一种突发性黄土滑坡预警方法及其应用与流程

本发明涉及到滑坡防治工程技术领域，尤其涉及一种突发性黄土滑坡预警方法及其应用。

背景技术：

我国黄土覆盖面积达44万km²，主要分布在我国西北地区，约占我国国土面积的10％。由于我国西北黄土地区属于降雨稀少的干旱和半干旱地区，故当地农业灌溉大多依靠抽取河流或地下水而进行漫灌。大水漫灌使得地表水大量进入黄土内部。而黄土具有独特的水理特性，其结构性、湿陷性、水敏性决定了水是诱发黄土破坏的重要因素。

现阶段滑坡预警预报一是采用数学模型对监测数据进行拟合外推；二是设定阈值预警。前者仅是数学方法，与滑坡具体条件脱节，难以进行提前准确预报；就后者而言，因每个滑坡都有不同阈值，现实中很难获取预警阈值。

目前基于三阶段变形特征，初始变形、等速变形及加速变形而建立的切线角预警模型能较好地应用到变形速率逐渐增长的渐变型滑坡上。但是该类由灌溉诱发的突发性滑坡并没有明显的渐变过程：前期变形缓慢而持续时间较长，加速变形阶段则变形速率迅速增大，当滑坡进入加速变形阶段后很快失稳破坏，表现出很强的突发性，且目前也缺少相关的研究。

因此，需要准确识别滑坡变形速率及其变形演化趋势，得到该类滑坡科学准确的预警预报方法，以及时发出相应的预警信息。

公开号为cn104299367a，公开日为2015年01月21日的中国专利文献公开了一种滑坡灾害多级综合监测预警方法，其特征在于，其包括以下步骤：(1)通过历史纪录监测数据和滑坡变形破坏模型试验，计算滑坡监测预警临界阈值；根据各个指标临界指数确定研究区是否有滑坡发生的可能；(2)如果监测数值大于临界值；根据每个滑坡发生指数，确定滑坡可能发生的地点和滑坡发生的可能性大小，划定预警预报等级；(3)确定四级预警和预警境界区域；(4)发布预警结果，同时结合预警区群测群防网络体系，直接通知监测责任人，做好防灾、避灾准备。

该专利文献公开的滑坡灾害多级综合监测预警方法，需要滑坡发生的大量历史纪录监测数据，再通过滑坡变形破坏模型试验，计算滑坡监测预警临界阈值；再根据各个指标临界指数确定研究区是否有滑坡发生的可能，需要分析的滑坡因子较多，整个预警工作复杂，反应滞后，预警效率低，防灾适用性差。

技术实现要素：

本发明为了克服上述现有技术的缺陷，提供一种突发性黄土滑坡预警方法及其应用，本发明通过设置多级变形速率阈值，以预判滑坡是否产生较大的变形，再基于变形速率增量实时跟踪变形发展趋势，两者结合实现突发型黄土滑坡的全过程预警，极大的提高了预警准确度和预警效率，防灾适用性好。

本发明通过下述技术方案实现：

一种突发性黄土滑坡预警方法，其特征在于，包括以下步骤：

a、变形监测数据的预处理

通过移动平均法对监测数据进行预处理，移动平均法是根据时间序列逐项推移，依次计算包含一定项数的序时平均数，通过不断计算最新多组累计位移数据的平均值，获得最新的累计位移数据平均值，通过式1计算；

s＝(st+st-1+...+st-n)/(n+1)式1

其中，s为移动平均值法平滑处理后的累计位移值，st为最新时刻的累计位移监测数据，st-1为由最新监测数据往前1个累计位移，st-n为由最新监测数据往前第n个累计位移，n为进行平均处理的监测数据总数；

b、确定多级变形速率阈值vt

在滑坡后缘跨越裂缝处设置自动位移计，滑坡前期累计位移始终处于较稳定的匀速增长状态，通过量测确定前期平均变形速率v0，自动位移计在t0时间发回累计位移值s0、在tt时间发回累计位移值st，通过式2计算多级变形速率阈值vt，通过前期对突发型黄土滑坡监测数据分析设定第一级阈值v1、第二级阈值v2和第三级阈值v3；

c、确定变形速率增量δv

分别获取连续时间间隔t0、t1、t2的累计位移值s0、s1、s2，通过式3计算第一时刻变形速率vi，通过式4计算第二时刻变形速率vii，再通过式5计算变形速率增量δv；

