一种基于多源监测数据的降雨诱发滑坡物理模拟耦合实验方法

本发明涉及地质灾害模拟实验，尤其涉及一种基于多传感器融合的降雨诱发滑坡物理模拟耦合实验方法及系统，适用于滑坡灾害机理研究及预警模型验证。

背景技术：

1、滑坡是一种常见的地质灾害，其发生往往与降雨入渗引起的孔隙水压力变化、土体强度劣化密切相关。降雨入渗导致边坡土体含水量增加、孔隙水压力升高、基质吸力降低，进而削弱土体的抗剪强度，最终诱发滑坡。为了深入研究降雨诱发滑坡的机理，建立可靠的滑坡预警模型，开展室内降雨诱发滑坡物理模拟耦合实验具有重要意义。

2、现有技术中，降雨诱发滑坡物理模拟耦合实验主要存在以下不足：一是监测手段单一，通常仅采用位移传感器或简单的压力传感器，难以全面捕捉滑坡孕育过程中的多物理场演化特征；二是传感器布设与数据采集系统缺乏规范化设计，导致数据质量不稳定、可重复性差；三是实验条件控制不精确，尤其是降雨强度的标定与均匀性控制方面存在较大误差；四是实验方案设计缺乏标准化的实验流程与数据处理方法，难以对比分析不同降雨模式（如间歇性降雨与持续性降雨、干湿循环等）对滑坡发生过程的影响规律，制约了实验成果的推广应用。

3、因此，亟需建立一套监测要素完备、数据采集可靠、实验条件可控、实验方案系统的降雨诱发滑坡物理模拟耦合实验方法，实现多传感器数据的同步采集与精确处理，为滑坡灾害机理研究与预警技术开发提供可靠的实验支撑。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种基于多传感器融合的降雨诱发滑坡物理模拟耦合实验方法及系统，以解决现有技术中传感器检测手段单一、数据采集不稳定、实验条件控制不精确、实验方案缺乏标准化实验流程和数据处理方法的技术问题。

2、为解决上述技术问题，本发明具体提供下述技术方案：

3、一种基于多传感器融合的降雨诱发滑坡物理模拟耦合实验方法，包括以下步骤：

4、步骤s1：多类型传感器的系统布设与数据采集系统的构建；

5、步骤s2：实验土体的制备与边坡模型的构建；

6、步骤s3：降雨强度标定与降雨系统的配置；

7、步骤s4：多工况降雨诱发滑坡物理模拟耦合实验的实施；

8、步骤s5：监测数据的转换与滑坡预警数据集的形成。

9、作为本发明的一种优选方案，所述步骤s1中多类型传感器的系统布设与数据采集系统的构建，包括：

10、s1.1：传感器类型的确定与数量配置：所述传感器包括孔隙水压力传感器（以符号p表示）、土壤压力传感器（以符号s表示）、体积含水率传感器（以符号v表示）、温度传感器（以符号t表示）及基质吸力传感器（以符号m表示）；各类传感器的配置数量分别为：孔隙水压力传感器11个、土壤压力传感器3个、体积含水率传感器10个、温度传感器10个、基质吸力传感器7个；

11、s1.2：传感器与数据采集仪的电气连接：采用48通道数据采集仪作为数据汇聚设备，所述传感器与数据采集仪通过有线方式连接；每个传感器配置四芯线缆，分别为电源正极线（红色）、电源负极线（黑色）、信号负极线（绿色）及信号正极线（白色）；

12、所述电气连接方式如下：各传感器的黑色线缆汇总并联后接入稳压电源的负极，各传感器的红色线缆汇总并联后接入稳压电源的正极，所述稳压电源输出电压为24v；各传感器的绿色线缆汇总并联后接入数据采集仪的公共负极端（通道100）；各传感器的白色线缆按传感器类型分类接入数据采集仪的对应通道，具体为：通道1-11接入孔隙水压力传感器p1-p11，通道12-14接入土壤压力传感器s1-s3，通道15-24接入体积含水率传感器v1-v10，通道25-34接入温度传感器t1-t10，通道35-41接入基质吸力传感器m1-m7；

