本發(fā)明屬于地質(zhì)災(zāi)害，尤其涉及一種基于塊體下滑風(fēng)險(xiǎn)的城市邊坡穩(wěn)定性特征分析方法及系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、隨著全球城市化進(jìn)程的加快和人類工程活動(dòng)的不斷增加，城市建設(shè)中土地開挖后的遺留邊坡如不加以妥善處理，邊坡失穩(wěn)現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，造成不同程度的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡。造成邊坡失穩(wěn)的影像因素很多，主要包括降雨、地震、風(fēng)化作用等自然因素，以及采礦、道路修建等認(rèn)為活動(dòng)。全球氣候變化背景下，暴雨、干旱等極端氣候事件頻發(fā)對(duì)邊坡穩(wěn)定性也會(huì)產(chǎn)生復(fù)雜影響，增加滑坡和泥石流等次生災(zāi)害發(fā)生的性。通過(guò)對(duì)邊坡穩(wěn)定性特征的研究和評(píng)估，可以有效預(yù)防和減輕邊坡失穩(wěn)引發(fā)的各類災(zāi)害，保障人類活動(dòng)的安全和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的可持續(xù)性，為礦區(qū)開采規(guī)劃、城市建設(shè)中的工程設(shè)計(jì)等提供科學(xué)依據(jù)，具有重要的研究意義。

2、邊坡穩(wěn)定性受多種自然和人文因素的影響，其中植被和降雨是兩個(gè)關(guān)鍵的自然因素。植被的根系結(jié)構(gòu)通過(guò)增加土壤的抗剪強(qiáng)度和減少地表侵蝕，對(duì)邊坡起到了重要的穩(wěn)定作用。研究發(fā)現(xiàn)，不同類型的植被在提高土壤穩(wěn)定性方面的效果不同，樹木的深根系比草本植物的淺根系在增強(qiáng)土壤凝聚力方面更有效。此外，植被覆蓋能夠有效減少地表徑流和降雨入滲，降低邊坡滑坡風(fēng)險(xiǎn)。降雨是誘發(fā)邊坡失穩(wěn)的主要自然因素之一，部分研究通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)和數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)，降雨強(qiáng)度和持續(xù)時(shí)間對(duì)土壤孔隙水壓力和邊坡穩(wěn)定性的影響。在降雨過(guò)程中，土壤的飽和度增加，導(dǎo)致孔隙水壓力升高，減小土壤的有效應(yīng)力，從而降低邊坡的穩(wěn)定性。有研究者曾開發(fā)多種降雨誘發(fā)滑坡的預(yù)警系統(tǒng)，通過(guò)監(jiān)測(cè)降雨量、土壤濕度等參數(shù)，實(shí)時(shí)評(píng)估邊坡失穩(wěn)的風(fēng)險(xiǎn)。邊坡穩(wěn)定性的計(jì)算和評(píng)估方法主要包括基于理論分析的極限平衡法和基于數(shù)值模擬的有限元法。極限平衡法通過(guò)分析潛在滑動(dòng)面的力學(xué)平衡狀態(tài)，計(jì)算邊坡的安全系數(shù)，而有限元法則利用數(shù)值模擬技術(shù)，能夠更精確地模擬復(fù)雜地質(zhì)條件下的邊坡穩(wěn)定性。此外，新興的三維數(shù)值模擬技術(shù)和基于機(jī)器學(xué)習(xí)的預(yù)測(cè)模型在邊坡穩(wěn)定性評(píng)估中得到了廣泛應(yīng)用。

3、通過(guò)上述分析，現(xiàn)有技術(shù)存在的問題及缺陷為：

4、城市建設(shè)中土地開挖后的遺留邊坡失穩(wěn)現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，現(xiàn)有技術(shù)不能及時(shí)分析，導(dǎo)致滑坡災(zāi)害發(fā)生。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本發(fā)明提供了一種基于塊體下滑風(fēng)險(xiǎn)的城市邊坡穩(wěn)定性特征分析方法。

