基于水位震动耦合下库区危岩结构面劣化评价与预警方法

本发明涉及库岸地质灾害防控，具体涉及基于水位震动耦合下库区危岩结构面劣化评价与预警方法。

背景技术：

1、库区危岩的稳定性受库水位升降、震动扰动与结构面几何条件共同控制，是库岸地质灾害防控的核心问题。在水库长期运行中，水位周期性涨落使主控结构面岩体经历反复浸泡软化与失水收缩，引发颗粒胶结弱化、微裂隙萌生扩展，造成抗压强度、弹性模量等力学指标持续劣化；同时，船行波、交通荷载、微震及工程爆破等震动作用会对已劣化结构面施加循环动载，进一步加剧损伤累积与裂纹贯通，显著提升危岩失稳崩塌风险。此类灾害具有突发性强、破坏力大的特点，直接威胁库区航道安全、沿岸工程设施与人民生命财产，因此构建精准可靠的结构面劣化评价与失稳预警方法，对库区地质灾害长效防控具有重要工程价值与理论意义。

2、当前学术界已围绕水位升降与震动作用下岩体劣化机理开展大量研究，为危岩稳定性评价奠定了理论基础。《干湿动载耦合作用下石灰岩宏细观复合损伤模型研究》通过分离式霍普金森压杆试验，揭示干湿循环与动载耦合下石灰岩强度、波速劣化规律并构建复合损伤本构模型，实现耦合损伤演化过程模拟；《干湿循环及地震耦合作用下的库区红层泥岩边坡稳定性分析》证实干湿循环劣化是岸坡失稳物理基础，地震动载为直接驱动力，耦合作用大幅降低边坡稳定性；《干湿循环下节理砂岩三轴压缩损伤破坏能量演化机制》阐明干湿循环降低岩石储能能力、加剧能量耗散的劣化本质；《三峡库区巫峡箭穿洞危岩体稳定性分析及防治工程设计》通过现场试验验证库水升降使危岩基底强度衰减20%–30%，易发生倾覆或滑移破坏。上述成果明确了水位升降与震动耦合劣化机制，但多聚焦单一力学参数或能量指标分析，未将水位升降路径、震动累积、结构面倾角与粗糙度、多源监测响应纳入统一评价框架，难以实现劣化程度定量表征与动态预警。

3、现有中国专利技术针对危岩监测预警开展大量探索，但均未解决库区危岩结构面水位升降—震动损伤链耦合表征与动态阈值预警的核心问题。公开号cn113686274a专利提出危岩裂缝水深度测量与崩塌预警方法，利用超声脉冲平测法监测裂缝深度，以水文与变形数据开展预警，未考虑水位升降干湿循环与震动耦合劣化，无法量化结构面强度劣化程度；公开号cn113010835a公开了一种基于断裂力学的危岩崩塌预警方法与系统，基于断裂力学计算裂缝张开位移判据预警，仅关注裂缝几何扩展，未融合水岩劣化与动载损伤，预警阈值固定且适应性差；公开号cn116448883a公开了一种陡崖高位危岩体监测及预警方法、系统、设备及终端，通过声发射监测危岩裂隙扩展，侧重破裂信号识别，未建立水位升降、震动与结构面劣化的关联机制，缺乏综合劣化指数与动态阈值体系；公开号cn113326756a公开了一种基于岩体劣化特征的库岸潜在滑坡隐患识别方法，采用遥感与三维建模技术，侧重隐患识别而非结构面强度劣化定量评价与实时预警。这些技术或依赖单一监测指标、或阈值固定、或未实现耦合损伤量化，无法满足库区危岩结构面精准评价与预警需求。

4、现有学术研究揭示了耦合劣化机理但缺乏工程化评价方法，现有专利技术实现了局部监测预警但未解决损伤链耦合与动态阈值问题，均难以同时覆盖库区水位升降真实路径模拟、含倾角结构面控制作用表征、水位升降、震动、压缩连续耦合损伤量化、多源参数融合评价、动态阈值修正需求。

技术实现思路

1、基于上述技术问题，本技术公开了基于水位震动耦合下库区危岩结构面劣化评价与预警方法，包括以下：

2、s1、采集目标库区危岩结构面的基础参数，所述基础参数包含危岩体岩性参数、结构面几何参数、库区水位升降时序数据、震动扰动物理参数，以及结构面多源响应监测数据；

3、s2、根据库区水位升降时序数据，提取干湿循环次数、浸泡时长、失水时长、水位升降幅值特征参数，计算得到水位升降损伤因子；

4、s3、根据震动扰动物理参数，提取震动频率、加速度幅值、震动持续时长特征参数，计算得到震动损伤因子；

5、s4、根据结构面几何参数，提取结构面倾角、结构面贯通率、结构面粗糙度系数特征参数，计算得到结构面控制因子；

6、s5：根据结构面多源响应监测数据，提取波速参数、声发射参数、裂纹图像参数、位移参数、能量耗散参数，计算得到多源响应因子；

7、s6、将水位升降损伤因子、震动损伤因子、结构面控制因子、多源响应因子进行加权融合计算，构建得到库区危岩结构面综合劣化指数；

8、s7、将综合劣化指数与动态修正后的预警阈值进行比对，按照比对结果划分危岩结构面稳定性等级，并输出对应等级的预警结果。

9、优选的，所述s2中水位升降损伤因子通过指数型损伤演化公式确定，公式为：

10、

11、其中，、、、均为通过室内耦合劣化试验拟合确定的参数；为库区水位周期性升降使结构面岩体经历的干湿循环总次数；为结构面岩体在单次水位升降过程中被水浸泡的持续时间；为预设的基准浸泡时间；为单次水位升降过程的实际升降幅度；为预设的基准水位升降幅度。

