地滑り地下水位の変化に与える影響モデルを確立し、降雨閾値を測算して現場モニタリング・早期警報に応用し、さらに無限斜面理論を結び付けて、浅層地滑りの安定性計算モデルを確立し、最終的に降雨動的データを現場地滑りモニタリング・早期警報方案の入力とする。従来の技術の「傾斜面地下水の降雨シーケンスに対する応答及び降雨地滑り安定性予測」（王晨興、長安大学、２０２３年）と「地滑り災害モニタリング・早期警報降雨閾値判定方法」（ＣＮ ２０１４１０５７２８１９．５）は、いずれもこのような地滑りモニタリング・早期警報の技術案に属する。

本発明は、従来の技術の不足に対して、地下水の動的特徴に基づく降雨型地滑りモニタリング・早期警報技術を提供することを目的とする。

上記目的を実現するために、本発明は、まず降雨型地滑りモニタリング・早期警報方法を提供し、その技術案は、以下のとおりである。

降雨型地滑りモニタリング・早期警報方法であって、モニタリング対象スロープ体Ｓのスロープ体のバックグラウンドデータを取得し、スロープ体Ｓ内の地下水位線に沿って
ＦＯＳ（ｔ）に基づいてスロープ体Ｓの時間ｔにおける安全安定性を判断し、ＦＯＳ（ｔ）は、式１によって表現され、
式において、ＦＯＳ（ｔ）－斜面Ｓの時間ｔにおける安全係数であり、

上記降雨型地滑りモニタリング・早期警報方法は、斜面スライスモデルに基づいて、斜面モニタリング部位の地下水空隙水圧力により表現される斜面安定性係数計算モデルを確立し、空隙水圧力の動的データを利用して斜面安定性係数の動的特徴を測算することによって、斜面の安全安定性を評価することである。モニタリング部位の土壌体の空隙水圧力の動的データは、上記方法の重要な入力変数であり、従来方法を利用して、原位置のボーリング穴計器モニタリング手段を採用して収集することができ、経験値とシミュレーション実験データとを結び付けて決定することもできる。

従来の技術による地下部位の土壌体の空隙水圧力の動的データのリアルタイムモニタリング収集の効果が理想的ではないため、式１のモデルによる計算精度の制限条件になりやすい。従って、上記方法のさらなる最適化は、モニタリング部位の地下水標高を利用して空隙水圧力を測算する方法を提供することであり、具体的には式２の連立方程式を採用して実施する。

上記最適化方案は、モニタリング部位の土壌体の空隙水圧力のリアルタイムモニタリング問題をモニタリング部位の地下水標高のリアルタイムモニタリング問題に変換し、従来のモニタリング測定技術において、地下水標高のリアルタイムモニタリング手段が土壌体の空隙水圧力のリアルタイムモニタリング手段よりも豊富で多様な特徴を効果的に利用して、式１のモデルによって斜面安全係数を計算する精度を高めることができる。

従来の地下水標高のリアルタイムモニタリング技術において、連通管原理排水測定法、即ち連通管原理に基づいて、
本発明の上記降雨型地滑りモニタリング・早期警報方法のさらなる最適化は、連通管原理排水測定法を利用したモニタリング部位の地下水標高の測定方法を提供することである。具体的には、式３の連立方程式によってモニタリング部位の地下水標高を測算する。

モニタリングデータＤを収集する前にバックグラウンドデータ、工事環境、機器計器、先行実験などに基づいて決定可能な設計パラメータ又は操作パラメータに属する。

式３の連立方程式は、地下モニタリング部位の地下水が地上排水口に安定した水流を形成する時の瞬時流速を利用して地下モニタリング部位の地下水標高を逆演算計算する。従来の同類の地下水標高測定方法に比べて、この方法の改良は、長期室内試験研究データに基づいて、計算モデルの独立変数を細分化し、主に２つの方面で、第一に、ボーリング穴の長さを計算モデルの独立変数影響要素として導入し、第二に、導水管の水頭損失要素を
Σηの２部分に分解し、流速のモニタリング結果が地下水位標高に対する逆演算計算で得られたデータ値をより精確に、計算誤差をより小さくする。

