一种边坡累计位移分级预警阀值确定方法与流程

本发明涉及边坡灾害的预警技术领域，具体涉及一种边坡累计位移分级预警阀值确定方法。

背景技术：

随着铁路、公路及矿业的快速发展，山体的滑坡越来越频繁并且一旦发生将严重威胁人民生命及财产安全，边坡的变形是稳定性最直接的反映，累计位移则是边坡变形最常用的预警指标，边坡累计位移阀值的研究一直是边坡监测预警难点之一。

目前关于边坡累计位移阀值的确定，主要依靠以下方法：(1)通过专家评审，依靠专家的工程经验和知识储备来定性判定，最终确定阀值。(2)通过数值软件进行模拟确定。(3)采用工程类比法，找到一个相似度最高的边坡，利用该边坡成功预警的累计位移阀值做为依据，再根据水文气象等环境条件的对比，依靠工程经验定性的进行修正，最终确定阀值。

以上确定累计位移阀值的方法或多或少都存在着一些问题，第1种方法通过专家评审，完全依靠专家的经验定性确定，不同专家给出的阀值往往有很大的出入，缺少合理性的依据。第2种方法依靠数值模拟，实际边坡的情况常常带有复杂性和不确定性，数值模拟不能完全将实际边坡的情况模拟出来，这也导致得出的预警阀值与实际情况出入较大。第3种情况，采用类比法，仅以一个相似度最高边坡的累计位移阀值作为依据，太过片面，容易造成较大误差，进行修正的时候，还是依靠工程经验确定，带有很强的主观性。综上所述，目前对于边坡累计位移阀值的确定，多停留在依靠工程经验和专家的定性判定的阶段，阀值的准确性差，缺少合理性，没有形成统一的定量确定的方法。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种边坡累计位移分级预警阀值确定方法，以解决上述问题。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种边坡累计位移分级预警阀值确定方法，包括以下步骤：

步骤1：收集已发生变形、破坏的边坡案例资料，建立数据库；

步骤2：运用工程类比法找到与监测边坡相似度大于某一阈值的一组边坡案例，并将相似度归一化，计算各相似边坡案例权重；

步骤3：将边坡变形过程划分为四个阶段，基于相似边坡案例的监测数据分析，得到各相似边坡案例对应不同变形阶段的位移速度、历时和加速度值；

步骤4：提取各相似边坡案例第一阶段进入第二阶段的累计位移值，并结合权重，给出类比法确定的监测边坡累计位移建议值；然后，对监测边坡展开数值模拟，得出边坡极限平衡状态时的累计位移建议值；最后，综合类比法和数值计算的累计位移建议值，给出监测边坡变形的第一阶段进入第二阶段的累计位移阀值；

步骤5：将各相似边坡案例不同变形阶段的位移速度、历时和加速度值分别结合对应的权重，分别综合计算得出监测边坡对应不同变形阶段的位移速度、历时和加速度值；

步骤6：以步骤4得到监测边坡变形的第一阶段进入第二阶段的累计位移阀值为基础，结合步骤5得到的不同变形阶段的位移速度、历时和加速度值，估算后续变形阶段的累计位移阀值。

进一步的，所述步骤1中，收集已发生变形、破坏的边坡案例资料包括边坡监测资料和工程地质资料。

进一步的，所述步骤2的具体实现方式包括如下子步骤，

步骤2.1，确定影响边坡稳定性的特征因素及特征值，绘制特征值表；

其中特征因素分为12项：破坏模式、滑面倾角、滑面类型、边坡的结构、边坡倾角、边坡高度、以及滑坡的诱发因素，滑坡的诱发因素包括降雨、地下水、水库蓄水、开挖、爆破、地震；

步骤2.2，绘制两两比较法表确定每项特征因数权重；

步骤2.3，边坡案例与监测边坡相似度计算，取相似度大于某一阈值的边坡案例；

步骤2.4，将各相似边坡案例的相似度归一化处理，计算出各相似边坡案例的权重；

进一步的，所述步骤2中，取相似度70％以上的边坡为监测边坡的相似边坡案例，即阈值为70％。

进一步的，步骤2.3中相似度的计算如下，

采用比值法计算监测边坡与已收集的每个边坡案例的相似度，计算过程如下：获取已收集边坡的每一案例的特征值矩阵fj＝[fj1,fj2,fj3,fj4,fj5,fj6,fj7,fj8,fj9,fj10,fj11,fj12]，fji代表案例j的第i个特征因素的特征值，1≤j≤k，k为已收集边坡中案例中的个数；

将f与每个fj相比较和匹配，确定每个特征因素的匹配值si，i＝1-12；

si＝min(fi,fji)/max(fi,fji),0≤si≤1(1)

