一种滑坡灾害监测预警降雨阈值判定方法
【专利摘要】本发明公开了一种滑坡灾害监测预警降雨阈值判定方法，它涉及一种降雨诱发滑坡临界值的方法。以模型试验与降雨触发滑坡破坏变形相关性为预警临界值的研究方向，针对地震灾区典型滑坡类型，建立破坏地质模型，采用室内(外)多重模型试验，解析降雨滑坡渗流与应力场变化引起结构破坏的相关性，获得降雨滑坡预警临界参考值。并通过项目组已建立的野外滑坡泥石流远程监测预警系统实时监测检验，最终提供降雨量预警临界值。本发明弥补对地震后降雨滑坡(泥石流物源体)变形破坏及形成机理研究的不足，形成地质灾害监测预警临界值研究的基础学科理论，为地质灾害监测预警决策提供科学依据。
【专利说明】一种滑坡灾害监测预警降雨阈值判定方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及的是一种降雨诱发滑坡临界值的方法，具体涉及一种滑坡灾害监测预警降雨阈值判定方法。
【背景技术】
[0002]2008年汶川地震以后，在降雨条件下这些松散堆积体诱发了数以千万计的复活型崩塌滑坡发生，并为泥石流提供了丰富的物源条件，给地震灾区的灾后重建和人民生命财产安全带来巨大威胁。当前在国家还不能拿出足够的经费对地震灾区每一处滑坡进行工程治理的前提下，因此开展监测预警成为减少人员伤亡和财产损失的重要措施。降雨型滑坡远程实时监测预警系统是防御地质灾害灾害的现代支撑技术手段。对重点灾害性滑坡体进行远程实时监测，提前发出灾害预警信息，将有效降低灾害可能造成的危害。目前国内一些机构已经初步建立了类似的监测预警系统。该系统一般由五个主要部分构成:①滑坡灾害识别专业监测设备信息传输系统预警技术平台实时监测预警方式。但在已经建立和正在建立的各类监测预警系统中，都存在一个严重滞后的问题，即五个主要组成部分“实时预警方式”中的预警临界值(阈值)判别。该系统中实时预警临界值判定是实现可靠性预警的关键核心问题。但到目前为止，无论已有的空间预警系统，还是时间预警系统都没有很好的解决这个问题。因此使这些预警系统的可靠性、准确性在一定程度上都会受到很大的影响。预警临界值是早已公认的世界性学科和技术难题。因为每一处滑坡都具有其特点，所以很难找到一个共同的临界值。滑坡体变形破坏机理复杂，触发因素很多。根据滑坡主要触发因素，建立降雨滑坡的临界值是比较容易突破的技术难点。
[0003]目前，国内外确定降雨诱发滑坡临界值的方法大致可分为以下两种方法:
[0004]一种是:基于统计学原理研究分析滑坡(数量)与降雨量的数学关系，根据气象资料与对应的滑坡位移等监测资料，利用线性回归等数学方法建立滑坡发生率与降雨量或降雨强度的数学关系，并利用这些数学关系对降雨型地质灾害进行预测预报。Caine (1980)列出73种不同降雨时间和强度条件下导致滑坡的发生的情况，他首次提出一个临界降雨强度值，即(Ι-D)曲线，这一关系式并不适用于全球的每个地区，但他所做的工作被认为是探讨诱发滑坡降水强度临界值的里程碑。Mark and Newman (1989)通过对美国某地区1982年1月降水情况分析建立了滑坡与降水强度和持续时间的临界关系曲线和滑坡实时预报系统。一些学者(Larsen and Simon, 1993, Finlay et al, 1997)后来进行了大量研究，在不同的区域建立了不同的ID曲线。Glade(1997)建立了确定降雨临界值的三个模型，确定出一个最小临界值和最大临界值。Mauriz1 Polem1 and Francesco Sdao (1999),建立了滑坡发生机率与累计降雨量之间的模型来对滑坡发生进行预测预报。