一種降雨條件下土質邊坡安全性態的時空動態評價方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種邊坡安全性動態評價方法，尤其是涉及一種降雨條件下土質邊坡 安全性態的時空動態評價方法。
【背景技術】
[0002] 中國是世界上滑坡最嚴重的國家之一。僅在2006~2011年的6年間全國共發生 滑坡157927起。近年來，中國每年因滑坡災害造成的經濟損失都在10億美元以上。2009 年全國僅特大型和大型滑坡災害共發生16起，直接經濟損失達到1. 9億元人民幣；2011年 死亡、失蹤10人以上或直接經濟損失1億元以上的重大滑坡災害發生7起，直接經濟損失 5. 99億元人民幣。滑坡災害不僅造成巨大的經濟損失，還嚴重危害人民的生命安全。降雨 條件下土質滑坡是滑坡中分布最為廣泛、規模大、暴發頻率高、突發性強和持續危害性較大 的一類致災體。我國面臨的此類型滑坡災害非常嚴峻，對滑坡災害進行科學、合理的評價、 預測、管理和控制是十分必要。如何對降雨條件下土質邊坡安全性態進行時空動態評價，切 實保護人民的生命和財產安全，是我國當前面臨的一個重要課題。
[0003] 目前，國內外對土質邊坡安全性態的評價方法進行了一些相關研究：在邊坡安全 性評價方法上，一般采用GE0-SL0PE的SIGMA/W模塊等非耦合的二維有限元或剛體極限平 衡法（傳統簡化畢肖普法、傳遞系數法），以及采用考慮動水壓力的邊坡條分計算方法和滑 裂面為折線形的浸水邊坡穩定計算方法，以及采用彈塑性有限元強度折減法。不過，國內外 這些研究成果大部分屬于靜態評價方法，無法真正考慮研究對象的時空變化問題，亦即無 法真正實現邊坡險情的時空動態評價。所以，研發一種更合理的定量化而預警預報更方便 的邊坡安全性的時空動態評價方法顯得尤為緊迫。

【發明內容】

[0004] 本發明的目的就是為了克服上述現有技術存在的缺陷而提供一種更合理的定量 化而且預警預報更方便的降雨條件下土質邊坡安全性態的時空動態評價方法。
[0005] 本發明的目的可以通過以下技術方案來實現：
[0006] -種降雨條件下土質邊坡安全性態的時空動態評價方法，其特征在于，包括以下 步驟：
[0007] 1)對邊坡坡體的巖土鉆孔取芯，通過室內試驗獲取土體的滲透系數和吸力，擬合 土體的流變模型AEra=At^aiqrXt-At)m，得到常數a^nun的數值，式中，AEra為懦變 增量，q為剪應力，△t為時間增量；
[0008] 2)根據步驟1)得到的結果，采用考慮降雨和非飽和土耦合作用的三維粘彈塑性 有限元的強度折減法，確定降雨條件下邊坡的最大潛在破壞趨勢面；
[0009] 3)在最大潛在破壞趨勢面對應的地表上設置多個監測點，在監測點實時采集降雨 工況，并實時監測點土體的位移和變形，將監測數據傳輸到遠程客戶端；
[0010] 4)遠程客戶端接收監測數據，并進行數據格式化處理；
[0011] 5)根據步驟4)得到的數據，更新流變模型Ae-=AtM1Cfa-At)m中常數ai、 m、n的數值，獲取降雨及干濕循環作用下邊坡的長期流變模型；
[0012] 6)根據步驟5)獲取的模型，采用三維粘彈塑性有限元的強度折減法，計算實時降 雨工況下的土質邊坡的安全系數；
[0013] 7)根據步驟6)獲取的安全系數，對降雨條件下土質邊坡的安全性態進行動態評 價。
[0014] 所述步驟1)中，土體的滲透系數和吸力通過非飽和土的室內滲透試驗獲得，土體 的流變模型AEra=At 通過三軸流變試驗獲得。
[0015] 所述的步驟2)和步驟6)中，三維粘彈塑性有限元的強度折減法具體包括以下步 驟：
[0016] 01)確定折減系數的初始值Fs。、巖土體抗剪強度指標中的巖土體的粘聚力初始值 C。和巖土體的內摩擦角的初始值PO;
[0017] 02)對巖土體的粘聚力和巖土體的內摩擦角進行折減，折減算式如下
[0018] Ci=CilA7si
[0019]
[0020] 式中，C1i和C身別為土體經第i-1次和第i次折減后的粘結力，U卩鶴分別為 土體經第i-1次和第i次折減后的摩擦角，Fsi為第i次的折減系數；
[0021] 03)對(^和只進行有限元穩定性計算，若結果收斂，則令i值加1，設定Fsi并回到 步驟02)進行迭代計算，若結果不收斂，則當前Fsi為邊坡的臨界安全系數；
