一种基于多源监测数据变化的边坡稳定性预警方法

技术领域

本发明涉及岩土工程与地质工程技术领域，尤其是涉及一种基于多源监测数据变化的边坡稳定性预警方法。

背景技术

在公路、铁路、水利、房建与采矿等人类工程中以及自然山区，边坡随处可见且数量众多。在极端降雨天气、强烈地震作用、复杂工程地质条件、重大工程扰动与人为处理失误下，边坡的稳定性极易降低，进而诱发边坡失稳破坏，并导致生态破坏、人员伤亡、建筑损害、车辆损坏、交通堵塞、河流堰塞和财产损失等。每年，关于边坡失稳破坏的消息时常见诸报道。因此，为了避免边坡产生失稳破坏，人们采用不同的监测手段对边坡稳定性进行动态分析评价。目前，由于边坡监测量类型多、边坡监测点多、边坡稳定性预警理论性强，导致尚无考虑监测量类型与监测点位数量的简单、易懂、易用边坡稳定性预警方法，用于有效辅助普通大众防灾、避灾、治灾的迫切需求。为此，需要一种基于多源监测数据变化的边坡稳定性预警方法，用以解决上述边坡监测预警问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于多源监测数据变化的边坡稳定性预警方法，同时兼顾考虑监测量类型与监测点位数量，易被大众理解后在众多边坡监测工程中普及推广使用，同时实现了单个边坡的单点预警、线状预警、断面预警与三维预警，可以实现对监测边坡点、线、面、体的稳定性预警和评价。

为实现上述目的，本发明提供了一种基于多源监测数据变化的边坡稳定性预警方法，包括以下步骤：

S1、对边坡监测量分类；

S2、对边坡全生命周期内主监测量历时曲线分类；

S3、根据主监测量监测点确定边坡单点预警分级标准；

S4、分别确定边坡线状预警分级标准、边坡断面预警分级标准与边坡三维预警分级标准；

S5、通过将边坡单点实时监测数据与上述四种预警分级标准比对，分别实现边坡单点预警、边坡线状预警、边坡断面预警与边坡三维预警。

优选的，在步骤S1中，所述边坡监测量包括主监测量与副监测量，主监测量的类型划分为锚杆轴力、锚索拉力与坡体变形；副监测量类型包括降雨量、地震、工程扰动、土体湿度与下地水压。

优选的，在步骤S2中，所述边坡全生命周期内锚杆轴力、锚索拉力与坡体变形的历时曲线类型被划分为六种类型：I-稳定型；II-单次缓变趋稳型；III-间歇缓变趋稳型；IV-单次缓变失稳型；V-间歇缓变失稳型；VI-突变失稳型。

优选的，在步骤S3中，根据主监测量监测点发布的边坡单点预警等级WL

优选的，在步骤S3中，

式中：

WL

V

V

V

ζ

ζ

ζ

优选的，在步骤S3中，式(1)的限定条件涉及的函数f(V

其中：

V

优选的，在步骤S4中，边坡线状预警分级标准如下：

监测边坡分别设锚杆、锚索、变形、雨量、湿度、水压、视频与振动监测点有n1、n2、n3、n4、n5、n6、n7与n8个，设测线有m个，分别编号为#L1、#L2、……、#Lk、……#Lm，设测线断面有m个，分别编号为#S1、#S2、……、#Sk、……#Sm，对于编号为#Lk的测线，其上假定设有主监测量的监测点共计n

当#Lk测线上有n

其中：

η

η

η

优选的，在步骤S4中，边坡断面预警分级标准如下：

当#Sk测线断面上有n

其中：

δ

δ

δ

优选的，在步骤S4中，边坡三维预警分级标准如下：

当边坡共计有n

其中：

ξ

ξ

ξ

因此，本发明采用上述一种基于多源监测数据变化的边坡稳定性预警方法，其技术效果如下：

(1)本方法能同时兼顾考虑监测量类型与监测点位数量；

(2)本方法很易被大众理解后在众多边坡监测工程中普及推广使用；

(3)本方法同时实现了单个边坡的单点预警、线状预警、断面预警与三维预警，可以实现对监测边坡点、线、面、体的稳定性预警和评价。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1是基于多监测量的边坡稳定性预警方法框图；

