一种岩块体崩塌早期预警方法与流程

本发明涉及崩塌灾害的监测预警领域，特别是指一种岩块体崩塌早期预警方法。

背景技术：

危岩失稳引起的崩塌灾害是自然长期发展衍变而来的，崩塌灾害给我国基建和交通都会带来很多不利影响。建设过程中崩塌会影响施工安全，运营过程中公路沿线的崩塌会造成交通中断。

目前对危岩块体和崩塌的研究较多，但大都偏于理论分析计算，无法实现岩块体崩塌的早期监测预警。因此，研究一种岩块体崩塌早期预警方法是必要的。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是提供一种岩块体崩塌早期预警方法，以解决现有技术所存在的无法实现岩块体崩塌的早期监测预警的问题。

为解决上述技术问题，本发明实施例提供一种岩块体崩塌早期预警方法，包括：

对岩块体在不同时刻的振动波形进行处理，得到岩块体在不同时刻下的多项时域振动指标；

对得到的各项时域振动指标进行归一化处理；

将归一化后的同一时刻的各项时域振动指标绘制在同一雷达图中，根据绘制得到的各时刻的时域振动指标构成的雷达图面积，实现岩块体崩塌灾害的早期监测预警。

进一步地，所述对岩块体在不同时刻的振动波形进行处理，得到岩块体在不同时刻下的多项时域振动指标包括：

对岩块体进行振动速度监测，得到岩块体在不同时刻的振动波形；

对得到的岩块体在不同时刻的振动波形进行处理，得到岩块体在不同时刻下的峭度指标、波形指标、方根幅值、峰值指标和裕度指标这5项时域振动指标。

进一步地，所述峭度指标表示为：

其中，β表示峭度指标；n为当前时刻采集的振动波形中振动速度信号的总个数；xi为采集的振动波形中第i个振动速度值；xav表示绝对均值，dx表示方差，

进一步地，所述波形指标表示为：

其中，sf表示波形指标；xrms表示有效值，n为当前时刻采集的振动波形中振动速度信号的总个数；xi为采集的振动波形中第i个振动速度值；xav表示绝对均值。

进一步地，所述方根幅值表示为：

其中，xr表示方根幅值。

进一步地，所述峰值指标表示为：

其中，cf表示峰值指标；xp表示峰值，xp＝max|xi|，xi为采集的振动波形中第i个振动速度值；xrms表示有效值。

进一步地，所述裕度指标表示为：

其中，clf表示裕度指标；xp表示峰值；xr表示方根幅值。

进一步地，所述对得到的各项时域振动指标进行归一化处理包括：

对岩块体稳定为正向影响的波形指标、峰值指标、裕度指标按公式进行归一化处理，其中，yj表示归一化处理之前的j时刻的时域振动指标，y’j表示归一化处理之后的j时刻的时域振动指标，max表示相应指标的最大值，min表示相应指标的最小值；

对岩块体稳定起负向影响的峭度指标、方根幅值按公式进行归一化处理。

进一步地，所述将归一化后的同一时刻的各项时域振动指标绘制在同一雷达图中，根据绘制得到的各时刻的时域振动指标构成的雷达图面积，实现岩块体崩塌灾害的早期监测预警包括：

将归一化后的同一时刻的峭度指标、波形指标、方根幅值、峰值指标和裕度指标这5项时域振动指标绘制在同一雷达图中；

对各时刻的时域振动指标构成的雷达图面积进行综合比较，若当前的雷达图面积与岩块体稳定阶段的雷达图面积之间的差值大于预设阈值，则进行岩块体崩塌的早期预警。

本发明的上述技术方案的有益效果如下：

上述方案中，对岩块体在不同时刻的振动波形进行处理，得到岩块体在不同时刻下的多项时域振动指标；对得到的各项时域振动指标进行归一化处理；将归一化后的同一时刻的各项时域振动指标绘制在同一雷达图中，根据绘制得到的各时刻的时域振动指标构成的雷达图面积，能够快速、准确实现岩块体崩塌灾害的早期监测预警。