δv＝vii-vi式5

d、对不同滑坡变形速率曲线特征进行划分

当滑坡实时变形速率v＞v3且变形速率增量δv＞0时，滑坡变形已进入加速变形阶段，滑坡趋于失稳；

当滑坡实时变形速率v＞vt且变形速率增量δv≤0时，滑坡变形逐渐减小，对应坡体位移逐渐减缓，滑坡趋于稳定；

e、结合多级变形速率阈值vt和变形速率增量δv进行综合预警

正常监测：当滑坡实时变形速率v＜v1时，滑坡在正常范围内缓慢变形，变形速率稳定，滑坡较稳定，需持续定期监测；

注意级：当滑坡实时变形速率v≥v1时，滑坡具异常变形，变形速率较慢，需观察后续变形发展情况，定为蓝色预警；

警示级：当滑坡实时变形速率v≥v2时，滑坡变形速率明显超过匀速变形阶段，具有变形加速迹象，需重视变形发展特征，定为黄色预警；

警戒级：当滑坡实时变形速率v≥v3且δv≤0时，滑坡变形速率极快，变形速率暂未继续增大，需随时监控变形的发展，定为橙色预警；

警报级：当滑坡实时变形速率v≥v3且δv＞0时，滑坡具有明显的高速变形速率，且变形速率仍然在不断增大，符合进入临滑状态的变形特征，需立即采取避让措施防范滑坡灾害，定为红色预警。

本发明，适用于灌溉诱发突发性黄土滑坡的预警。

本发明的基本原理如下：

针对黄土滑坡的突发性，通过设置多级变形速率阈值vt，如果vt＞v0，则说明滑坡变形速率产生了增长，通过分析即可判断滑坡是否进入加速变形状态；实际变形过程中由于匀速变形阶段滑坡变形速率仍然会产生一定程度的波动，为了进一步区分不同的外界因素影响或者偶然变形速率加快对变形的响应，可采用多级阈值v1<v2<v3判断滑坡的变形速率，进而判断滑坡的变形情况，建立速率阈值预警模型，通过前期对突发型黄土滑坡监测数据分析发现，这类突发型黄土滑坡匀速变形阶段变形速率都较小，匀速变形阶段变形速率一般在0.5-2.5mm/d，可设定第一级阈值v1＝3mm/d。在匀速变形过程中，滑坡可能会受到外界因素的影响，出现一些偶尔增大的变形，如突然产生新的裂缝或已有裂缝突然扩展，降雨或灌溉的影响，通过一定时间的观测，也可确定最大偶然变形速率第二级阈值v2，还需要设定一个匀速变形阶段可能产生的最大变形速率第三级阈值v3，认为当变形速率一旦超过第三级阈值v3，表明滑坡变形已进入加速变形阶段。根据现有监测获得的所有突发型黄土滑坡变形速率特征，第三级阈值v3需大于已有的未失稳滑坡的最大变形速率。

不同区域、不同类型、不同规模的滑坡其失稳破坏的变形速率往往都不一样。因此，单一的速率阈值很难对各类不同的滑坡变形进行有效判断，更无法判断滑坡变形速率的发展趋势，而判断滑坡变形发展趋势尤其是滑坡变形何时进入加速变形阶段，对实现滑坡的准确预警至关重要。一般情况下，滑坡变形的加速度大小反映了坡体的变形速率发展趋势，加速度与单位时间的位移速率变化量所反映的内容是一致的。加速度大于0时，变形速率加快，单位时间的变形速率增加量为正值；加速度小于0时，变形速率减缓，单位时间的变形速率增加量为负值，速率增量仅需要比较前后两组变形速率的差值即可确定，相对于加速度计算更为简便，因此，可采用变形速率增量δv判断滑坡变形趋势。当变形速率增量δv＞0时，说明滑坡变形速率呈继续增大的状态，δv越大，相等时间内变形速率增量也越大，滑坡也朝着失稳的状态发展；而δv＜0时，说明变形速率减缓，滑坡变形趋于稳定。

