CN111105600B - 基于降雨条件下路堑边坡稳定性动态监测预警***及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于降雨条件下路堑边坡稳定性动态监测预警***及方法，待监测路堑边坡的每级边坡坡顶埋设有第一固定桩，每级边坡的坡脚处埋设有第二固定桩，边坡坡面转折处设置有导轮，导线的一端与第一固定桩固定连接，导线沿坡面依次绕过每个导轮，导线的另一端与第二固定桩固定连接，每级边坡的坡面对应的导线上连接有高精度位移监测传感器；整个待监测路堑边坡的中部安装有雨量监测装置；还包括数据采集收发装置、数值分析及数据统计模块、预警分析平台、预警报告平台。本发明对路堑边坡的参数进行实时动态监测，数据稳定性高，结合未来天气情况对边坡后续可能产生的滑坡进行预警，提高了预警准确性、时效性，省时省力，更安全、经济。
Description
技术领域
本发明属于地质灾害防控技术领域，涉及一种基于降雨条件下路堑边坡稳定性动态监测预警***及方法。
背景技术
公路运输灵活多变、运量大、速度快，但我国幅员辽阔，地形、地质条件复杂，由降雨引起的泥石流、滑坡等公路地质灾害频繁发生，严重威胁了人们的生命和财产安全，给交通运输行业和社会经济的发展带来了巨大损失。路堑边坡是公路工程的重要组成部分，不良气候条件下的路堑边坡是否稳定，是保障公路运输安全的重要因素，鉴于此，对路堑边坡的动态监测和灾害预警具有重要工程意义和现实意义。
在实现本发明的过程中，发明人发现现有技术中至少存在以下问题：采用全站仪或者其他类似的现场人工现场监测边坡稳定性的传统方法测试结果比较准确，但其监测周期长，劳动力消耗大，且在公路运行期时，人工测试极为不安全，再者，在极端恶劣天气条件下，不能够及时地动态地监测边坡稳定性。
中国专利文献CN104655101A于2015年5月27日公开了一种高精度导线式全断面边坡稳定性监测预警***，采用导线将位移传感器与应力传感器相连，传感器监测数据均来源于导线的形变，监测数据来源重复，而导线的变形受气候条件、人为破坏等因素的影响较大(如大风，雨雪或冰雹天气等)，无法对导线形变的真实性来源做出准确判断。同时该方法中用一根导线测定全断面的位移，当其中某一级边坡产生较大位移且其余多级边坡位移较小时，整个监测***可能导致监测结果失效的现象，且直接以监控位移与拉力判断边坡的稳定状态具有一定的不确定性。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供一种基于降雨条件下路堑边坡稳定性动态监测预警***，能够对路堑边坡的参数进行实时动态监测，监测数据稳定性高，结合未来天气情况对边坡后续可能产生的滑坡进行预警，提高了预警准确性、时效性，省时省力，更安全、经济，为自然灾害到来前的快速护坡加固提供重要理论支撑，解决了现有技术中存在的问题。
本发明的另一目的提供一种基于降雨条件下路堑边坡稳定性动态监测预警方法。
本发明所采用的技术方案是，一种基于降雨条件下路堑边坡稳定性动态监测预警***，待监测路堑边坡的每级边坡坡顶埋设有第一固定桩，每级边坡的坡脚处埋设有第二固定桩，边坡坡面转折处设置有导轮，导线的一端与第一固定桩固定连接，导线沿坡面依次绕过每个导轮，导线的另一端与第二固定桩固定连接，导线与相应坡面保持平行，每级边坡的坡面对应的导线上连接有高精度位移监测传感器，用于监测各级边坡的实际位移；
整个待监测路堑边坡的中部安装有雨量监测装置，用于监测边坡降雨量；
所述监测预警***还包括：
