地震作用下堆积体边坡失稳预警方法、系统、设备及介质与流程

本发明属于边坡预警，具体涉及一种地震作用下堆积体边坡失稳预警方法、系统、设备及介质。

背景技术：

1、边坡的稳固与否往往涉及到工程安全问题。堆积体边坡由于其自身的特性，往往更容易出现失稳、滑坡的情况，在地震作用下，如何防范堆积体边坡失稳造成的灾害成为边坡工程领域一个重要研究内容。

2、地震作用下，堆积体边坡的地震动力响应特征极其复杂，边坡的地震稳定性及破坏机理难以被充分揭示，其潜在滑动面位置缺乏有效的判定方法，因而缺少有效的失稳预警方法。文献《杨兵,王植,邹晗轩等.不同类型地震波作用下堆积体边坡动力响应及失稳特征研究[j].土木工程学报,2019,52(s1):202-210.》通过模型试验探究了地震作用下堆积体边坡动力响应及失稳特征，但是如何有效地针对地震作用下堆积体边坡的破坏失稳进行监测预警仍函待解决；专利文献cn202211502545.3公开了一种土质边坡滑动面辨识及加固方法，提出了一种静力作用下堆积体边坡的潜在滑动面辨识及加固方法，但其适用性有限，并不适用于地震作用下堆积体边破的潜在滑动面判定。

3、鉴于现有的堆积体边坡失稳预警方法尚不够完善，因此需要设计一种新的地震作用下堆积体边坡失稳预警方法。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种地震作用下堆积体边坡失稳预警方法、系统、设备及介质，以解决背景技术中提出的现有的堆积体边坡失稳预警方法尚不够完善的问题。

2、为实现上述目的，本发明提供了一种地震作用下堆积体边坡失稳预警方法，包括以下步骤：

3、s1、在边坡上安装监测杆和位移传感器，监测杆上设置有加速度计或者土压力计；

4、s2、确定边坡内部沿监测杆杆身方向的能量分布特征和边坡中下部及坡脚处岩土受力情况；

5、s3、基于边坡内部沿监测杆杆身方向的能量分布特征，对震时堆积体边坡稳定性进行评判；

6、s4、得到地震作用下堆积体边坡的预判滑动面；

7、s5、获取边坡内部位移值，并基于边坡内部位移值对震时堆积体边坡稳定性进行预警；

8、s6、根据实时监测的位移量以及土压力值对震后堆积体边坡的稳定性进行评判与预警。

9、在一种具体的实施方式中，具体包括以下步骤：

10、s1、在坡表近坡顶端、坡体中部、坡体中下部及近坡脚处分别钻孔，并依次在钻孔位置安装1号监测杆、2号监测杆、3号监测杆和4号监测杆，在1号监测杆和2号监测杆上从起始端至尾端间隔等间距布设有若干个加速度计，在3号监测杆和4号监测杆上从起始端至尾端间隔等间距布设有若干个土压力计；在坡顶转折点设置位移监测点，安设位移传感器；

11、s2、对获取的1号监测杆和2号监测杆上各测点的加速度时域信号进行处理，提取监测杆上所有测点的边际谱峰值，获得两个监测杆沿杆身方向的边际谱峰值分布曲线，确定边坡内部沿杆身方向的能量分布特征；根据布置在3号监测杆和4号监测杆上的土压力计获得两个监测杆沿杆身方向的土压力分布曲线，确定边坡中下部及坡脚处岩土体的受力情况；

12、s3、基于边坡内部沿杆身方向的能量分布特征，对震时堆积体边坡稳定性进行评判，若1号监测杆和2号监测杆上边际谱峰值变化规律表现为随高程与近坡表面距离的增加而增加，不存在突变波动点，边坡稳定性划分为稳定；反之，若1号监测杆和2号监测杆上边际谱峰值分布曲线存在明显的突变波动点，则边坡稳定性划分为不稳定；

13、s4、记录1号监测杆和2号监测杆上边际谱峰值分布曲线的突变波动点位置，记录3号监测杆和4号监测杆上土压力分布曲线的土压力峰值点的位置，将边际谱峰值突变波动点与土压力峰值点进行连线，得到地震作用下堆积体边坡的预判滑动面；

14、s5、通过加速度计实时监测堆积体边坡预判滑动面上的两个不同位置处的边际谱峰值突变波动点，得到不同位置处边际谱峰值突变波动点的加速度时程曲线，再通过对时间积分得到速度时程曲线，通过计算两突变波动点速度时程曲线与时间轴包围的面积的得到两突变波动点的位移值，选取两者计算结果中的较大值作为边坡的内部位移值，基于边坡内部位移值对震时堆积体边坡稳定性进行预警，根据边坡内部位移值的大小将预警等级划分为三个等级；

