一种基于弹性波波速的降雨型滑坡预警系统技术方案

本发明专利技术属于自然灾害防治技术领域，公开了一种基于弹性波波速的降雨型滑坡预警系统，设置有框架；压力室固定安装在所述框架内，透水石固定安在所述压力室的顶部，陶土板固定安装在所述压力室的底部，弯曲元对称安装在透水石和下表面和陶土板的上表面，压力传感器、示波器、信号放大器，嵌装在所述弯曲元内部。本发明专利技术的弹性波波速随着含水率的增大缓慢减小，而随着变形的增大急剧减小，临近失稳时，波速骤然减小；根据试验结果对含水率和变形导致弹性波波速减小可能的机制进行了解释，提出弹性波在波速骤然减小时发出滑坡预警。本发明专利技术为滑坡防灾减灾和预测预报提供新的方法和可靠的依据。

A rainfall type landslide early warning system based on elastic wave velocity

【技术实现步骤摘要】
一种基于弹性波波速的降雨型滑坡预警系统
本专利技术属于自然灾害防治
，尤其涉及一种基于弹性波波速的降雨型滑坡预警系统。
技术介绍
目前，降雨型滑坡是世界上最重要的地质灾害之一，随着信息技术的发展，滑坡早期预警系统由于其较低的环境和经济成本，已经逐渐进入人们的视野。特别是在一些大型滑坡案例中，由于传统的防治手段，如锚杆、挡土墙等，成本太高，无法实施。因此，开发一种简单、经济、实用的早期预警系统成为了最佳选择。早期预警系统是目前滑坡管理的有效替代方案，能够对滑坡指标进行早期检测，及时将可能受影响的居民疏散出易发生滑坡的区域。通过实时或近实时监测降雨和岩土体物理特性变化，可以对大范围自然山坡的滑动失稳进行预测预报。现行的滑坡预警方法均采用考虑土体物理性质变化的预警临界值，若土体的相关物理性质超过了规定的临界值，潜在受灾区域将会收到有可能发生滑坡的预警。综上所述，现有技术存在的问题是：(1)传统的防治手段成本太高，无法实施。(2)现行的滑坡预警设备均采用考虑土体物理性质变化的预警临界值，对于潜在受灾区有可能发生滑坡的预警效果差。解决上述技术问题的难度在于：目前降雨型滑坡预警系统主要基于边坡位移、降雨强度、土力学性质、降雨渗流、含水率、基质吸力和孔隙压力等参数的监测。但是，分散布置的传感器并不能有效地监测到潜在滑坡区域，因为这些传感器都只对自身附近的变形和含水率变化敏感。解决上述技术问题的意义在于：研究降雨入渗导致土体失稳过程中的弹性波波速的变化，揭示含水率和变形与弹性波波速的对应关系，获得含水率、变形与弹性波波速耦合关系，建立一套基于弹性波波速的降雨型滑坡预警方法。研究成果将为降雨诱发滑坡的预测和预警系统提供重要参考。
技术实现思路
针对现有技术存在的问题，本专利技术提供了一种基于弹性波波速的降雨型滑坡预警系统，通过监测弹性波波速的变化速率来监测边坡的稳定性。本专利技术是这样实现的，一种基于弹性波波速的降雨型滑坡预警系统设置有框架。压力室，固定安装在所述框架内。透水石，固定安装在所述压力室的顶部。陶土板，固定安装在所述压力室的底部。弯曲元，对称安装在透水石和下表面和陶土板的上表面。压力传感器、示波器、信号放大器，嵌装在所述弯曲元内部。该装置能同步测试含水率、变形和弹性波波速的变化。在固定应力条件下进行了三轴注水试验，并从非饱和土试件底部注水，直至失稳破坏。如此加载模式模拟了降雨入渗边坡的潜在滑动面上的土单元所遵循的应力路径。注水过程中同时测量了S波和P波波速的变化规律。进一步，所述压力室内部还安装有荷重计，所述荷重计通过转轴齿接驱动装置，所述驱动装置固定安装在框架的顶部。进一步，所述信号放大器的输出端与信号发射器电连接，所述压力传感器的输出端安装有阀门，所述阀门输出端通过管道连通滴定管。所述滴定管上焊接有压差传感器，所述滴定管的末端安装有稳压器。进一步，所述压力室的顶部通过电气转换器连通高压空气输入管，所述压力室的底部通过管道连通收集器。进行了边坡模型试验，监测边坡降雨入渗导致的含水率和变形，以及边坡表层的弹性波波速变化。通过三轴弯曲元试验和降雨滑坡模型试验，研究降雨入渗导致土体失稳过程中的弹性波波速的变化，揭示含水率和变形与弹性波波速的对应关系，获得含水率、变形与弹性波波速耦合关系。综上所述，本专利技术的优点及积极效果为：通过三轴注水试验和边坡模型试验分析了土体含水率和变形与弹性波波速的耦合关系，提出了基于弹性波波速的降雨型滑坡预警系统。(1)利用弹性波波速能够表征土体的水分入渗和变形行为，弹性波波速对含水率和变形响应敏感。(2)弹性波波速随含水率的增大而逐渐减小，而随变形的增大而迅速减小。弹性波波速在临近失稳时的急剧下降可以用作土体临近失稳的判据。因此，在弹性波波速骤然减小时发出预警。(3)将三轴试验检测到的弹性波波速与边坡模型试验检测到的波速进行比较，建立了三轴试验与边坡模型试验在同一应力水平下的波速修正关系，发现边坡模型试验观测到的弹性波波速表现为S波。