数据采集收发装置，用于接收高精度位移监测传感器及雨量监测装置的监测数据，并发送到预警分析平台；
数值分析及数据统计模块，用于根据待监测路堑边坡的各级边坡位移、边坡降雨量与边坡安全系数的规律拟合得到模型系数，发送至预警分析平台；
预警分析平台，用于将实时监测的边坡实际位移、边坡降雨量输入边坡稳定性预估模型，确定边坡的实际安全系数，并通过预警报告平台发出预警信息。
进一步的，所述待监测路堑边坡的每级边坡之间的连接段为平台。
进一步的，所述导线和高精度位移监测传感器的上方安装有槽形的防护罩。
进一步的，所述导轮分别通过导轮固定桩固定于边坡上的对应位置。
进一步的，所述高精度位移监测传感器距边坡表面3-5cm。
进一步的，所述第一固定桩埋设在每级边坡坡顶的稳定安全区域内。
进一步的，所述数据采集收发装置安装于雨量监测装置的附近。
进一步的，所述第一固定桩、第二固定桩均为混凝土浇筑桩。
一种基于降雨条件下路堑边坡稳定性动态监测预警方法，采用上述基于降雨条件下路堑边坡稳定性动态监测预警***，具体按照以下步骤进行：
S1，在工程现场对待监测路堑边坡的每一级边坡取原土样，通过室内试验得到待监测路堑边坡土体的相关物理力学参数；在待监测路堑边坡上选取一有代表性的横断面为监测断面，确定监测断面尺寸，绘制监测断面图，得到边坡模型；
S2，根据待监测路堑边坡的工程地形、地质、边坡的类型和防护形式确定每级边坡的坡顶稳定安全距离Ls，在超过坡顶稳定安全距离Ls的区域内埋设第一固定桩，每级边坡的坡脚处埋设有第二固定桩，边坡坡面转折处设置有导轮，导线的一端与第一固定桩固定连接，导线沿坡面依次绕过每个导轮，导线的另一端与第二固定桩固定连接，导线与相应坡面保持平行，每级边坡的坡面对应的导线上连接有高精度位移监测传感器；整个待监测路堑边坡的中部安装有雨量监测装置；安装数据采集收发装置，用于接收高精度位移监测传感器及雨量监测装置的监测数据，并发送到预警分析平台；数据采集收发装置记录高精度位移监测传感器安装时的温度，对比安装时与采集数据时的温度差，再乘以导线的热膨胀系数计算出导线因温度影响而产生的变形，修正高精度位移监测传感器实际监测的导线变形量；
S3，通过数值分析及数据统计模块对待监测路堑边坡进行数值模拟建模和计算；数值分析及数据统计模块包括岩土应力变形分析模块、渗流分析模块、边坡稳定性预估模块；将待监测路堑边坡的边坡模型、边坡压缩模量、降雨量输入至岩土应力变形分析模块，得到边坡模型每个截面的应力和变形；将待监测路堑边坡的边坡模型和边坡渗透系数输入至渗流分析模块，得到边坡模型每个截面的孔隙水压力；岩土应力变形分析模块与渗流分析模块联合计算得出边坡变形和孔隙水压力随时间的变化模型，并将边坡变形和孔隙水压力随时间的变化模型输入到边坡稳定性预估模块中，同时将待监测路堑边坡的边坡模型、物理力学参数、每级边坡位移输入至边坡稳定性分析模块，得到单元土体在水平方向和法向两个方向上的安全系数，通过有限元计算与分析模块得到待监测路堑边坡的安全系数和最不安全滑移面，进而对大量不同降雨量数值、每级边坡位移数值和待监测路堑边坡对应的边坡安全系数进行数值模拟，得到不同条件下，边坡安全系数随时间变化的规律，形成数据库；
S4，通过数据分析法对获取的数据库进行数理统计分析，对降雨量数值、每级边坡位移数值和待监测路堑边坡对应的安全系数进行拟合得到预估模型Fs＝a0(x0)+a1(x1)+a2(x2)+a3(x3)+a4(x4)+…+an(xn)+b的模型参数，其中，Fs表示路堑边坡的安全系数，x0表示待监测路堑边坡的降雨量，x1表示第1级边坡的位移，x2表示第2级边坡的位移……，xn表示第n级边坡的位移，a0～an和b均表示模型参数；