上記最適化方案では、導水管の沿路抵抗係数λを決定するには、様々な従来方式、例えば古典方程式（Ｄａｒｃｙ－Ｗｅｉｓｂａｃｈ式、Ｃｏｌｅｂｒｏｏｋ式）、実験法、経験式、経験グラフなどがある。本発明は、導水管の沿路抵抗係数λを測算する方案をさらに提供する。具体的には式４によって計算して決定する。
ｄ－導水管の特性長パラメータ、導水管の内径Ｚの値（ｍｍ）をとる。

方法（例えばＫ値法、実験法、経験式、ＣＦＤシミュレーションなど）を利用して解決することができる。しかし、連通管原理排水測定法の完全な技術論理を備えるモニタリング部位の空隙水圧力測定算方法を構築し、測定精度を向上させるために、本発明は、
Ｒ－導水管の頂点旋回半径（ｍ）、α－導水管の頂点旋回角度（°）、Ａ－排水口の断面積（ｍ^２）である。

本発明の上記最適化された降雨型地滑りモニタリング・早期警報方法は、連通管原理排水測定法を利用してモニタリング部位の地下水標高と空隙水圧力データに対するリアルタイムモニタリングを実現し、データモニタリング収集方案は、地下モニタリング部位と地上測定端との間に構築された管路がスムーズであれば測定を実施することができる。管路に充水し、排水が安定になったら後、測定するたびに排水量に特定の要求がなく、一旦流速を検出したら排水を閉じることができる。そのため、高精度微小液体流速流量計を採用する場合に、極細導水管を使用することができ、流速ｖの検出は、瞬時に完了するだけであり、地下水位標高及び土壌体の空隙水圧力の外乱に対して無視できるほど極めて微小である。

上記降雨型地滑りモニタリング・早期警報方法に基づいて、本発明は、同時に降雨型地滑りモニタリング・早期警報システムを提供し、技術案は、以下のとおりである。

降雨型地滑りモニタリング・早期警報システムであって、モニタリング対象スロープ体Ｓの現場調査を行い、スロープ体のバックグラウンドデータを取得し、スロープ体のバックグラウンドデータを利用して、スロープ体Ｓ内の地下水標高線に沿ってモニタリング部
地下水が透水筒に入ることを保証し、導水管の取水口を透水筒内の液面以下に伸ばし、導水管の排水口を地上に導き、排水口の排水が安定になったら、
定して収集し、上記降雨型地滑りモニタリング・早期警報方法を利用して斜面Ｓの時間ｔにおける安全係数ＦＯＳ（ｔ）を測算し、スロープ体Ｓの安全安定性を判断することを特徴とする。

本発明の好ましい降雨型地滑りモニタリング・早期警報方法では、地上排水口の動的流速ｖ（ｔ）を収集することによって、逆演算計算モデルを活かして地下水の物理的特徴の動的モニタリングを完了することができる。従って、上記降雨型地滑りモニタリング・早
Ｄをモニタリングして収集すれば、基礎データに基づいてスロープ体Ｓの安全安定性を判断するＦＯＳ（ｔ）閾値を決定し、式６によって表現されるスロープ体Ｓの安全安定モデルを構築し、スロープ体Ｓの安全安定性を判断するｖ閾値を解き、動的モニタリングデータＤにおける地上排水口の流速ｖ動的値とｖ閾値に基づいて、スロープ体Ｓの安全安定性を判断し、式６において、ｖ（ｔ）－排水口の時間ｔにおける流速（ｍ／ｓ）である。

本発明の降雨型地滑りモニタリング・早期警報技術について、理論的には、スロープ体Ｓのスライス分割法モデルを構築する時、スライス分割法モデルが細かく、
警報精度が高くなる。しかしながら、均質なスロープ体に対して、例えばこのような設定は、技術の浪費を招きやすく、モニタリングフィードバック時間を延長してしまう。
共設し、計算において同じ動的モニタリングデータＤにマッチングすることであってもよい。デフォルト設定は、スロープ体Ｓ内の地下水位線に沿って配置されるモニタリング
の数は、曲線のフィッティングに必要なデータ量に基づいて決定される。