求解案例的相似度：sim(f,fj)＝∑uisi(2)

其中，sim表示案例相似度，ui为边坡案例第i个特征因素的权重值，si为第i个特征因素的匹配值。

进一步的，所述步骤3中，边坡变形过程划分为四个阶段；分别为初始变形阶段、等速变形阶段、加速变形阶段、临滑阶段。

进一步的，所述步骤4中，提取各相似边坡案例第一阶段进入第二阶段的累计位移值，并结合权重，给出类比法确定的监测边坡累计位移建议值，具体为：通过各相似边坡案例变形的累计位移—时间曲线，提取到变形第一阶段进入第二阶段的累计位移值，再对应边坡案例的权重，然后综合得出类比法的累计位移建议值。

进一步的，所述步骤4中，对监测边坡展开数值模拟，得出边坡极限平衡状态时的累计位移建议值，具体为根据监测边坡的勘察资料，确定flac3d的计算参数，选择合适的计算剖面，建立模型，计算监测边坡处于极限平衡状态时的累计位移，给出数值计算的累计位移建议值。

进一步的，所述步骤4中，综合类比法和数值计算的累计位移建议值，给出监测边坡变形第一阶段进入第二阶段的累计位移阀值，具体为：取类比法和数值模拟建议值的平均值作为监测边坡变形第一阶段进入第二阶段的累计位移阀值。

进一步的，所述步骤6中，以步骤4得到监测边坡变形的第一阶段进入第二阶段的累计位移阀值为基础，结合步骤5得到的不同变形阶段的位移速度、历时和加速度值，估算后续变形阶段的累计位移阀值，具体为：考虑边坡变形第二阶段为等速变形阶段，近似看成匀速运动，出于安全考虑，将步骤5中得到监测边坡的等速变形阶段的速度取为速度范围的小值，乘以步骤5中得到的监测边坡等速变形阶段的历时，得出等速变形阶段的位移量，加上步骤4中变形的第一阶段进入第二阶段的累计位移阀值，计算出监测边坡变形第二阶段进入第三阶段的累计位移值；加速变形阶段的加速度值变化不大，出于安全和计算考虑，加速阶段近似看成匀加速运动，加速度取步骤5中加速变形阶段加速度范围的中间值，初始位移速度取步骤5中进入加速变形阶段的速度，结合步骤5中给出的加速变形阶段的历时，计算出加速变形阶段的位移，再累加上之前估算出变形的第二阶段进入第三阶段的累计位移值，计算出监测边坡变形第三阶段进入第四阶段的累计位移值。

具体来说，本发明具体如下优点：

1.利用工程类比法，找到与监测边坡相似度达70％以上的一组边坡案例，将相似度归一化，计算出各相似边坡案例的权重，可以更加充分的考虑各相似边坡案例对监测边坡阀值的影响，解决了目前只单一取相似度最高的边坡案例阀值作为监测边坡阀值选取依据的片面性。

2.以监测边坡处于极限平衡状态(强度折减至安全系数状态)进行数值模拟，得出监测边坡变形由初始变形阶段进入等速变形阶段的累计位移建议值，再结合工程类比法得出的累计位移建议值，最终给出监测边坡变形由初始变形阶段进入等速变形阶段的累计位移阀值。使得避免了纯数值模拟无法准确模拟监测边坡情况，从而导致阀值的不准确问题。并且结合了类似边坡案例的累计位移阀值，使得阀值更加合理，准确。

3.综合工程类比给出累计位移指标的建议值和数值计算的累计位移指标的建议值，给出监测边坡变形由初始变形阶段进入等速变形阶段出的累计位移值阀值。同时基于案例统计的位移变化规律，以位移速度与加速度及不同阶段历时为基础，估算监测边坡由等速变形阶段进入加速变形阶段和加速变形阶段进入临滑阶段的累计位移阀值。比起只考虑运用相似边坡案例的累计位移阀值作为依据，此方法充分还考虑了各相似边坡案例不同阶段的位移速度，加速度和历时等因素，更加符合实际变形情况，提高了累计位移阀值确定的合理性和准确性。

4.此方法提供了一种定量计算不同阶段累计位移阀值的方法，解决了目前累计位移阀值主要依靠工程经验等主观定性确定。

附图说明

图1为本发明的流程图。

图2为计算相似度及其权重的流程图。

图3为边坡累计位移—时间曲线及其阶段划分示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步说明。

以重庆某监测边坡为例，进行了一种边坡累计位移分级预警阀值确定方法，从该监测边坡的地形地貌和工程地质资料可知，监测边坡的结构为层状顺层，边坡倾角为40°～50°，破坏模式为平面滑动，结构面完整，滑面倾角为50°～60°，滑面类型为含泥屑型，边坡开挖高度为315m，降雨为雨量充沛，地下水为不发育、透水性强，水库无蓄水，有开挖，有爆破，无地震。如图1所示，一种边坡累计位移分级预警阀值确定方法步骤如下：