S5，预警分析平台将实时监测的边坡实际位移、边坡降雨量输入边坡稳定性预估模型，确定边坡的实际安全系数；并根据路堑边坡的安全系数对当前路堑边坡的稳定性进行分级，通过预警报告平台发出预警信息；以无降雨所对应的边坡安全系数为1级预警值的上限，以降雨量为1mm/天所对应的边坡安全系数为2级预警值的上限，路堑边坡安全系数允许的最低值为4级预警值的下限，将2级预警值上限与4级预警值下限的平均值作为3级预警值上限。
进一步的，所述步骤S3中：
岩土应力变形分析模块，用于通过单元土体的达西定律微分方程计算出其渗流速度、渗透系数、单位水重量、含水量和时间之间的关系，其式如下：
渗流分析模块，用于通过达西定律计算非饱和土体中的达西定律判定单位体积流量、总渗透系数和总水头梯度之间的关系：q＝k·i，其中q为单位体积流量；k为总渗透系数；i为总水头梯度；
边坡稳定性预估模块，用于基于条分法和极限平衡理论对边坡进行安全稳定性计算，首先将滑坡面在竖直方向上分条土体单元，然后根据式(1)-(2)，计算分条土体单元在水平方向和法向两个方向上的安全系数：
法力矩平衡安全系数Fm：
水平方向静力平衡安全系数Ff：
式中：
c'—有效粘聚力；
φ'—有效摩擦角；
u—孔隙水压力；
N—土条底部法向力；
Wx—第x个土条的重量；
D—集中荷载；
β—折算系数；
R—滑弧圆心到滑弧的距离；
x—滑弧中心至土条中心距离；
f—滑弧中心至土条底法向面的垂直距离；
d—集中荷载的力矩；
ω—坡顶受力夹角；
a—土条地面倾角。
本发明的有益效果是：
1、通过数据采集收发装置接收高精度位移监测传感器及雨量监测装置的监测数据，通过无线传输发送到预警分析平台；数值分析及数据统计模块将有限元数值模拟与气候条件及边坡岩土体参数联合计算与分析，得到了边坡形变与降雨量之间的数据库，并基于所得到的数据库通过数据拟合软件得到边坡稳定性预估模型的模型系数，发送至预警分析平台；预警分析平台通过边坡稳定性预估模型确定边坡的实际安全系数，进行预警分级，并通过预警报告平台发出预警信息，全局性强，能够通盘考虑不同条件下的边坡实际情况，大大提高了实时预警的准确性。
2、各级边坡上的高精度位移监测传感器与导线独立布置，能够准确测得各级边坡的实际位移，提高监测预警的准确性，避免了因各级边坡位移不同而导致监测***失效的问题；同时在边坡表面加装防护罩，可大幅减小因恶劣天气及其他因素对监测数据的影响。
3、本发明采用的数据采集收发模块能够将现场数据实时传输进边坡预警平台经过快速计算后判定出结果，可以远程实时监控边坡的稳定性并进行超前预警，比传统的人工测量后通过专家经验判断或手算结果的方式要更具备时效性和动态跟踪性。由于边坡的滑塌往往在瞬间发生，本发明中的监测与预警过程时效性高、动态跟踪性强，为相关人员在边坡滑塌前做出充足应对方案赢得时间。
4、传统的现场监测方式存在工作重复量大、劳动力消耗大，高速公路通车后，对边坡进行人工监测对测量人员的人身安全存在着较大隐患；本发明实现了边坡工程中相关理论与现场监测数据的结合，省时省力，更安全、经济，元器件的布设集中于施工期中，且只需要一次性布设，节约了反复测量带来的较大经济成本，克服了传统监测方法的缺陷。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例预警方法流程图。
图2是本发明实施例路堑边坡分级监测示意图。