图2是边坡全生命周期内锚杆轴力的历时变化曲线类型；

图3是边坡全生命周期内锚索拉力的历时变化曲线类型；

图4是边坡全生命周期内变形的历时变化曲线类型；

图5是某边坡监测布置示意图；

图6是边坡#Lk测线断面示意图；

图7是A边坡监测布置示意图

图8是Δ边坡#L2测线断面示意图。

具体实施方式

以下通过附图和实施例对本发明的技术方案作进一步说明。

除非另外定义，本发明使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的主旨或基本特征的情况下，能够以其它的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内，不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其它实施方式。这些其它实施方式也涵盖在本发明的保护范围内。

还应当理解，以上所述的具体实施例仅用于解释本发明，本发明的保护范围并不限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作为详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。

本发明说明书中引用的现有技术文献所公开的内容整体均通过引用并入本发明中，并且因此是本发明公开内容的一部分。

实施例一

如图1所示，本发明提供了一种基于多源监测数据变化的边坡稳定性预警方法，先分别进行边坡监测量分类与边坡全生命周期内主监测量历时曲线分类，进而确定边坡单点预警分级标准，继而分别确定边坡线状预警分级标准、边坡断面预警分级标准与边坡三维预警分级标准。通过将边坡单点实时监测数据与上述四种预警分级标准比对，即可分别实现边坡单点预警、边坡线状预警、边坡断面预警与边坡三维预警，具体包括以下步骤：

S1、对于边坡监测量分类

边坡监测量分类见表1，将边坡监测量分为主监测量与副监测量。综合考虑经济性与方便性等综合因素，主监测量的类型划分为锚杆轴力、锚索拉力与坡体变形。副监测量类型包括降雨量、地震、工程扰动、土体湿度与下地水压。其中，此处的坡体变形是指基于GNSS监测点、测斜监测点与相对位移监测点等监测的任一种变形。对于一般边坡而言，主监测量可以直接反映边坡动态稳定性状况，而副监测量仅是反映边坡动态稳定性的诱发因素，可辅助主监测量以判断边坡的动态稳定性状况。锚杆轴力、锚索拉力与坡体变形可以通过现场安装的钢筋计、锚索计与变形传感器进行定期获取。降雨量可通过现场安装的雨量计进行实时获取。地震可以通过中国地震台网或现场安装的振动传感器实时获取。工程扰动可以通过现场的视频拍摄设备进行实时获取。土体湿度可以通过湿度传感器定期获取。地下水压可以通过水压传感器定期获取。对于边坡预警而言，本专利提及的方法以主监测量的动态变化为主要依据，而以副监测量的动态变化为辅助依据。需要说明的是，对于某监测边坡对象而言，只有主监测量而无副监测量也可采用本专利的方法开展预警，并且仅包含主监测量中的某一种也可采用本专利的方法开展预警。

表1边坡监测量分类表

S2、对边坡全生命周期内主监测量历时曲线分类

如表1所示，本专利提及的方法将主监测量类型划分为三个：锚杆轴力、锚索拉力与坡体变形。下面，将针对边坡全生命周期内的每种主监测量历时曲线进行分类和说明。

如图2-图4所示，边坡全生命周期内锚杆轴力、锚索拉力与坡体变形的历时曲线类型皆可被划分为六种类型：I-稳定型；II-单次缓变趋稳型；III-间歇缓变趋稳型；IV-单次缓变失稳型；V-间歇缓变失稳型；VI-突变失稳型。在边坡全生命周期内，锚杆轴力、锚索拉力与坡体变形分别存在边坡处于稳定型状态的预警值V

I-稳定型：在边坡全生命周期内，气候与外界干扰等因素对边坡的不利影响可以忽略，锚杆轴力、锚索拉力与坡体变形都不会超过设定的预警值，且三者历时变化曲线的总体走势基本保持水平，表征边坡处于比较稳定的状态。此时，有理由相信边坡在后续的时间内具备持续保持稳定健康状态的较大概率。

II-单次缓变趋稳型：在边坡全生命周期内，伴随着气候与外界干扰等因素对边坡的不利影响，锚杆轴力、锚索拉力与坡体变形都会超过设定的预警值，且三者历时变化曲线的总体走势经历了一次较明显的增加后趋于水平，表征边坡在发生了一次缓慢变形后趋于暂时稳定。此时，在气候与外界干扰等因素的持续影响下，无法确保边坡在后续的时间内是否能够持续保持稳定健康状态，是边坡处于病态的第一种表现形式。

III-间歇缓变趋稳型：在边坡全生命周期内，伴随着气候与外界干扰等因素对边坡的不利影响，锚杆轴力、锚索拉力与坡体变形都会超过设定的预警值，且三者历时变化曲线的总体走势经历了多次较明显的间歇增加后趋于水平，表征边坡在发生了多次间歇性缓慢变形后趋于暂时稳定。此时，在气候与外界干扰等因素的持续影响下，无法确保边坡在后续的时间内是否能够持续保持稳定健康状态，是边坡处于病态的第二种表现形式。