Guzzetti et al (2004)改进了这一方法，降雨强度用年平均降水量(MAP)和全年雨天平均降水量(RDN)来代替，对降雨强度进行标准化处理，然后对标准化的降雨数据分别建立阈值。国内对于地质灾害统计学的研究有很多成果。杜榕恒(1991)对三峡地区年月暴雨诱发的多个典型滑坡研究，得出了暴雨触发滑坡的临界降雨强度。李晓(1995)对重庆一带地质、地貌特点、降水侵蚀强度等进行研究，分析了当地发生地表侵蚀或触发滑坡灾害的降水强度变化规律。乔建平(2007)[7]通过研究三峡地区滑坡与降雨的相关关系，在大量滑坡和降雨资料进行概率统计分析基础上，提出了一套基于概率模型的滑坡预警方法体系。谢剑明(2003)，李媛(2005)，李铁锋(2006)，殷坤龙(2007)等均用数理统计的方法对滑坡灾害与降雨的数学关系进行分析，建立滑坡发生率与降雨量或降雨强度的统计模型。
[0005]另一种是:从降雨诱发滑坡的机理出发，结合稳态水文概念和无限斜坡稳定性模型来估计临界雨量。Montgomery&Dietrich(1994)将水文模型与无限斜坡稳定模型相结合，探讨了浅层滑坡启动的临界降雨量计算方法。Wilkinson et al (2002)将坡地水文模型与Janbu非圆弧滑动模型和简化Bishop方法相结合来研究滑坡启动的临界降雨条件；Kang-Tsung Chang (2009)将统计方法与边坡稳定分析方法相结合,对预测降雨滑坡启动的临界降雨量进行了研究。Iverson (2000)、Casadei et al (2003)、Matthias Jakob (2003)等也对此进行了研究，取得了较好的效果。国内对于从降雨诱发灾害的机理出发研究临界降雨量的方法起步较晚。兰恒星、周成虎等(2003)有效地将地表地形与斜坡的地下水运动特征结合起来，进行滑坡的稳定性分析，将工程中广泛采用的极限平衡方法与基于DEM的水文分布模型进行有效的集成，提出滑坡-水文耦合模型，并建立了滑坡稳定的综合判定标准；殷坤龙，汪洋，唐中华(2002)从动态分析和数值模拟两方面讨论了滑坡过程中的地下水作用机理，建立了降雨所产生的水压力极限平衡模型。何思明，李德心(2011)将水文模型与无限边坡稳定模型相结合，建立了滑坡启动的临界降雨量与边坡坡度、汇水区面积、地层岩性的定量关系。朱文彬和刘宝琢(2005) [21]，陈丽霞(2006)，刘领礼(2008)等均从降雨诱发滑坡的机理出发，对导致滑坡的临界雨量进行了定量化估算。
[0006]纵观以上两类主要确定降雨滑坡临界值的方法，都存在一定不足。如:①统计降雨量与滑坡数量确定降雨临界值的方法，比较适合区域空间降雨滑坡的趋势预警，不适合典型滑坡(泥石流物源体)预警。而且这方法对统计数据的来源，可靠性依赖程度很大，一般地区的降雨资料都难以满足。②滑坡破坏机理确定降雨临界值预警的方法，大都是建立在坡面渗流水文模型的基础上，而忽略了坡体在渗流过程中，应力状态改变所引起的结构加速破坏过程，所以不能真实地反应实际过程中降雨量对滑坡的影响。甚至不能提出可靠的临界值域。降雨入渗后坡体结构变化对斜坡稳定性影响的研究至今不多，方法和成果也不太成熟。
[0007]在现有的降雨滑坡监测预警研究中，也有采用累计雨量和雨强作为参考临界值的应用较广泛，但实施成功预警的案例为数不多。其原因主要有3个:①采用多个样本事件统计方法的区域空间滑坡降雨量临界值域，不能代替典型滑坡的降雨触发临界值。统计结果可能有一定普遍性，但缺乏个体性。所以仅仅适合区域空间滑坡预警，其精度较低；②采用数字模拟方法的单体滑坡渗流临界降雨量值。该方法不能分析坡体在渗流作用下，应力场变化所引起的结构破坏因素影响。而且还受滑坡真实地质模型、物理力学参数精度和滑坡点位实际降雨量统计影响，所以也无法获得真实临界降雨量值。③理论分析与实际现象脱节。大多降雨滑坡预警只注重滑坡可能出现的破坏结果，但很少分析真实滑坡前期的地表宏观变形现象和变形量的时序发展规律及与滑坡变形发育的相关性，准确判断滑坡是否在降雨条件下发生失稳。而盲目进行监测预警。
