基于弹性波波速的降雨型滑坡预警系统.pdf

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1、(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201910603521.9 (22)申请日 2019.07.05 (71)申请人 中国矿业大学 （北京） 地址 100083 北京市海淀区学院路丁11号 (72)发明人 陈宇龙邓雪杰聂闻滕腾 (74)专利代理机构 北京国昊天诚知识产权代理 有限公司 11315 代理人 吴家伟 (51)Int.Cl. G08B 21/10(2006.01) G01N 33/24(2006.01) (54)发明名称 一种基于弹性波波速的降雨型滑坡预警系 统 (57)摘要 本发明属于自然灾害防治技术。

2、领域， 公开了 一种基于弹性波波速的降雨型滑坡预警系统， 设 置有框架； 压力室固定安装在所述框架内， 透水 石固定安在所述压力室的顶部， 陶土板固定安装 在所述压力室的底部， 弯曲元对称安装在透水石 和下表面和陶土板的上表面， 压力传感器、 示波 器、 信号放大器， 嵌装在所述弯曲元内部。 本发明 的弹性波波速随着含水率的增大缓慢减小， 而随 着变形的增大急剧减小， 临近失稳时， 波速骤然 减小； 根据试验结果对含水率和变形导致弹性波 波速减小可能的机制进行了解释， 提出弹性波在 波速骤然减小时发出滑坡预警。 本发明为滑坡防 灾减灾和预测预报提供新的方法和可靠的依据。 权利要求书1页 说明书。

3、9页 附图12页 CN 110363963 A 2019.10.22 CN 110363963 A 1.一种基于弹性波波速的降雨型滑坡预警系统， 其特征在于， 该基于弹性波波速的降 雨型滑坡预警系统设置有框架； 压力室， 固定安装在所述框架内； 透水石， 固定安装在所述压力室的顶部； 陶土板， 固定安装在所述压力室的底部； 弯曲元， 对称安装在透水石和下表面和陶土板的上表面； 压力传感器、 示波器、 信号放大器， 嵌装在所述弯曲元内部。 2.如权利要求1所述的基于弹性波波速的降雨型滑坡预警系统， 其特征在于， 所述压力 室内部还安装有荷重计， 所述荷重计通过转轴齿接驱动装置， 所述驱动装置固定。

4、安装在框 架的顶部。 3.如权利要求1所述的基于弹性波波速的降雨型滑坡预警系统， 其特征在于， 所述信号 放大器的输出端与信号发射器电连接， 所述压力传感器的输出端安装有阀门， 所述阀门输 出端通过管道连通滴定管； 所述滴定管上焊接有压差传感器， 所述滴定管的末端安装有稳 压器。 4.如权利要求1所述的基于弹性波波速的降雨型滑坡预警系统， 其特征在于， 所述压力 室的顶部通过电气转换器连通高压空气输入管， 所述压力室的底部通过管道连通收集器。 权利要求书 1/1 页 2 CN 110363963 A 2 一种基于弹性波波速的降雨型滑坡预警系统 技术领域 0001 本发明属于自然灾害防治技术领域。

5、， 尤其涉及一种基于弹性波波速的降雨型滑坡 预警系统。 背景技术 0002 目前， 降雨型滑坡是世界上最重要的地质灾害之一， 随着信息技术的发展， 滑坡早 期预警系统由于其较低的环境和经济成本， 已经逐渐进入人们的视野。 特别是在一些大型 滑坡案例中， 由于传统的防治手段， 如锚杆、 挡土墙等， 成本太高， 无法实施。 因此， 开发一种 简单、 经济、 实用的早期预警系统成为了最佳选择。 早期预警系统是目前滑坡管理的有效替 代方案， 能够对滑坡指标进行早期检测， 及时将可能受影响的居民疏散出易发生滑坡的区 域。 通过实时或近实时监测降雨和岩土体物理特性变化， 可以对大范围自然山坡的滑动失 稳进。

