專利名稱：一種基于臨滑區(qū)變形信息的滑坡預(yù)報(bào)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及露天礦山邊坡、道路邊坡及山體邊坡滑坡災(zāi)害預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)，特別是一種基于滑坡災(zāi)害蠕變機(jī)理及臨近滑坡但未滑落部位(臨滑區(qū))邊坡變形信息的滑坡預(yù)報(bào)方法。
背景技術(shù)：
滑坡災(zāi)害預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)是當(dāng)今國(guó)際滑坡災(zāi)害研究和環(huán)境地質(zhì)研究領(lǐng)域的前沿課題，是合理解決人類活動(dòng)與地表自然地質(zhì)體平衡關(guān)系的關(guān)鍵問(wèn)題之一，具有重要的理論意義和實(shí)際意義。
滑坡災(zāi)害的時(shí)間預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)，就現(xiàn)有的理論和方法可分為現(xiàn)象預(yù)報(bào)和位移預(yù)報(bào)。現(xiàn)象預(yù)報(bào)是人們對(duì)滑坡前兆反映的經(jīng)驗(yàn)積累的直觀預(yù)報(bào)方法。根據(jù)某些自然地質(zhì)因素的突然改變，諸如地表裂縫的擴(kuò)展、地表水漏失、地下水位下降、地音頻度增大等滑坡的前兆現(xiàn)象， 可大致判斷邊坡的危險(xiǎn)狀況和可能破壞的時(shí)間。顯然，這種方法是不可靠的，它不可能給出滑坡的準(zhǔn)確時(shí)間。禾_這些前兆現(xiàn)象只能告誡人們邊坡已處于危險(xiǎn)狀態(tài)，滑坡即將發(fā)生。因此，只有從邊坡變形信息及滑坡災(zāi)害機(jī)理入手，才能獲得較為準(zhǔn)確地時(shí)間預(yù)報(bào)。研究表明， 邊坡在破壞之前總會(huì)產(chǎn)生一定的蠕變過(guò)程，闡明和判定形變不同階段的發(fā)展趨勢(shì)是滑坡災(zāi)害位移預(yù)報(bào)的基礎(chǔ)。由日本學(xué)者齋藤迪孝基于滑坡體監(jiān)測(cè)曲線和蠕變理論提出的“齋藤模型”曾多次較成功地預(yù)報(bào)滑坡災(zāi)害。近年來(lái)，多位學(xué)者和研究機(jī)構(gòu)根據(jù)降雨信息和滑坡體監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)提出了滑坡與降雨強(qiáng)度、持續(xù)時(shí)間的臨界關(guān)系曲線。但這些預(yù)報(bào)模型所采用的變形信息，通常是取自滑動(dòng)面或滑動(dòng)體的位移。隨著科技的發(fā)展，大量先進(jìn)的儀器設(shè)備被用于邊坡變形的監(jiān)測(cè)，其中多是昂貴的內(nèi)置監(jiān)測(cè)儀器，雖然這些監(jiān)測(cè)設(shè)備或監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能達(dá)到很高的精度和動(dòng)態(tài)、實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)效果，但伴隨邊坡失穩(wěn)、滑坡，很多監(jiān)測(cè)點(diǎn)遭到破壞，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。
據(jù)此，本發(fā)明提出一種基于滑坡災(zāi)害蠕變機(jī)理及臨近滑坡但未滑落部位(臨滑區(qū))邊坡變形信息的滑坡預(yù)報(bào)模型。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種基于滑坡災(zāi)害蠕變機(jī)理及臨滑區(qū)邊坡變形監(jiān)測(cè)信息的直觀、簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)和高效的，可有效避免昂貴的滑坡監(jiān)測(cè)儀器隨滑坡體滑動(dòng)破壞所造成的巨大經(jīng)濟(jì)損失的基于臨滑區(qū)變形信息的滑坡預(yù)報(bào)方法。
