高边坡稳定性能量突变监测与全景预警方法及系统

本发明属于岩土工程边坡稳定性监测与预警，具体涉及高边坡稳定性能量突变监测与全景预警方法及系统，用于水电工程、公路建设、矿山开采等领域中高边坡的稳定性分析与失稳灾害预警。

背景技术：

1、当前，水利水电工程、公路建设、矿山开采等领域中高边坡的稳定性直接关系到工程的安全运行。边坡失稳可能导致严重的灾害，常引发滑坡、泥石流等地质灾害，对工程建设与生态环境造成严重威胁。因此，深入研究边坡稳定性及其失稳灾变演化机制，对于保障工程安全和减少灾害损失具有重要意义。

2、现有边坡稳定性分析方法主要存在以下技术缺陷：

3、失稳判据受人为因素影响大，准确性不足。传统的边坡稳定性分析方法主要包括极限平衡法和强度折减法。极限平衡法需预先假定滑动面位置，对于复杂地质条件下的高边坡适用性受限。强度折减法虽可自动确定安全系数，但其失稳判据多采用位移突变、塑性区贯通或计算不收敛等传统指标，这些判据受网格密度、边界条件等人为因素影响较大，不同判据得到的计算结果存在差异，缺乏统一的、客观的失稳判定标准。

4、现有能量类判据未形成完整的监测预警闭环。近年来，能量突变理论在边坡稳定性分析中逐渐受到关注，通过分析边坡在失稳过程中能量的变化规律为稳定性评价提供了新的思路。然而，现有基于能量判据的研究多停留在数值分析层面，仅输出安全系数等抽象指标，未能将分析结果直观映射至工程现场，缺乏从"分析判定"到"可视化预警"的完整技术链条。

5、监测数据展示方式单一，缺乏直观的空间定位手段。现有边坡监测数据的呈现方式多为二维图表或数值云图，风险区域的空间位置信息以坐标数据或色块形式呈现，工程现场人员难以将其与实际地形地貌进行快速对应，不利于快速、准确地掌握边坡整体稳定状况及风险区域的工程定位。

6、多源数据缺乏统一的空间基准。监测数据、数值分析模型与现场实景图像分属不同的坐标空间，缺乏统一的空间参考框架进行数据融合，导致监测数据无法直接用于驱动数值分析模型、分析结果无法直接叠加至实景展示，各环节之间形成数据孤岛。

7、因此，提供一种用于解决上述问题，能够实现失稳判据客观化、分析结果可视化、数据链条完整化的高边坡稳定性能量突变监测与全景预警方法及系统，是本领域技术人员亟待解决的技术问题。

技术实现思路

1、为解决上述技术问题，本发明提供一种高边坡稳定性能量突变监测与全景预警方法及系统，以克服现有技术中存在的失稳判据受人为因素影响大、分析结果缺乏直观展示手段、数据链条不完整的技术缺陷。

2、本发明通过构建"统一空间参考框架"作为数据融合基准，将数值分析模型与全景实景模型置于同一空间坐标系下，并以"能量突变"作为边坡失稳的客观判据，实现从监测数据采集、数值分析、失稳识别到全景预警展示的完整闭环。

3、所述系统采用模块化架构，由统一空间参考框架模块、模型构建模块、数据关联模块、能量追踪与突变判定模块、失稳识别模块和全景预警展示模块组成，各模块协同工作形成完整的闭环系统。

4、具体而言，本发明通过建立目标高边坡的统一空间参考框架，基于该框架分别构建数值分析模型和全景实景模型，使两模型共享同一空间坐标体系。将监测数据关联至数值分析模型后，采用强度折减法逐级折减岩土强度参数，追踪特征离散单元的能量响应参数（动能和重力势能），当能量响应参数出现突变时锁定稳定判据值。当判据值低于安全阈值时，提取力学响应数据识别潜在滑移区，最后将潜在滑移区的空间位置信息映射至全景实景模型生成带风险标识的预警全景，并通过移动终端交互展示。

5、由此，本发明实现了从空间基准建立、双模构建、数据关联、能量追踪、突变判定、失稳识别到全景预警的完整闭环，显著提升了高边坡稳定性分析的客观性、准确性和预警信息的直观性。

6、根据本发明的一个方面，提供了一种高边坡稳定性能量突变监测与全景预警方法，其包括以下步骤：

7、建立目标高边坡的统一空间参考框架；基于所述统一空间参考框架，分别构建所述目标高边坡的数值分析模型和全景实景模型，所述数值分析模型由多个离散单元构成，每一所述离散单元具有唯一的空间位置信息；将所述目标高边坡的监测数据关联至所述数值分析模型中对应的所述离散单元上；

