一种利用引潮力对岩体滑坡进行监测预警的方法与流程

本发明涉及一种利用引潮力对岩体滑坡进行监测预警的方法，其属于岩体滑坡稳定性评价与防治领域。

背景技术：

近年来滑坡已经成为地质灾害中发生频率最高的一种地质灾害，无论从其发生频率还是造成的后果来说，都是触目惊心的。尤其岩质边坡，其破坏往往没有明显的外部征兆，所以滑坡的突发性也是造成严重灾害的主要原因。为了能最大限度降低滑坡灾害给我们带来的损失，就需要我们对可能发生地质灾害的时间及可能失稳破坏的空间范围进行预测预报。

国内外专家学者对滑坡发生的机理和预测方法的研究取得了许多成果，也提出了很多行之有效的模型和方法。当前滑坡预测预报方法可归纳主要有以下几种：第一种是极限平衡法。该法是目前最常用、最成熟的一种方法。它引入摩尔—库仑强度准则，假定潜在滑动面，将假设滑坡体视作刚体，并把它划分成若干条块，通过对潜在滑体的受力分析，建立滑体的力(力矩)平衡，按下滑力(力矩)和抗滑力(力矩)之比建立安全系数表达式进行定量评价。该方法关键在于正确地判断滑体的范围、临界破坏面的位置、滑体的各种荷载及选定恰当的地质参数。该法直指特定状态下的边坡稳定性分析结果，且不能反映岩体内部的真实应力—应变及其与时间的演化关系，因此不能分析边坡变形随时间的演化过程，进而不能进行有效的滑坡监测预警；第二种是位移时序法。该法是运用边坡系统演化的位移时间序列数据等边坡稳定性演化信息，预测和评价边坡的稳定性及失稳时间的一种方法。在系统监测资料的基础上，判断位移变化的加速阶段，按变化趋势，在曲线上找出滑坡失稳时刻，做出滑坡预报。对于岩质边坡该法必须依赖于高精度的位移测量仪器与测量方法，且该法具有一定多解性和不确定性，且不能反应滑坡发生的力学机理；第三种方法是数值分析法。主要是通过大型有限元模拟软件构建相应的地质模型，研究岩体中应力和应变的变化过程，求得各点上的局部稳定系数，由此判断边坡的稳定性。数值分析法突出特点是有利于处理非线性、非均质、复杂边界边坡的稳定性分析。该法本身精度较高，但受地质模型、简化的力学模型和力学参数的影响，很难做出高准确的评价与预警。

因此，大多数情况下上述预警方法的预测预报结果还是不太理想。综上所述，如果能建立一种将滑坡孕育机理和临滑外部征兆同时考虑的监测预警方法，将会有效克服上述传统评价方法的不足，并依次建立一个滑坡孕育机理和临滑外部征兆耦合的位移动力监测预警新方法。

技术实现要素：

本发明针对上述不足，提供一种利用引潮力对岩体滑坡进行监测预警的方法。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：

步骤一：滑坡初步勘察与位移监测点的布设

对待监测预警不稳定边坡进行初步勘察与测绘。通过现场勘查与综合稳定性分析，确定控制岩体边坡稳定性的关键结构面或大裂隙，并在该关键结构面位置埋设安装光纤光栅传感器，并与数据远程传输dtu设备相连接，可以稳定的、实时的将该结构面的位移监测数据传回控制室。如果该结构面裂隙走向方位角位于-45°～+45°或+135°～+225°之间则将所测位移通过该位移矢量与该结构面东西方向的方向余弦ω转化到该结构面东西方向的水平位移；除此外则将所测位移通过该位移矢量与该结构面南北方向的方向余弦ω转化到该结构面南北方向的水平位移。监测频率大于4次/月且保证每七日最少有一次有效监测，当岩体变形出现明显增加时可适当增加监测次数。然后根据公式(1)确定岩体边坡位移变化量。

