降雨型滑坡临界启动降雨量及失稳预警时间的确定方法技术

本发明专利技术涉及一种降雨型滑坡临界启动降雨量及失稳预警时间的确定方法，步骤如下：第一步：坡体物理力学性质参数及边坡坡角、坡体垂直埋深的测定；第二步：滑坡坡体降雨量的监测与监测数据处理；第三步：滑坡启动地下水位临界埋深值的确定；第四步：滑坡启动有效降雨量阈值的确定；第五步：边坡实时临界启动降雨量的确定；第六步：边坡稳定性分析与评价；第七步：边坡失稳预警时间的确定。该方法创造性地提出一种基于极限平衡法和实时降雨量监测相结合的滑坡稳定性实时启动降雨量的测定与边坡稳定性评价方法，仅运用降雨量实时监测便可检测和确定滑坡临界启动降雨量，在滑坡灾害的监测预警与稳定性评价中具有重要的应用前景与价值。

Method for determining critical rainfall and early warning time of rainfall type landslide

The invention relates to a method for determining a threshold rainfall and landslide instability warning time steps are as follows: the first step: the slope parameters of mechanical properties and slope angle of slope, the vertical depth determination; the second step: the landslide slope rainfall monitoring and monitoring data processing; the third step: determine landslide critical depth value of the underground water level; the fourth step: determine the effective rainfall threshold of the landslide; the fifth step: determine the slope threshold real-time rainfall; the sixth step: analysis and evaluation of slope stability; the seventh step: determine the slope instability early warning time. This method is creatively put forward a determination method of limit equilibrium and real-time rainfall monitoring based on landslide stability real-time rainfall and slope stability evaluation start method, only the use of real-time monitoring of rainfall can be detected and determined the threshold of rainfall landslide, has application prospects and important value in evaluating the stability of landslide monitoring and early warning of disasters.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及降雨诱发型滑坡稳定性评价与监测预警领域，具体涉及一种基于降雨量监测的滑坡临界启动降雨量测定方法及边坡稳定性评价方法。
技术介绍