本發(fā)明的技術(shù)方案
(1)滑坡災(zāi)變過(guò)程臨滑區(qū)邊坡蠕變曲線及變形階段。
根據(jù)滑坡災(zāi)害蠕變機(jī)理及多年邊坡變形監(jiān)測(cè)經(jīng)驗(yàn)，提出臨滑區(qū)邊坡蠕變規(guī)律如圖1所示，在靠近滑坡但未發(fā)生滑落部位(臨滑區(qū))，邊坡受一定外力干擾后開(kāi)始變形，初期速率緩慢，至一定時(shí)間，速度加快，增加至滑坡發(fā)生后，受到坡體制約，變形又逐漸變緩，最后趨于穩(wěn)定緩慢變形狀態(tài)。在滑坡災(zāi)變過(guò)程中，臨滑區(qū)巖土體變形可分為四個(gè)階段。
第1階段:m-n段。本階段變形-時(shí)間關(guān)系曲線呈直線，變形速率ν基本穩(wěn)定，變形加速度a為0，稱此階段為初始等速變形階段；
第2階段n-o段。本階段變形速度迅速增加，變形加速度增大，至ο點(diǎn)，變形加速度最大，稱此階段為第I加速變形階段；
第3階段0-p段。本階段變形速度仍繼續(xù)增加，但變形加速度逐漸變小，至ρ點(diǎn)滑坡發(fā)生，此時(shí)，變形速度最大，變形加速度為0，稱此階段為第II加速變形階段；
第4階段p_q段。本階段變形速度逐漸變小回歸至等速變形速度階段，曲線呈下彎型，變形加速度與速度方向相反，其數(shù)值先增大，后減小，稱此階段為減速變形階段。
(2)基于臨滑區(qū)邊坡監(jiān)測(cè)信息的滑坡災(zāi)害預(yù)報(bào)模型。
本發(fā)明提出的臨滑區(qū)邊坡蠕變曲線與德國(guó)生物數(shù)學(xué)家P. F. Verhulst于1837年建立的Verhulst模型相似。將二者相結(jié)合，提出“基于臨滑區(qū)邊坡監(jiān)測(cè)信息的滑坡災(zāi)害預(yù)報(bào)模型”。mxx
χ =V =、a =WX1產(chǎn)‘)-m2xl(m-nxl)emit-h) [nxl+(m-nxl)em(t-h)fW3X1 (m - HX1 )em('-h>[(m - nx, )em(t<) - nx,]⑴[nx,+(M-HXl)Cmit-0 f
式中，χ-邊坡變形位移；ν-邊坡變形速度；a_邊坡變形加速度；Xl、、分別為初始位移值及初始時(shí)間；m、η是系數(shù)，隨不同的滑坡類型和不同的滑坡階段而變化，可用灰色系統(tǒng)原理進(jìn)行求解。
由“基于臨滑區(qū)邊坡監(jiān)測(cè)信息的滑坡災(zāi)害預(yù)報(bào)模型”，當(dāng)變形加速度a = 0時(shí)，邊坡變形速度ν最大，這個(gè)時(shí)間既為滑坡發(fā)生的時(shí)間tr 1ηχλ) + tx(2)
tr = — lnCm m - NX1
(3)基于位移信息的Verhulst灰色模型，求解系數(shù)m、η。
因?yàn)樗O(jiān)測(cè)邊坡變形數(shù)據(jù)為離散數(shù)據(jù)，所以將Verhulst模型與灰色預(yù)測(cè)模型 GM(Ll)相結(jié)合，提出系數(shù)m、η的灰色求解模型。
[m，η]T = (BtB)-1BtY (3)~x<0\2)
式中，B =-W)WW,Y =x(0)(3)_z(1)( )x<0\n)_；χ(0)α)-原始數(shù)據(jù)列w)-x(i)(i)緊鄰(1)(1)均值生成序列；χω(υ-χ((ι)(υ累加生成數(shù)據(jù)列。
(4)基于本發(fā)明模型，采用C++調(diào)用Matlab引擎開(kāi)發(fā)了 “基于臨滑區(qū)變形信息的滑坡預(yù)報(bào)模型”計(jì)算程序。使用該程序，只需持續(xù)的輸入臨滑區(qū)變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，即會(huì)自動(dòng)繪制滑坡災(zāi)害前后臨滑區(qū)邊坡蠕變曲線，求解系數(shù)m、n，預(yù)報(bào)滑坡災(zāi)害時(shí)間，實(shí)現(xiàn)預(yù)報(bào)圖表成果可視化及輸出。