δxi＝xi+1cosωi+1-xicosωi(1)

式中：δxi—相邻两次监测的位移差，(mm)；

xi—第i次监测数据，(mm)；

xi+1—第i+1次监测数据，(mm)；

ωi、ωi+1—第i次、i+1次监测位移的位移矢量与该结构面东西或南北方向的方向余弦。

步骤二：固体潮作用在边坡岩体理论应变值的确定

边坡岩体一般受自重应力(构造应力)和地球引潮力两种力的作用，前者在一定的时间内可认为基本上是保持不变的，而后者则不断地呈周期性变化，所以可以将地球引潮力作为边坡岩体的加卸载手段。用gps定位系统确定滑坡待测点的地理纬度根据步骤一所确定的测量方向，每进行一次位移变化量的计算，就进行一次相应方向的固体潮理论应变值的计算。由公式(2)确定地球上某一位置a处即待测点南北方向的固体潮理论应变值；由公式(3)确定地球上某一位置a处即待测点东西方向的固体潮理论应变值。

eθθi＝l2(ym2w3+ys2w7)+l3ym3w11+h2(ym2w1+ys2w5)+h3ym3w9(2)

式中：eθθi、eλλi—为第i次计算滑坡岩体南北、东西方向理论应变值；

θ—地心余纬，详见原理一；

y—计算系数，详见原理一；

w—计算函数pn的各阶偏导数，详见原理一；

l2、l3—分别为二阶、三阶勒夫数，地球表面可取l2＝0.0832，l3＝0.0145。

步骤三：固体潮对滑坡岩体的卸加载监测周期的确定

由于地球引潮力是周期性变化的，本专利提出将引潮力作为岩体.边坡加卸载手段来监测预警边坡稳定性时，必然首先要确定其监测周期问题。地球引潮力在农历每月的初一和十五附近达到每月峰值，在初八和二十三附近达到每月的谷值。因此，本专利确定以月为监测周期对滑坡稳定性进行卸加载监测。

步骤四：固体潮对滑坡岩体卸加载位移响应率的确定

根据步骤二，将由固体潮引起的边坡理论应变值eθθi、eλλi＞0视为加载；将由固体潮引起的边坡理论应变值eθθi、eλλi＜0视为卸载。每个监测周期加载对应的平均位移增量视为加载位移响应值即由公式(4)确定，每个监测周期加载对应的平均理论计算应变值由公式(5)确定，加载响应率由公式(6)确定；对于卸载来说，可以认为地球变形属于弹性变形，所以卸载响应率ξ-＝1。

式中：ξ-—卸载位移响应率；

ξ+—加载位移响应率；

—每个监测周期加载对应的平均位移响应值；

—每个监测周期加载对应的平均理论计算应变值；

n—每个监测周期对应的加载天数。

步骤五：边坡固体潮卸加载位移响应比的确定

本专利根据滑坡体对固体潮应力的变形响应规律，定义其卸加载位移响应比为边坡卸载位移响应率与加载位移响应率的比值，其值y由步骤四中的卸、加载响应率由公式(7)确定。

式中：y—固体潮卸加载位移响应比。

步骤六：边坡卸加载位移响应比稳定性判据准则的确定与稳定性评价

常规的边坡稳定性状态的判定是依据《建筑边坡工程技术规范》gb50330-2013中5.3中的边坡安全系数k来划分的，即k＜1.0，边坡不稳定，1.0≤k＜1.05，边坡欠稳定；1.05≤k＜1.05，边坡基本稳定；k≥1.15时，边坡稳定。本专利根据原理2所确定的卸加载响应比与安全系数k之间的关系式(8)，从而建立了基于卸加载响应比的边坡稳定性判据准则(见下表)。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。

