一种含水边坡失稳预警系统及方法与流程

本发明涉及一种基于电阻率变化监测的含水边坡失稳预警系统及方法，属于工程建设信息化技术领域。

背景技术：

边坡在工程建设中广泛存在，在一定环境和外力条件下，特别是降雨作用下，边坡极可能转化为滑坡。滑坡是一种地质灾害现象，危害性巨大，常给人们的生命财产安全造成极大隐患。随着目前的工程建设的不断发展与推进，对地质及地理改造的项目越来越多，像滑坡等这一类的地质灾害事故亦随之增多。滑坡形成原因复杂、勘察困难，如何经济且合理地预测和防治滑坡等地质灾害就成了工程建设者要面临的一个严峻的问题。

技术实现要素：

(一)要解决的技术问题

为了解决现有技术的上述问题，本发明提供一种含水边坡失稳预警系统和方法，对含水边坡的失稳灾变过程进行监测和预警，以便及时采取治理措施，防止产生滑坡引起重大灾害事故的发生。

(二)技术方案

为了达到上述目的，本发明采用的主要技术方案包括：

一种含水边坡失稳预警系统，包括电阻率采集监测单元、信号传输单元、计算机分析单元、计算机管理单元和预报预警单元；其中，所述电阻率采集监测单元用于实时采集边坡地表和深部的电阻率数据，所述信号传输单元将电阻率数据及时发送到所述计算机分析单；所述计算机分析单元包括数值分析软件和虚拟现实软件；所述数值分析软件用于对所测地区电阻率数据进行分析计算，所述虚拟现实软件用于对边坡的三维虚拟显示，所述计算机管理单元是对数值分析软件和虚拟现实软件的分析结果进行数据整合处理，及时分析出可能存在的风险实现边坡监测预警；所述预报预警单元将所述计算机管理单元分析存在的边坡或者滑坡在失稳前进行预报和预警。

如上所述的含水边坡失稳预警系统，优选地，所述电阻率数据应包括由应力应变引起的电阻率值实时变化以及时空位置信息。

如上所述的含水边坡失稳预警系统，优选地，电阻率采集监测单元设置在边坡裂缝或者滑带两侧的深度钻孔中。

如上所述的含水边坡失稳预警系统，优选地，所述信号传输单元通过gprs网络及时发送电阻率数据，并可将计算机管理单元发布的预警信号即时传输给边坡所在当地管理部门。

如上所述的含水边坡失稳预警系统，优选地，所述数值分析软件分析计算包含应力-应变分析、位移分析、电阻率分析。

应力-应变分析是现在主流有限元软件和离散元软件必备的功能，例如ansys软件、abaqus软件以及flac3d软件等，均可以进行三维模型数值分析计算。电阻率测试资料采用btrc数据接收、处理及自动成图软件，形成视电阻率断面；最后利用res2dinv软件对视电阻率进行反演。

如上所述的含水边坡失稳预警系统，优选地，所述数值分析软件分析计算的内容包括边坡深、浅部电阻率-孔深关系、电阻率-时间关系、电阻率变化速率-时间关系，并结合常规位移和应力监测，得出电阻率-应力-应变关系。

如上所述的含水边坡失稳预警系统，优选地，所述三维虚拟显示，包括变形演化、应力迁移、电阻率变化以及电阻率的三维空间分布。

现有虚拟现实软件，例如3dmax、maya、virtool等，这些模型开发与显示软件本身不具备计算分析能力，对岩土体内外部的内部的变化不能做出实时表征，因此只需建立数值计算软件与虚拟现实软件之间的转换接口，实现数值模拟技术和虚拟现实技术的结合，对边坡应力、应变、电阻率等数据实时采集并实时更新显示在虚拟现实软件中。

如上所述的含水边坡失稳预警系统，优选地，基于所述滑坡监测预警按电阻率变化速率、变形速度、发生概率和可能发生的时间以及斜坡变形演化的三阶段理论分为四级，包括注意级(蓝色)、警示级(黄色)、警戒级(橙色)、警报级(红色)，其他非预警阶段颜色可按深浅逐次递减。

一种含水边坡失稳的预警方法，包括以下步骤：

(1)根据地质勘查结果及软件初步分析模拟结果确定边坡的潜在滑动面和潜在的滑动范围，确定电阻率测试的布置方案和布置原则，将电阻率测试采集仪器布置进行实时监测电阻率；