本發(fā)明的滑坡預(yù)測(cè)流I、王
(1)選定臨滑區(qū)邊坡，布設(shè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，獲得原始監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)列；
(2)由原始數(shù)據(jù)列得到累加生成數(shù)據(jù)列與緊鄰均值生成序列，帶入以下公式(1)，
[m，η]T = (BtB)-1BtY (1)
其中，式中β =-W)I (N (N r-N r-N r-N r-N Cvl CO · ·Y =~x<0\2) x(0)(3)_z(1)( )x<0\n)_χ(0) (i)為原始數(shù)據(jù)列；ζω(υ為χ(1)(1)(i)緊鄰均值生成序列；χω(υ-χ(°)(υ為累加生成數(shù)據(jù)列；
獲得系數(shù)m、η ；
(3)將上述步驟的系數(shù)m、η帶入以下公式O)mXy
χ =ν =乂O =HX1 +(Tn-HXl)Cmit^-m2xl(m-nxl)emit-h) [nxl+(m-nxl)em(t-h)fW3X1 (m - HX1 )em('-h>[(m - nx, )em(t<) - nx,][nx,+(M-Hxl)Cmit-0 f
其中，X1為初始位移值、為初始時(shí)間；
得到邊坡變形位移X、邊坡變形速度ν和為邊坡變形加速度a ；
(4)根據(jù)步驟3得到的邊坡變形位移X、邊坡變形速度ν和為邊坡變形加速度a，再將步驟2得到系數(shù)m、η帶入公式(3)I1, nxy .
K = —ln(-+m τη-ηχλ())
得到滑坡發(fā)生的時(shí)間、。
注隨著原始監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的增加，通過(guò)灰色模型求解的系數(shù)m、n會(huì)有變化，所以邊坡變形開(kāi)始階段相對(duì)延長(zhǎng)監(jiān)測(cè)周期，若變形加速即縮短監(jiān)測(cè)周期，最新監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)越多，滑坡預(yù)報(bào)精度越高。
本發(fā)明的有益效果是較現(xiàn)有其它滑坡預(yù)報(bào)方法工作量大大減少，同時(shí)提高了精度，簡(jiǎn)化了滑坡災(zāi)害時(shí)間預(yù)報(bào)的判斷方法，更加方便和可靠。


圖1為本發(fā)明滑坡災(zāi)變過(guò)程臨滑區(qū)邊坡蠕變曲線示意圖2為本發(fā)明實(shí)施實(shí)例滑坡體區(qū)域及監(jiān)測(cè)點(diǎn)示意圖3為本發(fā)明實(shí)施實(shí)例滑坡體及臨滑區(qū)監(jiān)測(cè)點(diǎn)變形示意圖。
圖4為本發(fā)明實(shí)施實(shí)例臨滑區(qū)監(jiān)測(cè)點(diǎn)Hl變形信息及滑坡預(yù)報(bào)結(jié)果示意圖。
圖5為本發(fā)明實(shí)施實(shí)例臨滑區(qū)監(jiān)測(cè)點(diǎn)H2變形信息及滑坡預(yù)報(bào)結(jié)果示意圖。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)一步說(shuō)明。
實(shí)施實(shí)例以河北某礦滑坡監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)進(jìn)行滑坡時(shí)間預(yù)報(bào)，驗(yàn)證本發(fā)明模型5可靠性及精度。
(1)選定滑坡，布設(shè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)
