基于有限元模拟的滑坡监测与预警方法与流程

1.本发明属于滑坡监测技术领域，具体涉及基于有限元模拟的滑坡监测与预警方法。


背景技术：

2.滑坡是我国山区常见地质灾害，具有破坏性强、影响范围广、难预防等特点。目前、滑坡预警采用的方法主要有两类包括基于数学模型预警；基于阈值预警。
3.数学模型主要采用的是极限平衡法对边坡稳定性分析计算，该方法仅是数学物理方法，计算的时候需要假设滑动面位置，不能很好的符合具体滑坡的实际情况。
4.阈值预警主要包括变形速率阈值和降雨强度阈值。目前关于降雨阈值，学者提出了很多模型，但降雨仅仅只是诱发因素，并不能完全左右滑坡的发生。且基于降雨开展的预警模型，对于不同的地质条件其阈值有很大的差别，因为其忽略了岩土体的物理性质，不具有推广性。而基于变形速率阈值的预警与降雨预警一样存在指标单一、没能很好的与滑坡内因相结合、不具有推广性等问题。
5.从根本上来说，无论是降雨、还是变形，滑坡的发生是因为土体的强度发生变化，导致剪切力大于抗剪力，从而发生滑坡。而降雨、变形都是导致土壤强度发生变化的原因之一。
6.公开号cn 101598721，公开日为2009.12.09提出了一种11个变量的土边坡稳定性控制因素综合表，基于这11个变量建立了回归方程。通过分析降雨与区域滑坡与降雨之间的关系，建立有效雨量统计表，并结合抗洪能力表，做出相应的滑坡预警。该专利文献综合考虑了土边坡稳定性的控制性，但其控制因素是定性的，在实际预测中需专业人员对边坡进行定性分析，导致其实际预测较困难。
7.公开号cn 105788180，公开日为2018.03.27的中国专利文献耦合非饱和土理论、水文学理论、滑坡稳定性分析理论建立了一个滑坡稳定性计算公式，然后根据稳定性状态划分不同的预警等级。该专利文献做到了与滑坡内因很好的结合，但其参数过多，且仅是数学物理方法，不能很好的与实际结合，防灾适用性较差。
8.公开号cn 105761436，公开日为2018.06.29的中国专利文献同时考虑了引发滑坡的地形因子和降雨因子两大因素，构造了出了基于综合地形因子和降雨因子的滑坡临界值计算公式。该专利文献避免了预警指标单一，但前提是在相同的地质条件，仅仅只考虑到了诱发因素，没能做到与滑坡内因相结合，防灾适用性不好。
9.公开号cn 109919234，公开日为2019.06.21的中国专利文献提出了基于系统聚类的加权马尔科夫滑坡预警方法，运用了统计学的方法，建立了滑坡预警模型。其缺点是需要大量的历史数据，防灾适用性差。