6、行预测预报。 现行的滑坡预警方法均采用考虑土体物理性质变化的预警临界值， 若土 体的相关物理性质超过了规定的临界值， 潜在受灾区域将会收到有可能发生滑坡的预警。 0003 综上所述， 现有技术存在的问题是： 0004 (1)传统的防治手段成本太高， 无法实施。 0005 (2)现行的滑坡预警设备均采用考虑土体物理性质变化的预警临界值， 对于潜在 受灾区有可能发生滑坡的预警效果差。 0006 解决上述技术问题的难度在于： 0007 目前降雨型滑坡预警系统主要基于边坡位移、 降雨强度、 土力学性质、 降雨渗流、 含水率、 基质吸力和孔隙压力等参数的监测。 但是， 分散布置的传感器并不能有效地监测到。

7、 潜在滑坡区域， 因为这些传感器都只对自身附近的变形和含水率变化敏感。 0008 解决上述技术问题的意义在于： 0009 研究降雨入渗导致土体失稳过程中的弹性波波速的变化， 揭示含水率和变形与弹 性波波速的对应关系， 获得含水率、 变形与弹性波波速耦合关系， 建立一套基于弹性波波速 的降雨型滑坡预警方法。 研究成果将为降雨诱发滑坡的预测和预警系统提供重要参考。 发明内容 0010 针对现有技术存在的问题， 本发明提供了一种基于弹性波波速的降雨型滑坡预警 系统， 通过监测弹性波波速的变化速率来监测边坡的稳定性。 0011 本发明是这样实现的， 一种基于弹性波波速的降雨型滑坡预警系统设置有框架。 。

8、0012 压力室， 固定安装在所述框架内。 0013 透水石， 固定安装在所述压力室的顶部。 0014 陶土板， 固定安装在所述压力室的底部。 0015 弯曲元， 对称安装在透水石和下表面和陶土板的上表面。 0016 压力传感器、 示波器、 信号放大器， 嵌装在所述弯曲元内部。 0017 该装置能同步测试含水率、 变形和弹性波波速的变化。 在固定应力条件下进行了 说明书 1/9 页 3 CN 110363963 A 3 三轴注水试验， 并从非饱和土试件底部注水， 直至失稳破坏。 如此加载模式模拟了降雨入渗 边坡的潜在滑动面上的土单元所遵循的应力路径。 注水过程中同时测量了S波和P波波速的 变化。

9、规律。 0018 进一步， 所述压力室内部还安装有荷重计， 所述荷重计通过转轴齿接驱动装置， 所 述驱动装置固定安装在框架的顶部。 0019 进一步， 所述信号放大器的输出端与信号发射器电连接， 所述压力传感器的输出 端安装有阀门， 所述阀门输出端通过管道连通滴定管。 所述滴定管上焊接有压差传感器， 所 述滴定管的末端安装有稳压器。 0020 进一步， 所述压力室的顶部通过电气转换器连通高压空气输入管， 所述压力室的 底部通过管道连通收集器。 0021 进行了边坡模型试验， 监测边坡降雨入渗导致的含水率和变形， 以及边坡表层的 弹性波波速变化。 通过三轴弯曲元试验和降雨滑坡模型试验， 研究降雨。

10、入渗导致土体失稳 过程中的弹性波波速的变化， 揭示含水率和变形与弹性波波速的对应关系， 获得含水率、 变 形与弹性波波速耦合关系。 0022 综上所述， 本发明的优点及积极效果为： 0023 通过三轴注水试验和边坡模型试验分析了土体含水率和变形与弹性波波速的耦 合关系， 提出了基于弹性波波速的降雨型滑坡预警系统。 0024 (1)利用弹性波波速能够表征土体的水分入渗和变形行为， 弹性波波速对含水率 和变形响应敏感。 0025 (2)弹性波波速随含水率的增大而逐渐减小， 而随变形的增大而迅速减小。 弹性波 波速在临近失稳时的急剧下降可以用作土体临近失稳的判据。 因此， 在弹性波波速骤然减 小时发。

11、出预警。 0026 (3)将三轴试验检测到的弹性波波速与边坡模型试验检测到的波速进行比较， 建 立了三轴试验与边坡模型试验在同一应力水平下的波速修正关系， 发现边坡模型试验观测 到的弹性波波速表现为S波。 附图说明 0027 图1是本发明实施例提供的三轴注水试验设备图。 0028 图2是本发明实施例提供的三轴试验中的P波和S波波形图。 0029 图3是本发明实施例提供的边坡模型示意图。 0030 图4是本发明实施例提供的边坡模型试验的波形图。 0031 图5是本发明实施例提供的m/2和饱和度的关系曲线图。 0032 图6是本发明实施例提供的修正后的三轴试验观测到的弹性波波速与边坡模型试 验观测。