进一步，在步骤⑹中所述的边坡稳定性判据准则为：y＝0时，边坡稳定状态为失稳；0＜y＜0.05时，边坡稳定状态为欠稳定或临界稳定；0.05≤y＜0.13时，边坡稳定状态为基本稳定或暂时稳定；y≥0.13时，边坡稳定状态为稳定。

本发明的有益效果是：基于卸加载响应比与固体潮理论，将滑坡孕育机理和滑坡位移监测数据进行了有机的集成，通过把太阳和月亮对地球产生的周期性变化的引潮力作为卸、加载手段，依次建立起了一种新的位移动力耦合预测预报方法。该方法中岩体临界失稳时响应比的“超前效应”很好的揭示了滑坡的孕育演化机制，抓住了岩体非线性失稳的物理形成机理，因此该方法具有更好的预警效果。

附图说明

图1为本发明的技术方案流程图；

图2为卸加载位移响应比随时间变化图；

图3为地球内部一点a的位移矢量图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

原理1

基本原理：

固体潮是一种由太阳和月亮的引力引起地壳的粘弹性形变现象。固体潮应变理论值的计算推导如下。

月亮和太阳对地球内部任一点a的起潮位分别为：

式中：d—doodson常数，26277cm²·s^-1；

ds—等于0.45924d；

rm—月地距离；

rs—日地距离；

r—a点到地心的距离；

zm—月亮对a点的地心天顶距；

zs—太阳对a点的地心天顶距；

—地球平均半径，6371024m；

cm—月地平均距离，384400×10³m；

cs—日地平均距离，149600×10⁶m；

弹性地球在起潮力作用下会产生潮汐变形，地球内部任一点a由于潮汐变形引起的位移为：

tn(a)＝tm(a)+ts(a)(14)

式中：sr(a)、sθ(a)、sλ(a)—分别为径向、南北向、东西向位移；

θ、λ—分别为坐标轴间夹角，见图3所示；

hn(r)、ln(r)—都是a点到地心距离r的函数，在地球表面可分别写成hn、ln称为勒夫数，g(r)地球平均重力加速度。下标n是起潮位球函数的阶数。

由弹性力学知，球坐标中o-r,θ,λ中的应变张量矩阵为：

其中eθλ为：

计算步骤：

月亮和太阳的起潮位分别取至三阶和二阶即可满足工程要求。

1.

式中：—由计算点的地理纬度；—地心纬度；θ—地心余纬；r—地心

向径；g—重力加速度；α—地球扁率，α＝1/298.25；re—地球赤道半径，取6378137m。

2.求计算时刻的儒略世纪数

式中：y—计算年份历元；d—1900年首至计算年份历元年首之间的闰年数，在2000年内d＝int((y-1900-1)/4)，int表示取整；d—计算年首至计算日整日数；t—计算时刻(北京时间)。

3.计算天文常数

s＝270.43416+481267.88314t-0.00113t²+0.000002t³(23)

h＝279.69668+36000.76892t+0.0030t²(24)

p＝334.32956+4069.03403t-0.01032t²-0.00001t³(25)

n＝259.18328-1934.14201t+0.002087t²+0.000002t³(26)

ps＝281.22083+1.71918t+0.00045t²+0.000003t³(27)

ε＝23.45229-0.01301t-0.000002t²+0.0000005t³(28)

式中：单位均为度(°)。s—月亮平黄经；h—太阳平黄经；p—月亮近地点平黄经；n—月亮升交点平黄经；ps—太阳近地点平黄经；ε—平黄赤交角。

4.求λm、βm、λs

λm＝s-0.0032sin(h-ps)-0.0010sin(2h-2p)(30)

βm＝-0.0048sin(p-n)-0.0008sin(2h-p-n)+0.0030sin(s-2h+n)(31)

λs＝h+0.0335sin(h-ps)+0.0004sin(2h-2ps)(33)