【发明内容】
[0008]针对现有技术上存在的不足，本发明目的是在于提供一种滑坡灾害监测预警降雨阈值判定方法，以模型试验与降雨触发滑坡破坏变形相关性为预警临界值的研究方向，针对地震灾区典型滑坡类型，建立破坏地质模型，采用室内(外)多重模型试验，解析降雨滑坡渗流与应力场变化引起结构破坏的相关性，获得降雨滑坡预警临界参考值。并通过项目组已建立的野外滑坡泥石流远程监测预警系统实时监测检验，最终提供降雨量预警临界值。
[0009]为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现:一种滑坡灾害监测预警降雨阈值判定方法，其包括以下步骤:
[0010]①已有勘查和降雨资料统计分析:主要包括滑坡破坏时的降雨量数据，滑坡变形破坏时地形地貌形态、破坏堆积范围、崩滑过程、岩土体物理力学参数等方面资料。
[0011]②建立滑坡破坏模型:结合典型降雨滑坡现场监测数据，建立临界降雨量与地下水位、孔隙水压力、体积含水量之间的渗流水位模型，分析变形特点及形成机理，建立不同降雨滑坡破坏模型。
[0012]③室内模拟试验:针对野外监测数据的不足(如监测点较少，难以监测整个滑坡(泥石流物源体)在降雨条件下的变形破坏过程)，须利用模型试验的方法，对不同降雨(降雨强度、总降雨量和降雨速度)情况下的典型降雨滑坡(泥石流物源体)的变形破坏机制进行模拟试验研究，并结合野外监测数据初步建立降雨型滑坡的临界降雨阈值。利用高清摄象机录制的试验全过程，并结合Piv(Particle Image Velocimetry)粒子图像测试技术测定模型试验中观察面内任意点在任意时刻的位移，可以获得丰富的滑坡变形直至破坏的完整过程，从而深入研究临界降雨量与滑坡地表变形发展、应变局部化形成及其与斜坡破坏过程的关系。通过渗压计量测降雨条件下坡体内部孔隙水压力及地下水位水头高度，水分计量测坡体表面体积含水量随降雨过程的变化规律，建立临界降雨量与体积含水量、孔隙水压力、地下水位之间的渗流水文模型。再通过设置于坡体表面不同高度的地表倾斜仪监测降雨型滑坡及泥石流物源体破坏时位移场变化情况，建立临界降雨量与位移的相互关系。
[0013]④试验观测资料整理分析及补充实验:将上述各种资料包括调查、模型实验及原型观测等资料进行整理，分析降雨型滑坡(泥石流物源体)变形破坏过程、分析破坏时的临界雨量、地表位移及深部位移等数据，为理论分析和模型的建立奠定基础。资料整理分析后如发现不足，需进行补充实验及观测。
[0014]⑤理论分析临界值确定:综合运用工程地质学、土力学、渗流力学等理论方法对降雨滑坡(泥石流物源体)变形破坏过程及机理进行综合分析。结合模型试验数据和现场监测数据，建立典型降雨滑坡(泥石流物源体)变形破坏过程的降雨临界值。
[0015]本发明的有益效果:目前的滑坡监测预警报有时只能起到一个“打招呼”的作用，准确预警的难度极大。该项发明既涉及到滑坡发生机理和触发因素等多种学科问题，还与滑坡模拟实验方法和监测技术设备相关。探讨不同降雨条件下典型降雨滑坡(泥石流物源体)的变形破坏模式，揭示滑坡及泥石流物源体破坏时临界降雨量与地下水位、孔隙水压力、体积含水量、地表位移及深部位移之间的关系，确定降雨滑坡(泥石流物源体)的启动临界降雨阈值。弥补对地震后降雨滑坡(泥石流物源体)变形破坏及形成机理研究的不足，形成地质灾害监测预警临界值研究的基础学科理论，为地质灾害监测预警决策提供科学依据。