滑坡作为仅次于地震灾害的第二大地质灾害，其监测预警与防治方法是当前地质灾害领域中重要的研究内容。滑坡的孕育及发展与地形、地貌、地质构造及地层岩性等密切相关，同时也与降雨、地震及人类活动等诱发因素有密切关系。大量事实和研究表明，降雨充沛且多暴雨的气候是诱发滑坡灾害的主要因素，其引发的动力作用是滑坡灾害产生的根源。大量工程实践证明，降雨诱发型滑坡的临界失稳启动降雨量是该类滑坡监测预警和防治的最为关键预警和防治指标与参数。因此，研究降雨与滑坡的关系与作用机制，并由此为依据建立适用于该类滑坡的临界降雨量的确定方法将具有极其重要的理论意义和实际应用价值。目前降雨型滑坡临界启动降雨量的确定方法主要为经验类比法、数理统计分析法、模型试验测定法及数值分析法。(1)经验类比法是运用其他类似降雨诱发滑坡测定的临界降雨量，并以此为依据并运用经验类比法确定待评价和防治滑坡的失稳临界启动降雨量。该成果以边坡位移与前期降雨之间的关系为基础，并通过校准经验模型建立了滑坡降雨预报模型，以此获得诱发滑坡的降雨量临界值。然而该类方法常常需要将其他类似降雨诱发型滑坡与待评价边坡进行相似度分析，只有当其拟合度高时才能应用到相似待评价滑坡的失稳临界降雨量值的判定中，而且该失稳临界降雨量值受不同滑坡地质条件的影响和控制，因此，该类方法存在较大的盲目性、随机性和不确定性；(2)数理统计分析法通过对某地区的滑坡和降雨资料进行研究，建立确定降雨临界值的三个模型——日降雨量模型、前期降雨量模型和前期土体含水状态模型，其基本方法都是采用数理统计方法对历史滑坡和降雨资料进行分析，取其统计意义上的临界点作为降雨诱发滑坡的临界值。但该方法需要大量的样本，并且不区分滑坡类型和规模，所得结果仅能判断在某种统计经验水平上某一地区在某个临界值条件下是否会有滑坡发生，有一定的局限性；(3)模型试验测定法是通过室内试验或原位试验人工模拟边坡形态、降雨过程和边坡渗流状态，由监测装置得到相关数据并进行计算分析，最终求得临界启动降雨量的方法。试验监测理论根据是相似原理，即要求模型和原型相似，模型能够反映原型的情况，然而模型复杂且与工程原型的相似程度有限，设备昂贵且需要多次试验排除偶然因素的影响，缺乏一定的可行性；(4)数值分析法是运用有限元法模拟分析不同降雨条件下滑坡稳定性的演化规律，并依据稳定性演化规律建立滑坡稳定性与降雨量的定量关系，依此确定所对应的临界降雨量。然而该类方法易受制于岩土体本构关系与实际岩土体力学响应特性拟合程度的高低，易受制于使用者本身的掌握程度，易受制于自身计算过程的复杂性和计算结果的精确性。因此，寻求一种突破现有传统技术的新方法，即寻求一种具有明确判据且仅运用降雨量实时监测便可检测和确定滑坡临界启动降雨量的新方法，将在该类滑坡灾害的监测预警与稳定性评价中具有重要的应用价值。
技术实现思路
针对上述传统降雨诱发型滑坡临界启动降雨量确定方法的局限与不足，本专利技术提出一种利用降雨量实时动态监测确定降雨诱发型滑坡的临界启动降雨量的便捷测定方法。具体专利技术思路是依据充水均匀等厚边坡下滑动力演化特征与规律，确定该类滑坡下滑力与抗滑力的值，进而运用极限平衡理论获得滑坡地下水位埋深临界值，最后依据地下水位变化量与有效降雨量的关系，确定有效降雨量阈值，并根据降雨量实时监测数据计算获得滑坡实时临界启动降雨量，以达到对降雨诱发型滑坡临界启动降雨量进行科学有效的评价和实时动态监测预警的目的。本专利技术是采用以下的技术方案实现的，包括如下步骤：第一步：坡体物理力学性质参数及边坡坡角、坡体垂直埋深的测定依据《边坡工程勘察规范》(YS5230—1996)及《土工试验规程》(SL237—1999)，对待测定的边坡进行系统的勘察、试验及调查测绘，运用岩土原位试验或室内土工试验综合测定边坡坡体土层的黏聚力c、内摩擦角天然重度γ、饱和重度γsat及边坡坡角θ、坡体垂直埋深H；对坡角、坡体埋深有变化的边坡，边坡坡角与坡体垂直埋深取其各变化坡段的均值。第二步：滑坡坡体降雨量的监测与监测数据处理1)降雨量监测布置方案对待测定边坡，根据地质勘察确定其主滑区，监测点应在滑坡主滑区内间隔20-30m均匀布置，并根据地形地貌、水文条件及植被覆盖条件进行调整，以确保每个监测点的降雨数据得到有效监测。2)监测数据收集处理监测数据收集采用由监测中心、通信网络、前端监测设备和测量设备(雨量传感器)四部分组成的监测系统。