本發明涉(she)(she)及地質災害預警，尤(you)其是涉(she)(she)及一種基于小波變換的(de)滑坡涌浪分析方法。

背景技術：

1、滑(hua)坡涌(yong)(yong)浪是在(zai)指發生山體滑(hua)坡后，山體滑(hua)落到(dao)水(shui)(shui)面，從而造成(cheng)水(shui)(shui)面翻涌(yong)(yong)成(cheng)浪的情(qing)況，是一(yi)種在(zai)山區(qu)(qu)(qu)常(chang)見(jian)的地質災害，其中(zhong)特別是水(shui)(shui)庫庫區(qu)(qu)(qu)的滑(hua)坡涌(yong)(yong)浪，由于水(shui)(shui)庫附近(jin)居(ju)民較多且(qie)距離較近(jin)，水(shui)(shui)庫大壩、泄洪閘、發電(dian)廠(chang)房等(deng)水(shui)(shui)利設施布置較集中(zhong)，因此，水(shui)(shui)庫庫區(qu)(qu)(qu)發生滑(hua)坡浪涌(yong)(yong)，則會對沿岸居(ju)民區(qu)(qu)(qu)和(he)水(shui)(shui)利基礎設施造成(cheng)嚴(yan)重威(wei)脅(xie)。

2、此外，滑坡(po)產生(sheng)的(de)涌浪波(bo)(bo)(bo)(bo)可(ke)分為線(xian)(xian)性(xing)(xing)(xing)波(bo)(bo)(bo)(bo)、非線(xian)(xian)性(xing)(xing)(xing)波(bo)(bo)(bo)(bo)，或者(zhe)(zhe)兩種類型(xing)波(bo)(bo)(bo)(bo)的(de)疊加，其中(zhong)，線(xian)(xian)性(xing)(xing)(xing)波(bo)(bo)(bo)(bo)的(de)波(bo)(bo)(bo)(bo)能(neng)傳(chuan)(chuan)遞(di)相對(dui)均(jun)(jun)勻(yun)，對(dui)接觸到的(de)目標(biao)結構(gou)影(ying)響較為穩定；非線(xian)(xian)性(xing)(xing)(xing)波(bo)(bo)(bo)(bo)波(bo)(bo)(bo)(bo)能(neng)傳(chuan)(chuan)遞(di)不均(jun)(jun)勻(yun)，存在波(bo)(bo)(bo)(bo)能(neng)聚集和散射等現象，可(ke)能(neng)導(dao)致對(dui)接觸到的(de)目標(biao)結構(gou)受力不均(jun)(jun)，同時由(you)于波(bo)(bo)(bo)(bo)形的(de)復(fu)(fu)雜性(xing)(xing)(xing)，非線(xian)(xian)性(xing)(xing)(xing)波(bo)(bo)(bo)(bo)的(de)作(zuo)用力可(ke)能(neng)更加劇烈，會(hui)導(dao)致目標(biao)結構(gou)的(de)局(ju)部破壞、斷(duan)裂(lie)或者(zhe)(zhe)整(zheng)體崩塌，修復(fu)(fu)難度大；而在兩種類型(xing)波(bo)(bo)(bo)(bo)疊加的(de)情況中(zhong)，一般是線(xian)(xian)性(xing)(xing)(xing)波(bo)(bo)(bo)(bo)和非線(xian)(xian)性(xing)(xing)(xing)波(bo)(bo)(bo)(bo)隨機或者(zhe)(zhe)交替出現。