12、优选的，所述s3中震动损伤因子通过指数型损伤累积公式确定，公式为：

13、

14、其中，、、、均为通过室内震动加载试验拟合确定的参数；为作用于结构面岩体的震动加速度实际幅值；为预设的基准震动加速度幅值；为作用于结构面岩体的震动实际频率；为预设的基准震动频率；为震动荷载作用于结构面岩体的实际持续时间；为预设的基准震动持续时间。

15、优选的，所述s4中结构面控制因子通过线性加权组合公式确定，公式为：

16、

17、其中，、、均为根据工程地质条件预设的量纲权重系数；为危岩主控结构面与水平面之间的夹角；为结构面贯通长度与结构面总长度的比值，表征结构面贯通程度；为通过现场测量或室内试验获取的结构面实际粗糙度系数；为预设的基准粗糙度系数。

18、优选的，所述s5中多源响应因子由波速损伤变量、声发射活跃度指标、裂纹面积率指标、位移突变率指标、耗散能占比指标五类指标经线性加权求和构成，用于综合反映结构面在劣化过程中的物理力学响应变化。

19、优选的，所述波速损伤变量通过纵波速度相对变化公式确定，公式为：

20、

21、其中，为结构面岩体在劣化过程中经检测得到的当前纵波波速；为结构面岩体未经历水位升降与震动损伤的初始状态纵波波速，用于表征波速衰减带来的结构面损伤程度。

22、优选的，所述裂纹面积率指标通过裂纹面积占比公式确定，公式为：

23、

24、其中，为通过图像识别技术从岩样表面或危岩现场监测区域提取的所有裂纹的总面积；为用于检测的岩样表面总面积或危岩现场监测区域的总面积，用于表征结构面表面裂纹扩展程度。

25、优选的，所述s6中综合劣化指数通过四维因子线性加权公式确定，公式为：

26、

27、其中，、、、均为根据库区地质条件与工程需求预设的归一化权重系数，且满足，取值范围为0至1，数值越大表示结构面劣化程度越高。

28、优选的，所述s7中动态预警阈值包括稳定阈值、轻度劣化阈值、中度劣化阈值、重度劣化阈值、临近失稳阈值，所述阈值根据危岩体岩性参数、结构面倾角参数、历史水位升降循环次数参数实时修正，适配不同库区与不同危岩结构面的劣化特征。

29、优选的，所述s7中稳定性等级按照综合劣化指数与动态预警阈值的相对关系划分：

30、当时，判定危岩结构面为稳定状态；

31、当时，判定危岩结构面为轻度劣化状态；

32、当时，判定危岩结构面为中度劣化状态；

33、当时，判定危岩结构面为重度劣化状态；

34、当时，判定危岩结构面为临近失稳状态。

35、相对于现有技术，本技术的技术方案具有以下技术效果：

36、本发明能够完整构建库区危岩结构面水位升降与震动耦合作用下的损伤演化链条，将水位升降损伤、震动累积损伤、结构面几何控制作用以及多源监测响应统一纳入评价体系，实现损伤从产生到发展的全过程量化表征，使结构面劣化状态的识别更加完整且贴合实际工程工况。

37、本发明通过多源物理监测信息融合计算得到综合劣化指数，将波速变化、声发射特征、裂纹扩展、位移响应与能量耗散等多项指标协同使用，有效提升结构面劣化程度评价的全面性与可靠性，保障评价结果不受单一指标波动影响，稳定反映真实劣化水平。

38、本发明能够根据岩性条件、结构面几何参数与历史水位升降过程动态修正预警阈值，使预警标准适配不同库区、不同岩性与不同结构面条件的危岩体，提升方法在复杂工程环境下的适用性与通用性，可直接用于现场监测与室内试验的双向应用。

39、本发明基于综合劣化指数完成危岩结构面稳定性等级的精准划分与预警输出，为库区危岩的日常巡查、监测布置、工程防护与应急处置提供清晰量化根据，实现危岩结构面劣化状态的实时判定与失稳风险的及时预警，保障库区工程与环境安全。

40、上述说明仅是本技术技术方案的概述，为了能够更清楚了解本技术的技术手段，从而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本技术的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下以本技术的较佳实施例并配合附图详细说明如后。

41、根据下文结合附图对本技术具体实施例的详细描述，本领域技术人员将会更加明了本技术的上述及其他目的、优点和特征。