本发明专利技术涉及地质灾害风险评估领域，具体涉及一种滑坡灾害预测方法及装置，首先建立数字地形模型，将研究区域划分为网格，每一个网格视为一个单元，赋予每个单元所需地质和雨量分布信息；进行入渗分析，获取孔隙水压力；基于孔隙水压力，用无限边坡模型计算安全系数，求取失稳概率，以判断边坡稳定性和可靠性；收集大量历史滑坡数据，通过回归分析得到用于计算滑坡运动距离平均值的经验关系；将有至少一边或者一角相连的不稳定单元归为一组，一组视为一个滑坡，确认滑坡的位置和体积，将滑坡运动距离关系作为滑坡运动休止条件，评估滑坡体的运动轨迹和堆积位置，进而预测滑坡影响范围，为灾后重建和灾害预警工作提供科学依据。
A method and device for landslide disaster prediction
【技术实现步骤摘要】
一种滑坡灾害预测方法及装置
本专利技术涉及地质灾害风险评估领域，特别是一种滑坡灾害预测方法及装置。
技术介绍
降雨对滑坡的影响很大，由于雨水的大量下渗，导致斜坡上的土石层饱和，甚至在斜坡下部的隔水层上积水，从而增加了滑体的重量，降低土石层的抗剪强度，导致滑坡产生。滑坡若不能及时得到预防和控制，不仅会造成交通堵塞，威胁人员的生命财产安全，还会引起重大次生危害。考虑到雨水下渗时，土体或者岩体的异质性可能对入渗过程产生显著影响；土体在有些地方是分层的，例如图1中的边坡就是一个典型的具有分层土体的边坡，而不同土层中的水力学参数可能会显著不同，因此建立一个适用于分层土体的入渗分析方法非常必要；此外，由于实际降雨过程中的降雨强度很少是不变的，因此也需要建立一个适用于任意降雨条件的入渗分析方法，而现有基于入渗分析的区域性滑坡预测模型不能同时满足这两个要求，且很少有能评估滑坡体运动的模型。对于传统滑坡预测方法而已，主要有两类：一类是基于经验性的降雨阀值，当雨量超过降雨阀值，发出预警信息；该类系统能预测滑坡、落石、泥石流灾害在某一降雨条件下是否会发生，但不能预测灾害发生的时间、地点及影响范围。另一类则是基于监测地质变形情况进行滑坡预警，一般监测边坡的变形量和运动加速度，将其经验性的变形阀值作为预警标准；该类系统在区域范围内对分布密集的灾害源的识别能力较弱，且大规模安装嵌入式传感器花费昂贵，不利于普及。传统滑坡预测方法考虑因素单调，预测结果不准确，易发生低判、错判和漏判，不利于灾害风险管理。
技术实现思路
<br>本专利技术的目的在于：针对现有技术中滑坡预测方法考虑因素不全面，导致预测结果不准确的问题，提供一种滑坡灾害预测方法及装置，能够较全面反映监测区域在时间和空间上对降雨过程的响应，准确预测滑坡发生的可能性及影响范围，为风险评价提供依据。为了实现上述目的，本专利技术采用的技术方案为：一种滑坡灾害预测方法，包括以下步骤：步骤一，建立数字地形模型，将研究区域划分为网格，每一个网格视为一个单元，赋予每个单元所需的地质信息、空间雨量分布信息等水文信息；步骤二，在任意降雨条件下，对边坡进行入渗分析，获取孔隙水压力；步骤三，基于孔隙水压力，对于浅层滑坡，用无限边坡模型计算安全系数Fs，然后求取失稳概率Pf，以判断边坡稳定性和可靠性；其中，浅层滑坡为一种滑坡类型，本领域技术人员将滑坡按滑坡体的厚度划分为浅层滑坡、中层滑坡、深层滑坡和超深层滑坡。