15、s6、地震后，通过位移传感器对位移监测点处的坡体变形进行实时监测，得到震后坡体变形过程的位移时程曲线；通过土压力计对堆积体边坡预判滑动面上的两个不同位置处的土压力峰值点进行实时监测，得到震后坡体中下部3号监测杆及近坡脚处4号监测杆土压力峰值点的土压力时程曲线；根据位移传感器实时监测的位移量以及土压力计实时监测的土压力值对震后堆积体边坡的稳定性进行评判与预警。

16、在一种具体的实施方式中，在步骤s1之前，先进行地质勘探或调研地质勘查报告，得到边坡几何参数以及边坡上覆堆积体以及下覆基岩的物理力学参数；在步骤s1中，钻孔深度满足监测杆底座能够插入基岩；所述监测杆及位移传感器中均设有数据传输单元，数据传输单元用于将获取的水平向加速度、坡体内的土压力以及坡顶转折点的位移数据实时传输到远程数据处理端。

17、在一种具体的实施方式中，在步骤s2中，对各测点的加速度时域信号进行处理，提取监测杆上所有测点的边际谱峰值，包括：

18、对采集的各测点的加速度时域信号进行滤波处理，对处理后的加速度时域信号进行经验模态分解，得到多个本征模态函数imf分量；

19、对所述imf分量进行希尔伯特黄变换，得到信号在时-频域中的分布特征，即希尔伯特能谱，其中：

20、对于任意一个imf分量的时间序列，经希尔伯特黄变换成 y(t)，表示为：

21、      （1）

22、式（1）中：p表示柯西主值；

23、 x(t和 y(t)互为共轭复数，分析信号z (t)为：

24、      （2）

25、式（2）中， α(t)和 θ(t)分别为振幅和瞬时相位，表示为：

26、      （3）

27、      （4）

28、测点的希尔伯特能谱 h(ω,t)表示为：

29、      （5）

30、其中 ω(t)为瞬时频率，表示为：

31、      （6）

32、对测点的希尔伯特能谱 h(ω,t)在时间轴上积分，即可求得边际谱 h(ω)，从而提取测点的边际谱峰值，其中 h(ω)可表示为：

33、      （7）。

34、在一种具体的实施方式中，所述步骤s5中两突变波动点的位移值的计算公式为：

35、      （8），

36、式（8）中，d表示测点的位移，为折减系数， a max为测点的水平向峰值加速度，t表示地震持续时间。

37、在一种具体的实施方式中，所述步骤s5中根据边坡内部位移值的大小将预警等级划分为三个等级：

38、若边坡内部位移值的大小满足公式：      （9），式（9）中， d为边坡内部位移值， λ为允许误差，s1表示边坡内部位移第一阈值；

39、则对震时堆积体边坡进行一级预警，提醒相关监管人员关注处理；

40、若边坡内部位移值的大小满足公式：      （10），式（10）中， d为边坡内部位移值， λ为允许误差，s2表示边坡内部位移第二阈值；

41、则对震时堆积体边坡进行二级预警，提醒相关监管人员对边坡进行加固处理；

42、若边坡内部位移值的大小满足公式：      （11），式（11）中， d为边坡内部位移值， λ为允许误差，s3表示边坡内部位移第三阈值；

43、则对震时堆积体边坡进行三级预警，提醒相关监管人员开展人群疏散工作，封闭路段进行管控。

44、在一种具体的实施方式中，所述步骤s6中，根据位移传感器实时监测的位移量以及土压力计实时监测的土压力值对震后堆积体边坡的稳定性进行评判与预警，具体包括：

45、当位移监测点的位移量以及每个土压力峰值点的土压力值均小于蠕动变形阶段与低速变形阶段的分界点时刻的临界值时，判定为堆积体边坡稳定；

46、当位移监测点的位移量以及每个土压力峰值点的土压力值其中任意一个大于蠕动变形阶段与低速变形阶段的分界点时刻的临界值时，说明震后堆积体边坡处于不稳定状态，对震后堆积体边坡进行一级预警，提醒相关监管人员关注处理；

47、当位移监测点的位移量以及每个土压力峰值点的土压力值其中任意一个接近低速变形阶段与剧烈变形阶段的分界点时刻的临界值时，说明震后堆积体边坡变形进一步加剧，对震后堆积体边坡进行二级预警，提醒相关监管人员对边坡进行加固处理；

48、当位移监测点的位移量以及每个土压力峰值点的土压力值其中任意一个大于低速变形阶段与剧烈变形阶段的分界点时刻的临界值时，说明震后堆积体边坡已发生破坏，对震后堆积体边坡进行三级预警，提醒相关监管人员开展人群疏散工作，封闭路段进行管控。