従来の技術に比べて、本発明の有益な効果は、以下のとおりである。（１）本発明は、地下水動的モニタリングに基づく降雨型地滑りモニタリング・早期警報方法、モニタリング部位の土壌体の空隙水圧力の動的データを利用して斜面安全係数を測算する方法、及び降雨型地滑り災害のモニタリング・早期警報を提供する。（２）本発明が重点的に解決する技術問題は、連通管原理排水測定法の完全な技術論理を備えた、地上排水口の流速を利用して地下水の肝心な特徴パラメータをモニタリングし逆演算し、さらに斜面安全係数を測算する技術案を構築することによって、斜面の安全安定性に対するモニタリング評価を地上排水口の流速に対するモニタリングに転入し、それによってモニタリング手段を簡略化し、モニタリング精度を向上させることである。このため、本発明の各最適化方案は、
本発明の地下水位標高のリアルタイムな変化を考慮した斜面のリアルタイム安全係数計算方法は、斜面滑り体の力バランスとモーメントバランス原理に基づいて、各ブロック上の静力バランスを計算することによって斜面のリアルタイム安全係数を解くことである。この方法は、任意の形状の滑り面に用いることができるだけでなく、滑り面底部の空隙水圧力のリアルタイムな変化データを考慮することもでき、計算時間が短く、計算効率が高い。（４）地下水の動的変化は、降雨型地滑りを誘発する最も肝心な要素である。しかしながら、従来の技術は、経済的で効果的な地下水動的モニタリング手段が不足しているため、一般的には動的データをより取得しやすい降雨と変位を災害早期警報のモニタリングパラメータとして採用することによって、従来の降雨型地滑りモニタリング・早期警報方案における降雨モニタリング型と変位モニタリング型の２つの技術タイプを形成する。本発明は、先行開発した地下水連通管原理排水測定法を利用して、地上微量排水流速の動的データを利用して地下水の肝心な特徴パラメータを逆演算する技術問題を解決し、地上排水流速のモニタリングに基づいて降雨型地滑りモニタリング・早期警報を実現する技術案を構築し、従来の技術タイプとは全く異なる全く新しい地下水モニタリング型降雨型地滑りモニタリング・早期警報技術案である。そして、本発明の地下水モニタリング型方案は、その同時期の降雨モニタリング型方案よりも優れている。

降雨型地滑りモニタリング・早期警報方法の配置概略図である。 スロープ体Ｓのスライス分割法モデルの局所概略図である。 モニタリング・早期警報方案のデータ図である。

以下では、図面を結び付けながら、本発明の好ましい実施例についてさらに記述する。

＜実施例１＞
図１～図３に示すように、本発明の方法を利用してある傾斜面の降雨型地滑り発生リスクをモニタリング・早期警報する。
１、対象スロープ体及びモニタリング計器の布設
モニタリング対象スロープ体は、浙江省衢州市に位置し、地滑り全体の地質構造が相対的に簡単で、斜面の後縁に広い降雨浸潤補給領域があり、且つ斜面土壌体の浸透性が良く、地下水位の年次変化が比較的大きく、典型的な降雨型地滑りである。本発明の技術を採用し、地上排水流速をモニタリングすることによって、このスロープ体で発生する降雨型地滑りのモニタリング・早期警報を実現する。

現場調査を行い、モニタリング・早期警報方案のバックグラウンドデータを取得する。本技術でいう現場調査は、工事の位置する斜面現場に対する様々な地質調査、踏査、測量・製図、測定作業、及び分野内の従来のシミュレーション実験、試験実験、観測実験、分析実験、及び災害履歴の取得、及び関連技術規範、及び参照参考作用のある経験方法及びデータ取得などを含む。