雨量传感器用于观测自然降雨量，还可以满足信息显示、记录、分类和处理的需要，同时将一定的降雨量信息分组输出至监测中心。取各个监测点降雨量监测数据的平均值作为该段时间内的实时总降雨量，将监测结果进行数理统计分析处理，确定计算出每日降雨量。第三步：滑坡启动地下水位临界埋深值的确定在边坡失稳破坏之前，抗滑力一直大于下滑力。地下水位不断上升，一方面造成坡体重度增加而使下滑力不断增大，另一方面也使坡体对滑面的有效压应力和弱化滑面抗剪强度参数c、值降低而使抗滑力不断减小。当坡体处于极限平衡状态时，即下滑力与抗滑力相等，与此状态相对应的地下水位埋深即为地下水位埋深极限值；根据《建筑边坡工程技术规范》确定滑坡的安全系数Fs，给滑坡稳定性评价赋予一定的安全储备。因此，根据原理1及下滑力与抗滑力极限平衡原理，可获得地下水位埋深临界值如下：式中，hcr-地下水位埋深临界值；H-坡体垂直埋深；Fs-滑坡的安全系数；c-滑面粘聚力；-滑面内摩擦角；θ-坡角；γ-天然重度；γw-水的重度，取10kN/m3；γ′-浮重度。第四步：滑坡启动有效降雨量阈值的确定1)边坡岩土体降雨量入渗参数(α、β)的确定定义边坡岩土体降雨量入渗参数为边坡坡体降雨量有效转化成地下水位的线性回归系数。大量监测数据表明，边坡地下水位与其有效降雨量通常具有线性相关关系，其中边坡岩土体降雨量入渗参数便为其回归方程的线性回归系数。根据往年有效降雨量与地下水位的统计资料，分别以日监测地下水位深度为纵坐标，以该日前期有效降雨量为横坐标，运用最小二乘法建立对应的定量相关关系，并对其进行回归性分析，获得二者的线性回归系数，α即为回归直线斜率(α>0)，β即为回归直线截距(详见原理2)。另外，对于区域性滑坡，α、β的值也可用工程地质类比法得到。2)滑坡启动有效降雨量阈值的确定有效降雨量是某日之前的累积降雨量。由于排泄和蒸发作用，一场降雨的影响会随时间减小。因此特定义边坡有效降雨量为降雨量在扣除地表径流、蒸发等损失后，对滑坡发生具有影响的那部分降雨量。大量监测数据表明，滑坡的地下水位与有效降雨量存在某种线性关系，当地下水位埋深达到其临界值时，其对应的有效降雨量便是滑坡启动有效降雨量阈值。设雨季来临之前，边坡初始地下水位一般趋近于零，即初始地下水位埋深h0＝H，由此可确定滑坡启动有效降雨量阈值为(原理3)Xacr＝[(H-hcr)-β]/α (20)式中：Xacr-有效降雨量阈值；H-坡体垂直埋深；hcr-地下水位埋深临界值；α,β-岩土体性质参数，其中α＞0。第五步：边坡实时临界启动降雨量的确定将雨季开始后一个连续降雨本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种降雨型滑坡临界启动降雨量及失稳预警时间的确定方法，其特征在于，包括如下步骤：第一步：坡体物理力学性质参数及边坡坡角、坡体垂直埋深的测定；第二步：滑坡坡体降雨量的监测与监测数据处理；第三步：滑坡启动地下水位临界埋深值的确定；第四步：滑坡启动有效降雨量阈值的确定；第五步：边坡实时临界启动降雨量的确定；第六步：边坡稳定性分析与评价；第七步：边坡失稳预警时间的确定。

【技术特征摘要】
1.一种降雨型滑坡临界启动降雨量及失稳预警时间的确定方法，其特征在于，包括如下步骤：第一步：坡体物理力学性质参数及边坡坡角、坡体垂直埋深的测定；第二步：滑坡坡体降雨量的监测与监测数据处理；第三步：滑坡启动地下水位临界埋深值的确定；第四步：滑坡启动有效降雨量阈值的确定；第五步：边坡实时临界启动降雨量的确定；第六步：边坡稳定性分析与评价；第七步：边坡失稳预警时间的确定。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，第一步的具体步骤为：测定边坡坡体土层的黏聚力c、内摩擦角天然重度γ、饱和重度γsat及边坡坡角θ、坡体垂直埋深H；对坡角、坡体埋深有变化的边坡，边坡坡角与坡体垂直埋深取其各变化坡段的均值。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，具体参数值的测定依据《边坡工程勘察规范》及《土工试验规程》相关规范，对待测定的边坡进行系统的勘察、试验及调查测绘，综合运用岩土原位试验或室内土工试验方法。