附图说明

图1为本发明实施例提供的岩块体崩塌早期预警方法的流程示意图；

图2为本发明实施例提供的岩块体试验模型示意图；

图3为本发明实施例提供的岩块体在不同时刻的振动波形示意图；

图4为本发明实施例提供的峭度指标与位移历时曲线；

图5为本发明实施例提供的波形指标与位移历时曲线；

图6为本发明实施例提供的方根幅值与位移历时曲线；

图7为本发明实施例提供的峰值指标与位移历时曲线；

图8为本发明实施例提供的裕度指标与位移历时曲线；

图9为本发明实施例提供的25s时多项时域振动指标雷达图；

图10为本发明实施例提供的190s时多项时域振动指标雷达图；

图11为本发明实施例提供的450s时多项时域振动指标雷达图；

图12为本发明实施例提供的500s时多项时域振动指标雷达图；

图13为本发明实施例提供的612s时多项时域振动指标雷达图；

图14为本发明实施例提供的641s时多项时域振动指标雷达图；

图15为本发明实施例提供的670s时多项时域振动指标雷达图；

图16为本发明实施例提供的680s时多项时域振动指标雷达图；

图17为本发明实施例提供的690s时多项时域振动指标雷达图；

图18为本发明实施例提供的700s时多项时域振动指标雷达图；

图19为本发明实施例提供的750s时多项时域振动指标雷达图；

图20为本发明实施例提供的824s时多项时域振动指标雷达图；

图21为本发明实施例提供的900s时多项时域振动指标雷达图；

图22为本发明实施例提供的970s时多项时域振动指标雷达图；

图23为本发明实施例提供的1070s时多项时域振动指标雷达图；

图24为本发明实施例提供的1090s时多项时域振动指标雷达图；

图25为本发明实施例提供的1110s时多项时域振动指标雷达图；

图26为本发明实施例提供的1130s时多项时域振动指标雷达图；

图27为本发明实施例提供的1140s时多项时域振动指标雷达图；

图28为本发明实施例提供的不同时刻的时域振动指标构成的雷达图面积示意图。

具体实施方式

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。

本发明针对现有的无法实现岩块体崩塌的早期监测预警的问题，提供一种岩块体崩塌早期预警方法。

如图1所示，本发明实施例提供的岩块体崩塌早期预警方法，包括：

s101，对岩块体在不同时刻的振动波形进行处理，得到岩块体在不同时刻下的多项时域振动指标；

s102，对得到的各项时域振动指标进行归一化处理；

s103，将归一化后的同一时刻的各项时域振动指标绘制在同一雷达图中，根据绘制得到的各时刻的时域振动指标构成的雷达图面积，实现岩块体崩塌灾害的早期监测预警。

本发明实施例所述的岩块体崩塌早期预警方法，对岩块体在不同时刻的振动波形进行处理，得到岩块体在不同时刻下的多项时域振动指标；对得到的各项时域振动指标进行归一化处理；将归一化后的同一时刻的各项时域振动指标绘制在同一雷达图中，根据绘制得到的各时刻的时域振动指标构成的雷达图面积，能够快速、准确实现岩块体崩塌灾害的早期监测预警。

在前述岩块体崩塌早期预警方法的具体实施方式中，进一步地，所述对岩块体在不同时刻的振动波形进行处理，得到岩块体在不同时刻下的多项时域振动指标包括：

对岩块体进行振动速度监测，得到岩块体在不同时刻的振动波形；

对得到的岩块体在不同时刻的振动波形进行处理，得到岩块体在不同时刻下的峭度指标、波形指标、方根幅值、峰值指标和裕度指标这5项时域振动指标。

本实施例中，所述峭度指标表示为：

其中，β表示峭度指标；n为当前时刻采集的振动波形中振动速度信号的总个数；xi为采集的振动波形中第i个振动速度值；xav表示绝对均值，dx表示方差，

本实施例中，所述波形指标表示为：

其中，sf表示波形指标；xrms表示有效值，xav表示绝对均值。

本实施例中，所述方根幅值表示为：

其中，xr表示方根幅值。

本实施例中，所述峰值指标表示为：

其中，cf表示峰值指标；xp表示峰值，xp＝max|xi|；xrms表示有效值。

本实施例中，所述裕度指标表示为：

其中，clf表示裕度指标；xp表示峰值；xr表示方根幅值。

本实施例中，为模拟崩塌破坏的全过程，在实验室对岩块体试验模型(如图2所示，也可称为:岩块体样本)进行崩塌监测振动试验。实验采用u型多普勒激光测振仪对岩块体样本进行远程振动速度监测，得到岩块体样本在不同时刻的振动波形，如图3所示，通过对得到的不同时刻的振动波形进行处理，得到岩块体在不同时刻下的峭度指标、波形指标、方根幅值、峰值指标和裕度指标这5项时域振动指标。实验中，5项时域振动指标测量结果如下：