49、本发明还提供了一种地震作用下堆积体边坡失稳预警系统，包括第一监测模块、第一获取模块、变换模块、第一分析模块、第二监测模块、第二获取模块和第二分析模块；

50、所述第一监测模块，用于对震时堆积体边坡的动力响应特征进行实时监测，包括在坡体内埋设1号监测杆与2号监测杆，通过布设于1号监测杆与2号监测杆上的若干加速度计，采集震时堆积体边坡坡体内的加速度响应数据；在坡体中下部及近坡脚处埋设3号监测杆与4号监测杆，通过布设于3号监测杆与4号监测杆上的若干土压力计，采集震时堆积体边坡坡体内的土压力响应数据；在坡顶转折点布设位移传感器，采集震时堆积体边坡坡顶的位移响应数据；

51、所述第一获取模块，用于将震时堆积体边坡坡体不同位置处传感器采集到的动力响应数据实时传输给远程数据处理端；所述监测杆及位移传感器中设有数据传输单元；

52、变换模块，用于在远程数据处理端对采集到的加速度响应数据以及土压力数据进行处理，得到1号监测杆与2号监测杆沿杆身方向的边际谱峰值分布曲线以及3号监测杆与4号监测杆沿杆身方向的土压力分布曲线，确定边坡内部沿杆身方向的能量分布特征，以及边坡中下部及坡脚处岩土体的受力情况；

53、第一分析模块，用于基于边坡内部沿杆身方向的能量分布特征，对震时堆积体边坡稳定性进行评判，若震时堆积体边坡稳定性评判为不稳定，进一步地，基于边际谱峰值突变波动点与土压力峰值点得到地震作用下堆积体边坡的预判滑动面，再通过加速度计实时监测堆积体边坡预判滑动面上的两个不同位置处的边际谱峰值突变波动点的加速度，计算边坡的内部位移值，对震时堆积体边坡稳定性进行预警等级划分；

54、第二监测模块，用于地震后基于位移传感器对位移监测点处的坡体变形进行实时监测；地震后基于土压力计对堆积体边坡预判滑动面上的两个不同位置处的土压力峰值点进行实时监测；

55、第二获取模块，用于将震后堆积体边坡坡体不同位置处传感器采集到的位移数据以及土压力数据传输到远程数据处理端，得到震后坡体中下部3号监测杆及近坡脚处4号监测杆土压力峰值点的土压力时程曲线以及震后坡体变形过程的位移时程曲线；

56、第二分析模块，用于基于位移传感器实时监测的位移量以及土压力计实时监测的土压力值对震后堆积体边坡的稳定性进行评判与分级预警。

57、本发明还提供了一种地震作用下堆积体边坡失稳预警设备，所述地震作用下堆积体边坡失稳预警设备包括存储器和处理器；处理器用于控制该地震作用下堆积体边坡失稳预警设备的整体操作，以完成如前所述的地震作用下堆积体边坡失稳预警方法中的全部或部分步骤；存储器用于存储各种类型的数据，以支持在该地震作用下堆积体边坡失稳预警设备的操作。

58、本发明还提供了一种可读存储介质，所述可读存储介质内设置有用于实现如前述的地震作用下堆积体边坡失稳预警方法中的全部或部分步骤的计算机程序。

59、相比于现有技术，本发明具有以下有益效果：

60、本发明提供了一种地震作用下堆积体边坡失稳预警方法、系统、设备及介质，通过在坡顶转折处以及坡体内布设监测元件，对震时堆积体边坡的稳定性与震后堆积体边坡的稳定性进行实时监控，及时给相关监管人员做出预警提示，简单实用。

61、（1）本发明提供了一种地震作用下堆积体边坡失稳预警方法，通过监测坡体内部的加速度响应，一方面采用希尔伯特黄变换获取测点的希尔伯特能谱及边际谱，从能量传递角度识别坡体的损伤，从而对震时边坡稳定性进行初步评判。

62、将监测杆上边际谱峰值突变波动点与土压力峰值点的位置进行连线，实现在堆积体边坡变形初期预判得到边坡潜在滑动面。再通过实时监测堆积体边坡预判滑动面上的两个不同位置处的边际谱峰值突变波动点的加速度，计算坡体内部位移，基于边坡内部位移值对震时堆积体边坡稳定性进行分级预警。此外，地震后，通过坡顶转折点处位移传感器对震后堆积体边坡的坡顶变形进行实时监测，通过土压力计对堆积体边坡预判滑动面上的两个不同位置处的土压力峰值点进行实时监测，提供了位移、土压力两种判据，对震后堆积体边坡的稳定性进行更加准确地评估与精准预警。该方法弥补了地震作用下堆积体边坡失稳预警监测手段的不足，丰富了地震作用下堆积体边坡失稳预警方法。

63、（2）本方法能够有效获取地震作用下堆积体边坡的预判滑动面，通过在震时与震后根据预判滑动面针对性地进行点位监测，能够更高效地监测震时、震后堆积体边坡的变形过程，减轻了监测工作量，节约了监测成本。

64、（3）本发明方法和装置简单，容易实现，可在远程监控堆积体边坡地震稳定性，在土木工程领域和地质灾害防治领域应用前景较为广泛，利于推广应用。

65、除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。