图3是本发明实施例边坡传感器布置侧面示意图。
图4是本发明实施例边坡传感器布置正面示意图。
图5是本发明实施例中边坡在降雨条件为1mm/天的孔隙水压力图。
图6是本发明实施例中边坡在降雨条件为1mm/天的最不安全滑移面图。
图中，1.第一固定桩，2.导线，3.导轮固定桩，4.高精度位移监测传感器，5.导轮，6.雨量监测装置，7.数据采集收发装置，8.防护罩，9.第二固定桩，10.数值分析及数据统计模块，11.预警分析平台，12.预警报告平台。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例基于降雨条件下路堑边坡稳定性动态监测预警***，如图1-3所示，待监测路堑边坡的每级边坡坡顶埋设有第一固定桩1，第一固定桩1埋设在每级边坡坡顶的稳定安全区域内，每级边坡的坡脚处埋设有第二固定桩9，第一固定桩1、第二固定桩9均为混凝土浇筑桩；边坡坡面转折处设置有导轮5，导轮5分别通过导轮固定桩3固定于边坡上的对应位置，导线2的一端与第一固定桩1固定连接，导线2沿坡面依次绕过每个导轮5，导线2的另一端与第二固定桩9固定连接，导线2与相应坡面保持平行，每级边坡的坡面对应的导线2上连接有高精度位移监测传感器4，用于监测各级边坡的实际位移；依次类推铺满整个待监测路堑边坡。高精度位移监测传感器4距边坡表面3-5cm，通过高精度位移监测传感器4监测导线2的变形，从而实时监测每级边坡的位移。
整个待监测路堑边坡的中部安装有雨量监测装置6，用于监测边坡降雨量，避免道路行车、坡顶杂物的破坏或干扰。雨量监测装置6包括雨量筒、数据计量器。
数据采集收发装置7，用于接收高精度位移监测传感器4及雨量监测装置6的监测数据，并发送到预警分析平台11；数据采集收发装置7包括数据收集发送主板、发送天线、电源、硬件保护装置等。数据采集收发装置7安装于雨量监测装置6的附近，便于施工。
数值分析及数据统计模块10，用于根据待监测路堑边坡的各级边坡位移、边坡降雨量与边坡安全系数的规律拟合得到模型系数，发送至预警分析平台11。
预警分析平台11，用于将实时监测的边坡实际位移、边坡降雨量输入边坡稳定性预估模型，确定边坡的实际安全系数，并通过预警报告平台12发出预警信息。
如图4所示，在导线2和高精度位移监测传感器4的上方安装有槽形的防护罩8，防止外部环境的干扰，大幅减小因恶劣天气及其他因素对监测数据的影响；高精度位移监测传感器4与雨量监测装置6所监测到的数据发送至数据采集收发装置7，数据采集收发装置7对数据进行统计处理后发送至预警分析平台11。
待监测路堑边坡的每级边坡之间的连接段为平台，由于每级边坡之间的连接段为平台，理论上在边坡发生严重滑坡时才有可能发生位移，在边坡稳定性监测中无需监测该连接段的位移，不会影响监测预警结果。本发明实施例中各级边坡上的高精度位移监测传感器4与导线2独立布置，防止各级边坡之间互影响，能够准确测得各级边坡的实际位移，提高监测预警的准确性，避免了因各级边坡位移不同而导致监测***失效的问题。
本发明实施例基于降雨条件下路堑边坡稳定性动态监测预警方法，如图1所示，具体按照以下步骤进行：
S1，在工程现场对待监测路堑边坡的每一级边坡取原土样，通过室内试验(颗粒筛分、液塑限测定、直接剪切试验等)得到待监测路堑边坡土体的相关物理力学参数(密度、粘聚力、内摩擦角、渗透系数、变形模量等)；在待监测路堑边坡上选取一有代表性的横断面为监测断面，确定监测断面尺寸，绘制监测断面图，得到边坡模型；