(2)通过信号传输单元，将监测的电阻率数据发送至计算机分析单元和计算机管理单元，综合电阻率与岩体力学参数之间的关系，并选择合适的时间点，对电阻率和岩体力学参数进行相互修正，并将修正后的力学参数和电阻率代入三维有限元或者离散元模型中，进行数值模拟软件的计算分析反馈，实现考虑电阻率变化的含水边坡稳定性评价系统；

(3)通过虚拟现实软件，对所得模型进行三维虚拟显示，包括变形演化、应力迁移以及电阻率的三维空间分布及变化；

(4)将电阻率监测结果和三维虚拟显示计算结果传送至预报预警系统，通过实时监测结果，将边坡稳定性评价方法和数值模拟方法反馈分析结合，并综合预警会商结果，通过多种媒体(电视、手机等)在边坡失稳前进行预报和预警。

如上所述的预警方法，优选地，所述电阻率测试的布置方案和布置原则为采用充电四极法和中间梯度法进行电阻率测试，

其中，布置原则按如下进行：

①在平面范围上，电阻率测试点应交叉布置在潜在滑动面的两侧，监测点不要求平均分布，每条监测剖面监测点至少为3个；

②在深度范围内，测点布置位置为潜在滑动面两侧；

③调试电阻率测试采集仪器，检查电阻率信号是否符合要求，对不同位置电阻率及应力应变等常规测试量建立初始模型，并存储于数据采集和计算机管理系统中，作为对比变化的初始量。

(三)有益效果

本发明的有益效果是：

本发明提供的含水边坡失稳预警系统，包括电阻率采集监测单元、信号传输单元、计算机分析单元、计算机管理单元和预报预警单元。通过电阻率的监测数据有效可靠的通过通过虚拟现实技术，可以更加直观、清晰、准确的分析边坡外界环境或者外部条件改变导致的变形演化、应力迁移以及电阻率的三维空间分布发生变化的原因及未来趋势。

本发明提供的含水边坡失稳预警系统和方法，综合电阻率、应力、应变及含水率变化，在重点部位同一监测点布设多种监测方法，便于监测数据综合分析，并将其分析结果和三维地质力学模型相结合并以虚拟现实模型出现，多位点多线性分析，实现对边坡的实时监测和预警，本发明的预警系统可有效预防滑坡引起重大灾害事故的发生。

附图说明

图1为本发明一优选实施例充电四极法边坡电阻率测试；

图2为本发明有优选实施方式含水边坡失稳预警系统结构框图；

图3为基于斜坡变形演化的预警分级情况

图4为应变水平-应力水平及电阻率关系图。

具体实施方式

边坡岩土体内存在大量孔隙和微裂隙，边坡失稳即是岩土石在受荷破坏过程中，受多种因素的影响，孔隙度和孔隙结构的变化，孔隙裂隙等缺陷的发育、扩展、贯通，导电性质的改变的过程，因此导致电阻率出现比较明显的变化。因此，本发明利用电阻率测试作为辅助观测手段，捕捉含水岩土体失稳前的电阻率变化前兆信息，结合岩土体应力应变的变化结果，对于含水边坡灾变过程进行监测和预警。

为了更好的解释本发明，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本发明作详细描述。

实施例1

一种边坡失稳预警系统，包括：

电阻率采集监测单元：布置在边坡裂缝或者滑带两侧一定深度钻孔中，实时采集边坡地表和深部的电阻率数据，电阻率数据应包括由应力应变引起的电阻率值实时变化以及时空位置信息；

信号传输单元：将电阻率采集监测单元中的电阻率数据通过gprs网络及时发送到数据处理分析中心的服务器，对电阻率数据进行实时管理和分析，并将计算机管理者发布预警信号即时传输给边坡所在当地管理部门；

