一种滑坡预报方法及装置与流程

本发明涉及滑坡地质灾害预报技术领域，更具体的涉及一种滑坡预报方法及装置。

背景技术：

滑坡是近几年来频繁发生的一种严重的地质灾害，尤其是在外界因素发生突然改变(如地震、强降雨等)情况下，往往会发生大的滑坡，摧毁建筑，堵塞交通，对人民生命财产造成相当巨大的损失。如果能够准确分析滑坡的稳定性并进行预测预报，则可以提前采取相应的防灾减灾措施，以便将这类灾害造成的损失减少到最低限度。另外，滑坡的稳定性还关系到工程建设和运行期间的安全和经济效益，因此，开展滑坡的稳定性分析和预测预报研究，具有非常重要的经济价值和工程实践意义。

研究滑坡地质灾害的目的是为了对其发生的可能性做出科学的评价并且对其发生的时间做出准确的预测。基于非线性理论的一系列预报理论模型，如分形论、突变论、非线性动力学模型及人工神经网络模型等，虽然在理论上有一定优越性，但因为没有同滑坡机理联系在一起，并且在滑坡预报理论模型中，蠕变规律仅反映的是岩土变形过程中位移与时间之间的关系，未考虑到应力状态与强度变化，即未考虑滑坡的动态过程，实用性比较差。

综上所述，现有技术中的滑坡预报方法，存在未考虑滑坡的应力状态与强度变化，实用性差的问题。

技术实现要素：

本发明实施例提供一种滑坡预报方法及装置，用以解决现有技术中存在未考虑滑坡的应力状态与强度变化，实用性差的问题。

本发明实施例提供一种滑坡预报方法，包括：

根据蠕变试验结果，确定应变速率与时间之间的双对数曲线，以及剪应力与应变速率之间的双对数曲线；

根据应变速率与时间之间的双对数曲线，以及剪应力与应变速率之间的双对数曲线，确定应变速率值、长期强度值和与土的类型有关的常数值；

根据应变速率值、长期强度值和与土的类型有关的常数值，通过公式(1)，确定滑坡等速阶段结束加速阶段开始的转折时间；

公式(1)如下所示：

其中，t_c为滑坡等速阶段结束加速阶段开始的转折时间；ε为应变速率；τ_∞为长期强度；α,B,K为与土的类型有关的常数。

较佳地，所述公式(1)由公式(2)确定；公式(2)如下所示：

ε＝Bτ^Kt^-α

其中，τ为剪应力；t为时间；当剪应力τ为长期强度τ_∞时，则时间t为滑坡等速阶段结束加速阶段开始的转折时间t_c，由公式(2)确定公式(1)。

较佳地，通过公式(3)，确定滑坡加速阶段的加速度值；公式(3)如下所示：

其中，a₀为滑坡加速阶段的加速度值；ΔF为不平衡滑动力，且ΔF＝F_P-F_R，F_P为下滑力，F_R为抵抗力；g为重力加速度；W₁为加速阶段滑坡后缘土体质量，W₂为加速阶段滑坡中部土体质量，W₃为加速阶段滑坡前缘土体质量。