S2，根据待监测路堑边坡的工程地形、地质以及边坡的类型和防护形式确定每级边坡的坡顶稳定安全距离Ls(3m≤Ls≤5m)，在超过坡顶稳定安全距离Ls的区域内埋设第一固定桩1，每级边坡的坡脚处埋设有第二固定桩9，边坡坡面转折处设置有导轮5，导线2的一端与第一固定桩1固定连接，导线2沿坡面依次绕过每个导轮5，导线2的另一端与第二固定桩9固定连接，导线2与相应坡面保持平行，每级边坡的坡面对应的导线2上连接有高精度位移监测传感器4，用于监测各级边坡的实际位移；整个待监测路堑边坡的中部安装有雨量监测装置6，用于监测边坡降雨量；安装数据采集收发装置7，用于接收高精度位移监测传感器4及雨量监测装置6的监测数据，并发送到预警分析平台11；数据采集收发装置7记录高精度位移监测传感器4安装时的温度，对比安装时与采集数据时的温度差，再乘以导线2的热膨胀系数计算出导线2因温度影响而产生的变形，修正高精度位移监测传感器4实际监测的导线2变形量，监测所得数据与实际变形高度吻合。每级边坡沿边坡延伸方向根据实际情况可以设有多条相互平行的导线2，尤其坡面形状发生较大变化的坡面上需要布置导线2。
S3，通过数值分析及数据统计模块10对待监测路堑边坡进行数值模拟建模和计算；
数值分析及数据统计模块10包括岩土应力变形分析模块、渗流分析模块、边坡稳定性预估模块；
岩土应力变形分析模块，用于通过单元土体的达西定律微分方程计算出其渗流速度、渗透系数、单位水重量、含水量和时间之间的关系，其式如下：
渗流分析模块，用于通过达西定律计算非饱和土体中的达西定律判定单位体积流量、总渗透系数和总水头梯度之间的关系：q＝k·i，其中q为单位体积流量；k为总渗透系数；i为总水头梯度。
边坡稳定性预估模块，用于基于条分法和极限平衡理论对边坡进行安全稳定性计算，首先将滑坡面在竖直方向上分条土体单元，如图6所示，图中横坐标为边坡断面水平距离，纵坐标为边坡高程，然后根据极限平衡理论方程，式(1)和式(2)计算分条土体单元在水平方向和法向两个方向上的安全系数：
法力矩平衡安全系数Fm：
水平方向静力平衡安全系数Ff：
c'—有效粘聚力；
φ'—有效摩擦角；
u—孔隙水压力；
N—土条底部法向力；
Wx—第x个土条的重量；
D—集中荷载；
β—折算系数；
R—滑弧圆心到滑弧的距离；
x—滑弧中心至土条中心距离；
f—滑弧中心至土条底法向面的垂直距离；
d—集中荷载的力矩；
ω—坡顶受力夹角；
a—土条地面倾角。
将待监测路堑边坡的边坡模型、边坡压缩模量、降雨量输入至岩土应力变形分析模块，得到边坡模型每个截面的应力和变形；
将待监测路堑边坡的边坡模型(包括边坡的几何形状、监测断面尺寸)和边坡渗透系数输入至渗流分析模块，得到边坡模型每个截面的孔隙水压力；
岩土应力变形分析模块与渗流分析模块联合计算得出边坡变形和孔隙水压力随时间的变化模型，并将边坡变形和孔隙水压力随时间的变化模型输入到边坡稳定性预估模块中，同时将待监测路堑边坡的边坡模型、物理力学参数(如粘聚力和内摩擦角)、每级边坡位移输入至边坡稳定性分析模块，得到单元土体在水平方向和法向两个方向上的安全系数，通过有限元计算与分析模块得到待监测路堑边坡的安全系数和最不安全滑移面；进而对大量不同降雨量数值(收集当地历年的降雨量)、每级边坡位移数值和待监测路堑边坡对应的边坡安全系数进行数值模拟，得到不同条件下边坡安全系数随时间变化的规律，形成数据库，为后续预估模型的提出，提供数据蓝本。