3、當前關(guan)于滑(hua)坡涌浪研(yan)究(jiu)，主要采用物理模型、數值模型和(he)經驗(yan)公式等方法(fa)，雖然能(neng)夠獲(huo)得(de)滑(hua)坡涌浪所(suo)造成的(de)(de)初始波(bo)髙、最(zui)大爬(pa)高以及波(bo)浪的(de)(de)傳播特性(xing)，但是這些方法(fa)卻無法(fa)準確判斷(duan)涌浪波(bo)的(de)(de)類型、獲(huo)取涌浪波(bo)的(de)(de)能(neng)量(liang)分布(bu)及衰減規律，從而無法(fa)更好(hao)地進行滑(hua)坡災(zai)(zai)害(hai)(hai)的(de)(de)影響(xiang)評價，導致災(zai)(zai)害(hai)(hai)預(yu)警(jing)不(bu)準確和(he)不(bu)及時，進而影響(xiang)水庫附(fu)近(jin)居(ju)民的(de)(de)生命(ming)財產安全和(he)大壩及其他水工建筑物的(de)(de)穩定(ding)運行。

4、另外，滑(hua)坡涌浪是一(yi)種多向且非(fei)(fei)平穩的(de)(de)現象(xiang)，其波形、振幅或頻(pin)率等特(te)征(zheng)在(zai)時間上并非(fei)(fei)恒(heng)定，可(ke)能(neng)是突然的(de)(de)波峰或波谷(gu)、頻(pin)率的(de)(de)變化或振幅的(de)(de)快速增減等，表(biao)現出(chu)一(yi)種非(fei)(fei)穩定信號的(de)(de)傳遞特(te)征(zheng)；

5、因此，我們提(ti)出了一(yi)種(zhong)基于小(xiao)波變換的滑坡涌浪分析方(fang)法，以解決(jue)上述問題。

技術實現思路

1、為(wei)了克服背景技術中的不足(zu)，本發明公開了一種(zhong)基(ji)于小波變換(huan)的滑坡涌浪分析方法。

2、為實(shi)現上述(shu)發(fa)明(ming)目的，本發(fa)明(ming)采用如(ru)下技(ji)術方案：

3、一種基于小波變換的滑坡涌浪分析方法，具體為：

4、步驟1.通過資(zi)料收(shou)集(ji)和地質勘查獲取地形數據，建立(li)三維幾何模型；

5、步驟2.將步驟1中的三維幾(ji)何(he)模型導入cfd軟件，并設置模型參數、初始條件和滑坡體(ti)，其(qi)中滑坡體(ti)和對岸之間連線上，設置監(jian)測點a和監(jian)測點b；

6、步驟(zou)3.設置(zhi)計(ji)算(suan)的(de)時(shi)間后，cfd軟(ruan)件開始計(ji)算(suan)，最終輸出模(mo)型的(de)自由液(ye)面波高的(de)歷時(shi)數據；

7、步驟(zou)4.基于matlab仿(fang)真軟件(jian)，對(dui)模(mo)型的(de)自由液面波(bo)(bo)高的(de)歷時數據進行(xing)小波(bo)(bo)變換；

8、步驟5.根據步驟4中小波變換輸出(chu)的(de)(de)系數矩陣和其對應的(de)(de)頻率值，經過matlab仿真(zhen)后，得到模(mo)型的(de)(de)時頻域能(neng)量譜；

9、步驟(zou)6、通過時頻域(yu)能量(liang)譜(pu)確定涌(yong)浪波的(de)類(lei)型、滑坡涌(yong)浪的(de)能量(liang)分布特(te)征和傳播(bo)規律。

10、優(you)選(xuan)的(de)，所述三維幾(ji)何模型在rhino軟件中構(gou)建。

11、優選(xuan)的(de)，所述cfd軟件中的(de)模型參(can)數包(bao)括，重力(li)加速度(du)、失穩岸坡的(de)顆(ke)粒密度(du)、整體(ti)孔隙率、休止(zhi)角、摩擦(ca)角、顆(ke)粒平均粒徑、顆(ke)粒間的(de)流體(ti)密度(du)、計(ji)算所需正(zheng)常蓄水位高程、滑(hua)坡體(ti)體(ti)積和堆(dui)積層的(de)厚度(du)。

