一种黄土斜坡的失稳概率计算方法、系统及设备

本发明涉及黄土斜坡失稳预测，特别是涉及一种黄土斜坡的失稳概率计算方法、系统及设备。

背景技术：

1、近年来，受极端气候变化影响，黄土地区极端降雨事件频发，黄土斜坡内部随着水分入渗，土体吸力降低，强度锐减，导致大量黄土斜坡变形失稳，严重威胁人民群众生命和财产安全，因此，实时准确地预测斜坡在降雨过程中可能发生破坏的位置和失稳的概率对于黄土地区防灾减灾具有重要意义。

2、现有关于黄土滑坡的监测和预测方法研究中，研究人员注意到黄土滑坡的发生与降雨在斜坡中的入渗、土体的持水特性和渗透特性改变等因素密切相关。研究人员首先采取例如时域反射（tdr）、频域反射（fdr）技术以及电阻率层析成像（ert）技术的土体水分监测方法监测斜坡水分，然后通过协同条分法、bishop法及janbu法等方法计算坡体失稳概率，从而评估坡体所处状态。

3、现有协同条分法、bishop法及janbu法等方法在具体计算过程时，采用的是水分成像数据的部分时间段进行计算的，因此其只能获取坡体某时刻的失稳概率，无法实时的获取坡体在任意时间的失稳概率，不能建立水分成像数据与斜坡失稳概率之间的持续性联系，易造成已采集数据运用浪费。

技术实现思路

1、本发明提供了一种黄土斜坡的失稳概率计算方法、系统及设备，解决了现有失稳概率计算方法只能获取坡体某时刻的失稳概率，无法实时的获取坡体在任意时间的失稳概率，不能建立水分成像数据与斜坡失稳概率之间的持续性联系，易造成已采集数据运用浪费的问题。