步骤四，收集大量历史滑坡数据，通过回归分析得到用于计算滑坡运动距离平均值的经验关系；该经验关系应该要考虑到滑坡体的体积效应，将基于滑坡运动距离的经验公式作为滑坡运动的休止条件，当滑坡体达到最大的运动距离后，滑坡体将停止运动；步骤五，将在步骤三中至少一边或者一角相连的不稳定单元归为一组，一组视为一个滑坡，确认滑坡的位置和体积；结合步骤四中基于历史滑坡数据建立的经验关系，将其作为滑坡运动休止条件，评估滑坡体的运动轨迹和堆积位置，进而预测滑坡影响范围。其中，在入渗分析时，利用理查兹方程(Richards方程)描述边坡中的入渗过程：式中k是渗透系数；ψ是孔隙水压力；z*为土体边坡法向方向上的位移；βs是边坡坡度；t是时间；w是体积含水量；利用指数型关系描述渗透方程和土水特征曲线：其中ks是饱和渗透系数；θr和θs分别是残留体积含水量和饱和体积含水量；αi是材料参数；为得到闭合的解析解，材料参数αi在上下两层土体取相同的值；进而通过拉普拉斯变换(Laplace变换)、留数定理及一系列数学变换，得到恒定降雨条件下Kb和Kt的解；其中下标b和t分别表示下层和上层土体，K表示渗透系数k与饱和渗透系数ks的比值，Kb＝k/ksb，Kt＝k/kst；结合单位阶跃函数和叠加原理，进一步得到在任意降雨条件下的Kb和Kt、孔隙水压力及地下水位通量函数，其中孔隙水压力为：其中Z也是自定义的无量纲数：-lb≤z*≤0时，Z＝αib(cosβs)2z*；0≤z*≤lt时，Z＝αit(cosβs)2z*；l是土体边坡垂直方向的土体厚度。当到达地下水的入渗水量超过了最大的重力排水量，地下水位会相应上升。对每个单元逐个进行入渗分析，可以得知研究区域对降雨在时间和空间上的响应。进一步地，对于浅层滑坡，滑坡体的厚度相对其平面尺寸来说较小，因此可以用无限边坡模型计算安全系数Fs，并将安全系数Fs作为稳定性评价指标。在步骤三计算安全系数的过程中，由于在理查兹方程(Richards方程)的解析解中陡峭的湿润锋通常不存在，因此将湿润锋定义为在体积含水量发生显著变化的地方，从地表到湿润锋对Fs进行计算，找到最小Fs和相应的位置；如果Fs小于1，认为滑坡会发生。孔隙水压力ψ(Z,t)为正值时，Fs用如下公式计算：其中c”(kPa)和φ'(°)分别是土体的有效凝聚力和摩擦角；γw(kN/m3)和γs(kN/m3)分别是水和土的单位容重，z'是沿垂直方向的位移。孔隙水压力ψ(Z,t)为负值时，Fs用基于扩展的莫尔库仑破坏准则计算：其中φb(°)是由基质吸力对剪切强度贡献的等效摩擦角；φb设为φ'的三分之二。进一步地，为了考虑输入参数的不确定性，为风险评估打下基础，同时进行可靠性分析，求取失稳概率Pf作为可靠性分析指标，失稳概率Pf大于0.5时，视为滑坡将会发生。室外实验和室内实验研究发现c'和tanφ'通常呈负相关，为了避免负值出现，假设c'和tanφ'服从对数正态分布。对用蒙特卡罗(MonteCarlo)方法产生的Fs进行卡方拟合优度检验，结果表明Fs服从对数正态分布时，Fs的标准差可表示为：其中Xi是一个随机变量，即c'，tanφ'或tanφb；nv是随机变量的数量；ρ'是随机变量之间的相关系数；V(e)是误差方差，用来描述和实际情况的差异，其服从正态分布。进一步通过下式求取失稳概率Pf：Pf＝P(lnFs＜0)＝Φ(-λ/ξ)，其中，λ＝ln[E(Fs)]-0.5ξ2其中E(Fs)是Fs的期望值，即滑动面的Fs值。进一步地，在对滑坡运动分析时，滑坡体实际上可能会从一个单元同时运动到几个相邻的较低位置的单元，本专利技术不考虑滑坡体在运动过程中的发散，也不考虑滑坡体的惯性效应和弹跳效应；假设滑坡体会沿着最陡峭的路径运动到相邻较低的位置，可用以下公式计算一个单元和相邻单元之间的坡度：对于东西南北方向，坡度对于对角方向，坡度其中ΔH是两个单元之间的高程差；ac是单元的宽度。