降雨型滑坡监测预警方法与系统

技术领域

本发明涉及一种滑坡监测预警技术，特别是涉及一种基于斜坡地下水物理特征监测实现的降雨型滑坡监测预警方法与系统，属于地质灾害防治、地质灾害监测预警技术领域。

背景技术

滑坡是三大地质灾害类型之一，是山区环境安全建设的重要监控防治对象。滑坡的诱发因素多样，但统计数据显示，90％以上的滑坡属降雨型滑坡。

现有研究降雨型滑坡的普遍认识是：雨水渗入斜坡中引起土体含水率上升的同时也可能引起地下水位的上升，一方面，土体容重的增大导致滑移面剪应力的增加，另一方面，土体中负孔隙水压力的上升导致抗剪强度下降。当超过极限平衡状态，则引起斜坡失稳滑动。这意味着，对于降雨型滑坡，最理想且有效的监测预警方案应当将预警模型的输入变量设计在地下水位监测层面，即以地下水位参数、土体孔隙水压力、土体容重等参数的动态监测值作为输入数据。在此基础上，更为优选的是以动态地下水位参数作为最基础的输入，利用动态地下水位参数测算动态的土体孔隙水压力，作为二级输入。然而，现有的降雨型滑坡监测预警方案尚未实现此技术构思。

现有技术之所以无法实现以地下水位或孔隙水压力动态数据作为输入变量对滑坡灾害实施监测预警的最主要原因在于无法很好地解决地下水位动态监测的技术问题。目前对地下水位的监测一般都是以“埋深”方式进行，即钻孔并安装各类传感器，在地面上读取传感器数据。这种测量方式在野外受限较多，难以支持现场方案实况运行。为在监测预警方案中绕开这一环节，现有技术采用的思路主要是基于降雨强度与地下水关系模型(如Rosso模型)，首先通过模拟实验建立不同降雨类型对浅层滑坡地下水位变化影响模型，并测算降雨阈值应用于现场监测预警；进而结合无限边坡理论，建立浅层滑坡的稳定性计算模型；最终以降雨动态数据作为现场滑坡监测预警方案的输入。现有技术“斜坡地下水对降雨序列的响应及降雨滑坡稳定性预测”(王晨兴，长安大学，2023年)与“一种滑坡灾害监测预警降雨阈值判定方法”(CN 201410572819.5)都属于这类滑坡监测预警的技术方案。

发明内容

本发明的目的就是针对现有技术的不足，提供一种基于地下水动态特征的降雨型滑坡监测预警技术。

为实现上述目的，本发明首先提供一种降雨型滑坡监测预警方法，其技术方案如下：

一种降雨型滑坡监测预警方法，其特征在于：获取监测对象坡体S的坡体本底数据，沿坡体S内地下水位线布置监测位点P

式中，FOS(t)-边坡S在时间t的安全系数，

P

c

W

u

θ

上述降雨型滑坡监测预警方法，是在边坡土条模型基础上，建立由边坡监测位点地下水孔隙水压力表达的边坡稳定性系数计算模型，利用孔隙水压力动态数据测算边坡稳定性系数的动态特征，由此评估边坡安全稳定性。监测位点土体的孔隙水压力动态数据是上述方法的重要输入变量，利用现有方法，可采用原位的钻孔仪器监测手段采集，也可结合经验值与模拟实验数据确定。

由于现有技术实时监测采集地下位点土体孔隙水压力动态数据的效果不够理想，易成为依式1模型计算精度的限制条件。因而，上述方法进一步优化是，提供利用监测位点地下水高程测算孔隙水压力的方法，具体采用式2方程组实施。其中，γ

u

B

上述优化方案，将监测位点土体孔隙水压力的实时监测问题转换为监测位点地下水高程实时监测问题，能够有效利用现有监测测量技术中，地下水高程实时监测手段较之土体孔隙水压力实时监测手段更丰富多样的特点，提升依式1模型计算边坡安全系数的精度。

现有地下水高程实时监测技术中，连通器原理排水测量法，即基于连通器原理，用导水管将点Pi透水筒地下水引至地面以上排水，并利用排水口水流运动特征指标反算Pi地下水水位特征的测量方法，具有多方面技术优势。本发明上述降雨型滑坡监测预警方法的进一步优化是，提供一种利用连通器原理排水测量法监测位点地下水高程的测量方法。具体依式3方程组测算监测位点地下水高程。

G

式中，G

式3方程组是利用地下监测位点地下水在地面排水口形成稳定水流时的瞬时流速反演计算地下监测位点地下水高程。与现有的同类地下水高程测量方法相比，该方法的改进是基于长久室内试验研究数据，对计算模型的自变量加以细化，主要在两方面，一是引入钻孔长度作为计算模型的自变量影响因素，二是将导水管水头损失因素加以区分，分解为导水管在透水筒内部分的局部水头损失系数∑η

上述优化方案中，确定导水管沿程阻力系数λ有多种现有方式，如经典方程(Darcy-Weisbach公式、Colebrook公式)、实验法、经验公式、经验图表等。本发明进一步提供测算导水管沿程阻力系数λ的方案。具体是依式4计算确定。其中，R

上述优化方案中，∑η

∑η＝η

∑η

本发明上述优化的降雨型滑坡监测预警方法利用连通器原理排水测量法实现对监测位点地下水高程与孔隙水压力数据的实时监测，数据监测采集方案仅需在地下监测位点与地面测量端间所搭建的管路通畅即可实施测量。在管路充盈、稳定出水后，每次测量对出水量无特定要求，一旦检测到流速即可关闭出水。因此，在采用高精度微小液体流速流量计的情况下，可以使用极细导水管，检测流速v仅在瞬时完成，对地下水位高程及土体孔隙水压力扰动极微小，可忽略不计。

