[發(fā)明專利]一種暴雨誘發(fā)的淺層滑坡災害預警閾值確定方法

有效

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• 申請日: 2018-06-11
• 公開（公告）號: CN108776851B
• 公開（公告）日: 2022-07-12
• 發(fā)明（設計）人: 宮清華;黃光慶;王鈞;袁少雄;陳軍
• 申請（專利權）人: 廣東省科學院廣州地理研究所
• 主分類號: G06Q10/04
• 分類號: G06Q10/04;G06Q50/26
• 代理公司: 北京眾合誠成知識產權代理有限公司 11246
• 代理人: 夏艷

1.一種暴雨誘發(fā)的淺層滑坡災害預警閾值確定方法，其特征在于，包括以下步驟：

步驟一：收集研究區(qū)地形數(shù)據(jù)，建立高精度的數(shù)字高程模型DEM，并基于DEM進行斜坡單元的劃分；

步驟二：基于斜坡對暴雨的響應機制，引入大孔隙系數(shù)，利用穩(wěn)態(tài)水文模型的地形濕度指數(shù)與無限邊坡模型相融合的方法，通過假設斜坡處于特定預警等級狀態(tài)，將地形濕度指數(shù)與斜坡穩(wěn)定性指數(shù)計算公式聯(lián)立，建立基于斜坡單元和臨界入滲量的穩(wěn)定性分析預警模型；

步驟二中，滑坡的穩(wěn)定性系數(shù)為抗滑力和下滑力之比，在未形成地表徑流時，考慮滑體重力、靜水壓力、地震力、及動水壓力或滲透壓力時，根據(jù)極限平衡原理，滑坡穩(wěn)定性系數(shù)通過下式計算：

其中：Fs—滑坡穩(wěn)定性系數(shù)；C—內聚力/kPa；γ_s—滑坡土體容重/KN/m³；γ_w—水容重/KN/m³；Z—滑坡土體垂直厚度/m；Z_w—地下水位距滑面的高度/m；θ—滑面傾角/°；—內摩擦角/°；F_e為水平地震力/N，F(xiàn)_w＝Z_wLγ_wcosθsinθ為動水壓力或滲透壓力；L為滑坡表面長度/m；

當忽略地震力F_e作用，并將分子分母同時除以ZLγ_s：

令表示滑坡體水與土的密度比值；表示滑坡體的飽和狀態(tài)，為飽和因子，將上公式進一步簡化為：

將上公式分子分母同時除以cos²θ，同時令則上式進一步簡化為：

根據(jù)暴雨入滲機制分析，對于暴雨型滑坡，以形成地表徑流為節(jié)點，考慮兩種情況，在沒形成地表徑流時，地下水入滲量和穩(wěn)定性系數(shù)受降雨量控制，在形成地表徑流后，地下水入滲量取決于大孔隙容量；在暴雨形成徑流后，土體飽和，降水入滲量主要受飽和土體導水系數(shù)影響，在這種情況下，假設為滑坡體為非滲透性，而滑面以下為臨時承壓水含水層，地下水沿承壓水層進行深層流動循環(huán)；在暴雨作用下，大孔隙流產生的作用于滑坡面的浮托力F_b作用于飽和的巖土體，浮托力F_b是暴雨型滑坡不可忽略的因子，F(xiàn)_b計算公式為：

F_b＝γ_wZ_wLcosθ

設大孔隙系數(shù)為λ/％，

則大孔隙產生的靜水壓力F_t為：

F_t＝λγ_wZL cos²θ

忽略地震力作用，形成地表徑流后，在考慮臨時地下水位形成后滑體重力、靜水壓力、滲透壓力和浮托力綜合作用下，則穩(wěn)定性系數(shù)為：：

對上式的分子和分母同時除以ZLγ_s，進一步簡化為：

令表示滑坡體水與土的密度比值；表示滑坡體的飽和狀態(tài)，為飽和因子，將上公式進一步簡化為：

將上公式分子分母同時除以cos²θ，同時令則上式進一步簡化為：

綜合以上兩種情況，得到在沒有形成地表徑流和形成地表徑流兩種情況下的滑坡穩(wěn)定性系數(shù)為：

其中，P為降雨量/mm；λ為大孔隙系數(shù)/％，S為流域當時的最大可能滯留量，也稱為保持系數(shù)/mm；P＜0.2S表示降雨不產生地表徑流，此時降雨全部入滲，當P≥0.2S時降雨才開始產生地表徑流；w為飽和因子，可以用下式表示：