计算机分析和管理单元：计算机分析系统包括数值分析软件及虚拟现实软件。数值分析软件用于对所测地区电阻率数据进行分析计算，其数据处理分析内容应包括边坡深、浅部电阻率-孔深关系、电阻率-时间关系、电阻率变化速率-时间关系，并结合常规位移和应力监测，得出电阻率-应力-应变关系；虚拟现实软件用于对边坡的三维虚拟显示，包括变形演化、应力迁移、电阻率变化以及电阻率的三维空间分布。滑坡监测预警按电阻率变化速率、变形速度、发生概率和可能发生的时间分为四级：注意级(蓝色)、警示级(黄色)、警戒级(橙色)、警报级(红色)，其他非预警阶段颜色可按深浅逐次递减。计算机管理单元则是对数值分析系统数值模拟软件的分析结果进行数据整合处理，及时分析出可能存在的风险，是整个系统的核心统筹者。

预报预警单元：综合计算机管理单元分析和预警会商结果，建立基于电阻率监测和数值模拟的实时边坡失稳危险性评价系统，在边坡或者滑坡失稳前进行预报和预警，尽量减小灾害的严重性。

本发明所述的含水边坡失稳预警系统的具体实施方法，包括以下步骤：

(1)根据电阻率采集监测单元采集获得边坡地表和深部的电阻率数据，通过信号传输单元，如gprs进行远程接收，进行数据分析处理，仿真模拟和数值分析计算，之后进行边坡实时监测动态模型，如果各物理量符合要求。各物理量包括边坡深、浅部电阻率-孔深关系、电阻率-时间关系、电阻率变化速率-时间关系以及电阻率-应力-应变关系等。各物理量变化部分或要求进行预警，预警会商。(1)根据地质勘查结果及软件初步分析模拟结果确定边坡的潜在滑动面和潜在的滑动范围，确定电阻率测试的布置方案和布置原则，一般采用充电四极法和中间梯度法进行电阻率测试：①在平面范围上，电阻率测试点应交叉布置在潜在滑动面的两侧，监测点不要求平均分布，每条监测剖面监测点不应少于3个。对于关键位置，应增加监测点数量；②在深度范围内，测点布置位置为潜在滑动面两侧；③调试电阻率测试采集仪器，检查电阻率信号是否符合要求，对不同位置电阻率及应力应变等常规测试量建立初始模型，并存储于数据采集和计算机管理系统中，作为对比变化的初始量。对于电阻率测试的原理，如图1，为对电阻率测试原理的图示，将边坡通电后视为通电导体，通过电流电压以及测点间距的关系确定不同位置的电阻率。

(2)通过信号传输单元，将电阻率监测结果发送至计算机分析单元和计算机管理单元，综合电阻率与岩体力学参数之间的关系，并选择合适的时间点，对电阻率和岩体力学参数进行相互修正，并将修正后的力学参数和电阻率代入三维有限元或者离散元模型中，进行数值模拟软件的计算分析反馈，实现考虑电阻率变化的含水边坡稳定性评价系统；

(3)通过虚拟现实系统，对所得模型进行三维虚拟显示，包括变形演化、应力迁移以及电阻率的三维空间分布及变化；

(4)将电阻率监测结果和三维模型计算结果传送至预报预警单元，通过实时监测结果，将边坡稳定性评价方法和数值模拟方法反馈分析结合，并综合预警会商结果，通过多种媒体在边坡失稳前进行预报和预警。

以上均只是阐述电阻率监测实施步骤，对于变形和应力监测作为边坡稳定性监测常规项目也应包含其中，因此应力和应变属于常规测试，此处及以后不再赘余。

实施例2

本实施例是在实施例1的基础上，进一步地，其电阻率采集监测单元：包括电阻率采集单元和电阻率采集软件。电阻率采集单元包括高密度电法仪、集中式或分散式高密度电缆、电极、gps发射天线、授时服务器、时间信号接收器等以及其他硬件设备。其中电极布置在边坡的潜在滑动面和潜在的滑动范围之内，通过电缆与高密度电法仪等采集器相连；电阻率等采集数据通过转换软件之后软化为易传输数据通过授时服务器以及时间信号接收器自动从互联网时间服务器同步时间，确保数据的时效性；同时，通过gprs传输技术将数据传输至指定信号接收以及数据处理等部门。

电阻率采集监测单元实现具体实施方式如下：

1)测点电极布设：根据地质勘查结果及软件初步分析模拟结果确定边坡的潜在滑动面和潜在的滑动范围，确定电阻率测试的布置方案和布置原则，一般采用充电四极法和中间梯度法进行电阻率测试，而现在很多电阻率采集仪器内部自带电源，设有多路电极转换器电源适配器，极大地方便了电阻率的采集，例如高密度电法仪，具有先进的测控方式：所有电极排列全部采用滚动测量方式，通过移动电极可使断面无限接续，断面收尾亦变得轻而易举；单点复测、从任意点起测均能随心所欲。