S4，通过数据分析法对建立的数据库进行数理统计分析，对降雨量数值、每级边坡位移数值和待监测路堑边坡对应的安全系数进行拟合得到预估模型Fs＝a0(x0)+a1(x1)+a2(x2)+a3(x3)+a4(x4)+…+an(xn)+b的模型参数，其中，Fs表示路堑边坡的安全系数，x0表示待监测路堑边坡的降雨量，x1表示第1级边坡的位移，x2表示第2级边坡的位移……，xn表示第n级边坡的位移；a0～an和b表示模型参数(自变量对应的修正系数)；
通过上述预估模型表示边坡安全系数与降雨量、位移的变化规律，快速得到现实中边坡在不同降雨条件下的安全系数，避免了由人为经验判断的主观色彩，更有利于边坡稳定性预警的客观判断和预警；既能缩短预警***的响应时间，又能大大提高了实时预警的准确性。
S5，预警分析平台11将实时监测的边坡实际位移、边坡降雨量输入边坡稳定性预估模型，确定边坡的实际安全系数；依据已有规范及公路边坡地质灾害动态监测预警模型，根据路堑边坡的安全系数对当前路堑边坡的稳定性进行分级，通过预警报告平台12发出预警信息。
以无降雨所对应的边坡安全系数为1级预警值的上限(当边坡安全系数大于此数值时为安全)，以降雨量为1mm/天(小雨)所对应的边坡安全系数为2级预警值的上限(当边坡安全系数大于此数值时为安全)，结合规范将Fs＝1.1为4级预警值(危险级)的下限，将2级预警值上限与4级预警值下限的平均值作为3级预警值上限，Fs＝1.1为路堑边坡安全系数允许的最低值，可以结合规范适当调高3级预警值(警告级)与4级预警值(危险级)的范围；同时，由于边坡稳定性受多种因素(如：降雨和位移)影响，据此规范提出预警等级相应的单因素与多因素预警模型，单因素模型仅考虑降雨量或位移与安全系数的关系，多因素模型综合考虑降雨量和位移对安全系数的影响；判断方法是：若单因素预警模型的预警值处于1级(安全级)或2级(关注级)时，需通过多因素预警模型进一步评判边坡的安全状态，若多因素模型的预警等级也在1级与2级之间，则判定边坡处于安全状态，综合单因素和多因素判定预警等级为2级；若多因素模型预警等级在3级或4级，则最后判定预警等级与多因素模型等级一致。模型的预警等级达到3级(警告级)或4级(危险级)时，则可根据单因素预警结果自动触发预警报告平台12的报警装置，能提前发出危险预警，有关人员会有更充足的反应时间作出相应的防护措施。
本发明实施例，
某五级边坡，其监测方案如图2所示，其土体天然密度：2.55g/cm3、粘聚力50kPa、渗透系数：5×10-9m/s、压缩模量11MPa，边坡土体的基质吸力函数如图5所示：
在降雨量为1mm/天条件下，采用本发明实施例的监测预警方法，通过GeoStudio软件中SEEP和SLOPE两个软件进行降雨条件下边坡的稳定性分析建模及数值计算结果，见下图。确定的边坡安全系数为1.316，如图6所示。
通过数值分析及数据统计模块10对大量的降雨量数值(收集当地历年的降雨量)、每级边坡位移数值和待监测路堑边坡对应的边坡安全系数进行数值模拟，得到不同降雨量，边坡安全系数随时间变化的规律，形成数据库，如表1所示。
表1 待监测路堑边坡最低安全系数的数据库(部分)
通过数据分析法对建立的数据库进行数据统计分析，对降雨量数值、每级边坡位移数值和待监测路堑边坡对应的安全系数进行拟合得到预估模型Fs＝a0(x0)+a1(x1)+a2(x2)+a3(x3)+a4(x4)+…+a5(x5)+b的模型参数a0、a1、a2、a3、a4、a5、b，如表2所示。
表2 模型参数
依据已有规范及公路边坡地质灾害动态监测预警模型，根据路堑边坡的安全系数对当前路堑边坡的稳定性进行分级，见表3：