IV-单次缓变失稳型：在边坡全生命周期内，伴随着气候与外界干扰等因素对边坡的不利影响，锚杆轴力、锚索拉力与坡体变形都会超过设定的预警值，且三者历时变化曲线的总体走势经历了一次较明显的增加后再加速增长，表征边坡在发生了一次缓慢变形后逐渐产生失稳破坏，是边坡处于病态的第三种表现形式。

V-间歇缓变失稳型：在边坡全生命周期内，伴随着气候与外界干扰等因素对边坡的不利影响，锚杆轴力、锚索拉力与坡体变形都会超过设定的预警值，且三者历时变化曲线的总体走势经历了多次较明显的间歇性增加后再加速增长，表征边坡在发生了多次间歇性缓慢变形后逐渐产生失稳破坏，是边坡处于病态的第四种表现形式。

VI-突变失稳型：在边坡全生命周期内，伴随着气候与外界干扰等因素对边坡的不利影响，锚杆轴力、锚索拉力与坡体变形都会超过设定的预警值，且三者历时变化曲线的总体走势经历了一次明显的加速增长，表征边坡在发生了突发性的失稳破坏。此时，边坡最终产生了失稳破坏，是边坡处于病态的第五种表现形式。

S3、确定边坡单点预警分级标准

边坡单点预警分级标准见式(1)与表2所示。由表2可知，边坡单点预警等级WL

表2边坡单点预警分级表

式中：

WL

V

V

V

-用于判断蓝色预警与黄色预警的无量纲系数，建议值取1.2～1.3；

-用于判断黄色预警与橙色预警的无量纲系数，建议值取1.4～1.5；

-用于判断橙色预警与红色预警的无量纲系数，建议值取1.7～1.8。

式(1)的限定条件涉及的函数f(V

其中：

V

需要说明的是，能够发布边坡单点预警的监测点都是主监测量监测点。

S4、分别确定边坡线状预警分级标准、边坡断面预警分级标准与边坡三维预警分级标准

S41、边坡线状预警分级标准

对于一般边坡而言，对应的监测方案如图5所示。此时，假定监测边坡分别设锚杆、锚索、变形、雨量、湿度、水压、视频与振动监测点有n1、n2、n3、n4、n5、n6、n7与n8个，设测线有m个(分别编号为#L1、#L2、……、#Lk、……#Lm)，设测线断面有m个(分别编号为#S1、#S2、……、#Sk、……#Sm)。如图6所示，对于编号为#Lk的测线，其上假定设有主监测量的监测点共计n

当#Lk测线上有n

其中：

η

η

η

式(3)即为设定的边坡线状预警分级标准。WL

S42、边坡断面预警分级标准

当#Sk测线断面上有n

其中：

δ

δ

δ

式(4)即为设定的边坡断面预警分级标准。WL

S43、边坡三维预警分级标准

当边坡共计有n

其中：

ξ

ξ

ξ

式(5)即为设定的边坡断面预警分级标准。WL

S5、通过将边坡单点实时监测数据与上述四种预警分级标准比对，分别实现边坡单点预警、边坡线状预警、边坡断面预警与边坡三维预警。

实施例二

采用实施例一中的方法结合实例进行比对，具体如下：

如图7所示，A边坡上布设有锚杆监测点(14个，编号分别为V

在2020年12月30日，经查看并核实监测数据发现：2个锚杆监测点V

此时，采用式(1)与(2)开展边坡单点预警分析可判定：锚杆监测点V

对#L2测线而言，假定只有锚索监测点V

对#L2测线断面而言，假定锚杆监测点V

对于边坡三维整体而言，共计有主监测量监测点43个，而发生病态预警主监测量的数量为6个。根据式(5)可知，边坡断面预警级别为蓝色预警，表明边坡三维整体可能存在局部体积范围内稳定性欠佳的问题，且这种问题与工程扰动事件有很大的关系，应当引起有关单位与负责人的重视。

因此，本发明采用上述一种基于多源监测数据变化的边坡稳定性预警方法，同时兼顾考虑监测量类型与监测点位数量，易被大众理解后在众多边坡监测工程中普及推广使用，同时实现了单个边坡的单点预警、线状预警、断面预警与三维预警，可以实现对监测边坡点、线、面、体的稳定性预警和评价。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而这些修改或者等同替换亦不能使修改后的技术方案脱离本发明技术方案的精神和范围。