一种时域内降雨作用下的分段顺坡滑坡预测方法

1.本发明涉及分段顺坡滑坡预测方法技术领域，特别涉及一种时域内降雨作用下的分段顺坡滑坡预测方法。


背景技术：

2.我国是地质灾害频发的国家，其中滑坡作为一种地质灾害，严重的影响人们的生产生活。预判滑动位置，滑坡方式一直是工程界研究的重点之一，其中理论分析虽然越来越丰富但是由于边坡滑动突发性的特征，其运动规律的不确定性导致有关滑坡方面的检测的精度不是很高。降雨对于滑坡的影响十分明显，雨水大量的下渗导致土的含水率增加，雨水在边坡坡角处积聚，土的抗剪强度指标迅速下降，因此边坡下部土体发生了滑移进而牵引上部土体失稳进行滑动。根据下部土体的滑动的自然规律得出滑块的形状和坡脚处的坡角关系，找出不同边坡体最危险滑块的滑角，可以对不同路基边坡的滑动加以预测。
3.滑坡稳定性的预测方法大致分为两种：确定性模型以及非确定性模型。确定性模型是将模型通过力学极限平衡的原理对不同类型的滑坡进行稳定性的分析。非确定模型通过数理统计的方法对数据进行分析。基于选用模型的不同，滑坡预测可分为基于经验概念边坡模型和基于物理概念边坡模型这两大类。基于经验概念的边坡模型相对简单，发展较早。基于物理概念的边坡模型模拟的信息丰富，但是求解复杂对计算的要求高，以此基础建立的滑坡预测模型较晚。
4.综合国内外研究现状可以看出,目前关于边坡的评价与预测预报理论方法中,包含有极限平衡分析法和位移时序预测法等。极限平衡理论是一种经典的确定性分析方法,建立在失稳机制和受力条件明确的基础上。
5.因此，发明一种时域内降雨作用下的分段顺坡滑坡预测方法来解决上述问题很有必要。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于提供一种时域内降雨作用下的分段顺坡滑坡预测方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
7.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种时域内降雨作用下的分段顺坡滑坡预测方法，所述预测方法包括以下步骤s1、根据太沙基一维固结理论与达西定律确定浸润线位置；
8.通过边界条件得到降雨时间和雨水入渗深度及土体含水率的关系：
[0009][0010]
利用经典的green-amp模型得到体含水率与时间的关系：
[0011]
[0012]
s2、计算出土块的土压力，找到剩余土压力关于β角的函数关系式，滑角β为滑动面与坡面的夹角，基于确定性模型的特点改变滑角β以1
°
为步长进行搜索最危险的滑动面；
[0013]
t3＝f(β)＝a sin(a
′‑
β)+ψ2t
1-bcos(a
′‑
β)-c
[0014]
式中：θ为体含水率，θi为初始体积含水率；θs为饱和体积含水率，hm为吸力水头，d为扩散系数，ψi为传导系数，t为降雨时间，hm为浸润锋吸力水头。
[0015]
本发明的技术效果和优点：
[0016]
1、以往的边坡稳定性计算是在某一个特定时刻对边坡的稳定性安全性的评价，本发明在时间发展中的一个时域内来对边坡的稳定性安全性进行评价；
[0017]
2、所用的边坡稳定分析模型相较于传统边的坡模型更为简便，本发明计算摒弃了复杂的计算过程使得更加的简单直观。
附图说明
[0018]
图1为本发明三段式滑坡示意图。
[0019]
图2为本发明降雨时间与入渗深度关系图。
[0020]
图3为本发明t3与降雨时间关系图。
[0021]
图4为本发明土块间剩余土压力的传导示意图。
[0022]
图5为本发明滑坡预测方法流程图。
具体实施方式
[0023]
下面将结合本发明实施例中的附图，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。
[0024]
本发明提供了如图1-图5所示的一种时域内降雨作用下的分段顺坡滑坡预测方法，
[0025]
第一步、根据太沙基一维固结理论以及达西定律可得出降雨时间和雨水的入渗深度的关系，搜索到浸润线的位置。
[0026][0027]cv
为固结系数
[0028][0029]
对于一维固结方程即渗流仅在一个方向上(z)
[0030]
若将cv替换为(为水分扩散系数常量)
[0031][0032]
式(4)为一维入渗richards[2]方程
[0033]
分离变量
[0060]
本发明以典型三段式顺坡滑动坡体为例进行计算下表为边坡的工程概况：
[0061]
表1
[0062][0063]
本发明这种边坡的稳定安全性的分析方法，包括以下步骤：
[0064]
(1)首先通过太沙基一维固结理论对坡体进行分析，找到土体含水率与雨水入渗深度的关系来确定浸润线的位置
[0065][0066]
依据现有的模型分析出边界条件
[0067][0068]
将边界条件带入到土体含水率与雨水入渗深度的公式中求解。
[0069]
利用经典的green-ampt积水入渗模型令地表处位置水头ξ＝0，浸润锋在吸力水头hm和重力水头ξw共同作用下向下推进，则浸润锋上的总水头为h
t
＝h
m-ξw。因此，根据达西定律，可得到以下公式：
[0070][0071]
由公式可以得到降雨时间与雨水入渗深度的关系,确定浸润线的位置。
[0072]
当降雨时间为30min、60min、90min、120min、150min时将降雨时间代入到式(12)中可计算出雨水入渗的深度。
[0073]
表2
[0074][0075]
入渗深度随着降雨时间的增长呈现出入渗越深的规律，如图2所示。
[0076]
第二步、本发明是一种多段式顺坡滑动的边坡模型，以滑角处β的变化不断搜索剩余的滑动推力等于零的临界值进而找到最危险的滑动面。
[0077]
根据《公路路基设计规范》(jtg d30—2015)[4]计算滑坡推力时应考虑：滑体内地下水产生的静水压力
[0078]
滑坡剩余下滑力可采用传递系数法按(13)式计算条块作用力系见图1
[0079]
[0080][0081][0082]
式中γ
sat
为土的饱和重度；为土块的浸润锋深度；为土块的平均宽度；tit
i-1
为第i和i-1滑块剩余下滑力(kn/m)；fs为稳定系数；wi为第i滑块的自重力(kn/m)；ai,a
i-1
为第i和第i-1滑块对应画面的倾角；为第i滑块滑面内摩擦角；ci第i滑块滑面岩土粘聚力(kn/m)；li第i滑块滑面长度(m)；ψi为传到系数。
[0083]
ea＝t
i-1
为上一滑块对下一滑块的主动土压力
[0084][0085]
t1为第一块滑块(顶部滑块)剩余的下滑力。
[0086]
在计算坡顶处滑块土压力时应考虑裂缝的出现产生的静水压力对滑块的影响使得计算结果更加的精准。
[0087][0088][0089][0090]
计算中间滑块对下侧滑块的滑动土压力。
[0091][0092][0093][0094][0095]
α+β＝a
′
[0096]
a'为坡体的坡角β角为滑体滑动面与坡面的角度可得
[0097]
t3＝f(β)＝asin(a'-β)+ψ2t
2-bcos(a'-β)-c(24)
[0098]
以β为自变量从0
°
开始以1
°
为步距增长到搜索f(β)《0的临界值。当f(β)≥0说明滑体不稳定或安全储备不足，滑面为与坡面成β度的面上进行滑动。
[0099]
将边坡分成若干段顺坡滑动的刚性块体。本发明以典型三段顺坡滑动坡体为例进行计算。将坡角处的坡面与滑动面的角度的夹角用β来表示，当β从0
°
以1
°
为步长逐渐增长到[5]过程中搜索到最危险的滑动面使得坡角处的滑块进行滑动。
[0100]
t3＝f(β)＝asin(a'-β)+ψ2t
2-bcos(a'-β)-c(24)
[0101]
式中a、b、c及ψ2t2均为可以计算出结果的常数。
[0102]
另外，通过上侧土块对下侧土块土压力计算中，坡顶处的土块应还考虑因降雨作用坡体产生裂缝因素产生的静水压力对计算结果的影响。
[0103]
将雨水入渗深度代入到式(15)和式(22)中可计算出降雨时间与t3之间的关系如图3所示：t3随着降雨时间的增长而增长直到t3的值趋近于0时边坡的稳定达到临界值当f
(β)≥0说明滑体不稳定或安全储备不足边坡失稳。
[0104]
基于确定性模型的特点改变坡面与滑动面的角度β以1
°
为步长进行搜索最危险的滑动面，本发明的计算更加的简捷，边坡模型相比传统的边坡预测方法更加的直观。在计算和经验修正的角度上来看本发明的结果更加的简单，便捷，准确，从而提高了精确性和适用性。本发明的滑坡预测方法适用于简单的边坡、复杂边坡及流域尺度的滑坡预测。