滑坡在变形过程中，在不同的阶段下变形曲线会呈现多种变形特征，而结合变形速率增量和多级变形速率阈值可以判断滑坡的变形速率发展趋势，因此，对于突发性滑坡，首先通过多级变形速率阈值判断基本的滑坡变形速率变化情况，再结合变形速率增量及时有效地发出相应的预警，从而能够实现突发型黄土滑坡的全过程预警，极大提高预警准确度和预警效率。

本发明的有益效果主要表现在以下方面：

一、本发明，通过步骤a，变形监测数据的预处理，得到能描述滑坡实际变形发展趋势的平滑曲线，能够有效反映实际变形速率的监测数据；通过步骤b，确定多级变形速率阈值vt，得到滑坡预警所需的多级变形速率阈值，通过三级阈值判断，可排出偶然变形速率加快对变形的影响，使预警结果更加可靠；通过步骤c，确定变形速率增量δv，得到滑坡的变形速率增量；通过步骤d，对不同滑坡变形速率曲线特征进行划分，能够判断滑坡的变形速率发展趋势；通过步骤e，结合多级变形速率阈值vt和变形速率增量δv进行综合预警，能够确定是否发布滑坡预警信息；步骤a-e有机结合，形成的完整技术方案，实现了突发型黄土滑坡的全过程预警，极大的提高了预警准确度和预警效率，防灾适用性好。

二、本发明，适用于灌溉诱发突发性黄土滑坡的预警，预警准确度高，具有显著的减灾防灾效益。

附图说明

下面将结合说明书附图和具体实施方式对本发明作进一步的具体说明：

图1为甘肃省黑台东北侧磨石沟右岸陈家6#滑坡全过程变形曲线图；

图2为甘肃省黑方台西南侧黄河边党川4#滑坡全过程变形曲线图。

具体实施方式

一种突发性黄土滑坡预警方法，包括以下步骤：

a、变形监测数据的预处理

通过移动平均法对监测数据进行预处理，移动平均法是根据时间序列逐项推移，依次计算包含一定项数的序时平均数，通过不断计算最新多组累计位移数据的平均值，获得最新的累计位移数据平均值，通过式1计算；

s＝(st+st-1+...+st-n)/(n+1)式1

其中，s为移动平均值法平滑处理后的累计位移值，st为最新时刻的累计位移监测数据，st-1为由最新监测数据往前1个累计位移，st-n为由最新监测数据往前第n个累计位移，n为进行平均处理的监测数据总数；

b、确定多级变形速率阈值vt

在滑坡后缘跨越裂缝处设置自动位移计，滑坡前期累计位移始终处于较稳定的匀速增长状态，通过量测确定前期平均变形速率v0，自动位移计在t0时间发回累计位移值s0、在tt时间发回累计位移值st，通过式2计算多级变形速率阈值vt，通过前期对突发型黄土滑坡监测数据分析设定第一级阈值v1、第二级阈值v2和第三级阈值v3；

c、确定变形速率增量δv

分别获取连续时间间隔t0、t1、t2的累计位移值s0、s1、s2，通过式3计算第一时刻变形速率vi，通过式4计算第二时刻变形速率vii，再通过式5计算变形速率增量δv；

δv＝vii-vi式5

d、对不同滑坡变形速率曲线特征进行划分

当滑坡实时变形速率v＞v3且变形速率增量δv＞0时，滑坡变形已进入加速变形阶段，滑坡趋于失稳；

当滑坡实时变形速率v＞vt且变形速率增量δv≤0时，滑坡变形逐渐减小，对应坡体位移逐渐减缓，滑坡趋于稳定；

e、结合多级变形速率阈值vt和变形速率增量δv进行综合预警

正常监测：当滑坡实时变形速率v＜v1时，滑坡在正常范围内缓慢变形，变形速率稳定，滑坡较稳定，需持续定期监测；

注意级：当滑坡实时变形速率v≥v1时，滑坡具异常变形，变形速率较慢，需观察后续变形发展情况，定为蓝色预警；

警示级：当滑坡实时变形速率v≥v2时，滑坡变形速率明显超过匀速变形阶段，具有变形加速迹象，需重视变形发展特征，定为黄色预警；

警戒级：当滑坡实时变形速率v≥v3且δv≤0时，滑坡变形速率极快，变形速率暂未继续增大，需随时监控变形的发展，定为橙色预警；

警报级：当滑坡实时变形速率v≥v3且δv＞0时，滑坡具有明显的高速变形速率，且变形速率仍然在不断增大，符合进入临滑状态的变形特征，需立即采取避让措施防范滑坡灾害，定为红色预警。