较佳地，通过公式(4)，确定滑坡加速阶段的初始速度值；公式(4)如下所示：

其中，V_c为滑坡加速阶段的初始速度值；V₁为加速阶段滑坡后缘土体运动速度，V₂为加速阶段滑坡中部土体运动速度，V₃为加速阶段滑坡前缘土体运动速度。

较佳地，通过公式(5)，确定滑坡加速阶段的最大速度值；公式(5)如下所示：

V_max²-V_c²＝2gh

其中，V_max为滑坡加速阶段的最大速度值；h为滑体竖直方向位移。

较佳地，通过公式(6)，确定滑坡加速阶段获得最大速度的时间；公式(6)如下所示：

t_r为滑坡加速阶段获得最大速度的时间。

本发明实施例提供的一种滑坡预报装置，包括：

第一确定单元，用于根据蠕变试验结果，确定应变速率与时间之间的双对数曲线，以及剪应力与应变速率之间的双对数曲线；

第二确定单元，用于根据应变速率与时间之间的双对数曲线，以及剪应力与应变速率之间的双对数曲线，确定应变速率值、长期强度值和与土的类型有关的常数值；

第三确定单元，用于根据应变速率值、长期强度值和与土的类型有关的常数值，通过公式(1)，确定滑坡等速阶段结束加速阶段开始的转折时间。

公式(1)如下所示：

其中，t_c为滑坡等速阶段结束加速阶段开始的转折时间；ε为应变速率；τ_∞为长期强度；α,B,K为与土的类型有关的常数。

较佳地，所述公式(1)由公式(2)确定；公式(2)如下所示：

ε＝Bτ^Kt^-α

其中，τ为剪应力；t为时间；当剪应力τ为长期强度τ_∞时，则时间t为滑坡等速阶段结束加速阶段开始的转折时间t_c，由公式(2)确定公式(1)。

较佳地，通过公式(3)，确定滑坡加速阶段的加速度值；通过公式(4)，确定滑坡加速阶段的初始速度值；通过公式(5)，确定滑坡加速阶段的最大速度值；

公式(3)如下所示：

公式(4)如下所示：

公式(5)如下所示：

V_max²-V_c²＝2gh

其中，a₀为滑坡加速阶段的加速度值；ΔF为不平衡滑动力，且ΔF＝F_P-F_R，F_P为下滑力，F_R为抵抗力；g为重力加速度；W₁为加速阶段滑坡后缘土体质量，W₂为加速阶段滑坡中部土体质量，W₃为加速阶段滑坡前缘土体质量；V_c为滑坡加速阶段的初始速度值；V₁为加速阶段滑坡后缘土体运动速度，V₂为加速阶段滑坡中部土体运动速度，V₃为加速阶段滑坡前缘土体运动速度；V_max为滑坡加速阶段的最大速度值；h为滑体竖直方向位移。

较佳地，通过公式(6)，确定滑坡加速阶段获得最大速度的时间；公式(6)如下所示：

t_r为滑坡加速阶段获得最大速度的时间。

本发明实施例中，提供一种滑坡预报方法及装置，本发明综合运用流变力学的长期强度特征、流动特性和蠕变特性，对滑坡进行时间预报，即通过滑坡减速阶段结束等速阶段开始的转折时间预报和滑坡加速阶段获得最大速度的时间预报分析滑坡运动状态，真正考虑了力与变形间的实质问题，根据滑坡发展的不同阶段，采用不同的分析方法与预报参数及标准，更符合实际；进一步，将受力状态与动态规律相结合是滑坡时间预报的关键，滑坡分级预报模式能够考虑到参数采集的可能性与可靠性，而且这些数据均可由通常的试验方法和量测手段，甚至可通过经验获得统计数据。

附图说明

图1为本发明实施例提供的滑坡预报方法的流程示意图；

图2为本发明实施例提供的滑坡各部分速度分布示意图；

图3为本发明实施例提供的延安黄蒿洼H02滑坡的断面示意图；

图4为本发明实施例提供的滑坡土的应变速率-剪应力-时间三者之间的关系曲线图；

图5为本发明实施例提供的滑坡预报装置的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，滑坡滑动过程中，存在的不平衡滑动力是滑坡发生变形甚至破坏的根本原因，所谓不平衡滑动力是指促使滑动的下滑力与抵抗滑动的阻力之间的差值，由不平衡滑动力产生的沿滑面分布的剪应力称为不平衡剪应力，滑坡的动态类型及发展趋势之所以多种多样，是因为不平衡剪应力的不同和变化所致，长期强度为滑坡产生加速变形和破坏的门槛值。

具体地，根据滑坡所承受的不平衡剪应力与长期强度之间的关系，将滑坡分为四种类型的滑坡：

(1)当Δτ＜＜τ_∞时，滑坡为缓慢滑动型滑坡；

(2)当Δτ≤τ_∞时，滑坡为周期性或条件型滑坡；

(3)当Δτ＞τ_∞时，滑坡为一次滑动型滑坡；

(4)当Δτ＞＞τ_∞时，滑坡为具有高速崩坍性质的滑坡。

其中，Δτ为滑坡所承受的不平衡剪应力；τ_∞为长期强度。

需要说明的是，以上对滑坡的分类即为滑坡的趋势预报，由于滑坡的趋势预报仅仅是一个简单大致的预报，并不能达到高精度的预报，并且一次滑动型滑坡较为常见，所以进一步将一次滑动型滑坡的运动全过程分为三个阶段：减速阶段、等速阶段和加速阶段，对一次滑动型滑坡进一步考虑其时间预报。