13、s1.3：传感器数据采集的稳定性优化：在传感器测试阶段，通过系统排查确定接地方式对监测数据稳定性的影响规律，优化接地连接方式，使传感器数据

14、波动控制在允许范围内。

15、作为本发明的一种优选方案，所述步骤s1还包括图像采集系统的配置：在实验区域布设摄像装置，根据环境光照条件动态调整摄像参数；当环境光照强度超过预设阈值时，降低摄像装置的曝光参数；当环境光照强度低于预设阈值时，增加摄像装置的曝光参数并启用辅助光源。

16、作为本发明的一种优选方案，所述步骤s2中实验土体的制备与边坡模型的构建，包括：

17、s2.1：立方实验箱体准备：采用具有观测功能的立方实验箱体，所述箱体包括：顶部是开口的，正面为可拆卸式挡板结构，便于实验操作与观测；底面、背面及右侧面为整体式金属板结构；左侧面为钢化玻璃观察窗，所述钢化玻璃观察窗采用加固处理以满足实验安全要求；

18、s2.2：削坡轮廓标定：在所述钢化玻璃观察窗内侧绘制预设的削坡轮廓线，作为边坡成型的几何控制基准；

19、s2.3：分层填筑与传感器埋设：采用分层填筑工艺构建边坡模型，每层填筑厚度根据夯实工艺确定；在填筑过程中，按预设位置埋设所述多类型传感器；每层填筑完成后采用挡板辅助夯实，确保土体密实度满足实验要求；

20、s2.4：削坡成型：待箱体填筑至设计高度并完成夯实后，逐步拆除辅助挡板，按照所述钢化玻璃观察窗上绘制的削坡轮廓线进行削坡作业，形成具有特定坡角与坡高的边坡模型。

21、作为本发明的一种优选方案，所述步骤s2还包括实验土料的预处理：采集原状黄土土样，经筛分处理去除杂质及动植物残体；根据土样的天然含水率，通过加水调配使土料含水率达到最优含水率；所述加水量的确定方法为：按每单位质量干土配置预设质量比的水量进行混合加湿，确保土料含水率均匀一致。

22、作为本发明的一种优选方案，所述步骤s3中降雨强度标定与降雨系统的配置，包括：

23、s3.1：降雨强度标定：采用雨量收集称重法，确定降雨强度率后，需要判断均匀度是否达到80%。随机设置一个降雨强度，在降雨区域内均匀布设4个雨量收集桶，在预设时段内收集降雨，量测出规定时间内每个已知桶口直径的流量

24、桶中所接雨水的体积，得出实测降雨量和实测降雨强度，最后计算出其平均降雨强度、再根据降雨均匀度计算式计算出降雨的均匀度k。重复上述过程，直到找到一个均匀度k的最大值。降雨均匀度的计算式如下：

25、

26、式中，k为降雨均匀度；hi为降雨作用下各测点雨量（mm）；为降雨作用区域上的平均降雨量（mm），即n个流量桶内降雨量的平均值；n为预先设定的测点数。

27、根据降雨均匀度计算结果，确定目标降雨强度与供水压强的对应关系；当目标降雨强度为50mm/h时，对应的供水压强为80kpa，此时均匀度达到最大值约为94%。

28、s3.2：降雨系统配置：所述降雨系统包括抽水装置、降雨喷头高台装置及变压供电设备；所述抽水装置与降雨喷头高台装置通过380v交流电源供电，所述变压供电设备将输入电压转换为380v输出，为降雨系统提供稳定电源。