12、優選的，所述(shu)cfd軟件(jian)中(zhong)還對模型的邊界進行限制。

13、優選(xuan)的，所(suo)述(shu)步驟4中小波變換的過(guo)程為：

14、1)系數矩陣wt(a,b)的計算過程為(wei)：

15、

16、

17、其中，x(t)為滑坡涌浪信號數(shu)(shu)(shu)據，即自由液面波高的(de)歷時數(shu)(shu)(shu)據，是(shi)gab(t；a,b)的(de)共軛(e)復(fu)數(shu)(shu)(shu)函數(shu)(shu)(shu)，t為時間變量，a是(shi)尺度參數(shu)(shu)(shu)；b是(shi)平移參數(shu)(shu)(shu)，gab(t；a,b)為連續小波函數(shu)(shu)(shu)，為基本小波函數(shu)(shu)(shu)；

18、2)系(xi)數矩(ju)陣對(dui)應的(de)頻率(lv)值fa為：

19、

20、其中，a是尺度(du)，fs是采樣頻(pin)率,fc是連續小波(bo)函數(shu)的中心頻(pin)率。

21、優選的，所(suo)述步驟(zou)4進行(xing)小波(bo)變換之前，先將(jiang)自由(you)液面波(bo)高的歷時(shi)數(shu)據(ju)導入到矩陣(zhen)類(lei)型的data函數(shu)，且在data函數(shu)中第一(yi)列(lie)數(shu)據(ju)為時(shi)間，賦值給t，集合data中第二列(lie)數(shu)據(ju)為自由(you)液面的波(bo)高，賦值為x，構成(cheng)滑(hua)坡(po)涌浪信號數(shu)據(ju)x(t)。

22、優選(xuan)的，所述gab(t；a,b)連續小波函數(shu)具體為(wei)morlet連續小波函數(shu)。

23、優選的，所述(shu)步驟(zou)5中(zhong)時頻域能(neng)量譜(pu)的獲(huo)取方法為：

24、1)計(ji)算系(xi)數矩陣中各小波系(xi)數的(de)模(mo)，并賦值至(zhi)abs函數，將所有小波系(xi)數對應的(de)頻率值構成(cheng)頻率軸(zhou)freq；

25、2)調用matlab仿真軟(ruan)件(jian)中(zhong)的contuor命令(ling)，并將(jiang)時間times，頻率軸freq，以及abs作(zuo)為參數傳遞給(gei)contuor命令(ling)；

26、3)contuor命令在matlab仿真軟件中運行，得到等(deng)高線類型的(de)時頻域能量譜。

27、優選的(de)(de)，所述等高線類(lei)型的(de)(de)時頻域能(neng)(neng)(neng)量(liang)譜(pu)在(zai)仿真(zhen)軟件中繪制時，contuor命令(ling)會運行abs函數繪制出能(neng)(neng)(neng)量(liang)譜(pu)的(de)(de)圖(tu)(tu)形，以及運行包括(kuo)將(jiang)能(neng)(neng)(neng)量(liang)譜(pu)x軸的(de)(de)標(biao)簽(qian)設為(wei)times(s)的(de)(de)xlabel指令(ling)，將(jiang)能(neng)(neng)(neng)量(liang)譜(pu)y軸的(de)(de)標(biao)簽(qian)設為(wei)freq(hz)的(de)(de)ylabel指令(ling)，將(jiang)能(neng)(neng)(neng)量(liang)譜(pu)等高線的(de)(de)顏(yan)色(se)類(lei)型設為(wei)彩虹色(se)的(de)(de)colormap指令(ling)，和在(zai)能(neng)(neng)(neng)量(liang)譜(pu)上(shang)添加一個帶有“能(neng)(neng)(neng)量(liang)”標(biao)簽(qian)顏(yan)色(se)條的(de)(de)h＝colorbar()及ylabel(h,'能(neng)(neng)(neng)量(liang)')指令(ling)，繪制成(cheng)能(neng)(neng)(neng)量(liang)譜(pu)的(de)(de)圖(tu)(tu)表。