表3 预警等级划分
| 预警等级 | 安全级别 | 安全系数Fs满足条件 |
| 一级预警 | 安全 | Fs≥1.316 |
| 二级预警 | 关注 | 1.2≤Fs＜1.29 |
| 三级预警 | 警告 | 1.15≤Fs<1.2 |
| 四级预警 | 危险 | 1.10≤Fs<1.15 |
本发明实施例基于降雨条件下路堑边坡稳定性动态监测预警***，监测数据受气候等因素影响小；通过将现场实测值传输至岩土应力变形分析模块、渗流分析模块、边坡稳定性预估模块，通过上述模块进行计算，将大大提高对边坡稳定性的判断精度，能够更安全和有效的确定边坡稳定性系数，运用数理统计的方法能找到位移、降雨与边坡安全系数之间的公式，大幅降低预警的复杂性，极大程度上提高了预警准确性与时效性，相比于现场人工监测及传统预警方法更加经济、安全。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。
Claims (9)
1.一种基于降雨条件下路堑边坡稳定性动态监测预警方法，其特征在于，具体按照以下步骤进行：
S1，在工程现场对待监测路堑边坡的每一级边坡取原土样，通过室内试验得到待监测路堑边坡土体的相关物理力学参数；在待监测路堑边坡上选取一有代表性的横断面为监测断面，确定监测断面尺寸，绘制监测断面图，得到边坡模型；
S2，根据待监测路堑边坡的工程地形、地质、边坡的类型和防护形式确定每级边坡的坡顶稳定安全距离Ls，在超过坡顶稳定安全距离Ls的区域内埋设第一固定桩(1)，每级边坡的坡脚处埋设有第二固定桩(9)，边坡坡面转折处设置有导轮(5)，导线(2)的一端与第一固定桩(1)固定连接，导线(2)沿坡面依次绕过每个导轮(5)，导线(2)的另一端与第二固定桩(9)固定连接，导线(2)与相应坡面保持平行，每级边坡的坡面对应的导线(2)上连接有高精度位移监测传感器(4)；整个待监测路堑边坡的中部安装有雨量监测装置(6)；安装数据采集收发装置(7)，用于接收高精度位移监测传感器(4)及雨量监测装置(6)的监测数据，并发送到预警分析平台(11)；数据采集收发装置(7)记录高精度位移监测传感器(4)安装时的温度，对比安装时与采集数据时的温度差，再乘以导线(2)的热膨胀系数计算出导线(2)因温度影响而产生的变形，修正高精度位移监测传感器(4)实际监测的导线(2)变形量；
S3，通过数值分析及数据统计模块(10)对待监测路堑边坡进行数值模拟建模和计算；数值分析及数据统计模块(10)包括岩土应力变形分析模块、渗流分析模块、边坡稳定性预估模块；将待监测路堑边坡的边坡模型、边坡压缩模量、降雨量输入至岩土应力变形分析模块，得到边坡模型每个截面的应力和变形；将待监测路堑边坡的边坡模型和边坡渗透系数输入至渗流分析模块，得到边坡模型每个截面的孔隙水压力；岩土应力变形分析模块与渗流分析模块联合计算得出边坡变形和孔隙水压力随时间的变化模型，并将边坡变形和孔隙水压力随时间的变化模型输入到边坡稳定性预估模块中，同时将待监测路堑边坡的边坡模型、物理力学参数、每级边坡位移输入至边坡稳定性分析模块，得到单元土体在水平方向和法向两个方向上的安全系数，通过有限元计算与分析模块得到待监测路堑边坡的安全系数和最不安全滑移面，进而对大量不同降雨量数值、每级边坡位移数值和待监测路堑边坡对应的边坡安全系数进行数值模拟，得到不同条件下，边坡安全系数随时间变化的规律，形成数据库；