29、作为本发明的一种优选方案，所述步骤s4中多工况降雨诱发滑坡物理模拟耦合实验的实施，包括四种实验工况：

30、工况一（间歇降雨-短间隔）：单次降雨持续时间1小时，降雨间隔3小时，累计实施14次降雨后发生滑坡；

31、工况二（连续降雨）：单次降雨持续时间1小时，无降雨间隔持续进行，累计实施降雨总历时47小时后发生滑坡；

32、工况三（间歇降雨-长间隔）：单次降雨持续时间1小时，降雨间隔6小时，累计实施18次降雨（总历时6天5夜）后发生滑坡；

33、工况四（干湿循环-连续降雨）：先实施5次短历时降雨-烘干循环，每次降雨持续时间5分钟，随后进行烘干处理，使边坡表面产生裂缝；之后转为连续降雨模式，累计降雨32小时后发生滑坡。

34、作为本发明的一种优选方案，所述四种实验工况的边坡模型制备与削坡工艺保持一致，仅降雨时间间隔与模式不同，以研究不同降雨模式对滑坡发生过程的影响规律。

35、作为本发明的一种优选方案，所述步骤s5中监测数据的转换与滑坡预警数据集的形成，包括：

36、所述数据采集仪采集的原始数据为电压信号（单位：mv），需根据各类传感器的标定参数转换为物理量测值；所述数据转换公式如下：

37、（1）孔隙水压力传感器数据转换：

38、

39、式中， 为孔隙水压力当前值（kpa）， 为采集的电压值（mv）， 为孔隙水压力传感器灵敏度系数，取值为0.005 kpa/mv；

40、（2）土壤压力传感器数据转换：

41、

42、式中， 为土壤压力当前值（kpa）， 为采集的电压值（mv）， 为土壤压力传感器灵敏度系数，取值为0.016 kpa/mv；

43、（3）基质吸力传感器数据转换：

44、

45、式中， 为基质吸力当前值（kpa）， 为采集的电压值（mv）， 为基质吸力传感器灵敏度系数，取值为0.02 kpa/mv；

46、（4）体积含水率传感器数据转换：

47、

48、式中， 为体积含水率当前值（%）， 为采集的电压值（mv）， 为体积含水率传感器转换系数，取值为119 %/v， 为体积含水率传感器修正值，取值为40%；所述电压值单位换算关系为1000 mv = 1 v；

49、 （5）温度传感器数据转换： 所述温度传感器量程为-40℃~+60℃，对应输出电压范围为0~5000 mv，其中2000 mv对应0℃；

50、当采集电压值 mv时：

51、

52、当采集电压值 mv时：

53、

54、式中，为温度当前值（℃），为采集的电压值（mv），为温度传感器灵敏度系数，取值为0.02 ℃/mv；

55、经上述数据转换后，形成包含孔隙水压力、土壤压力、基质吸力、体积含水率及温度多参数时序数据的滑坡预警监测数据集。

56、本发明还提供一种基于多传感器融合的降雨诱发滑坡物理模拟耦合实验系统，应用于上述基于多传感器融合的降雨诱发滑坡物理模拟耦合实验方法，所述系统包括：

57、传感器监测模块，包括孔隙水压力传感器、土壤压力传感器、体积含水率传感器、温度传感器及基质吸力传感器，用于实时采集边坡内部多物理场参数；

58、数据采集模块，包括48通道数据采集仪及稳压电源，用于传感器数据的汇聚与传输；

59、图像采集模块，包括摄像装置及辅助光源，用于边坡土体变形过程的视觉监测；

60、降雨模拟模块，包括抽水装置、降雨喷头高台装置及变压供电设备，用于模拟不同强度的降雨条件；

61、实验模型模块，包括立方实验箱体及边坡土体，用于构建滑坡物理模型；

62、数据处理模块，用于将采集的电压信号转换为物理量测值，形成滑坡预警监测数据集。

63、本发明与现有技术相比较具有如下有益效果：

64、本发明实现了多类型传感器的系统化布设与同步监测，建立了标准化的边坡模型制备工艺，提出了精确的降雨强度标定方法，设计了多工况对比实验方案，并建立了规范的数据转换流程，为降雨诱发滑坡物理模拟耦合机理研究提供了可靠的实验技术支撑。