2)监测点布置原则：电阻率地表监测网可按照位移监测布置方法和原则进行实施，监测网类型包括十字型、放射(三角)型、方格型、任意方格型、任意型；深部电阻率监测测点布设则需要进行钻孔布置电极，测点平面布置位置为潜在滑动面两侧，纵向布置电极测点应超过以勘察和软件模拟确定的边坡潜在滑动面和潜在的滑动范围。监测实施原则：①重点部位同一监测点应布设多种监测方法，便于监测数据综合分析；②地表监测基准点必须建在稳定岩(土)体上，且基准点数量不应少于3个；③监测点不要求平均分布，每条监测剖面监测点不应少于3个。对于关键位置，应增加监测点数量。

3)电阻率监测数据实时传输：利用信号传输单元中的gprs基站传输法对现场采集的数据进行存储和传输。gprs是利用tdma信道提供数据传递的通信技术，它介于2g和3g移动通讯之间(通常被称为“2.5g”)。在分组交换模式下，用户利用gprs数据和信令完成基于移动基站的数据传输。这种基于公网的远距离无线通讯系统可以避免因地形和阻碍物产生的盲区，免去架设天线成本费用。

以电阻率作为测量的物理量分析,它定会受到地下水位及大气降水、深层应力应变、表面裂隙变化的影响。换句话说，地下水位以及大气降水、深层应力应变以及表面裂隙变化等均为影响浅、深部电阻率变化的因素。地下水位下降与年降雨量减少会引起地电阻率趋势性上升变化，反之，降雨量增加以及地下水位上升则会导致电阻率开始下降，到达一定程度则会导致边坡失稳；深层应力应变的变化与电阻率变化密切相关。在压密阶段，电阻率的变化取决于孔隙裂隙的闭合作用；在弹性阶段，电阻率的变化取决于应力对岩土体的作用；岩土体在塑性阶段电阻率总是呈上升趋势；应力峰值过后岩土体进入破坏阶段，宏观裂隙的汇合和贯通导致岩土体电阻率进一步上升，此阶段往往伴随表面裂隙的变化。因此，需要综合地下水位与降雨量、深层应力应变、表面裂隙变化以及电阻率变化特征，综合表征边坡内外部的稳定状态，这些数据均作为表征边坡内外部稳定性的依据，具体布置简图以及数据采集、传输、分析处理过程如图2所示，特别是在暴雨或持续降雨以后、库区水位涨落、滑坡治理施工期间、滑坡周边实施开挖或爆破振动、地震以后等，应进行持续观测。具体量化关系由于边坡的岩土性质不同，其响应特征也有所差异，此处不一概而论。

电阻率采集软件：高密度电法仪具有配套的数据采集软件，也可以对仪器外部附接无纸电子记录仪，以时间为主要记录手段，对不同时间节点进行电阻率的实时采集和记录。

上述电阻率采集监测单元可以24小时无间断对电阻率数据进行采集，特别是暴雨或持续降雨、库区水位涨落、边坡滑坡治理施工期间、滑坡周边实施开挖或爆破振动以及地震之后的电阻率实时监测尤为重要。

信号传输单元：将电阻率监测的数据发送至计算机分析单元和计算机管理单元，综合电阻率与岩体力学参数之间的关系，并选择合适的时间点，对电阻率和岩体力学参数进行相互修正，并将修正后的力学参数和电阻率代入三维有限元或者离散元模型中，进行数值模拟软件的计算分析反馈，实现考虑电阻率变化的含水边坡稳定性评价系统。

信号传输单元分为模拟通信系统和数字通信系统，在发送端的信息源中包括一个模/数转换装置，在接收端包括一个数/模转换装置，在发送端与接收端之间通过红外作为载波进行通信，则可以实现模拟信号数字无线传输。