以上述降雨型滑坡监测预警方法为基础，本发明同时提供一种降雨型滑坡监测预警系统，技术方案如下。

一种降雨型滑坡监测预警系统，其特征在于：监测对象坡体S现场调查，获取坡体本底数据，利用坡体本底数据，沿坡体S内地下水高程线布置监测位点P

在本发明优选的降雨型滑坡监测预警方法中，通过采集地面排水口动态流速v(t)即可借助反演计算模型完成地下水物理特征的动态监测。因而，上述降雨型滑坡监测预警系统，若采用连通器原理排水测量法监测采集各点Pi的动态监测数据D，可根据基础数据确定判断坡体S安全稳定性的FOS(t)阈值，构建依式6表达的坡体S安全稳定模型，解算判断坡体S安全稳定性的v阈值，根据动态监测数据D中地面排水口流速v动态值与v阈值，判断坡体S安全稳定性；式6中，v(t)-排水口在时间t的流速(m/s)。

FOS(t)＝v(t) 式6

对于本发明降雨型滑坡监测预警技术，在理论上，构建坡体S的条分法模型时，条分法模型越精细、土体s

与现有技术相比，本发明的有益效果是：(1)本发明提供一种基于地下水动态监测的降雨型滑坡监测预警方法，解决利用监测位点土体孔隙水压力动态数据测算边坡安全系数的方法，以及降雨型滑坡灾害的监测预警。(2)本发明重点解决的技术问题是构建一套具备连通器原理排水测量法完整技术逻辑的，利用地面排水口流速监测反演地下水关键特征参数，进而测算边坡安全系数的技术方案，由此将对边坡安全稳定性的监测评估转入对地面排水口流速的监测，从而在简化监测手段、提高监测精度。为此，本发明的各优化方案分别进一步提供了基于排水口流速v计算导水管在透水筒内部分的局部水头损失系数∑η

附图说明

图1是降雨型滑坡监测预警方法布置示意图。

图2是坡体S的条分法模型局部示意图。

图3是监测预警方案数据图。

附图中的数字标记分别是：1透水筒；2导水管；21进水口；22排水口；3钻孔；4边坡；5滑坡滑面；6边坡地下水位线。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的优选实施例作进一步的描述。

实施例一

如图1～图3所示，利用本发明方法监测预警某斜坡的降雨型滑坡发生风险。具

1、对象坡体及监测仪器布设

监测对象坡体位于浙江省衢州市，整个滑坡地质构造相对简单，边坡后缘有较阔的降雨入渗补给区域，且边坡土体渗透性好，地下水位年际变化较大，为典型的降雨型滑坡。采用本发明技术，通过监测地面排水流速实现对该坡体发生降雨型滑坡的监测预警。

进行现场调查，获取监测预警方案的本底数据。本技术中所称现场调查，包括了针对工程所在边坡现场的各种地质勘察、踏勘、测绘、测量工作，以及领域内现有模拟实验、测试实验、观测实验、分析实验，以及历史灾害记录获取，以及相关技术规范，以及有参照借鉴作用的经验方法及数据获取等。

图1是降雨型滑坡监测预警方法布置示意图。

根据监测方案本底数据，确定各项测量设计操作参数(表1)。

基于监测对象坡体S的坡体本底数据，沿坡体S内地下水位线布置监测位点P

本实施方式中，监测对象坡体为均质土体，因而监测位点Pi采用缺省设置。具体是某些相邻土条共设一个监测位点P，在计算中使用相同的部分测量设计操作参数与相同的动态监测数据D。

分别确定各点P

导水管2安装后，在排水口22端进行辅助充盈水操作。辅助充盈水操作可以是在排水口端抽气造成负压，或者从排水口2向管路内逆向灌水等。本例中，辅助充盈水操作是给予排水口21一定初始抽水，引导排水启动。

2、监测数据采集

测量采集各点Pi地下水特征的监测数据D，监测数据D包括排水口22流速在各数据采集时刻t的流速v

为节省文字，以下仅以监测方案中一个时刻t为样本加以描述。实施监测方案可以是动态监测，即在连续的多个时刻t中展开。

监测数据见表1。

3、反演计算

本实施方式具体实施本发明方法的优化方案，即所有中间量均基于排水口水流动态特征计算确定。基于测量设计操作参数与监测数据D，分别：依式5方程组计算导水管2在透水筒1内部分的局部水头损失系数∑η

表1所列为土条s16、土条s17为例的相关参数数据。因土条s16、土条s17处的监测位点P

表1相关参数数据

4、坡体安全稳定性评估

根据FOS(t)动态数据，参考现有FOS滑坡风险等级划分方法评估监测对象坡体S发生降雨型滑坡的危险程度与预警级别。表2是监测预警等级划分。

表2监测预警等级划分

5、监测预警技术效果

针对本例坡体实施为期半个月的监测预警，主要监测数据见图3。图3除展示本发明技术3项主要参数的数据曲线，还绘有同期降雨数据条作为对照。图3显示，降雨与滑坡稳定性相关性较差，反而是发明的地下水监测型监测预警对坡体稳定状态与灾害风险的评估效果较之同期的降雨监测型方案更优。