28、優選的，所述(shu)步驟(zou)6中分析時(shi)頻(pin)域能量譜的過程為：

29、1)根據能(neng)量譜圖(tu)形是否有旋轉的趨勢，判斷滑坡涌浪的類(lei)型；

30、2)根據能量(liang)(liang)譜圖形中能量(liang)(liang)等高(gao)線的(de)疏密程(cheng)度以及(ji)能量(liang)(liang)的(de)集中區域(yu)和分散(san)區域(yu)，進而判斷滑坡(po)涌(yong)浪的(de)能量(liang)(liang)分布特征；

31、3)根據監(jian)測(ce)點(dian)a的(de)能(neng)量譜中涌浪最大波(bo)能(neng)，和監(jian)測(ce)點(dian)b的(de)能(neng)量譜中涌浪最大波(bo)能(neng)對比，能(neng)夠判(pan)斷(duan)滑坡涌浪的(de)傳播規律。

32、由(you)于采用如上所述的技術方(fang)案(an)，本發明具有如下有益效果：

33、本發(fa)明公開的(de)(de)(de)一種(zhong)基(ji)于(yu)小波(bo)變換的(de)(de)(de)滑(hua)坡涌(yong)(yong)浪分析方法，1、通過對山體(ti)河流模型(xing)的(de)(de)(de)波(bo)高數據進行小波(bo)變換，得到時頻域能量(liang)譜，根據時頻域能量(liang)譜的(de)(de)(de)圖(tu)形，能夠有效且快速(su)的(de)(de)(de)識別涌(yong)(yong)浪波(bo)的(de)(de)(de)類型(xing)、頻率分布(bu)和傳播規律的(de)(de)(de)變化(hua)；

34、2、采用的小波(bo)變換可以(yi)對滑坡(po)涌浪的動態信號進行(xing)快速處(chu)理(li)和分析，結合后(hou)續(xu)仿真生成的能量譜，就(jiu)能夠實現及時響應潛在(zai)的災害威(wei)脅，有利于滑坡(po)災害預(yu)警系統(tong)的建立(li)。

技術特征：

1.一(yi)種基于小波變換(huan)的(de)滑坡涌浪(lang)分析方法，其特征(zheng)是(shi)：具(ju)體為：

2.如權利(li)要求1所述的(de)(de)基于小波變換的(de)(de)滑坡涌(yong)浪分析方法(fa)，其特征是：所述三維幾(ji)何模型在(zai)rhino軟件中構建。

3.如(ru)權利要(yao)求1所(suo)述(shu)的基于小波(bo)變(bian)換的滑坡涌浪分(fen)析(xi)方法，其(qi)特(te)征是：所(suo)述(shu)cfd軟件中(zhong)的模型參數包括(kuo)，重力加速度、失(shi)穩岸(an)坡的顆(ke)粒(li)(li)密度、整體(ti)孔(kong)隙率、休止(zhi)角、摩擦角、顆(ke)粒(li)(li)平(ping)均粒(li)(li)徑、顆(ke)粒(li)(li)間(jian)的流體(ti)密度、計算所(suo)需正(zheng)常(chang)蓄水位高程、滑坡體(ti)體(ti)積(ji)和堆積(ji)層的厚度。

4.如權利要求1所(suo)述的基于小波變換的滑坡涌浪分析方法，其(qi)特征是：所(suo)述cfd軟件中(zhong)還對模型的邊界(jie)進(jin)行限制。

5.如(ru)權(quan)利要求1所(suo)述的基于小波變換的滑坡(po)涌浪分析(xi)方(fang)法，其特征是：所(suo)述步驟4中小波變換的過(guo)程為：