【专利附图】
【附图说明】
[0016]下面结合附图和【具体实施方式】来详细说明本发明；
[0017]图1为本发明的方法流程图；
[0018]图2为本发明的【具体实施方式】中的典型滑坡测试演算结果:(a水头(m) ;b地表径流(m))数值模拟图；
[0019]图3为本发明的【具体实施方式】中的典型滑坡地表径流产汇流适量分布数值模拟图；
[0020]图4典型滑坡土壤水饱和度分布数值模拟图；
[0021]图5为本发明的【具体实施方式】中的模型实验槽结构示意图；
[0022]图6a为本发明的【具体实施方式】中的人工降雨试验装置平面图及侧面示意图。
[0023]图6b为本发明的【具体实施方式】中的人工降雨试验装置侧面示意图；
[0024]图6c为本发明的【具体实施方式】中的人工降雨试验装置另一侧面示意图。
【具体实施方式】
[0025]为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合【具体实施方式】，进一步阐述本发明。
[0026]本【具体实施方式】的方法流程图如图1所示，参照图2、图3和图4，本【具体实施方式】采用以下技术方案:为了考虑地形条件对产汇流的影响，对于下渗过程，拟采用坡面格林-安普特方程，并与以下方程的入渗率1、地表积水h、降雨强度p和坡度Θ耦合计算，从而建立雨强-径流量-渗流量之间的关系(图2-4)，即:
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[0028]式中:t_时间[T]、x, y-空间坐标变量[L]、S0-地形比降、θ -地形坡度角、有SQ=sin、地形坡度角、Sf_摩阻比降、h-径流深度[L]、qx,qy_x,y方向上的流量[L2/T]、p-雨强[L/T]、s-水流流向、Y -局地流向与X方向的夹角。
[0029]本【具体实施方式】采用的实验装置主要包括三部分:
[0030](1)模型实验槽
[0031]模型实验槽为钢架有机玻璃槽，尺寸为3000mmX1300mmX700mm(长X宽X高)，主要由金属支架和有机玻璃挡板组成。可装载物料最大体积约为3m3，满足本研究拟采用1: 100的几何相似比的模型试验如图5所示。
[0032](2)人工降雨设备
[0033]国内对于人工降雨试验在土壤侵蚀、气象研究等领域进行过比较多，但是对于用于滑坡和地质灾害模型试验的专门人工降雨设备却极为非常少见，根据雨滴动能原理，采用自主研究的人工降雨试验装置((MDEJY-6))降雨试验装置采用上喷式降雨模式，装置尺寸采用3500_X1500_X2000mm(长X宽X高)(如图6)。
[0034](3)数据采集及视频监控系统
[0035]原有的仪器设备有多通道数据采集装置、雨量计、渗压计、水分计、地表倾斜仪、GPRS通讯设备、高清数码摄像机等，将试验监测数据接入山地所滑坡室监测预警平台。
[0036]本【具体实施方式】的参数量测及分析:
[0037]①模型的物理力学参数
[0038]采用土工三轴试验的方法对典型滑坡体及滑带土的天然含水量、密度、重度(天然、饱和)、孔隙比、塑限、液限、粘聚力、内摩擦角、弹性模量、泊松比等进行量测。用变水头试验的方法对土体的非饱和渗透系数进行测量。
[0039]②降雨量
[0040]采用全自动雨量计，对试验过程中的降雨量进行实时监测，且可通过无线实现近距离显示、人工置数及设备配置。
[0041]③位移(三种方法)