2、本發(fā)明是這樣實(shí)現(xiàn)的，一種基于塊體下滑風(fēng)險(xiǎn)的城市邊坡穩(wěn)定性特征分析方法包括：

3、步驟1，通過(guò)測(cè)量邊坡尺寸、土壤和植被特性數(shù)據(jù)，基于平面滑動(dòng)法計(jì)算各個(gè)站點(diǎn)的穩(wěn)定性特征；

4、步驟2，分析穩(wěn)定性系數(shù)與各敏感因子之間的關(guān)系。

5、進(jìn)一步，所述通過(guò)測(cè)量邊坡尺寸、土壤和植被特性數(shù)據(jù)方法如下：

6、針對(duì)每個(gè)邊坡，主要采樣或測(cè)量指標(biāo)包括：坡體的幾何尺寸、土壤特性和植被特性數(shù)據(jù)；

7、其中坡體的幾何尺寸在現(xiàn)場(chǎng)直接測(cè)定；土壤含水量采用張力計(jì)法進(jìn)行測(cè)量，將測(cè)量得到的孔隙水壓力通過(guò)理論公式進(jìn)行轉(zhuǎn)換得到土壤的質(zhì)量含水量；

8、土壤類型比和土壤中植被根系體積比采用現(xiàn)場(chǎng)取樣和實(shí)驗(yàn)室篩選法測(cè)定的方法進(jìn)行估算；優(yōu)勢(shì)種植被比采用現(xiàn)場(chǎng)劃定樣方調(diào)查法，即選定一個(gè)具有代表性的1m2樣方，然后測(cè)定不同類型植被的生長(zhǎng)面積占比。

9、進(jìn)一步，所述基于平面滑動(dòng)法計(jì)算各個(gè)站點(diǎn)的穩(wěn)定性特征方法如下：

10、平面滑動(dòng)法主要用于分析不同類型土壤或砂石沿著近似平面滑動(dòng)面的穩(wěn)定性特征；其穩(wěn)定性系數(shù)fs可表示為潛在滑坡體的抗剪強(qiáng)度r和重力作用下的下滑力t之間的比值，即

11、

12、式中，c表示土壤的有效粘聚力系數(shù)，單位kpa，模型中根據(jù)不同類型土壤的有效粘聚力和實(shí)地勘測(cè)點(diǎn)的土壤類型比例進(jìn)行估算；l表示滑動(dòng)面長(zhǎng)度，單位m；w表示滑坡體重力，單位kn，通過(guò)潛在滑坡體的長(zhǎng)度l和高度h計(jì)算，包括滑坡體的土壤和間隙水兩部分；α表示滑動(dòng)面l與水平面的夾角，單位弧度；pwp表示滑動(dòng)面上孔隙水壓力，單位kpa，與土壤的含水量m相關(guān)；γ表示土壤的有效內(nèi)摩擦角，單位弧度，計(jì)算方法與有效凝聚力類似，即根據(jù)不同類型土壤的有效內(nèi)摩擦角和實(shí)地勘測(cè)點(diǎn)的土壤類型比例進(jìn)行估算；cr表示根系的增強(qiáng)系數(shù)，即考慮植被根系對(duì)坡體穩(wěn)定性的貢獻(xiàn)，其計(jì)算方法參考stokes如下，

13、

14、式中rar表示根系體積比，無(wú)量綱；表示根系生長(zhǎng)角度相對(duì)于滑動(dòng)面的角度，單位，弧度，文中假設(shè)根系的平均生長(zhǎng)角度垂直向下，則取tr表示根系破壞強(qiáng)度，單位kpa，其計(jì)算方法為，首先確定采樣點(diǎn)的前三種優(yōu)勢(shì)種植被占比rv，然后采用拉伸實(shí)驗(yàn)測(cè)量各個(gè)優(yōu)勢(shì)種植被的根系破壞強(qiáng)度trv，即根系所能承受最大拉力與根系直徑的比值，最后考慮植被的面積占比系數(shù)ar，即