(1)峭度指标

从峭度指标与位移历时曲线(如图4所示)可以得知：试验开始后的一段时间(0-500s)为岩块体样本的稳定阶段，此阶段位移与峭度指标曲线都较为平滑，位移无明显变化，峭度指标相对稳定。随着试验的进行，危岩块体与基岩间的岩桥强度逐渐降低，即滑块与基座间的黏结力降低，约在500s时，抗滑力小于下滑力，位移小幅上升，峭度指标大幅度上升，此时静摩擦力提供了抗滑力使滑块保持稳定。约在1140s时，位移曲线出现拐点，滑块开始下滑(静摩擦力已达最大)，发生崩塌破坏。在崩塌发生前，峭度指标有显著的波动上升变化，破坏时的峭度指标已远大于试验开始时的数值。

(2)波形指标

从波形指标与位移历时曲线(如图5所示)可以得知：在岩块体样本的稳定阶段(0-500s)，位移与波形指标曲线都较为平滑，波形指标和位移均无明显变化。随着试验的进行，危岩块体与基岩间的岩桥强度逐渐降低，滑块与基座间的黏结力降低，约500s时滑块抗滑力小于下滑力，位移小幅上升，波形指标降低，变化幅度较位移更大。约在1140s时，位移曲线出现拐点，滑块开始下滑(静摩擦力已达最大)，发生崩塌破坏。

(3)方根幅值

从方根幅值与位移历时曲线(如图6所示)可以得知：在岩块体样本的稳定阶段(0-500s)，位移与方根幅值曲线都较为平滑，方根幅值和位移均无明显变化。随着试验的进行，危岩块体与基岩间的岩桥强度逐渐降低，滑块与基座间的黏结力降低，约500s时滑块抗滑力小于下滑力，位移小幅上升，方根幅值大幅降低。约在1140s时，位移曲线出现拐点，滑块开始下滑(静摩擦力已达最大)，发生崩塌破坏。

(4)峰值指标

从峰值指标与位移历时曲线(如图7所示)可以得知：在岩块体样本的稳定阶段(0-500s)，位移曲线较为平滑，位移无明显变化，而峰值指标则稳定上升。直到500s时，危岩块体与基岩间的岩桥强度降低即滑块与基座间的黏结力降低，滑块抗滑力小于下滑力，位移小幅抬升，峰值指标则开始下降。约在1140s时，位移曲线出现拐点，滑块开始下滑(静摩擦力已达最大)，发生崩塌破坏。

(5)裕度指标

从裕度指标与位移历时曲线(如图8所示)可以得知：在岩块体样本的稳定阶段(0-500s)，位移曲线较为平滑，位移无明显变化，而裕度指标则稳定上升。直到500s时，危岩块体与基岩间的岩桥强度降低即滑块与基座间的黏结力降低，滑块抗滑力小于下滑力，位移小幅抬升，裕度指标则开始下降。约在1140s时，位移曲线出现拐点，滑块开始下滑(静摩擦力已达最大)，发生崩塌破坏。在崩塌发生前，裕度指标有较大的波动，总体呈下降趋势，而直到1140s，位移都没有显著的变化。

在前述岩块体崩塌早期预警方法的具体实施方式中，进一步地，所述对得到的各项时域振动指标进行归一化处理包括：

对岩块体稳定为正向影响的波形指标、峰值指标、裕度指标按公式进行归一化处理，使其数值范围为0-1，其中，yj表示归一化处理之前的j时刻的时域振动指标，y’j表示归一化处理之后的j时刻的时域振动指标，max表示相应指标的最大值，min表示相应指标的最小值；

对岩块体稳定起负向影响的峭度指标、方根幅值按公式进行归一化处理，使其数值范围为0-1。

在前述岩块体崩塌早期预警方法的具体实施方式中，进一步地，所述将归一化后的同一时刻的各项时域振动指标绘制在同一雷达图中，根据绘制得到的各时刻的时域振动指标构成的雷达图面积，实现岩块体崩塌灾害的早期监测预警包括：

将归一化后的同一时刻的峭度指标、波形指标、方根幅值、峰值指标和裕度指标这5项时域振动指标绘制在同一雷达图中；

对各时刻的时域振动指标构成的雷达图面积进行综合比较，若当前的雷达图面积与岩块体稳定阶段的雷达图面积之间的差值大于预设阈值，则进行岩块体崩塌的早期预警。

本实施例中，实验得到的各时刻雷达图如图9-图27所示，比较各时刻的时域振动指标构成的雷达图面积(图28)可以发现：

在岩块体样本的稳定阶段(0-500s)，各指标基本稳定，雷达图的面积变化较小；在500s时，危岩块体与基岩间的岩桥强度降低，滑块与基座间的黏结力降低，雷达图面积开始变大；在700s时，雷达图面积急剧增大，进而触发预警。实验中，通过引入五项时域振动指标并进行综合分析，可提前410s实现岩块体崩塌的早期监测预警。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。