5.求待算点待算时刻的地方恒星时t′

6.由黄道坐标转为赤道坐标

sinδm＝sinεsinλmcosβm+cosεsinβm(35)

cosδmcosτm＝cosβmcosλmcost′+sint′(cosεcosβmsinλm-sinεsinβm)(36)

cosδmsinτm＝cosβmcosλmsint′-cost′(cosεcosβmsinλm-sinεsinβm)(37)

sinδs＝sinεsinλs(38)

cosδscosτs＝cosλscost′+sint′cosεsinλs(39)

cosδssinτs＝cosλssint′+cost′cosεsinλs(40)

式中：δm—月亮的赤纬；δs—太阳的赤纬；τm—月亮的时角；τs—太阳的时角。

7.求月亮和太阳的地心天顶距zm和zs

8.计算中间变量

am＝coszm(43)

as＝coszs(48)

9.计算函数pn的各阶偏导数

10求系数

11.求应变张量

eθθ＝l2(ym2w3+ys2w7)+l3ym3w11+h2(ym2w1+ys2w5)+h3ym3w9(68)

根据melchior假设，在地球表面，勒夫数l2＝0.0832，l3＝0.0145。

原理2

卸加载响应比即：

式中：e-—材料卸载时的弹模，一般等于初始弹模e0；

e+—材料加载时的弹模等于e。

根据损伤力学的基本理论中的损伤变量d与材料弹模的关系：

可以导出：

y＝1-d(72)

在边坡工程中安全系数可定义为极限损伤与容许最大损伤之比，即：

式中：dmax为容许最大损伤，dlim取1.在整个损伤直至破坏过程中，损伤变量d在逐渐趋于dmax，则可以进一步将公式(24)写成：

由公式(23)与公式(25)可以得到卸加载响应比与边坡安全系数之间的关系表达式：

实施例

为了进一步说明本专利的实施过程，现以某岩体边坡为例进行详细说明。

该不稳定岩体(石灰岩)边坡位于某水电站近坝库区左岸。山体在受构造破坏、卸荷、风化及暴雨等作用影响下，构成大、小两个不稳定岩体区。地表受某个大裂隙割离的岩体即为本实例计算的对象。

第一步：滑坡初步勘察与位移监测点的布设

对待评价滑坡进行初步勘察与测绘，找出对岩体边坡稳定性影响较大的结构面或大裂隙，在该位置布置安装光纤光栅传感器，并与国内厂商推出的一款数据远程传输dtu设备相连接，可以稳定的、实时的将该结构面的位移监测数据传回控制室。如果该结构面裂隙走向方位角位于-45°～+45°或+135°～+225°之间则将所测位移通过该位移矢量与该结构面东西方向的方向余弦ω转化到该结构面东西方向的水平位移；除此外则将所测位移通过该位移矢量与该结构面南北方向的方向余弦ω转化到该结构面南北方向的水平位移。监测频率大于4次/月且保证每七日有一次有效监测，当岩体变形出现明显增加时可适当增加监测次数。

第二步：固体潮作用在边坡岩体理论应变值的确定

根据公式(2)计算固体潮理论应变值，计算结果见表1。

第三步：固体潮对滑坡岩体的卸加载监测周期的确定

本专利将以月为周期进行卸加载响应比的计算。

第四步：固体潮对滑坡岩体卸加载位移响应率的确定

由公式(6)计算加载响应率，再由公式(7)确定卸加载响应比。计算结果见表1。

表1卸加载位移响应比计算

第五步：边坡卸加载位移响应比稳定性判据准则的确定与稳定性评价

根据表1中的数据可以看出：1987年12月份开始，卸加载位移响应比值出现了明显的减小，之后1988年卸加载位移响应比值成明显的减小趋势，并很快减小到趋于零。1988年12月份，其卸加载响应比值已小于0.05，边坡处于欠稳定状态。实际工程中，为了保证工程的正常运营，于1989年3月采取爆破卸荷处理。可见该方法可以很好的预测到边坡失稳前的征兆，可以为边坡稳定性防治提供依据。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。