2004年9月7日河北某礦北區(qū)采場(chǎng)上盤68m臺(tái)階發(fā)現(xiàn)細(xì)微裂縫，通過(guò)細(xì)致的地質(zhì)調(diào)查，確定了潛在的滑坡區(qū)域。為進(jìn)一步監(jiān)測(cè)并研究滑坡災(zāi)變過(guò)程，于潛在滑坡部位上下三個(gè)臺(tái)階布設(shè)了 G4、Hl H8九個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)(G4為原有GPS監(jiān)測(cè)點(diǎn))。如圖2所示，H5 H8位于滑坡體上，隨滑坡發(fā)生破壞，而G4、Hl H4位于滑坡體裂縫的后緣，除H3在滑坡發(fā)生兩個(gè)月后破壞，其余4個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)均未損壞。
(2)邊坡變形監(jiān)測(cè)結(jié)果及滑坡發(fā)展階段
自2004年9月至2005年5月中旬各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的變形成果如圖3所示。與本發(fā)明滑坡災(zāi)變過(guò)程臨滑區(qū)邊坡蠕變曲線相對(duì)應(yīng)，該滑坡臨滑區(qū)蠕變發(fā)展4階段為①初始等速變形階段2004年9月 12月初，邊坡變形緩慢，滑坡后緣及測(cè)邊出現(xiàn)拉裂縫；②第I加速變形階段2004年12月初 2005年3月上旬，變形速率增大；③第II加速變形階段2005年 3月上旬 3月下旬，變形速率繼續(xù)增大，至3月沈日晚滑坡發(fā)生；④減速變形階段2005 年3月底 5月中旬，靠近滑坡但未發(fā)生滑落的部位，變形速度逐漸變小回歸至初始等速變形速度階段。
(3)滑坡預(yù)報(bào)結(jié)果
按照本發(fā)明“基于臨滑區(qū)邊坡監(jiān)測(cè)信息的滑坡災(zāi)害預(yù)報(bào)模型”，推導(dǎo)該礦滑坡時(shí)間預(yù)報(bào)公式。如表1所示，得到系數(shù)列m、η及滑坡預(yù)報(bào)時(shí)間tr。其中滑坡災(zāi)變過(guò)程中，測(cè)點(diǎn) H1、H2的邊坡位移、速度、加速度曲線如圖4所示。
表1滑坡預(yù)報(bào)成果表
權(quán)利要求
1. 一種基于臨滑區(qū)變形信息的滑坡預(yù)報(bào)方法，其特征在于，具體包括以下步驟(1)選定臨滑區(qū)邊坡，布設(shè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，獲得原始監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)列；(2)由原始數(shù)據(jù)列得到累加生成數(shù)據(jù)列與緊鄰均值生成序列，帶入以下公式(1) [m，n]T = (ΒΤΒΓΒΤΥ (1)其中，式中
全文摘要
本發(fā)明涉及露天礦山邊坡、道路邊坡及山體邊坡的一種滑坡災(zāi)變時(shí)間預(yù)報(bào)預(yù)測(cè)方法。該方法根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和滑坡災(zāi)害的蠕變規(guī)律和機(jī)理，提出了臨近滑坡但未滑落部位(臨滑區(qū))邊坡蠕變曲線和變形發(fā)展四個(gè)階段，推導(dǎo)了臨滑區(qū)邊坡變形、速率、加速度曲線方程及基于臨滑區(qū)變形信息的滑坡預(yù)報(bào)時(shí)間模型，并建立了基于臨滑區(qū)變形信息的Verhulst灰色模型以確定該滑坡預(yù)報(bào)時(shí)間模型中的參數(shù)。本發(fā)明的有益效果是較現(xiàn)有其它滑坡預(yù)報(bào)方法工作量大大減少，同時(shí)提高了精度，簡(jiǎn)化了滑坡災(zāi)害時(shí)間預(yù)報(bào)的判斷方法，更加方便和可靠。
文檔編號(hào)G08B21/10GK102509420SQ201110308859
公開(kāi)日2012年6月20日 申請(qǐng)日期2011年10月12日 優(yōu)先權(quán)日2011年10月12日
發(fā)明者任奮華, 李長(zhǎng)洪, 苗勝軍, 龍超 申請(qǐng)人:北京科技大學(xué)