12、到的波速的比较图。 0033 图7是本发明实施例提供的滑坡早期预警思路图。 0034 图8是本发明实施例提供的三轴试验的饱和度、 轴向应变和弹性波波速图。 0035 图9是本发明实施例提供的弹性波波速随饱和度和轴向应变的变化图。 0036 图10是本发明实施例提供的边坡模型试验的饱和度、 倾斜角和弹性波波速(坡角 40 )图。 说明书 2/9 页 4 CN 110363963 A 4 0037 图11是本发明实施例提供的边坡模型试验的饱和度、 倾斜角和弹性波波速(坡角 50 )图。 0038 图12是本发明实施例提供的坡角40 条件下弹性波波速随饱和度和倾斜角的变化 图。 0039 图13是本。

13、发明实施例提供的坡角50 条件下弹性波波速随饱和度和倾斜角的变化 图。 0040 图中： 1、 高压空气输入管。 2、 电气转换器。 3、 压力传感器。 4、 示波器。 5、 信号放大 器。 6、 信号发射器。 7、 框架。 8、 驱动装置。 9、 压力室。 10、 荷重计。 11、 透水石。 12、 弯曲元。 13、 陶土板。 14、 收集器。 15、 滴定管。 16、 稳压器。 17、 压差传感器。 18、 阀门。 具体实施方式 0041 为了使本发明的目的、 技术方案及优点更加清楚明白， 以下结合实施例， 对本发明 进行进一步详细说明。 应当理解， 此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发。

14、明， 并不用于 限定本发明。 0042 本发明进行了三轴注水实验： 对应力控制式三轴仪进行了改装， 使其能够在水渗 入的同时测量S波和P波波速。 根据力学试验原理， 假定一土体保持平衡状态， 则其中某一点 必有三种作用于互相垂直面上的应力。 如从上体中切出一小立方体，“主应力与主应力面” 图中平行于X、 Y、 Z三个方向的力， 分别称为大主应力 1、 中主应力 2、 小主应力 3。 与三个主 应力垂直的作用面分别称为大主应力面、 中主应力面和小主应力面。 三个主应力值的大小 为 1 2 3， 且互相垂直， 主应力面上只有法向应力， 无剪应力。 这种应力状态， 可以在室内 用一个立方体试样进行模。

15、拟。 刚性板结构的真三轴仪图中利用六块可以互相移动的刚性 板， 分别施加 1、 2、 3力于试样， 使之达到破坏， 并测定试样三个方向的变形和体积变化。 该三轴仪最大的特点在于其底座由环形陶土板(进气值100kPa)和中心嵌入的弯曲元所构 成。 0043 下面结合附图对本发明的技术方案作详细描述。 0044 如图1-图12所示， 本发明实施例提供的三轴注水试验设备所示。 包括： 0045 高压空气输入管1、 电气转换器2、 压力传感器3、 示波器4、 信号放大器5、 信号发射 器6、 框架7、 驱动装置8、 压力室9、 荷重计10、 透水石11、 弯曲元12、 陶土板13、 收集器14、 滴定。

16、 管15、 稳压器16、 压差传感器17、 阀门18. 0046 高压空气输入管1通过电气转换器2连通压力室9。 位于压力室9底部的陶土板13上 搁置有弯曲元12； 弯曲元12上部覆盖有透水石11， 弯曲元12上部通过信号线连接荷重计10 和示波器4； 弯曲元12的下部通过导线连接信号放大器5、 信号发射器6； 弯曲元12的下部通 过导线还依次连接压力传感器3、 阀门18、 滴定管15、 稳压器16、 压差传感器17。 收集器14通 过管道连接弯曲元12上部。 0047 其中， 压力室9固定安装在所述框架7内。 0048 透水石11， 固定安装在所述压力室9的顶部。 0049 陶土板13， 固。