(1)减速阶段

减速阶段存在蠕动变形和宏观变形两种状态。滑坡作为一种特殊的边坡灾害，其在滑带形成和宏观变形出现之前，存在两个应力集中区，后部应力集中区受主动压力作用，而后来发展为拉性破裂面；前部应力集中区受被动压力作用而发展为压性破裂面。如果前部应力集中区先发生破坏，滑坡即为牵引式；如果后部应力集中区先发生破坏，滑坡即为推动式。随着坡体内应力调整和岩土强度变化，应力集中区存在的张性或压性等势线会随着潜在的滑带向地表发展，形成后缘裂缝或前沿出口，此时滑坡变形从蠕动状态进入宏观变形状态。

(2)等速阶段

滑体等速变形阶段是指主滑段滑带逐渐贯通的阶段。“等速”是指某一观测点或局部滑体变形状态的等速，而非整个滑坡体作整体等速滑动，事实上，整个滑坡作等速运动的现象是不存在的。

(3)加速阶段

滑坡脱离滑床之前，滑坡变形服从于弹性理论、塑性理论和流变理论的基本规律；但之后，变形则代之以滑体的机械运动，它服从于运动学和动力学的一般规律。滑坡获得的初加速度，由滑带贯通时多余的不平衡下滑力所引起，而此后的下滑力来源于滑体位-动能的转换。

本发明实施例提供的是一次滑动型滑坡的时间预报。图1示例性的示出了本发明实施例提供的滑坡预报方法的流程示意图。如图1所示，本发明实施例提供的一种滑坡预报方法，包括以下步骤：

S101：根据蠕变试验结果，确定应变速率与时间之间的双对数曲线，以及剪应力与应变速率之间的双对数曲线。

S102：根据应变速率与时间之间的双对数曲线，以及剪应力与应变速率之间的双对数曲线，确定应变速率值、长期强度值和与土的类型有关的常数值。

S103：根据应变速率值、长期强度值和与土的类型有关的常数值，通过公式(1)，确定滑坡等速阶段结束加速阶段开始的转折时间。

公式(1)如下所示：

(1)式中，t_c为滑坡等速阶段结束加速阶段开始的转折时间；ε为应变速率；τ_∞为长期强度；α,B,K为与土的类型有关的常数。

需要说明的是，根据蠕变试验结果，还可以确定滑坡土的应变速率、剪应力和时间之间的关系式，滑坡土的应变速率、剪应力和时间之间的关系式如下所示：

ε＝Bτ^Kt^-α (2)

(2)式中，τ为剪应力；t为时间。

需要说明的是，对于一个固定的滑坡来讲，只要有不平衡剪应力存在就会出现蠕变变形，变形速度一直在变化；当τ＝τ_∞时，变形速度保持为常数，实际上该状态为一临界状态，很难独立存在，常常会向非稳定蠕变或者衰减蠕变状态转变，一旦超过长期强度τ_∞就会出现加速变形。因此，当τ≥τ_∞时滑坡进入加速阶段。因此，τ＝τ_∞为滑坡等速阶段结束加速阶段开始的临界受力条件，并将τ＝τ_∞带入(2)式整理可得(1)式。

需要说明的是，对(2)式两边取对数，得Inε＝InB+KInτ-αInt，由此可知，Inε、Inτ和Int三者为线性关系，K为Inε和Inτ成直线关系的斜率，α为Inε和Int成直线关系的斜率，InB为Inε和Int成直线关系在Inε轴上的截距。根据以上线性关系可确定出α,B,K的值。

需要说明的是，α,B,K的值根据线性关系已确定；τ_∞的值根据室内流变试验获得；根据公式ε＝V/l_i，确定ε的值，其中，V为滑坡等速阶段各滑段速度的平均值，l_i为滑坡分段长度的加和，由此，根据(1)式可确定滑坡等速阶段的时间预报参数t_c。

需要说明的是，当滑坡刚进入加速阶段时，滑坡前沿出口仍未剪出，滑坡处在小变形阶段，强度衰减规律仍适用，但延续时间很短，可认为滑坡加速阶段的加速度值在此阶段获得，滑坡加速阶段的加速度值，由下式确定：

(3)式中，a₀为滑坡加速阶段的加速度值；ΔF为不平衡滑动力，且ΔF＝F_P-F_R，F_P为下滑力，F_R为抵抗力；g为重力加速度；W₁为加速阶段滑坡后缘土体质量，W₂为加速阶段滑坡中部土体质量，W₃加速阶段为滑坡前缘土体质量。由此，根据(3)式可确定滑坡加速阶段的加速度值。