図１は、降雨型地滑りモニタリング・早期警報方法の配置概略図である。

モニタリング方案のバックグラウンドデータに基づいて、各測定設計操作パラメータを決定する（表１）。

モニタリング対象スロープ体Ｓのスロープ体のバックグラウンドデータに基づいて、
チングさせる。図２は、スロープ体Ｓのスライス分割法モデルの概略図である。

本実施の形態では、モニタリング対象スロープ体が均質土壌体であるため、
具体的には、いくつかの隣接スライスに一つのモニタリング部位Ｐを共設し、計算において同じ部分を使用して設計操作パラメータと同じ動的モニタリングデータＤを測定する。

穴４内に透水筒１を取り付ける。透水筒１をボーリング穴に置き、透水筒１が法面に垂直であることを保証する。導水管２を透水筒１に伸ばし、取水口２１をコア層スリーブ内の液面下に没入させる。導水管２の排水口２２を地上まで引き出し、流速測定器４を接続する。取水口２１の標高をできるだけ取水口２１の標高よりも大きくするように保証する。導水管２の内径Ｚは、５ｍｍよりも小さい。装置の各部材取り付けの詳細な内容は、従来の技術（ＣＮ ２０２３１１４９８７６２４、地下水水位の標高測定方法、貯水量測定システム及び応用）を参考にする。本例では、流速測定器は、高精度微小液体流速流量計を選択する。

導水管２を取り付けた後、排水口２２端で補助充水操作を行う。補助充水操作は、排水口端で空気を抜いて負圧にするか、又は排水口２から管路内に注水などであってもよい。本例では、補助充水操作は、排水口２１に一定の初期揚水を与え、排水起動を導くことである。

２、モニタリングデータ収集
モニタリング・早期警報期間内において、導水管２の取水口２１を透水筒１内の液面以下に保持する。

文字を節約するために、以下では、モニタリング方案における一つの時刻ｔのみをサンプルとして記述する。実施モニタリング方案は、動的モニタリングであってもよく、即ち連続した複数の時刻ｔにおいて展開される。

モニタリングデータを表１に示す。

３、逆演算計算
本実施の形態は、具体的に本発明の方法の最適化方案を実施し、即ちすべての中間量は、いずれも排水口の水流動的特徴に基づいて計算されて決定される。測定設計操作パラメータとモニタリングデータＤに基づいて、それぞれ式５の連立方程式によって導水管２の
係数ＦＯＳ（ｔ）を計算する。中間及び結果計算データを表１に示す。

表１に示されるのは、スライスｓ１６、スライスｓ１７を例とする関連パラメータデータである。

４、スロープ体の安全安定性評価
ＦＯＳ（ｔ）動的データに基づいて、従来のＦＯＳ地滑りリスクレベル分け方法を参照してモニタリング対象スロープ体Ｓで発生する降雨型地滑りの危険程度と早期警報レベルを評価する。表２は、モニタリング・早期警報レベル分けである。

５、モニタリング・早期警報技術の効果
本例のスロープ体に対して半月間のモニタリング・早期警報を実施し、主なモニタリングデータを図３に示す。図３は、本発明の技術の３つの主なパラメータのデータ曲線を示すほかに、同時期の降雨データ条作を対照として描いている。図３は、降雨と地滑り安定性の関連性が比較的悪く、逆に発明の地下水モニタリング型モニタリング・早期警報によるスロープ体の安定状態と災害リスクの評価効果は、その同時期の降雨モニタリング型方案よりも優れていることを示す。

１ 透水筒
２ 導水管
２１ 取水口
２２ 排水口
３ ボーリング穴
４ 斜面
５ 地滑りの滑り面
６ 斜面地下水位線

Claims (10)