步骤1：收集已发生变形、破坏的边坡案例资料，建立数据库；

收集已发生变形、破坏的边坡案例资料包括边坡监测资料和工程地质资料。

步骤2：运用工程类比法找到与监测边坡相似度大于某一阈值的一组边坡案例，并将相似度归一化，计算各相似边坡案例权重；

如图2所示，具体操作如下：

步骤2.1：确定影响边坡稳定性的特征因素及特征值，绘制特征值表；

根据边坡变形机理和工程地质、水文地质条件，把对边坡稳定起重要作用的特征因素分为12项：破坏模式、滑面倾角、滑面类型、边坡的结构、边坡倾角、边坡高度、滑坡的诱发因素(降雨、地下水、水库蓄水、开挖、爆破、地震)。依据每项特征因素的特点，根据边坡工程案例，分别罗列出该特征因素的情况并进行分类。参考李聪的边坡变形与稳定性演化预测预警方法研究，对每种情况按照引发滑坡发生的重要性从大到小依次排列，顺序打分，其分值称之为特征值，并绘制特征值表如表1所示：

表1特征值分值表

步骤2.2：绘制两两比较法表确定每项特征因数权重；

由于每项特征因素对边坡稳定的作用和重要性不同，需要确定该因素的权重。参考李聪在边坡变形与稳定性演化预测预警方法研究中关于权重的确定方法。如表2所示，按其重要程度分别给出0-4分，甲、乙两个因子相比，如果同等重要就各得2分，如果甲比乙重要，甲得3分，乙得1分；如果甲比乙重要得多，甲得4分，乙得0分。表2中横行因子为比较因子，纵列因子为被比因子，比较因子的得分放于横行因子相对应的位置上。两两比较法确定权重如表2所示：

表2两两比较法确定特征值权重

步骤2.3：边坡案例与监测边坡相似度计算，取相似度70％以上的边坡案例；

输入监测边坡的破坏模式、滑面倾角、滑面类型、边坡的结构、边坡倾角、边坡高度、滑坡的诱发因素根据表1特征值分值表，确定监测边坡的特征矩阵f，其表达式如下,f＝[2,5,1,4,2,7,2,2,2,1,1,2]，采用比值法计算监测边坡与已收集的每个边坡案例的相似度，计算过程如下：获取已收集边坡的每一案例的特征值矩阵fj＝[fj1,fj2,fj3,fj4,fj5,fj6,fj7,fj8,fj9,fj10,fj11,fj12]，fji代表案例j的第i个特征因素的打分值(参见表1)，1≤j≤k，k为已收集边坡中案例中的个数。

将f与每个fj相比较和匹配，确定每个特征因素的匹配值si(i＝1-12)

si＝min(fi,fji)/max(fi,fji),0≤si≤1(1)

求解案例的相似度：sim(f,fj)＝∑uisi(2)

其中，sim表示案例相似度，ui为边坡案例第i个特征因素的权重值,si为第i个特征因素的匹配值。

利用上述相似度计算方法，得到相似度70％以上的边坡案例如表3所示：

表3为与该监测边坡相似度70％以上的边坡案例相似度排序表

步骤2.4：将各相似边坡案例的相似度归一化处理，计算出各相似边坡案例的权重；

步骤3：边坡变形过程可划分为四个阶段，基于相似边坡案例的监测数据分析，得到各相似边坡案例对应不同变形阶段的位移速度、历时和加速度值；

如图3所示，边坡变形过程可划分为四个阶段；分别为初始变形阶段、等速变形阶段、加速变形阶段、临滑阶段。相似边坡案例不同变形阶段的位移速度、历时和加速度值分别如表4，表5，表6所示：

表4为相似边坡案例不同变形阶段的位移速度(mm/d)

表5为相似边坡案例不同变形阶段的历时(d)

表6为相似边坡案例不同变形阶段的加速度(mm/d²)

步骤4：提取各相似边坡案例第一阶段进入第二阶段的累计位移值，并结合权重，给出类比法确定的监测边坡累计位移建议值。然后，对监测边坡展开数值模拟，得出边坡极限平衡状态时的累计位移建议值。最后，综合类比法和数值计算的累计位移建议值，给出监测边坡变形的第一阶段进入第二阶段的累计位移阀值；