15、tr＝ar·∑rv·trv#(3)

16、根據(jù)上述計(jì)算方法，穩(wěn)定性系數(shù)事實(shí)上可以拆分為3個(gè)部分，即

17、fs＝fsc+fsw+fst#(4)

18、其中表示土壤粘聚力對(duì)穩(wěn)定性的貢獻(xiàn)，表示坡體自重對(duì)穩(wěn)定性的貢獻(xiàn)，表示植被覆蓋和根系對(duì)穩(wěn)定性的貢獻(xiàn)。

19、本發(fā)明的另一目的在于提供一種基于塊體下滑風(fēng)險(xiǎn)的城市邊坡穩(wěn)定性特征分析系統(tǒng)包括：

20、測(cè)量模塊，用于通過(guò)測(cè)量邊坡尺寸、土壤和植被特性數(shù)據(jù)，基于平面滑動(dòng)法計(jì)算各個(gè)站點(diǎn)的穩(wěn)定性特征；

21、分析模塊，用于分析穩(wěn)定性系數(shù)與各敏感因子之間的關(guān)系。

22、本發(fā)明的另一目的在于提供一種計(jì)算機(jī)設(shè)備，所述計(jì)算機(jī)設(shè)備包括存儲(chǔ)器和處理器，所述存儲(chǔ)器存儲(chǔ)有計(jì)算機(jī)程序，所述計(jì)算機(jī)程序被所述處理器執(zhí)行時(shí)，使得所述處理器執(zhí)行所述基于塊體下滑風(fēng)險(xiǎn)的城市邊坡穩(wěn)定性特征分析方法的步驟。

23、本發(fā)明的另一目的在于提供一種計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)介質(zhì)，存儲(chǔ)有計(jì)算機(jī)程序，所述計(jì)算機(jī)程序被處理器執(zhí)行時(shí)，使得所述處理器執(zhí)行所述基于塊體下滑風(fēng)險(xiǎn)的城市邊坡穩(wěn)定性特征分析方法的步驟。

24、本發(fā)明的另一目的在于提供一種信息數(shù)據(jù)處理終端，所述信息數(shù)據(jù)處理終端用于實(shí)現(xiàn)所述基于塊體下滑風(fēng)險(xiǎn)的城市邊坡穩(wěn)定性特征分析系統(tǒng)。

25、本發(fā)明的另一目的在于提供一種基于塊體下滑風(fēng)險(xiǎn)的城市邊坡穩(wěn)定性分析系統(tǒng)，其特征在于，該系統(tǒng)包括：

26、數(shù)據(jù)采集模塊，用于采集邊坡的幾何尺寸、土壤特性和植被特性數(shù)據(jù)，包括土壤含水量、土壤類型、植被根系體積比及優(yōu)勢(shì)種植被比等；

27、計(jì)算模塊，基于平面滑動(dòng)法計(jì)算邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)，確定土壤粘聚力、坡體自重、植被根系等對(duì)穩(wěn)定性的貢獻(xiàn)；

28、分析模塊，用于分析邊坡穩(wěn)定性系數(shù)與各敏感因子之間的關(guān)系，預(yù)測(cè)邊坡的潛在滑坡風(fēng)險(xiǎn)。

29、本發(fā)明的另一目的在于提供一種城市邊坡穩(wěn)定性測(cè)量設(shè)備，其特征在于，包括：

30、張力計(jì)傳感器，用于測(cè)量邊坡土壤中的孔隙水壓力并通過(guò)理論公式轉(zhuǎn)換得到土壤質(zhì)量含水量；

31、取樣設(shè)備，用于采集土壤樣品和植被根系樣品，并測(cè)定土壤類型比和植被根系體積比；

32、數(shù)據(jù)處理模塊，對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)分析，提供邊坡穩(wěn)定性和下滑風(fēng)險(xiǎn)的實(shí)時(shí)評(píng)估。

