[發明專利]一種基于非飽和土體含水量的淺層降雨滑坡預警方法

有效

• 申請號: 201610236867.6
• 申請日: 2016-04-14
• 公開（公告）號: CN105788180B
• 公開（公告）日: 2018-03-27
• 發明（設計）人: 楊宗佶;蔡煥;丁朋朋;喬建平;黃棟
• 申請（專利權）人: 中國科學院;水利部成都山地災害與環境研究所
• 主分類號: G08B21/10
• 分類號: G08B21/10;G01N33/24
• 代理公司: 北京方圓嘉禾知識產權代理有限公司11385
• 代理人: 董芙蓉

技術領域

本發明涉及一種基于非飽和土體含水量的淺層降雨滑坡預警方法，屬于山地災害領域。

背景技術

目前，降雨滑坡的預警方法多實時監測的降雨量為基礎以降雨臨界值和“降雨強度+前期降雨量”或“降雨強度+降雨歷時”為基本手段，往往忽視滑坡物理力學機理和滑坡非飽和破壞條件。根據最新研究成果，大量淺層降雨滑坡是在非飽和條件下發生破壞，因此滑坡勘查和防治規范中假設土體全部飽和工況下的穩定性分析必然過于保守，以此為基礎的降雨滑坡的穩定性分析顯然難以滿足準確性要求。淺層降雨滑坡的破壞機理為斜坡非飽和土體在降雨入滲作用下含水量增加土體重量增加，同時非飽和土基質吸力降低，從而引發下滑力增大和抗滑力減小，最終導致坡面失穩產生淺層滑坡。

因此，基于降雨量開展滑坡預警方法存在如以幾個方面的不足：一是降雨臨界值的方法與滑坡破壞的力學機理脫節，物理意義不明確。降雨可能產生坡面徑流和蒸散發等分流，且植被對降雨的分流也有雨傘效應，根本上講滑坡破壞是由于雨水入滲到土體造成的，但不同滑坡下墊面狀況不一，降雨入滲到土體的量差異很大；二是滑坡發生的前期雨量難以準確統計和計算，由于滑坡現象往往不可重復，且范圍相對小，降雨量空間上差異又很大，因此通過歷史滑坡和降雨量統計前期降雨，本身就存在很大的不確定性和局限性，且統計誤差較大；三是基于單一降雨指標的預警模型中的指標單一，不能反映滑坡土體的力學性能和水文特征。降雨誘發滑坡破壞過程中基質吸力，含水量和滲透系數等水文力學參數都有不同的變化，因此未考慮滑坡土體上述水文和力學參數等指標的模型，也無法反應滑坡破壞的物理特征，很難做到對滑坡的精確預警報；也不能全面反映淺層滑坡變形破壞的物理力學特征。

發明內容

本發明的目的就是針對現有滑坡預警報技術的不足，提供一種非飽和條件下淺層降雨滑坡的預警方法，針對現行滑坡預警報方法多采用降雨單一指標，對滑坡物理力學狀態和滑坡非飽和破壞考慮不充分，因而導致預警不準確的技術缺陷。

為了實現上述目的，本發明是通過如下的技術方案來實現：一種基于非飽和土體含水量的淺層滑坡降雨預警方法，主要包括以下步驟：

步驟一：根據現場地質勘查確定滑坡范圍，并通過巖土試驗確定滑坡非飽和土體物理力學參數：其中，主要物理力學參數包括：土體有效內摩擦角φ',土體有效粘聚力c',土體干容重γ_s,土體的飽和體積含水量θ_s，土體的殘余體積含水量θ_r和非飽和土水土特征曲線參數α，n；選定滑坡體積含水量監測站位置，制定監測方案；

步驟二：開展實時監測站點建設及傳感器埋設安裝，并實現實時監測，數據傳輸和存儲到控制中心；

步驟三：建立基于實時體積含水量的穩定系數計算模型，對滑坡穩定系數進行計算，展示和存儲；

步驟四：控制中心根據計算結果，對比滑坡預警分級指標，對降雨滑坡開展實時監測預警。

作為優選，所述步驟一和步驟二中的監測站點建設中，體積含水量監測站應布置在滑坡范圍內，并至少安裝一個體積含水量傳感器，傳感器埋深為20～50cm。

作為優選，所述步驟二具體如下：(1)根據滑坡現場勘查確定滑坡監測范圍，建設滑坡體積含水量監測站，開展監測站點布置，傳感器的埋設安裝；(2)進一步開展滑坡土體的體積含水量實時監測，通過GPRS無線傳輸，將監測數據實時傳輸并存儲到控制中心。

作為優選，所述的步驟三中涉及的基于實時體積含水量的非飽和土體穩定系數計算方法，是耦合非飽和土理論，水文學理論和滑坡穩定性分析理論，對滑坡非飽和土的穩定系數進行實時求解，具體按照如下方法實施：根據水文學理論中計算有效飽和度Se(Z,t)：

式中：Se(Z,t)為有效飽和度，θ(Z,t)為土體的飽和體積含水量，θ_s為土體的飽和體積含水量，θ_r為土體的殘余體積含水量；t為不同時刻，Z為不同土層深度；

根據土壤學理論計算非飽和土體基質吸力ψ(Z,t)：

式中：ψ(Z,t)為滑坡非飽和土體基質吸力，γ_w為水的容重,α和n為水土特征曲線特征參數；

根據非飽和土力學理論計算吸應力σ^s(Z,t)：

σ^s(Z,t)＝S_eψ(Z,t)

耦合非飽和土理論，水文學理論和滑坡穩定性分析理論，計算滑坡非飽和土體穩定系數Fs(Z,t)：