1. 降雨型地滑りモニタリング・早期警報方法であって、モニタリング対象スロープ体Ｓのスロープ体のバックグラウンドデータを取得し、スロープ体Ｓ内の地下水位線に沿ってモ
   ＦＯＳ（ｔ）に基づいてスロープ体Ｓの時間ｔにおける安全安定性を判断し、ＦＯＳ（ｔ）は、式１によって表現され、
   式において、ＦＯＳ（ｔ）－斜面Ｓの時間ｔにおける安全係数であり、
   ことを特徴とする降雨型地滑りモニタリング・早期警報方法。
2. ことを特徴とする請求項１に記載のモニタリング・早期警報方法。
3. 式３の連立方程式によって測算され、
   ｖ－地上排水口（２２）の流速、ｍ／ｓ、動的モニタリングデータＤであり、
   λ－導水管（２）の沿路抵抗係数、測定設計操作パラメータであり、
   Ｚ－導水管（２）の内径、ｍ、測定設計操作パラメータであり、
   η－導水管（２）の局所水頭損失係数、測定設計操作パラメータであり、
   ことを特徴とする請求項２に記載のモニタリング・早期警報方法。
4. 前記導水管（２）の沿路抵抗係数λは、式４によって測算され、
   △－導水管（２）材料の絶対粗さ、ｍｍ、測定設計操作パラメータであり、
   ｄ－導水管（２）の特性長パラメータ、導水管（２）の内径Ｚの値をとり、ｍｍ、測定設計操作パラメータである、ことを特徴とする請求項３に記載のモニタリング・早期警報方法。
5. 導水管（２）の局所水頭損失係数Σηは、式５の連立方程式によって測算され、
   Ｒ－導水管（２）の頂点旋回半径、ｍ、測定設計操作パラメータであり、
   α－導水管（２）の頂点旋回角度、°、測定設計操作パラメータであり、
   Ａ－排水口（２２）の断面積、ｍ^２、測定設計操作パラメータである、ことを特徴とする請求項３に記載のモニタリング・早期警報方法。
6. 降雨型地滑りモニタリング・早期警報システムであって、モニタリング対象スロープ体Ｓの現場調査を行い、スロープ体のバックグラウンドデータを取得し、スロープ体のバックグラウンドデータを利用して、スロープ体Ｓ内の地下水標高線に沿ってモニタリング部
   地下水が透水筒（１）に入ることを保証し、導水管（２）の取水口（２１）を透水筒（１）内の液面以下に伸ばし、導水管（２）の排水口（２２）を地上に導き、排水口（２２）の排水が安定になったら、
   Ｄを測定して収集し、請求項１に記載の降雨型地滑りモニタリング・早期警報方法を利用して斜面Ｓの時間ｔにおける安全係数ＦＯＳ（ｔ）を測算し、スロープ体Ｓの安全安定性を判断する、ことを特徴とする降雨型地滑りモニタリング・早期警報システム。
7. して収集する技術案について、基礎データに基づいてスロープ体Ｓの安全安定性を判断するＦＯＳ（ｔ）閾値を決定し、式６によって表現されるスロープ体Ｓの安全安定モデルを構築し、スロープ体Ｓの安全安定性を判断するｖ閾値を解き、動的モニタリングデータＤにおける地上排水口（２２）の流速ｖ動的値とｖ閾値に基づいて、スロープ体Ｓの安全安定性を判断し、
   式において、ｖ（ｔ）－排水口（２２）の時間ｔにおける流速、ｍ／ｓ、動的モニタリングデータＤである、ことを特徴とする請求項６に記載のモニタリング・早期警報システム。
8. 同じ動的モニタリングデータＤにマッチングすることである、ことを特徴とする請求項１～５のいずれか１項に記載のモニタリング・早期警報方法又は請求項６又は７に記載のモニタリング・早期警報システム。
9. 前記デフォルト設定は、スロープ体Ｓ内の地下水位線に沿って配置されるモニタリング
   る地下水動的標高データを利用してスロープ体Ｓの時間ｔにおける地下水標高曲線をフィッティングし、
   る地下水標高データを解く、ことを特徴とする請求項８に記載のモニタリング・早期警報方法又はモニタリング・早期警報システム。
10. モニタリング・早期警報期間内において、導水管（２）の取水口（２１）を透水筒（１）内の液面以下に保持する、ことを特徴とする請求項１～５のいずれか１項に記載のモニタリング・早期警報方法又は請求項６又は７に記載のモニタリング・早期警報システム。