33、本發(fā)明的另一目的在于提供一種用于城市邊坡的下滑風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)裝置，其特征在于，所述裝置包括：

34、坡體幾何測(cè)量模塊，用于測(cè)定邊坡的長(zhǎng)度、高度和坡度；

35、土壤和植被特性檢測(cè)模塊，用于分析土壤的粘聚力系數(shù)、內(nèi)摩擦角以及植被根系的增強(qiáng)系數(shù)；

36、滑坡穩(wěn)定性計(jì)算模塊，利用平面滑動(dòng)法根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)計(jì)算邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)，并輸出穩(wěn)定性分析結(jié)果用于下滑風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)。

37、結(jié)合上述的技術(shù)方案和解決的技術(shù)問題，本發(fā)明所要保護(hù)的技術(shù)方案所具備的優(yōu)點(diǎn)及積極效果為：

38、第一、本發(fā)明采用平面滑動(dòng)法計(jì)算了各個(gè)邊坡的穩(wěn)定性特征，并分析了邊坡穩(wěn)定性與土壤粘聚力、土壤含水量、植被根系特征等敏感因素之間的關(guān)系，論文獲得如下結(jié)論。

39、(1)各采樣點(diǎn)邊坡穩(wěn)定性系數(shù)基本在1.0以上，表明其滑坡風(fēng)險(xiǎn)極小；

40、(2)土壤粘聚力在維持邊坡穩(wěn)定性的貢獻(xiàn)最大，土壤粘聚力系數(shù)提升20％后，其穩(wěn)定性系數(shù)最大可提升31.2％；

41、(3)土壤含水量會(huì)增加土體自重，并降低土壤粘聚力，因此與邊坡穩(wěn)定性系數(shù)基本呈負(fù)相關(guān)；

42、(4)土壤根系密度可從增強(qiáng)土壤的抗剪強(qiáng)度、減少土壤侵蝕等方面提升坡體整體穩(wěn)定性。

43、第二，本發(fā)明提供的基于塊體下滑風(fēng)險(xiǎn)的城市邊坡穩(wěn)定性特征分析方法，在產(chǎn)業(yè)應(yīng)用中解決了現(xiàn)有技術(shù)中的多個(gè)關(guān)鍵問題，并取得了顯著的技術(shù)進(jìn)步。

44、現(xiàn)有技術(shù)問題：

45、1.數(shù)據(jù)采集不夠全面：傳統(tǒng)的邊坡穩(wěn)定性分析方法通常依賴于有限的地質(zhì)調(diào)查數(shù)據(jù)，忽視了諸如植被覆蓋率、土壤含水量等對(duì)邊坡穩(wěn)定性有重要影響的因素，導(dǎo)致分析結(jié)果缺乏全面性和準(zhǔn)確性。

46、2.分析方法單一且精度不足：現(xiàn)有的邊坡穩(wěn)定性分析方法大多采用簡(jiǎn)化的模型，忽略了對(duì)敏感因子的深入分析，難以準(zhǔn)確反映邊坡的實(shí)際穩(wěn)定性，特別是在復(fù)雜的城市環(huán)境中，導(dǎo)致無(wú)法有效預(yù)測(cè)和預(yù)防潛在的滑坡風(fēng)險(xiǎn)。

47、3.缺乏對(duì)影響因素的綜合評(píng)估：傳統(tǒng)方法通常未能對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響因素進(jìn)行系統(tǒng)的分析和量化，無(wú)法為邊坡治理提供有針對(duì)性的建議，影響了邊坡防護(hù)措施的科學(xué)性和有效性。