技术特征：
1.一种时域内降雨作用下的分段顺坡滑坡预测方法，其特征在于，所述预测方法包括以下步骤：s1、根据太沙基一维固结理论与达西定律确定浸润线位置；通过边界条件得到降雨时间和雨水入渗深度及土体含水率的关系：利用经典的green-amp模型得到体含水率与时间的关系：s2、计算出土块的土压力，找到剩余土压力关于β角的函数关系式，滑角β为滑动面与坡面的夹角，基于确定性模型的特点改变滑角β以1
°
为步长进行搜索最危险的滑动面；
·
t3＝f(β)＝a sin(a
′‑
β)+ψ2t
2-b cos(a
′‑
β)-c式中：θ为体含水率，θ
i
为初始体积含水率；θ
s
为饱和体积含水率，h
m
为吸力水头，d为扩散系数，ψ
i
为传导系数，t为降雨时间，h
m
为浸润锋吸力水头。

技术总结
本发明公开了一种时域内降雨作用下的分段顺坡滑坡预测方法，涉及到分段顺坡滑坡预测方法技术领域，通过将基于物理概念的边坡模型与土力学，水力学相结合对边坡的稳定性进行分析，进而得到边坡预警方法，降雨对于边坡的作用通常是雨水大量的下渗导致土的含水率增加，土的抗剪强度降低，因此下部土体发生了滑移导致上部土体继而失稳进行滑动，本发明的有利效果是将滑坡确定性模型与基于物理概念的边坡模型进行了有效的集成，分析在降雨作用下，降雨时间和土体含水率的关系，通过边坡模型的边界条件得到体积含水率与浸润锋深度之间的关系，在此基础上结合土力学的计算得出土块的土压力。压力。压力。


技术研发人员：马江平 尹文峰 李霞 宋颖洁 万伟 崔宏环 谢直树 蒋明学 朱晨 王跃庚 李续靖 王雅超 訾亚丹
受保护的技术使用者：河北建筑工程学院
技术研发日：2023.05.16
技术公布日：2023/8/13