[0042]方法一:用地表倾斜仪测量测点破坏过程中坡体表面位移的变化量；方法二:用划分网格的方法对坡体变化过程中深部位移变化量进行量测；方法三:结合PIV技术测定观察面内任意点在任意时刻的位移。
[0043]④水力学参数
[0044]用渗压计对降雨过程中坡体内部孔隙水压力和水头高度进行量测；用水分计对坡体表面土体体积含水量进行量测。
[0045]⑤资料分析整理
[0046]对实验数据进行整理，对降雨条件下滑坡破坏时的临界降雨量进行统计分析，结合野外典型降雨滑坡原位监测资料数据，揭示典型降雨滑坡破坏时临界降雨量与地下水位、孔隙水压力、体积含水量、地表位移及深部位移之间的关系，初步建立降雨型滑坡的临界降雨阈值。
[0047]本【具体实施方式】的试验方法:模型试验以典型滑坡为原型，进行降雨条件下滑坡变形破坏过程相似模型试验，揭示典型降雨型滑坡地下水位、孔隙水压力及坡体表面体积含水量与降雨量之间的动态变化规律，建立滑坡渗流水文模型，结合野外观测数据建立典型降雨滑坡临界降雨量。
[0048]拟通过反演典型滑坡变形破坏过程试验，探索降雨激发破坏的物理过程和破坏机制，得到不同降雨量及其坡体变形空间分布随时间变化关系规律，并通过试验中降雨量和坡面径流量来反演不同影响因素条件下的降雨阈值。
[0049]以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
【权利要求】
1.一种滑坡灾害监测预警降雨阈值判定方法，其特征在于，其包括以下步骤: (1)已有勘查和降雨资料统计分析:主要包括滑坡破坏时的降雨量数据，滑坡变形破坏时地形地貌形态、破坏堆积范围、崩滑过程、岩土体物理力学参数等方面资料； (2)建立滑坡破坏模型:结合典型降雨滑坡现场监测数据，建立临界降雨量与地下水位、孔隙水压力、体积含水量之间的渗流水位模型，分析变形特点及形成机理，建立不同降雨滑坡破坏模型； (3)室内模拟试验:针对野外监测数据的不足，须利用模型试验的方法，对不同降雨情况下的典型降雨滑坡的变形破坏机制进行模拟试验研究，并结合野外监测数据初步建立降雨型滑坡的临界降雨阈值； (4)试验观测资料整理分析及补充实验:将上述各种资料包括调查、模型实验及原型观测等资料进行整理，分析降雨型滑坡变形破坏过程、分析破坏时的临界雨量、地表位移及深部位移等数据，为理论分析和模型的建立奠定基础；资料整理分析后如发现不足，需进行补充实验及观测； (5)理论分析临界值确定:综合运用工程地质学、土力学、渗流力学等理论方法对降雨滑坡变形破坏过程及机理进行综合分析；结合模型试验数据和现场监测数据，建立典型降雨滑坡变形破坏过程的降雨临界值。
2.根据权利要求1所述的一种滑坡灾害监测预警降雨阈值判定方法，其特征在于，所述的步骤(3)的具体方法为:利用高清摄象机录制的试验全过程，并结合PIV粒子图像测试技术测定模型试验中观察面内任意点在任意时刻的位移，可以获得丰富的滑坡变形直至破坏的完整过程，从而深入研究临界降雨量与滑坡地表变形发展、应变局部化形成及其与斜坡破坏过程的关系；通过渗压计量测降雨条件下坡体内部孔隙水压力及地下水位水头高度，水分计量测坡体表面体积含水量随降雨过程的变化规律，建立临界降雨量与体积含水量、孔隙水压力、地下水位之间的渗流水文模型；再通过设置于坡体表面不同高度的地表倾斜仪监测降雨型滑坡及泥石流物源体破坏时位移场变化情况，建立临界降雨量与位移的相互关系。
【文档编号】G06F19/00GK104318103SQ201410572819
【公开日】2015年1月28日 申请日期:2014年10月23日 优先权日:2014年10月23日
【发明者】黄栋, 乔建平, 李倩倩 申请人:中国科学院、水利部成都山地灾害与环境研究所