48、本發(fā)明的技術(shù)進(jìn)步：

49、1.全面的數(shù)據(jù)采集與處理：本發(fā)明通過(guò)測(cè)量邊坡尺寸、土壤特性、植被覆蓋等多種因素，形成一個(gè)全面的數(shù)據(jù)集，為邊坡穩(wěn)定性分析提供了豐富的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。通過(guò)對(duì)這些數(shù)據(jù)的綜合處理，顯著提高了邊坡穩(wěn)定性分析的準(zhǔn)確性。

50、2.多因子分析模型的應(yīng)用：本發(fā)明采用平面滑動(dòng)法結(jié)合多敏感因子分析，對(duì)邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行細(xì)致的計(jì)算與評(píng)估。通過(guò)對(duì)穩(wěn)定性系數(shù)與敏感因子的關(guān)系進(jìn)行量化分析，明確了各因素對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響，能夠更準(zhǔn)確地識(shí)別出高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域。

51、3.指導(dǎo)性強(qiáng)的邊坡治理措施：基于對(duì)敏感因子的分析結(jié)果，本發(fā)明能夠提出有針對(duì)性的邊坡治理建議，如改善排水系統(tǒng)、增加植被覆蓋等，極大地增強(qiáng)了邊坡治理的科學(xué)性和效果，減少了滑坡等地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生概率。

52、4.高效、實(shí)用的城市應(yīng)用：該方法特別適用于復(fù)雜的城市環(huán)境，能夠快速、高效地分析城市邊坡的穩(wěn)定性，并為城市規(guī)劃和建筑工程提供決策支持。相比傳統(tǒng)方法，顯著提高了邊坡穩(wěn)定性分析的精度和可靠性，有助于保障城市基礎(chǔ)設(shè)施的安全性和可持續(xù)性。

53、總之，本發(fā)明在解決現(xiàn)有技術(shù)中數(shù)據(jù)采集不全面、分析方法單一以及缺乏對(duì)影響因素綜合評(píng)估的問題上取得了顯著進(jìn)步，為城市邊坡穩(wěn)定性分析提供了一種更加科學(xué)、全面、有效的解決方案。

54、第三，本發(fā)明的技術(shù)方案轉(zhuǎn)化后的預(yù)期收益和商業(yè)價(jià)值為：

55、本發(fā)明通過(guò)利用塊體下滑風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算坡體的穩(wěn)定性，其技術(shù)方案轉(zhuǎn)化后的預(yù)期收益和商業(yè)價(jià)值主要體現(xiàn)在土木工程和地質(zhì)災(zāi)害防治方面，為坡體穩(wěn)定性提供了一種快速計(jì)算和判斷的評(píng)估方法。首先在土木工程方面，本發(fā)明可應(yīng)用于公路、鐵路、水利等工程建設(shè)中的邊坡穩(wěn)定性評(píng)估，為工程設(shè)計(jì)和施工提供可靠的數(shù)據(jù)支持。其次在低質(zhì)災(zāi)害方面，本發(fā)明可用于監(jiān)測(cè)和預(yù)警，減少災(zāi)害發(fā)生時(shí)的人員和財(cái)產(chǎn)損失。

56、本發(fā)明的技術(shù)方案填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)外業(yè)內(nèi)技術(shù)空白：

57、本發(fā)明通過(guò)將有效粘聚力、坡體自身重量和植被根系增強(qiáng)三者相結(jié)合，相對(duì)于傳統(tǒng)的邊坡穩(wěn)定性評(píng)估方法，本方法考慮的因素更為全面。相對(duì)于目前流行的有限元數(shù)值模擬方法，本方法雖然計(jì)算精度不如前者，但是計(jì)算效率更高，適合于大范圍、多個(gè)邊坡的預(yù)估性評(píng)價(jià)。

58、(3)本發(fā)明的技術(shù)方案克服了技術(shù)偏見：

59、本發(fā)明的技術(shù)方案克服了傳統(tǒng)邊坡穩(wěn)定性評(píng)估方法的局限性和偏見。傳統(tǒng)的方法通常側(cè)重于分析單一因素，如土壤的力學(xué)特性、坡體的幾何形狀或地下水條件，缺乏對(duì)其他重要影響因素的綜合考慮。這些方法往往不能全面反映邊坡的真實(shí)穩(wěn)定性，容易產(chǎn)生偏差。而本發(fā)明綜合了有效粘聚力、坡體自身重量和植被根系增強(qiáng)三個(gè)關(guān)鍵因素，提供了更全面的評(píng)估視角。