需要说明的是，当滑坡进入大滑状态时，静强度理论已不适用，各种低摩阻效应在该阶段充分体现出来，故利用功能转换原理来计算滑坡加速阶段获得最大速度的时间，由下式确定：

(6)式中，t_r为滑坡加速阶段获得最大速度的时间；V_max为滑坡加速阶段的最大速度值；V_c为滑坡加速阶段的初始速度值。

需要说明的是，上述滑坡加速阶段的最大速度值，由下式确定：

V_max²-V_c²＝2gh (4)

(4)式中，h为滑体竖直方向位移。

需要说明的是，上述滑坡加速阶段的初始速度值，由下式确定：

(5)式中，V₁为加速阶段滑坡后缘土体运动速度，V₂加速阶段为滑坡中部土体运动速度，V₃加速阶段为滑坡前缘土体运动速度，即(5)式为三段式滑坡速度加权平均值。

需要说明的是，根据(3)式、(4)式、(5)式和(6)式，可确定滑坡加速阶段的时间预报参数t_r。

需要说明的是，趋势预报可以为滑坡区重要工程的长远规划提供决策依据；滑坡的加速阶段预报，只要在监测工作连续的条件下，按目前国内外的许多预报方法均能达到较高的要求，利用公式(6)计算出的t_r值可以为决策部门提供决定防灾措施的依据。t_c预报可以为居民集中区人员疏散和厂矿企业设备的转移提供时间余量，为交通要道及早提供戒备警告。

图2为本发明实施例提供的滑坡各部分速度分布示意图。如图2所示，点a、b、c、d、e、f、g和k的连接为滑坡侧面示意图，L1、L2和L3为三段式滑坡各段的长度，W1、W2和W3为三段式滑坡的质量，Va、Ve、Vf、Vg、Vk和Vd为滑坡上相应点处的速度，a1、a2和a3为夹角值，h为滑体竖直方向位移，s为水平位移。

本发明实施例提供的一种滑坡预报方法的具体实例如下：

图3为本发明实施例提供的延安黄蒿洼H02滑坡的断面示意图。需要说明的是，图3的横坐标为平距，图3的纵坐标为高程。

具体地，延安黄蒿洼H02滑坡位于H01相对的沟谷西侧，滑坡前缘与新建210国道相接，为土质堆积层滑坡，沿滑坡后缘有一条10～15cm的裂缝，可见深度50cm。后壁与水平成60°角，垂直高度7～15m。210国道穿越滑坡前缘，在公路一侧有明显的滑面。坡面成台阶状，台阶高差5～10m。滑体为凹形，上陡下缓，整体坡度22°，物质组成主要以Q₃、Q₂黄土。滑坡坡高约60m，主滑方向约60°，轴向长度278m，宽度417m，平均厚度13m，滑坡总体积约150×104m³，属大型滑坡。通过钻探对滑坡滑面进行勘察，在7#孔下发现明显的滑动面，8#和9#孔中也在相应位置有软弱面，并且土质不均，由此得到一条后陡前缓的坐椅状滑面如图3所示。

(1)趋势预报

将上述滑坡分为两段，结合图3可得分段滑坡各部分的重量分别为：W₁＝23022.5KN，W₂＝45432.4KN；结合图2，可得α₁＝60°，α₂＝20°。因此，可得：

F_P＝23022.5×sin60°×cos40°+45432.4×sin20°＝30812KN

F_R＝(23022.5×cos60°×tg20°+12.9×60)cos40°+

(45432.4×cos20°×tg23.4°+20.5×58)×cos40°

＝(4190.1+1161)×0.766+(16439.2+1804)×0.766＝18865.7KN

最终得：Δτ＝238.9kPa，又因为试验得τ_∞＝230kPa，相比较Δτ略大于τ_∞，所以可知滑坡是在自重作用下作等速滑动，如果遇外界因素(如地震、暴雨等)发生变化，很容易发生大的滑动，即由此可知，该滑坡属于一次滑动型滑坡。

(1)t_c时间预报

图4为本发明实施例提供的滑坡土的应变速率-剪应力-时间三者之间的关系曲线图。根据土体蠕变试验的资料，可作出如图4所示的应变速率与时间之间的双对数曲线，以及剪应力与应变速率之间的双对数曲线。可得Q₂黄土的各项参数如表1所示。