通过各相似边坡案例变形的累计位移—时间曲线，提取到变形第一阶段(初始变形阶段)进入第二阶段(等速变形阶段)的累计位移值，再对应边坡案例的权重，然后综合得出类比法的累计位移建议值。然后根据监测边坡的勘察资料，确定数值分析方法flac3d(fastlagrangiananalysisofcontinua3d)的计算参数，选择合适的计算剖面，建立模型，计算监测边坡处于极限平衡状态(强度折减至安全系数状态)时的累计位移，给出数值计算的累计位移建议值。最后取类比法和数值模拟建议值的平均值作为监测边坡变形第一阶段(初始变形阶段)进入第二阶段(等速变形阶段)的累计位移阀值。相似边坡案例的累计位移值如表7所示，数值模拟的计算参数如表8所示：

表7相似边坡案例不同阶段的累计位移值(mm)

类比法考虑权重得出初始变形进入等速变形累计位移建议值

45×0.266+70×0.257+50×0.245+40×0.232＝51.49(mm)

表8数值模拟的计算参数

数值模拟得出初始速变形进入等速变形的累计位移建议值为38.56mm

综合类比法和数值计算的累计位移建议值，给出监测边坡变形第一阶段进入第二阶段的累计位移阀值：

步骤5：将各相似边坡案例不同变形阶段的位移速度、历时和加速度值分别结合对应的权重，分别综合计算得出监测边坡对应不同变形阶段的位移速度、历时和加速度值；

以位移速度为例，计算各相似边坡案例考虑权重以后，得出该监测边坡在不同变形阶段的位移速度值。加速度和历时值计算方法相同。

根据表4中提供的各相似边坡案例不同变形阶段的位移速度值和步骤2.4中计算出各相似边坡案例的权重，类比法得出该监测边坡在不同变形阶段的位移速度值为：

初始变形阶段进入等速变形阶段速度阀值：

0.3×0.266+0.4×0.257+1.0×0.245+0.2×0.232＝0.47(mm/d)

等速变形进入加速变形阶段位移速率阀值为：

1.0×0.266+0.89×0.257+3.5×0.245+0.69×0.232＝3.19(mm/d)

加速阶段进入临滑阶段位移速率阀值为：

3.5×0.266+4.8×0.257+6.0×0.245+4.0×0.232＝4.56(mm/d)

加速度和历时值的计算方法相同，可得出该监测边坡不同阶段的位移速度，历时和加速度值如表9所示：

表9为该监测边坡不同阶段的位移速度，历时和加速度值

步骤6：以步骤4得到监测边坡变形的第一阶段进入第二阶段的累计位移阀值为基础，结合步骤5得到的不同变形阶段的位移速度、历时和加速度值，估算后续变形阶段的累计位移阀值。

考虑边坡变形第二阶段为等速变形阶段，可近似看成匀速运动，出于安全考虑，将步骤5中得到监测边坡的等速变形阶段的速度取为速度范围的小值，乘以步骤5中得到的监测边坡等速变形阶段的历时，可以得出等速变形阶段的位移量，加上步骤4中变形的第一阶段进入第二阶段的累计位移阀值，可以计算出监测边坡变形第二阶段(等速变形阶段)进入第三阶段(加速变形阶段)的累计位移值。加速变形阶段的加速度值变化不大，出于安全和计算考虑，加速阶段可近似看成匀加速运动，加速度取步骤5中加速变形阶段加速度范围的中间值，初始位移速度取步骤5中进入加速变形阶段的速度，结合步骤5中给出的加速变形阶段的历时，可以计算出加速变形阶段的位移，再累加上之前估算出变形的第二阶段(等速变形阶段)进入第三阶段(加速变形阶段)的累计位移值，可以计算出监测边坡变形第三阶段(加速变形阶段)进入第四阶段(临滑阶段)的累计位移值。

根据表9取该监测边坡匀速阶段的速度为0.47mm/d，历时为95d。加速阶段的初始速度为3.19mm/d，加速度为0.08mm/d²，历时为82d，加速工程近似看成匀加速运动。

则匀速运动阶段的位移为：0.47×95＝44.65(mm)

则加速运动阶段的位移为：

步骤4中得出该监测边坡初始变形阶段进入等速变形阶段的累计位移阀值为45.03mm。

该监测边坡等速变形阶段进入加速变形阶段的累计位移阀值为：

45.03+44.65＝89.68(mm)

该监测边坡加速变形阶段进入临滑阶段的累计位移阀值为：

89.68+530.5＝620.18(mm)

当然，上述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定对本发明的实施例范围。本发明也不仅限于上述举例，本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内所做出的均等变化与改进等，均应属于本发明的专利涵盖范围内。