60、同時(shí)，本發(fā)明也克服了現(xiàn)代有限元數(shù)值模擬方法的高門檻問題。盡管有限元方法能夠提供精確的邊坡穩(wěn)定性分析，但其對(duì)使用者的專業(yè)知識(shí)和建模技能要求較高，非專業(yè)人員難以掌握。本發(fā)明的方法簡(jiǎn)單易用，評(píng)估過(guò)程不需要復(fù)雜的數(shù)值建模和高級(jí)軟件支持，降低了應(yīng)用難度，使得非專業(yè)用戶也能有效進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性評(píng)估，從而擴(kuò)大了技術(shù)的適用范圍。

61、第四，本發(fā)明的技術(shù)方案在產(chǎn)業(yè)應(yīng)用中解決了現(xiàn)有城市邊坡穩(wěn)定性分析技術(shù)中的諸多問題，并取得了顯著的技術(shù)進(jìn)步，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

62、1.數(shù)據(jù)采集的精準(zhǔn)性與全面性：傳統(tǒng)邊坡穩(wěn)定性評(píng)估方法通常依賴簡(jiǎn)單的幾何測(cè)量和土壤分析，容易忽略邊坡植被對(duì)穩(wěn)定性的影響。本發(fā)明通過(guò)系統(tǒng)化的測(cè)量裝置，精確采集邊坡的幾何尺寸、土壤特性以及植被特性數(shù)據(jù)，特別是考慮了植被根系對(duì)坡體穩(wěn)定性的增強(qiáng)作用，增強(qiáng)了評(píng)估的準(zhǔn)確性和完整性。

63、2.基于平面滑動(dòng)法的穩(wěn)定性計(jì)算：本發(fā)明采用了平面滑動(dòng)法，結(jié)合土壤粘聚力、內(nèi)摩擦角、孔隙水壓力等多個(gè)因素，全面計(jì)算了邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)。與傳統(tǒng)方法相比，本發(fā)明的計(jì)算模型細(xì)化了各因素的貢獻(xiàn)，能夠準(zhǔn)確評(píng)估不同條件下邊坡的滑動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)，尤其適用于復(fù)雜地質(zhì)條件下的城市邊坡穩(wěn)定性分析。

64、3.實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與動(dòng)態(tài)調(diào)整：通過(guò)引入傳感器網(wǎng)絡(luò)，能夠?qū)崟r(shí)采集邊坡數(shù)據(jù)，并通過(guò)在線計(jì)算模塊進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性的實(shí)時(shí)分析和風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)。這種實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和動(dòng)態(tài)調(diào)整功能使得本發(fā)明能夠迅速反映邊坡環(huán)境的變化，有效提升了邊坡監(jiān)測(cè)的精度與應(yīng)急處理能力。

65、4.多因子綜合分析與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估：本發(fā)明不僅考慮了邊坡的物理特性，還將植被根系和水文因素納入穩(wěn)定性分析模型，極大豐富了邊坡下滑風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的要素。通過(guò)對(duì)各敏感因子(如土壤含水量、植被根系等)的綜合分析，能夠準(zhǔn)確識(shí)別高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域，提升了城市邊坡防護(hù)的可靠性與科學(xué)性。

66、綜上所述，本發(fā)明在邊坡穩(wěn)定性分析中，顯著提升了數(shù)據(jù)采集的精準(zhǔn)性、穩(wěn)定性評(píng)估的全面性和實(shí)時(shí)性，為城市建設(shè)和邊坡防護(hù)提供了更加可靠和智能化的技術(shù)支持。