数值分析软件用于对所测地区电阻率数据进行分析计算，其数据处理分析内容应包括边坡深、浅部电阻率-孔深关系、电阻率-时间关系、电阻率变化速率-时间关系，并结合常规位移和应力监测，得出电阻率-应力-应变关系；虚拟现实软件用于对边坡的三维虚拟显示，包括变形演化、应力迁移以及电阻率的三维空间分布。

滑坡监测预警按电阻率变化速率、变形速度、发生概率和可能发生的时间分为四级：注意级(蓝色)、警示级(黄色)、警戒级(橙色)、警报级(红色)，其他非预警阶段颜色可按深浅逐次递减。

1)数值分析软件：采用高性能计算机，利用建模软件进行建模，用于对所测地区电阻率数据进行分析计算，其数据处理分析内容应包括边坡深、浅部电阻率-孔深关系、电阻率-时间关系、电阻率变化速率-时间关系，并结合常规位移和应力监测，得出电阻率-应力-应变关系，根据现场实时监测结果并结合应力应变实测结果等对现场的实际破坏情况进行计算，时刻确定边坡的稳定状态。

2)虚拟现实软件：利用虚拟现实硬件和软件对边坡在不同工况状态进行模型显示，包括由三维模型计算分析得到的应力、应变、电阻率等信息。在虚拟的三维地质实体中，边坡体的显示更为直观、清晰、准确，可随时调出边坡的某一部分实体进行单独分析，更有助于管理分析人员简单深刻认识了解边坡的形成、演变和发展过程；三维地质模型的建立更有助于了解边坡分布的空间特征，对边坡发生失稳之前及时进行加固支护治理，同时对失稳前进行预报预警，尽最大可能减少损失。

(4)预报预警单元：综合电阻率采集监测单元、数值分析软件虚拟现实系统结果，同时结合坡体变形加速、应力迁移、电阻率变化的极限值范围，实现综合电阻率监测、数值模拟和虚拟仿真等手段对含水边坡的综合监测预警。

所述滑坡监测预警按电阻率变化速率、变形速度、发生概率和可能发生的时间分为三个阶段四级：如图3中所示，初级变形阶段、匀速变形阶段、加速变形阶段，加速变形阶段又分为初加速变形阶段，对应将预警级别分为注意级、警示级、警戒级和警报级，报警形式包括注意级可用蓝色表示、警示级可用黄色表示、警戒级可用橙色表示、警报级可用红色表示，其他非预警阶段颜色可按深浅逐次递减，非预警阶段和区域均可以用绿色或者其他某一种颜色表示。

下面采用上述系统对自边坡岩块测定来阐述电阻率-应力-应变关系，并结合实验结果做出初步预警值。如图4所示，为测量获得应变水平-应力水平及电阻率关系图。图中，初始裂隙压密阶段：ab段斜率较小，主要是由于试件内部一些微小的原生裂隙、孔隙、位错等初始损伤挤密压密或者试件与压力机没有充分接触(二极法电极和试件顶面接触存在孔隙)。弹性变形阶段：bc段应力从峰值强度的5％到峰值强度的23％，裂隙试件轴向应力应变之比为定值，电阻率微弱减小1％左右；

裂纹扩展和汇合：ce段应力应变曲线斜率逐渐减小，逐渐达到峰值强度，峰值强度约为无裂隙完整试件的83％，电阻率变化率逐渐减小；

ef段达峰值强度后破坏，试件在达到峰值强度。电阻率基本保持稳定不变或者突然减小至0，因为此时电路通路已被切断。试件已经完全破坏。

所以，正常状态下，边坡应力水平到极限强度的5％、应变水平达到极限应变的30％、电阻率水平下降峰值水平的0.5％，就要进行注意级(蓝色)标识；边坡应力水平到极限强度的20％、应变水平达到极限应变的45％、电阻率水平下降峰值水平的1％，就要进行警示级(黄色)标识；边坡应力水平到极限强度的％、应变水平达到极限应变的40％、电阻率水平下降峰值水平的1％，就要进行注意级(蓝色)标识；边坡应力水平到极限强度的70％、应变水平达到极限应变的70％、电阻率水平下降峰值水平的2％，就要进行警戒级(橙色)标识；边坡应力水平到极限强度的80％、应变水平达到极限应变的80％、电阻率水平下降峰值水平的5％，就要进行警报级(红色)标识。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明做其它形式的限制，任何本领域技术人员可以利用上述公开的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。