表1 Q₂黄土的α、K、B常数

将上述参数带入t_c时间预报公式，即公式(1)，得到滑坡滑带土为Q₂黄土的t_c时间预报公式：

饱和状态：

天然状态：

进一步，将表1中两种状态下的ε和τ_∞求平均值后带入上述两式中，可得滑坡滑带土为Q₂黄土的t_c时间预报值。

(2)t_r时间预报

根据延安黄蒿洼H02滑坡相关参数，结合图2和图3，可得滑坡加速阶段的加速度值：

进一步，根据S＝90m，Δh＝90×tg20°＝32.75m，可得滑坡加速阶段的最大速度值和初始速度值：

需要说明的是，本发明实施例中的W₃＝0。

将上述值代入t_r时间预报公式，即公式(6)，可得t_r时间预报值为：

t_r＝(v_max-v_c)/a₀＝(23.7-19.8)/2.06＝1.89s

由此可知，该滑坡加速滑动持续时间为1.89S，因为从t_c时间预报到t_r时间预报持续时间很短，所以为崩坍性滑坡。因该滑坡缺乏监测资料，所以时间预测预报只能作为定性分析的依据。

基于同一发明构思，本发明实施例提供了一种滑坡预报装置，由于该装置解决技术问题的原理与一种滑坡预报方法相似，因此该装置的实施可以参见方法的实施，重复之处不再赘述。

图5为本发明实施例提供的滑坡预报装置的结构示意图。如图5所示，本发明实施例提供的一种滑坡预报装置包括：

第一确定单元51，用于根据蠕变试验结果，确定应变速率与时间之间的双对数曲线，以及剪应力与应变速率之间的双对数曲线。

第二确定单元52，用于根据应变速率与时间之间的双对数曲线，以及剪应力与应变速率之间的双对数曲线，确定应变速率值、长期强度值和与土的类型有关的常数值。

第三确定单元53，用于根据应变速率值、长期强度值和与土的类型有关的常数值，通过公式(1)，确定滑坡等速阶段结束加速阶段开始的转折时间。

公式(1)如下所示：

其中，t_c为滑坡等速阶段结束加速阶段开始的转折时间；ε为应变速率；τ_∞为长期强度；α,B,K为与土的类型有关的常数。

较佳地，所述公式(1)由公式(2)确定；公式(2)如下所示：

ε＝Bτ^Kt^-α

其中，τ为剪应力；t为时间；当剪应力τ为长期强度τ_∞时，则时间t为滑坡等速阶段结束加速阶段开始的转折时间t_c，由公式(2)确定公式(1)。

较佳地，通过公式(3)，确定滑坡加速阶段的加速度值；通过公式(4)，确定滑坡加速阶段的初始速度值；通过公式(5)，确定滑坡加速阶段的最大速度值；

公式(3)如下所示：

公式(4)如下所示：

公式(5)如下所示：

V_max²-V_c²＝2gh

其中，a₀为滑坡加速阶段的加速度值；ΔF为不平衡滑动力，且ΔF＝F_P-F_R，F_P为下滑力，F_R为抵抗力；g为重力加速度；W₁为加速阶段滑坡后缘土体质量，W₂为加速阶段滑坡中部土体质量，W₃为加速阶段滑坡前缘土体质量；V_c为滑坡加速阶段的初始速度值；V₁为加速阶段滑坡后缘土体运动速度，V₂为加速阶段滑坡中部土体运动速度，V₃为加速阶段滑坡前缘土体运动速度；V_max为滑坡加速阶段的最大速度值；h为滑体竖直方向位移。

较佳地，通过公式(6)，确定滑坡加速阶段获得最大速度的时间；公式(6)如下所示：

t_r为滑坡加速阶段获得最大速度的时间。

应当理解，以上滑坡预报装置包括的单元仅为根据该设备装置实现的功能进行的逻辑划分，实际应用中，可以进行上述单元的叠加或拆分。并且该实施例提供的滑坡预报装置所实现的功能与上述实施例提供的滑坡预报方法一一对应，对于该装置所实现的更为详细的处理流程，在上述方法实施例一中已做详细描述，此处不再详细描述。

综上所述，本发明实施例提供的一种滑坡预报方法及装置，本发明综合运用流变力学的长期强度特征、流动特性和蠕变特性，对滑坡进行时间预报，即通过滑坡减速阶段结束等速阶段开始的转折时间预报和滑坡加速阶段获得最大速度的时间预报分析滑坡运动状态，真正考虑了力与变形间的实质问题，根据滑坡发展的不同阶段，采用不同的分析方法与预报参数及标准，更符合实际；进一步，将受力状态与动态规律相结合是滑坡时间预报的关键，滑坡分级预报模式能够考虑到参数采集的可能性与可靠性，而且这些数据均可由通常的试验方法和量测手段，甚至可通过经验获得统计数据。

以上公开的仅为本发明的几个具体实施例，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。