附图说明图1是本专利技术实施例提供的三轴注水试验设备图。图2是本专利技术实施例提供的三轴试验中的P波和S波波形图。图3是本专利技术实施例提供的边坡模型示意图。图4是本专利技术实施例提供的边坡模型试验的波形图。图5是本专利技术实施例提供的m/2和饱和度的关系曲线图。图6是本专利技术实施例提供的修正后的三轴试验观测到的弹性波波速与边坡模型试验观测到的波速的比较图。图7是本专利技术实施例提供的滑坡早期预警思路图。图8是本专利技术实施例提供的三轴试验的饱和度、轴向应变和弹性波波速图。图9是本专利技术实施例提供的弹性波波速随饱和度和轴向应变的变化图。图10是本专利技术实施例提供的边坡模型试验的饱和度、倾斜角和弹性波波速(坡角40°)图。图11是本专利技术实施例提供的边坡模型试验的饱和度、倾斜角和弹性波波速(坡角50°)图。图12是本专利技术实施例提供的坡角40°条件下弹性波波速随饱和度和倾斜角的变化图。图13是本专利技术实施例提供的坡角50°条件下弹性波波速随饱和度和倾斜角的变化图。图中：1、高压空气输入管。2、电气转换器。3、压力传感器。4、示波器。5、信号放大器。6、信号发射器。7、框架。8、驱动装置。9、压力室。10、荷重计。11、透水石。12、弯曲元。13、陶土板。14、收集器。15、滴定管。16、稳压器。17、压差传感器。18、阀门。具体实施方式为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本专利技术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仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。本专利技术进行了三轴注水实验：对应力控制式三轴仪进行了改装，使其能够在水渗入的同时测量S波和P波波速。根据力学试验原理，假定一土体保持平衡状态，则其中某一点必有三种作用于互相垂直面上的应力。如从上体中切出一小立方体，“主应力与主应力面”图中平行于X、Y、Z三个方向的力，分别称为大主应力σ1、中主应力σ2、小主应力σ3。与三个主应力垂直的作用面分别称为大主应力面、中主应力面和小主应力面。三个主应力值的大小为σ1>σ2>σ3，且互相垂直，主应力面上只有法向应力，无剪应力。这种应力状态，可以在室内用一个立方体试样进行模拟。刚性板结构的真三轴仪图中利用六块可以互相移动的刚性板，分别施加σ1、σ2、σ3力于试样，使之达到破坏，并测定试样三个方向的变形和体积变化。该三轴仪最大的特点在于其底座由环形陶土板(进气值100kPa)和中心嵌入的弯曲元所构成。下面结合附图对本专利技术的技术方案作详细描述。如图1-图12所示，本专利技术实施例提供的三轴注水试验设备所示。包括：高压空气输入管1、电气转换器2、压力传感器3、示波器4、信号放大器5、信号发射器6、框架7、驱动装置8、压力室9、荷重计10、透水石11、弯曲元12、陶土板13、收集器14、滴定管15、稳压器16、压差传感器17、阀门18.高压空气输入管1通过电气转换器2连通压力室9。位于压力室9底部的陶土板13上搁置有弯曲元12；弯曲元12上部覆盖有透水石11，弯曲元12上部通过信号线连接荷重计10和示波器4；弯曲元12的下部通过导线连接信号放大器5、信号发射器6；弯曲元12的下部通过导线还依次连接压力传感器3、阀门18、滴定管15、稳压器16、压差传感器17。收集器本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于弹性波波速的降雨型滑坡预警系统，其特征在于，该基于弹性波波速的降雨型滑坡预警系统设置有框架；压力室，固定安装在所述框架内；透水石，固定安装在所述压力室的顶部；陶土板，固定安装在所述压力室的底部；弯曲元，对称安装在透水石和下表面和陶土板的上表面；压力传感器、示波器、信号放大器，嵌装在所述弯曲元内部。

【技术特征摘要】
1.一种基于弹性波波速的降雨型滑坡预警系统，其特征在于，该基于弹性波波速的降雨型滑坡预警系统设置有框架；压力室，固定安装在所述框架内；透水石，固定安装在所述压力室的顶部；陶土板，固定安装在所述压力室的底部；弯曲元，对称安装在透水石和下表面和陶土板的上表面；压力传感器、示波器、信号放大器，嵌装在所述弯曲元内部。2.如权利要求1所述的基于弹性波波速的降雨型滑坡预警系统，其特征在于，所述压力室内部还安装有荷重计，所述荷重计通过转轴齿接驱动...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈宇龙，邓雪杰，聂闻，滕腾，
申请(专利权)人：中国矿业大学北京，
类型：发明
国别省市：北京,11