技术实现要素：

10.为了解决现有技术存在的上述问题，本发明的目的在于提供一种基于有限元模拟
的多因素滑坡监测与预警系统方法。
11.本发明所采用的技术方案为：
12.基于有限元模拟的滑坡监测与预警方法，包括如下步骤：
13.s1：根据现场地质勘察确定滑坡范围，根据实验现场测得土壤抗剪强度随土壤含水率的变化情况、测得土壤力学参数和边坡地形参数；其中，土壤力学参数包括土壤粘聚力f、土壤内摩擦角φ、土壤含水率ω、土壤容重γ，边坡底薪参数包括边坡坡度h和边坡坡高θ；
14.s2：代入f、φ和ω的数值，根据公式lgf＝a bω和lgφ＝c dω，计算系数a、b、c、d；
15.s3：选定边坡土壤含水率实时监测站位置，并开展监测站建设，对土壤含水率进行实时传输和储存；
16.s4：根据实时土壤含水量监测数据，通过基于有限元仿真建立的多因素预测模型，进行回归分析，拟合出边坡土体稳定系数计算公式；其中，边坡土体稳定系数计算公式的变量包括土壤粘聚力f、土壤内摩擦角φ、土壤容重γ、边坡坡度h和边坡坡高θ；
17.s5：将步骤s2中的lgf＝a bω和lgφ＝c dω代入步骤s4中的边坡土体稳定系数计算公式；
18.s6：根据斜坡和安全等级划分原则，对边坡土体稳定系数划分等级，根据不同的等级进行相应的预警指标。
19.本发明可计算不同地质条件下的边坡稳定系数，从而发出了相应的预警信号。较现有技术而言，本发明充分考虑了将滑坡力学参数与监测指标的结合，最终建立起来了3因素滑坡预警模型。得到的滑坡预警方法，更符合滑坡发生的机理，无需滑坡发生的大量历史数据，且适用范围更广。对于某一个边坡，只需确定其土壤地质参数、地形参数与土壤含水量即可对滑坡做出预警。
20.本发明充分将边坡实时监测的土壤含水量数据与土壤抗剪强度指标(土壤粘聚力、土壤内摩擦角)结合，实时计算出边坡稳定系数，并依据安全等级划分原则，确定预警指标。本发明解决了单一预警指标或单一变形速率指标的不具有普遍推广性问题，以及无法反应滑坡机理而导致计算准确性的技术问题。本发明避免了大量的历史降雨数据与变形速率历史数据的获取。本发明，预警效果直观明确，预警精度较高、提高了防灾适用性。
21.作为本发明的优选方案，在步骤s4中，边坡土体稳定系数计算公式为：
22.fs＝3.733 0.1910f-0.0047φ-0.0021γ-0.1029h-0.0782θ-0.004f2 0.0045φ
2-0.0108γ2 0.0008h2 0.0011θ2；
23.在步骤s5中，边坡土体稳定系数计算公式为：
24.fs＝3.733 0.1910
·
10
a bω-0.0047
·
10
c dω-0.0021γ-0.1029h-0.0782θ-0.004
·
10
2a 2bω
0.0045
·
10
2c 2dω-0.0108γ2 0.0008h2 0.0011θ2。
25.本发明将影响边坡最根本的因素，土壤抗剪强度与监测数据结合起来，对滑坡进行预警；并通过有限元折减法对不同工况下的边坡进行稳定性系数计算。这使得，该预警模型不同于降雨阈值、变形速率阈值、纯数学模型等模型的预警，它能很好的与实际边坡相结合，且不再具有适用局限性，使得该模型的滑坡预警具有更广的适用范围，提高了防灾减灾的适用性。
26.作为本发明的优选方案，在步骤s6中，根据斜坡和安全等级划分原则，斜坡稳定性允许安全系数f0取值区间设为1.10～1.35。
27.作为本发明的优选方案，所述斜坡稳定性允许安全系数取值区间具体划分为：f
min
≥1.35时为稳定状态，无预警；1.05≤f
min
《1.35时为基本稳定状态，4级蓝色预警；1《f
min
《1.05时为欠稳定状态，3级黄色或2级橙色预警；f
min
≤1时为失稳状态，1级红色预警。
28.作为本发明的优选方案，在步骤s1中，测土壤抗剪强度随含水率的变化情况的装置为十字板剪切试验装置。十字板剪切试验装置由十字板、应变式扭矩传感器、步进电机等结构组成，该试验是无需在野外取土，可直接测量现场土样的抗剪强度。
29.作为本发明的优选方案，在步骤s4时，先通过有限元折减法，对不同因素、不同水平的边坡进行模拟仿真，再进行回归分析；通过有限元折减法，对不同因素、不同水平的边坡进行模拟仿真的公式为：
[0030][0031]
式中：f'为折减后的粘聚力，φ
′
为折减后的内摩擦角，f为内摩擦角。
[0032]
本发明的有益效果为：
[0033]
1.本发明可计算不同地质条件下的边坡稳定系数，从而发出了相应的预警信号。较现有技术而言，本发明充分考虑了将滑坡力学参数与监测指标的结合，最终建立起来了3因素滑坡预警模型。得到的滑坡预警方法，更符合滑坡发生的机理，无需滑坡发生的大量历史数据，且适用范围更广。对于某一个边坡，只需确定其土壤地质参数、地形参数与土壤含水量即可对滑坡做出预警。
[0034]
2.本发明充分将边坡实时监测的土壤含水量数据与土壤抗剪强度指标(土壤粘聚力、土壤内摩擦角)结合，实时计算出边坡稳定系数，并依据安全等级划分原则，确定预警指标。本发明解决了单一预警指标或单一变形速率指标的不具有普遍推广性问题，以及无法反应滑坡机理而导致计算准确性的技术问题。本发明避免了大量的历史降雨数据与变形速率历史数据的获取。本发明通过有限元仿真模拟滑坡过程，分析出各个因素与滑坡的相关性，并拟合出其权重系数和相关的数学公式，从而达到多参数综合判定发生滑坡的概率，提高预警的准确性。