6.如權利要求5所述的(de)基于小波(bo)變換的(de)滑坡(po)涌浪分析(xi)方(fang)法，其特征(zheng)是：所述步(bu)驟4進(jin)行小波(bo)變換之前，先將自由(you)液面(mian)波(bo)高的(de)歷(li)時數據(ju)(ju)導入到矩陣類型的(de)data函數，且在(zai)data函數中第一列(lie)數據(ju)(ju)為(wei)時間，賦(fu)值(zhi)給t，集合data中第二列(lie)數據(ju)(ju)為(wei)自由(you)液面(mian)的(de)波(bo)高，賦(fu)值(zhi)為(wei)x，構(gou)成滑坡(po)涌浪信號數據(ju)(ju)x(t)。

7.如權利要求5所(suo)(suo)述(shu)的(de)基于小(xiao)波(bo)變換的(de)滑(hua)坡涌(yong)浪分(fen)析方法(fa)，其特征是：所(suo)(suo)述(shu)gab(t；a,b)連(lian)續(xu)小(xiao)波(bo)函(han)數具(ju)體為morlet連(lian)續(xu)小(xiao)波(bo)函(han)數。

8.如(ru)權利要求1所(suo)述(shu)(shu)的基于小波變換的滑(hua)坡涌浪分析(xi)方(fang)法，其特征是(shi)：所(suo)述(shu)(shu)步驟5中(zhong)時(shi)頻域能(neng)量譜的獲取方(fang)法為：

9.如權利(li)要求8所述的(de)(de)基于小波變換的(de)(de)滑坡涌浪分析(xi)方法，其特(te)征(zheng)是：所述等高線類型(xing)的(de)(de)時頻域能(neng)(neng)量(liang)譜(pu)(pu)在(zai)仿真軟(ruan)件中繪(hui)制(zhi)時，contuor命令會(hui)運(yun)行(xing)abs函數(shu)繪(hui)制(zhi)出能(neng)(neng)量(liang)譜(pu)(pu)的(de)(de)圖(tu)形(xing)，以及運(yun)行(xing)包括將(jiang)能(neng)(neng)量(liang)譜(pu)(pu)x軸的(de)(de)標(biao)簽設為times(s)的(de)(de)xlabel指(zhi)令，將(jiang)能(neng)(neng)量(liang)譜(pu)(pu)y軸的(de)(de)標(biao)簽設為freq(hz)的(de)(de)ylabel指(zhi)令，將(jiang)能(neng)(neng)量(liang)譜(pu)(pu)等高線的(de)(de)顏色(se)(se)類型(xing)設為彩(cai)虹(hong)色(se)(se)的(de)(de)colormap指(zhi)令，和(he)在(zai)能(neng)(neng)量(liang)譜(pu)(pu)上添加一個帶有“能(neng)(neng)量(liang)”標(biao)簽顏色(se)(se)條(tiao)的(de)(de)h＝colorbar()和(he)ylabel(h,'能(neng)(neng)量(liang)')指(zhi)令，繪(hui)制(zhi)成(cheng)能(neng)(neng)量(liang)譜(pu)(pu)的(de)(de)圖(tu)表。

10.如權利要求9所述的基于小(xiao)波變換(huan)的滑(hua)坡涌浪分析(xi)方法，其特(te)征是：所述步驟6中(zhong)分析(xi)時頻域能量譜的過程(cheng)為：

技術總結
一種基于小波變換的滑坡涌浪分析方法，涉及地質災害預警技術領域，通過對山體河流進行建模，然后由軟件計算出模型的自由液面波高歷時數據，接下來仿真軟件對波高數據進行小波變換，得到時頻域能量譜，根據時頻域能量譜的圖形，有效且快速的識別涌浪波的類型、頻率分布和傳播規律的變化；另外，采用的小波變換可以對滑坡涌浪的動態信號進行快速處理和分析，結合后續仿真生成的能量譜，可對潛在的災害威脅作出及時響應，有利于滑坡災害預警系統的建立。

技術研發人員：魏慧,劉孔震,傅康,曾彥杰,施德航,薛旭,張鑫,路其林,林雋,胡遠航,龍騰,劉曉慶
受保護的技術使用者：四川華能寶興河水電有限責任公司
技術研發日：
技術公布日：2024/9/19