本专利技术基于上述方法步骤提供一种滑坡预测装置，该装置包括至少一个处理器，以及与处理器通信连接的存储器；存储器存储有可被至少一个处理器执行的指令，指令被处理器执行，以使处理器能够执行滑坡预测的方法。综上所述，由于采用了上述技术方案，本专利技术的有益效果是：1、本专利技术综合考本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种滑坡灾害预测方法，其特征在于，包括以下步骤：/n步骤一，建立数字地形模型，将研究区域划分为网格，每一个网格视为一个单元，赋予每个单元所需的地质信息及空间雨量分布信息；/n步骤二，在任意降雨条件下，对边坡进行入渗分析，获取孔隙水压力；/n步骤三，基于孔隙水压力，对于浅层滑坡，用无限边坡模型计算安全系数F
【技术特征摘要】
1.一种滑坡灾害预测方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一，建立数字地形模型，将研究区域划分为网格，每一个网格视为一个单元，赋予每个单元所需的地质信息及空间雨量分布信息；
步骤二，在任意降雨条件下，对边坡进行入渗分析，获取孔隙水压力；
步骤三，基于孔隙水压力，对于浅层滑坡，用无限边坡模型计算安全系数Fs，然后求取失稳概率Pf，以判断边坡稳定性和可靠性；
步骤四，收集历史滑坡数据，通过回归分析得到用于计算滑坡运动距离平均值的经验关系；
步骤五，将在步骤三中至少一边或者一角相连的不稳定单元归为一组，一组视为一个滑坡，确认滑坡的位置和体积；结合步骤四中基于历史滑坡数据建立的经验关系，将其作为滑坡运动休止条件，评估滑坡体的运动轨迹和堆积位置，进而预测滑坡影响范围。
2.根据权利要求1所述的一种滑坡灾害预测方法，其特征在于，入渗分析时，利用理查兹方程描述边坡中的入渗过程：
其中k是渗透系数；ψ是孔隙水压力,z*为土体边坡法向方向上的位移；βs是边坡坡度；t是时间；w是体积含水量；
利用指数型关系描述渗透方程和土水特征曲线：
其中ks是饱和渗透系数；θr和θs分别是残留体积含水量和饱和体积含水量；αi是材料参数；为得到闭合的解析解，材料参数αi在上下两层土体取相同的值；
通过拉普拉斯变换、留数定理及一系列数学变换，得到恒定降雨条件下Kb和Kt的解；其中下标b和t分别表示下层和上层土体，K是自定义的无量纲数，表示渗透系数k与饱和渗透系数ks的比值，Kb＝k/ksb，Kt＝k/kst；
结合单位阶跃函数和叠加原理，得到在任意降雨条件下的Kb和Kt、孔隙水压力及地下水位通量函数，其中孔隙水压力为：
其中Z也是自定义的无量纲数：
-lb≤z*≤0时，Z＝αib(cosβs)2z*；0≤z*≤lt时，Z＝αit(cosβs)2z*；l是土体边坡垂直方向的土体厚度。
3.根据权利要求1所述的一种滑坡灾害预测方法，其特征在于，在步骤三计算安全系数的过程中，将湿润锋定义为在体积含水量发生显著变化的地方，从地表到湿润锋对Fs进行计算，找到最...
【专利技术属性】
技术研发人员：何云勇，向波，汪晓锋，魏琨，
申请(专利权)人：四川省公路规划勘察设计研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：四川;51
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