本发明，适用于灌溉诱发突发性黄土滑坡的预警。

通过步骤a，变形监测数据的预处理，得到能描述滑坡实际变形发展趋势的平滑曲线，能够有效反映实际变形速率的监测数据；通过步骤b，确定多级变形速率阈值vt，得到滑坡预警所需的多级变形速率阈值，通过三级阈值判断，可排出偶然变形速率加快对变形的影响，使预警结果更加可靠；通过步骤c，确定变形速率增量δv，得到滑坡的变形速率增量；通过步骤d，对不同滑坡变形速率曲线特征进行划分，能够判断滑坡的变形速率发展趋势；通过步骤e，结合多级变形速率阈值vt和变形速率增量δv进行综合预警，能够确定是否发布滑坡预警信息；步骤a-e有机结合，形成的完整技术方案，实现了突发型黄土滑坡的全过程预警，极大的提高了预警准确度和预警效率，防灾适用性好。

下面采用本发明分别对甘肃省黑台东北侧磨石沟右岸陈家6#滑坡和甘肃省黑方台西南侧黄河边党川4#滑坡进行分析：

1、甘肃省黑台东北侧磨石沟右岸陈家6#滑坡

参见图1，陈家6#滑坡位于甘肃省黑台东北侧磨石沟右岸，滑源区长116m，宽165m，为典型的突发型黄土滑坡，该滑坡后壁呈弧形，凹进台塬内。

陈家6#滑坡自2017年2月28日开始了监测工作，基于步骤a，得到其连续变形监测曲线。监测初期，其变形监测曲线一直较为平缓。

基于步骤b，得到其三级变形阈值，其第一级阈值v1＝3mm/d、第二级阈值v2＝10mm/d与第三级阈值v3＝20mm/d。依据：v2包含了一般情况下的偶然变形速率增长，v3则包含了匀速变形过程中新增裂缝等各类导致变形速率突增但并不会导致滑坡失稳的状况，而当变形速率超过20mm/d时，认为滑坡变形速率已经非常快，可能会朝失稳发展。

从5月2日开始，该滑坡后方裂缝开始增大，实时变形速率v也突增至10mm/d左右。对应滑坡第二级阈值v2，系统发布警示级预警信息(黄色预警)。5月11日晚20:00，实时变形速率v再次缓慢增加，且一直呈增大的趋势。至5月13日早上9:12，实时变形速率v超过20mm/d，且变形速率增量δv大于0，故系统在在9:13及时发出了警报级预警信息(红色预警)。在39分钟的后9:52，发生滑坡。

可见，采用本发明预警准确且预警效率高。

2、甘肃省黑方台西南侧黄河边党川4#滑坡

参见图2，党川4#滑坡位于甘肃省黑方台西南侧黄河边，滑源区长300m，宽20m，该滑坡总滑坡体积约34万m³，也为典型灌溉诱发突发性黄土滑坡。

基于步骤a，得到党川4#滑坡连续变形监测曲线。在监测初期，该滑坡变形监测曲线较为稳定，排出干扰，其实时变形速率v一直小于3mm/d。

基于步骤b，得到其三级变形阈值，其第一级阈值v1＝3mm/d、第二级阈值v2＝10mm/d与第三级阈值v3＝20mm/d。

自2017年8月底开始，滑坡实时变形速率v逐渐加快。9月27日，滑坡实时变形速率v增大至10mm/d，系统发布警示级预警信息(黄色预警)，9月30日17时50分，通过对该滑坡现场实时监测资料的分析计算(基于步骤d和e)，发出了警报级预警信息(红色预警)。10月1日凌晨5时左右，滑坡发生。

可见，采用本发明预警准确且预警效率高。