S4，通过数据分析法对获取的数据库进行数理统计分析，对降雨量数值、每级边坡位移数值和待监测路堑边坡对应的安全系数进行拟合得到预估模型Fs＝a0(x0)+a1(x1)+a2(x2)+a3(x3)+a4(x4)+…+an(xn)+b的模型参数，其中，Fs表示路堑边坡的安全系数，x0表示待监测路堑边坡的降雨量，x1表示第1级边坡的位移，x2表示第2级边坡的位移……，xn表示第n级边坡的位移，a0～an和b均表示模型参数；
S5，预警分析平台(11)将实时监测的边坡实际位移、边坡降雨量输入边坡稳定性预估模型，确定边坡的实际安全系数；并根据路堑边坡的安全系数对当前路堑边坡的稳定性进行分级，通过预警报告平台(12)发出预警信息；以无降雨所对应的边坡安全系数为1级预警值的上限，以降雨量为1mm/天所对应的边坡安全系数为2级预警值的上限，路堑边坡安全系数允许的最低值为4级预警值的下限，将2级预警值上限与4级预警值下限平均值作为3级预警值上限。
2.根据权利要求1所述的一种基于降雨条件下路堑边坡稳定性动态监测预警方法，其特征在于，所述步骤S3中：
岩土应力变形分析模块，用于通过单元土体的达西定律微分方程计算出其渗流速度、渗透系数、单位水重量、含水量和时间之间的关系，其式如下：
其中，kx是水平方向上的渗透系数；ky是竖直方向上的渗透系数；uw为渗流速度；γw为单位水的重量；θw为体积含水量；t为时间；x表示水平方向，y表示竖直方向；
渗流分析模块，用于通过达西定律计算非饱和土体中的达西定律判定单位体积流量、总渗透系数和总水头梯度之间的关系：q＝k·i，其中q为单位体积流量；k为总渗透系数；i为总水头梯度；
边坡稳定性预估模块，用于基于条分法和极限平衡理论对边坡进行安全稳定性计算，首先将滑坡面在竖直方向上分条土体单元，然后根据式(1)-(2)，计算分条土体单元在水平方向和法向两个方向上的安全系数：
法力矩平衡安全系数Fm：
水平方向静力平衡安全系数Ff：
式中：
c'—有效粘聚力；
φ'—有效摩擦角
u—孔隙水压力；
N—土条底部法向力；
Wx—第x个土条的重量；
D—集中荷载；
β—折算系数；
R—滑弧圆心到滑弧的距离；
x—滑弧中心至土条中心距离；
f—滑弧中心至土条底法向面的垂直距离；
d—集中荷载的力矩；
ω—坡顶受力夹角；
a—土条地面倾角。
3.根据权利要求1所述的一种基于降雨条件下路堑边坡稳定性动态监测预警方法，其特征在于，所述待监测路堑边坡的每级边坡之间的连接段为平台。
4.根据权利要求1所述的一种基于降雨条件下路堑边坡稳定性动态监测预警方法，其特征在于，所述导线(2)和高精度位移监测传感器(4)的上方安装有槽形的防护罩(8)。
5.根据权利要求1所述的一种基于降雨条件下路堑边坡稳定性动态监测预警方法，其特征在于，所述导轮(5)分别通过导轮固定桩(3)固定于边坡上的对应位置。
6.根据权利要求1所述的一种基于降雨条件下路堑边坡稳定性动态监测预警方法，其特征在于，所述高精度位移监测传感器(4)距边坡表面3-5cm。
7.根据权利要求1所述的一种基于降雨条件下路堑边坡稳定性动态监测预警方法，其特征在于，所述第一固定桩(1)埋设在每级边坡坡顶的稳定安全区域内。
8.根据权利要求1所述的一种基于降雨条件下路堑边坡稳定性动态监测预警方法，其特征在于，所述数据采集收发装置(7)安装于雨量监测装置(6)的附近。
9.根据权利要求1所述的一种基于降雨条件下路堑边坡稳定性动态监测预警方法，其特征在于，所述第一固定桩(1)、第二固定桩(9)均为混凝土浇筑桩。
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