2、第一方面，本发明提供一种黄土斜坡的失稳概率计算方法，包括以下步骤：

3、将目标黄土斜坡剖面数据进行划分，得到多个网格单元；在降雨条件下实时获取目标黄土斜坡的水分成像数据，所述水分成像数据为每个网格单元的含水率；

4、获取用于表征目标黄土稳定性的力学指标，通过所述力学指标建立水分成像数据与目标黄土的稳定性参数之间的关联式；

5、将目标黄土斜坡的水分成像数据代入至所述关联式中，得到目标黄土斜坡的稳定性参数分布；

6、根据目标黄土斜坡的稳定性参数分布获取每个网格单元的局部安全系数，通过多个网格单元的局部安全系数获取目标黄土斜坡的局部失稳概率。

7、优选的，所述在降雨条件下实时获取每个网格单元的含水率，包括以下步骤：

8、在目标黄土斜坡的多个测点上均布置电极，对多个测点的电阻率进行测量；在降雨条件下实时获取目标黄土斜坡剖面任意位置的电阻率；

9、对目标黄土斜坡的土体进行采样，得到样品；测定样品吸力平衡后对应的电阻值，得到对应的含水率和电阻值数据；

10、根据电阻值获取相应的电阻率，将含水率与电阻率进行拟合，得到电阻率与含水率的对应关系；

11、将不同位置的电阻率在对应的网格单元上进行离散化，得到每个网格单元对应的电阻率；

12、将每个网格单元的电阻率输入至电阻率与含水率的对应关系，获取每个网格单元的含水率。

13、优选的，所述稳定性参数为有效应力。

14、优选的，所述通过所述力学指标建立水分成像数据与目标黄土的稳定性参数之间的关联式，包括以下步骤：

15、采用archie模型表示黄土土体电阻率：

16、；

17、式中， ρ为黄土土体电阻率，为孔隙水电阻率， sr为土体饱和度， a和 b为土性参数，为胶结系数， n为孔隙率；

18、对archie模型进行拟合，得到拟合公式：

19、；

20、式中， k为土体综合结构参数， w为质量含水率， g s为比重， e为孔隙比；

21、通过archie模型和拟合公式获取土体电阻率与体积含水率之间的关系：

22、；

23、式中，为体积含水率，为干密度；

24、引入土水特征关系：

25、；

26、式中，为基质吸力， θ为体积含水率， θ( h)为土水特征方程， h为水头高度， θ r为残余体积含水率， θ s为饱和体积含水率，和 m为经验参数；

27、根据土体电阻率与体积含水率之间的关系以及土水特征方程，得到基质吸力与土体电阻率的关系：

28、；

29、引入吸应力，得到吸应力与含水率的关系式：

30、；

31、式中，为吸应力，为有效饱和度， u a为孔隙气压， u w为孔隙水压；

32、获取目标黄土斜坡剖面任意位置的应力：

33、；

34、式中，为不同位置的应力， i和 j分别代表二维空间 x和 z的下标， x为水平方向， z为垂直或重力方向，为水平方向的法向应力，为垂直方向的法向应力，为 x-z方向上的剪切力，为 z-x方向上的剪切力；

35、根据线弹性理论，应力和应变由胡克定律来表达，总应力如下式所示：

36、；

37、式中， μ为泊松比， g为剪切模量，为单位矩阵，为水平方向正应变，为不同方向的应变；

38、采用吸应力取代孔隙压力，得到吸应力与有效应力的关系式：

39、；

40、式中，为有效应力。

41、优选的，所述根据目标黄土斜坡的稳定性参数分布获取每个网格单元的局部安全系数，具体如下式所示：

42、；

43、式中， lfs为局部安全系数，为剪切强度，为剪切应力，为排水条件下斜坡材料的粘聚力，为排水条件下斜坡的摩擦角，为有效最大主应力，为有效最小主应力。

44、优选的，所述通过多个网格单元的局部安全系数获取目标黄土斜坡的局部失稳概率，包括以下步骤：

45、获取总网格单元数量；

46、统计局部安全系数小于1的网格单元数量；

47、获取局部安全系数小于1的网格单元数量占总网格单元数量的百分比并分析其分布，获得目标黄土斜坡的局部失稳概率。

48、第二方面，本发明提供一种黄土斜坡的失稳概率计算装置，包括：

49、划分模块，用于将目标黄土斜坡剖面数据进行划分，得到多个网格单元；在降雨条件下实时获取目标黄土斜坡的水分成像数据，所述水分成像数据为每个网格单元的含水率；

50、建立模块，用于获取用于表征目标黄土稳定性的力学指标，通过所述力学指标建立水分成像数据与目标黄土的稳定性参数之间的关联式；

51、代入模块，用于将目标黄土斜坡的水分成像数据代入至所述关联式中，得到目标黄土斜坡的稳定性参数分布；

52、计算模块，用于根据目标黄土斜坡的稳定性参数分布获取每个网格单元的局部安全系数，通过多个网格单元的局部安全系数获取目标黄土斜坡的局部失稳概率。

53、第三方面，本发明提供一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现上述的黄土斜坡的失稳概率计算方法。

54、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

55、本发明首先将目标黄土斜坡剖面进行网格剖分，并在降雨条件下实时获取目标黄土斜坡的水分成像数据。对于现有斜坡稳定性计算方法采用的是水分成像数据的部分时间段进行计算这一问题，本发明以斜坡土体的基本物理力学指标为基础，根据该力学指标建立水分成像数据与目标黄土的稳定性参数之间的关联式，将实时获取的目标黄土斜坡的水分成像数据代入至关联式中，进而得到目标黄土斜坡的稳定性参数分布。最后根据目标黄土斜坡的稳定性参数分布获取每个网格单元的局部安全系数，通过多个网格单元的局部安全系数获取目标黄土斜坡的局部失稳概率。本发明可以实时的获取坡体在任意时间的失稳概率，建立目标黄土斜坡的水分成像数据与失稳概率之间的持续性联系，不会造成已采集数据运用浪费。