公式中，q為入滲量，a為上坡集水面積；θ為邊坡傾角，T為導水系數(shù)；

當Fs＝1時，得到在沒有形成地表徑流和形成地表徑流兩種情況下的飽和因子計算公式：

則Fs＝1時，得到在沒有形成地表徑流和形成地表徑流兩種情況下的入滲量計算公式：

公式中，q_FS1為滑坡穩(wěn)定性系數(shù)Fs＝1時土體的入滲量/mm，其他字母含義同上；

步驟三：對應國家應急救援分級響應體系，設置五個預警等級，分別為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ級，相應的預警信號分布為紅色預警、橙色預警、黃色預警、藍色預警和綠色預警，根據(jù)F_S指數(shù)表征的含義，反推五個等級對應的斜坡穩(wěn)定狀態(tài)，計算每個五種預警等級的臨界入滲量閾值；步驟三中，根據(jù)Fs表征的含義，定義對應的預警等級；斜坡穩(wěn)定性系數(shù)是判斷斜坡穩(wěn)定性的指標，當Fs1.0時，斜坡基本處于穩(wěn)定狀態(tài)，1.0Fs0.5時，斜坡失穩(wěn)的可能性低于50％，0.5Fs0時，斜坡失穩(wěn)可能性高于50％，F(xiàn)s＝0時，斜坡處于極不穩(wěn)定狀態(tài)；

將滑坡穩(wěn)定性指標S_I定義為穩(wěn)定性系數(shù)Fs的概率函數(shù)：

S_I＝P_rob(Fs＞1)

令q/T＝X，tanφ＝t，當內聚力與摩擦角的最小值及降雨參數(shù)X的最大值導致了斜坡失穩(wěn)的最有利條件，即FS_min，如果在這種情況下，穩(wěn)定性系數(shù)值仍然大于1，那么該斜坡為無條件穩(wěn)定斜坡，無論降雨量多大，都為穩(wěn)定狀態(tài)，即S_I＝P_rob(Fs＞1)＝1；

內聚力與摩擦角的最大值及降雨參數(shù)X的最小值是保證斜坡穩(wěn)定的最有利條件，即FS_max，如果在這種情況下，穩(wěn)定性系數(shù)值仍然小于1，那么該斜坡為無條件不穩(wěn)定斜坡，即為極不穩(wěn)定斜坡，即S_I＝P_rob(Fs＞1)＝0；

基于以上判別標準，來界定各穩(wěn)定狀態(tài)下的臨界入滲量值，假設滑坡處于各臨界狀態(tài)時，即Fs＝1，F(xiàn)s＝0.5，時，將以上的降雨入滲量關系和入滲量與斜坡穩(wěn)定性關系進行關聯(lián)，即獲取引發(fā)滑坡的臨界降雨入滲量值；

則Fs＝1時，沒有形成地表徑流和形成地表徑流兩種情況下的入滲量q_FS1計算公式：

以此類推，得到Fs＝0.5時，沒有形成地表徑流和形成地表徑流兩種情況下的入滲量q_FS0.5計算公式：

從以上公式知，當時，q0，也就是說在天然狀態(tài)下，無論有無降水，斜坡已經處于不穩(wěn)定狀態(tài)；實際上，在θ5°時，地勢平緩，斜坡處于穩(wěn)定狀態(tài)；在時，斜坡處于概率不穩(wěn)定狀態(tài)；

步驟四：通過斜坡體對暴雨的響應機制分析，建立基于斜坡單元的滑坡降雨-入滲模型，計算特定降雨條件下每個斜坡單元的入滲量與降雨量的關系，通過臨界入滲量反推每個斜坡單元的臨界降雨量，從而確定滑坡災害預警閾值。