[0022] 04)使用三維粘彈塑性有限元強度折減法，采用Fsi和土體的流變模型Ae-= At?aY(t-At)m，對C。和Pc進行強度折減計算，得到Cp?和％。
[0023] 所述的步驟2)中，進行強度折減計算后，獲取臨界破壞的邊坡的粘塑性變形值， 將粘塑性變形值排在前95%~100%的點連成帶狀區域作為滑帶，作為降雨條件下邊坡的 最大潛在破壞趨勢區。
[0024] 所述的步驟3)中，使用數字式雨量遠程監測站采集降雨工況。
[0025] 所述的步驟3)中，使用全站儀對監測點土體的位移和變形進行實時監測。
[0026] 所述的步驟3)中，監測點將土體位移和變形數據通過光纖電纜傳輸到數據采集 站，數據采集站以移動信號的方式通過物聯網的虛擬IP技術將接收的監測數據實時自動 傳輸到遠程客戶端。
[0027] 所述的步驟5)中，所述的長期流變模型的參數采用正反分析方法獲取。
[0028] 所述的步驟6)中，實時降雨工況下的土質邊坡的安全系數采用三維粘彈塑性有 限元的強度折減法計算獲得。
[0029] 所述的步驟7)中，對邊坡的安全性態進行動態評價具體為：降雨時及雨停后2~ 6天內，每0. 5~2小時進行一次評價，當安全系數大于或等于1. 05時，土質邊坡為安全的， 當安全系數小于1. 05時，土質邊坡為不安全。
[0030] 與現有技術相比，本發明具有以下優點：
[0031] 1)依據現場鉆孔取芯、非飽和土的室內滲透試驗，獲取土體的滲透系數和吸力，通 過三軸流變試驗擬合土體的流變模型，采用考慮降雨和非飽和土耦合作用的三維粘彈塑性 有限元的強度折減法數值模擬技術，確定降雨條件下邊坡的最大潛在破壞趨勢面地表上的 監測點，監測點選址合理有據，從而提高了降雨條件下土質邊坡安全性態的時空動態評價 的精度和可靠度。
[0032] 2)在現場設置數字式雨量遠程監測站，利用物聯網虛擬IP技術，實時采集邊坡的 降雨工況，從而進一步提高降雨條件下土質邊坡失穩破壞險情的預警預報精度。
[0033] 3)基于采集的實時降雨工況和位移等現場監測數據，采用正反分析方法，獲取降 雨及干濕循環作用下邊坡的長期流變模型的計算參數，真正考慮了研究對象的時空變化問 題。
[0034] 4)基于實測數據的正反分析計算獲取的降雨及干濕循環作用下邊坡的長期流變 模型的計算參數，采用三維粘彈塑性有限元的強度折減法，計算實時降雨工況下的土質邊 坡的安全系數，對邊坡的安全性態進行動態評價，具有更合理的定量化而且預警預報更方 便的時空動態評價等優點。
【附圖說明】
[0035] 圖1為本發明的流程示意圖。
【具體實施方式】
[0036] 下面結合附圖和具體實施例對本發明進行詳細說明。本實施例以本發明技術方案 為前提進行實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發明的保護范圍不限于 下述的實施例。
[0037] 實施例
[0038] 如圖1所示，一種降雨條件下土質邊坡安全性態的時空動態評價方法，包括以下 步驟：
[0039] 步驟S1，通過邊坡坡體的現場鉆孔取芯，進行非飽和土的室內滲透試驗獲取土體 的滲透系數和吸力，以及通過土體的三軸流變試驗擬合土體的流變模型，具體包括以下步 驟：
[0040] S101，在邊坡坡體現場鉆孔取芯，獲得非飽和的巖土土樣。
[0041] S102,通過非飽和土的室內滲透試驗，獲取土體的滲透系數KW、KWS (心和Kws分別為 土體非飽和滲透系數和飽和滲透系數）和吸力（Ua- Uw) (Ua為土體孔隙氣壓力，UwS土體孔 隙水壓力）。
[0042] S103,使用土體三軸流變實驗機進行土體的三軸流變試驗，擬合土體的流變模型 AeOT=At^aiqnU-At)'得到式中常數apirun的數值，式中，AEra為懦變增量，q為 剪應力，At為時間增量。
[0043] 步驟S2,基于步驟Sl室內試驗獲取的計算參數，采用考慮降雨和非飽和土耦合作 用的三維粘彈塑性有限元的強度折減法數值模擬手段，確定降雨條件下邊坡的最大潛在破 壞趨勢面地表上的監測點，具體包括以下步驟：
[0044] S201，通過經驗或試驗確定折減系數的初始值Fs。