8、对所述数值分析模型逐级折减其岩土强度参数，并在每一级折减后追踪所述数值分析模型中多个特征离散单元的能量响应参数值；

9、当任一级折减后，至少一个所述特征离散单元的所述能量响应参数值的变化率超过预设变化率阈值时，将发生变化的该级折减所对应的折减值作为所述高边坡的稳定判据值；

10、当所述稳定判据值低于预设安全阈值时，提取所述数值分析模型在发生变化的该级折减后输出的力学响应数据，所述力学响应数据至少包括每一所述离散单元的屈服状态标识和每一所述离散单元的剪应变值；根据所述力学响应数据，将所有所述屈服状态标识为已屈服的离散单元标记为屈服单元；若各所述屈服单元在空间位置上形成连续贯通带，且所述连续贯通带内各所述屈服单元的剪应变值均超过预设剪应变阈值，则将所述连续贯通带所在的空间区域识别为潜在滑移区，并获取所述潜在滑移区的空间位置信息；

11、按照所述统一空间参考框架，将所述潜在滑移区的所述空间位置信息与所述全景实景模型中对应空间位置进行空间叠加，生成带风险标识的预警全景，并通过移动终端交互展示所述预警全景。

12、本发明的另一方面，提供了一种高边坡稳定性能量突变监测与全景预警系统，其包括：

13、统一空间参考框架模块，用于建立目标高边坡的统一空间参考框架；

14、模型构建模块，用于基于所述统一空间参考框架，分别构建所述目标高边坡的数值分析模型和全景实景模型，所述数值分析模型由多个离散单元构成，每一所述离散单元具有唯一的空间位置信息；

15、数据关联模块，用于将所述目标高边坡的监测数据关联至所述数值分析模型中对应的所述离散单元上；

16、能量追踪与突变判定模块，用于对所述数值分析模型逐级折减其岩土强度参数，并在每一级折减后追踪所述数值分析模型中多个特征离散单元的能量响应参数值；当任一级折减后，至少一个所述特征离散单元的所述能量响应参数值的变化率超过预设变化率阈值时，将发生变化的该级折减所对应的折减值作为所述高边坡的稳定判据值；

17、失稳识别模块，用于当所述稳定判据值低于预设安全阈值时，提取所述数值分析模型在发生变化的该级折减后输出的力学响应数据，所述力学响应数据至少包括每一所述离散单元的屈服状态标识和每一所述离散单元的剪应变值；根据所述力学响应数据，将所有所述屈服状态标识为已屈服的离散单元标记为屈服单元；若各所述屈服单元在空间位置上形成连续贯通带，且所述连续贯通带内各所述屈服单元的剪应变值均超过预设剪应变阈值，则将所述连续贯通带所在的空间区域识别为潜在滑移区，并获取所述潜在滑移区的空间位置信息；

18、全景预警展示模块，用于按照所述统一空间参考框架，将所述潜在滑移区的所述空间位置信息与所述全景实景模型中对应空间位置进行空间叠加，生成带风险标识的预警全景，并通过移动终端交互展示所述预警全景。

19、与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

20、失稳判据客观化，消除人为因素影响。本发明以能量突变（动能陡增且重力势能陡降）作为边坡失稳的判定依据，替代了传统方法中依赖网格密度、边界条件的位移突变或计算不收敛判据。能量响应参数的变化率阈值是客观的量化指标，判定结果不随模型离散化方式改变，显著提高了稳定性分析的准确性和一致性。

21、实现从"数值分析"到"全景预警"的完整技术闭环。现有能量类判据方法仅输出安全系数等数值结果，本发明通过统一空间参考框架将数值分析模型与全景实景模型置于同一空间基准下，将分析结果（潜在滑移区的空间位置信息）直接映射至实景模型，生成带风险标识的预警全景，填补了从分析判定到可视化预警之间的技术空白。

22、风险区域空间定位直观，显著提升现场决策效率。本发明将潜在滑移区的空间位置信息通过坐标映射叠加于全景实景模型之上，以区别于背景的显示方式生成风险标识。现场工程人员无需查阅坐标数据或云图，可直接在全景场景中直观定位风险区域的空间分布，大幅缩短从数据解读到现场处置的决策时间。

23、多源数据统一空间基准，消除数据孤岛。本发明通过统一空间参考框架，使监测数据、数值分析模型与全景实景模型共享同一坐标体系，实现了监测数据直接驱动数值分析、分析结果直接映射至实景展示的完整数据链条，各环节之间无缝衔接。