附图说明
[0035]
图1是本发明的方法流程图；
[0036]
图2是简化二维计算模型。
具体实施方式
[0037]
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
[0038]
如图1和图2所示，本实施例的滑坡预警方法，包括以下步骤：
[0039]
s1：将监测边坡作为调查对象，测量边坡的坡度θ、边坡坡高h、土壤容重γ。利用十字板剪切试验装置，测得边坡土壤抗剪强度(土壤内摩擦角φ、土壤粘聚力f)及土壤抗剪强度随含水率的变化情况。
[0040]
s2：根据土壤抗剪强度指标与土壤含水率成半对数关系：
[0041]
lgf＝a bω，lgφ＝c dω；
[0042]
式中：ω为土壤含水率。
[0043]
根据步骤s1中所测得的土壤抗剪强度与土壤含水率的变化情况，求出系数a、b、c、d。
[0044]
s3：根据边坡现场勘察确定边坡监测范围，实施边坡土壤含水率实时监测，将监测数据传输到数据传输中心。在监测区内至少安装1个及以上土壤含水率监测站。
[0045]
s4：建立基于实时体积含水率的边坡稳定系数计算模型。
[0046]
本发明的核心是有限元仿真方法加多元回归分析，通过均匀实验设计，找到土壤粘聚力f、土壤内摩擦角φ、土壤容重γ、边坡坡度h、边坡坡高θ的最优组合，然后基于有限元仿真得到实验结果，基于仿真结果，建立多元回归模型。
[0047]
下面对本发明提出的边坡稳定系数求解过程进行介绍：
[0048]
基于均匀实验设计建立u9(96)6因素，9水平的均匀实验表，通过实验使用表，将φ、f、γ、θ、h五各因素分为9个水平进行组合设计。
[0049]
通过有限元折减法，对不同因素不同水平的边坡进行模拟仿真。
[0050][0051]
式中：f'为折减后的粘聚力，φ
′
为折减后的内摩擦角，f为内摩擦角。
[0052]
针对于土体失稳，采用mohr-coulomb破坏准则：
[0053][0054]
式中i1，j1分别为应力张量的第一不变量和应力偏张量的第二不变量；θ
σ
为应力罗德角；f为土壤粘聚力；φ为土壤内摩擦角。
[0055]
基于仿真的结果，采用回归分析建立稳定系数计算模型，采用二次关系建模，不设交互项。
[0056][0057]
令x
ik
代表因素xi在第k次实验时取的值，yk表示响应值y在第k次实验的结果。
[0058][0059][0060]
回归系数通过下列正规方程求得：
[0061][0062]
通过计算得到，边坡稳定系数回归方程为：
[0063]fs
＝3.733 0.1910c-0.0047φ-0.0021γ-0.1029h-0.0782θ-0.004c2 0.0045φ
2-0.0108γ2 0.0008h2 0.0011θ2；
[0064]
根据步骤s2中土壤含水率与土壤抗剪强度指标关系可将稳定系数计算公式改写为：
[0065]fs
＝3.733 0.1910
·
10
a bω-0.0047
·
10
d eω-0.0021γ-0.1029h-0.0782θ-0.004
·
10
2a 2bω
0.0045
·
10
2c 2dω-0.0108γ2 0.0008h2 0.0011θ2；
[0066]
式中：a、b、c、d为步骤s2中求出的系数，ω为土壤含水率，γ为土壤容重，h为坡高，θ为坡度。
[0067]
表1：
[0068][0069]
表1为本发明有限元仿真结果。
[0070]
根据斜坡和安全等级划分原则，斜坡稳定性允许安全系数f0取值区间设为1.10～1.35。具体划分为：稳定状态，无预警(f
min
≥1.35)；基本稳定状态，4级蓝色预警(1.05≤f
min
《1.35)；欠稳定状态，3级黄色或2级橙色预警(1《f
min
《1.05)；失稳状态，1级红色预警(f
min
≤1)。
[0071]
本发明可计算不同地质条件下的边坡稳定系数，从而发出了相应的预警信号。较现有技术而言，本发明充分考虑了将滑坡力学参数与监测指标的结合，最终建立起来了3因素滑坡预警模型。得到的滑坡预警方法，更符合滑坡发生的机理，无需滑坡发生的大量历史数据，且适用范围更广。对于某一个边坡，只需确定其土壤地质参数、地形参数与土壤含水量即可对滑坡做出预警。
[0072]
本发明充分将边坡实时监测的土壤含水量数据与土壤抗剪强度指标(土壤粘聚力、土壤内摩擦角)结合，实时计算出边坡稳定系数，并依据安全等级划分原则，确定预警指标。本发明解决了单一预警指标或单一变形速率指标的不具有普遍推广性问题，以及无法反应滑坡机理而导致计算准确性的技术问题。本发明避免了大量的历史降雨数据与变形速率历史数据的获取。本发明通过有限元仿真模拟滑坡过程，分析出各个因素与滑坡的相关性，并拟合出其权重系数和相关的数学公式，从而达到多参数综合判定发生滑坡的概率，提高预警的准确性。
[0073]
本发明不局限于上述可选实施方式，任何人在本发明的启示下都可得出其他各种形式的产品，但不论在其形状或结构上作任何变化，凡是落入本发明权利要求界定范围内的技术方案，均落在本发明的保护范围之内。