4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，第二步的具体步骤为：1)降雨量监测布置方案对待测定边坡，在滑坡主滑区内均匀布置监测点，并根据地形地貌、水文条件及植被覆盖条件进行调整，以确保每个监测点的降雨数据得到有效监测；2)监测数据收集处理取各个监测点降雨量监测数据的平均值作为该段时间内的实时总降雨量，将监测结果进行数理统计分析处理，确定计算出每日降雨量。5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，第三步的具体步骤为：根据《建筑边坡工程技术规范》确定滑坡的安全系数Fs，计算得到地下水位埋深临界值hcr如下：式中，hcr-地下水位埋深临界值；H-坡体垂直埋深；Fs-滑坡的安全系数；c-滑面粘聚力；-滑面内摩擦角；θ-坡角；γ-天然重度；γw-水的重度，取10kN/m3；γ′-浮重度。6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，第四步的具体步骤为：1)边坡岩土体降雨量入渗参数α、β的确定根据往年有效降雨量与地下水位的统计资料，分别以日监测地下水位深度为纵坐标，以该日前期有效降雨量为横坐标，运用最小二乘法建立对应的定量相关关系，并对其进行回归性分析，获得二者的线性回归系数，α即为回归直线斜率，β即为回归直线截距；对于区域性滑坡，α、β的值也可用工程地质类比法得到；2)滑坡启动有效降雨量阈值的确定设雨季来临之前，边坡初始地下水位一般趋近于零，即初始地下水位埋深h0＝H，由此确定滑坡启动有效降雨量阈值为 X a cr = [ ( H - h cr ) - β ] / α - - - ( 20 ) ]]>式中：-有效降雨量阈值；H-坡体垂直埋深；hcr-地下水位埋深临界值；α,β-岩土体性质参数，其中α＞0。7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，第五步的具体步骤为：将雨季开始后一个连续降雨且日降雨强度相同的降雨事件定义为一个降雨过程，且设第i个降雨过程的降雨持续日数为pi，相邻两个降雨过程之间的降雨间歇日数为si，共经历n个降雨过程；令表示监测日数，并令表示间歇过程si-k初始至降雨过程pn末的降雨监测日数，计算降雨监测初始至第Dn日的有效降雨量值 X aD n = X ‾ n 1 - K n p n 1 - K n + X ‾ n - 1 K n - 1 t n - 1 1 - K n - 1 p n - 1 1 - K n - 1 + ... + X ‾ 1 K 1 t 1 1 - K 1 p 1 1 - K 1 - - - ( 22. c ) ]]>式中：-降雨监测初始至第Dn日的有效降雨量；-第i个降雨过程的日平均降雨量；pi-第i个降雨过程的降雨持续日数；si-第i个间歇过程的间歇日数；Ki-第i个降雨过程的边坡蓄水量递减系数，在0.7～0.85间取值。8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，Ki的具体取值原则为：按照降雨过程的日平均降雨量取值：小雨，K＝0.85；中雨，K＝0.82；大雨，K＝0.79；暴雨，K＝0.76；大暴雨，K＝0.73；特大暴雨，K＝0.70。9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，第六步的具体步骤为：根据式(20)及式(22.c)，对边坡稳定性进行如下评价：①当时，表明边坡进入整体滑移阶段，此时应对边坡稳定性及时预警；②当时，表明边坡在第Dn日不会失稳，第Dn+1日的临界启动降雨量为： X crD n + 1 = X a c r - [ X ‾ n K n 1 - K n p n 1 - K n + X ‾ n - 1 K n...

【专利技术属性】
技术研发人员：贺可强，傅鹏辉，郭璐，
申请(专利权)人：青岛理工大学，
类型：发明
国别省市：山东;37