17、定安装在所述压力室的底部。 弯曲元12， 对称安装在透水石和下表面 和陶土板的上表面。 0050 压力传感器、 示波器、 信号放大器， 嵌装在所述弯曲元内部。 说明书 3/9 页 5 CN 110363963 A 5 0051 该装置能同步测试含水率、 变形和弹性波波速的变化。 在固定应力条件下进行了 三轴注水试验， 并从非饱和土试件底部注水， 直至失稳破坏。 如此加载模式模拟了降雨入渗 边坡的潜在滑动面上的土单元所遵循的应力路径。 注水过程中同时测量了S波和P波波速的 变化规律。 0052 所述压力室内部还安装有荷重计10， 所述荷重计10通过转轴齿接驱动装置， 所述 驱动装置8固定安装在框。

18、架的顶部。 0053 所述信号放大器5的输出端与信号发射器电连接， 所述压力传感器的输出端安装 有阀门， 所述阀门输出端通过管道连通滴定管。 所述滴定管上焊接有压差传感器， 所述滴定 管的末端安装有稳压器。 0054 所述压力室的顶部通过电气转换器连通高压空气输入管1， 所述压力室的底部通 过管道连通收集器。 0055 下面结合具体分析对本发明作进一步描述。 0056 在滴定管15上施加恒定的渗透压力， 使水通过底座的陶土板渗入试件。 陶土板的 渗透速率几乎恒定。 试验过程中记录渗入和渗出试件的水量， 计算试件内部饱和度。 通过对 渗透压力的控制， 使试件的饱和度以5/h的速率均匀增加。 水从。

19、试件底部注入， 先浸湿试 件底部， 然后通过毛细水吸力上升至顶部。 本发明中的饱和度是指整个试件内部的平均值。 0057 弹性波是由嵌入底座的弯曲元12发出， 压头的弯曲元1接收。 通过脉冲测试系统进 行校准， 将压头和底座的弯曲元直接接触， 以确定系统滞后， 包括元件的响应时间和电线的 行程时间。 在校准中还检查了输入信号和输出信号之间的相位关系(即初始极化)。 0058 试件直径75mm、 高150mm， 直接置于已饱和的陶土板上， 初始饱和度为Sr15。 本 申请制备了干密度分别为1.2g/cm3、 1.3g/cm3和1.4g/cm3(压实度Dc68.1、 73.8和 79.5)的试件。。

20、 试验首先施加各向同性围压 310kPa， 然后将轴向应力 1以1kPa/min的速 率增加至指定的主应力比K 1/ 3。 主应力比K表示沿边坡潜在滑动面土单元的固结状态。 0059 侧向土压力系数K0 1/ 3为： 0060 K01-sin (1) 0061 式中： 为内摩擦角。 Gallage和Uchimura对Edosaki砂进行了直剪试验， 发现 Edosaki砂的内摩擦角不受吸力和含水率的影响。 其内摩擦角始终为38 。 因此， 将38 代入式(1)， 计算得到K00.38。 因此， 主应力比K(1/K0)2.6。 在三轴试验中， 使用主应力 比K2.6。 固结1小时后开始注水， 直。

21、至试件破坏。 0062 Edosaki砂的共振频率为5kHz， 本发明利用该频率测量试件的波速。 在注水过程中 定时记录弹性波速。 弹性波波速V的计算方法为： 0063 VH/t (2)。 0064 式中： H和t分别为弹性波的传播距离和传播时间。 0065 准确测定土体中的弹性波速度是预测土体失稳的关键。 原始信号不可避免地包含 噪声。 为了降低噪声， 采用了叠加技术， 即取重复测量波形的平均值。 为了实现这一目的， 对 20个试验波形的数据进行叠加， 以获得清晰的波形， 确定弹性波波速。 图2为叠加后的P波和 S波波形。 P波的到达时间被认为是信号的第一次偏转。 P波的传播时间定义为输入信。

22、号上升 时间与输出信号上升时间之间的时间差。 S波的传播时间定义为输入信号的上升时间与输 出信号时域序列中主峰前第一个零点出现时间的时间差。 说明书 4/9 页 6 CN 110363963 A 6 0066 下面结合相关实验对本发明作进一步描述。 0067 1)、 边坡模型试验： 边坡模型如图3所示， 高40cm， 宽30cm， 长74.6cm(坡角40 )和 57.0cm(坡角50 )。 为模拟真实工况， 模型边坡具有松散风化表层和密实完整的基层。 模型 边坡也分为两层， 基层与表层。 基层的干密度为1.7g/cm3(压实度Dc96.5)。 表层竖直厚 度为10cm， 干密度分别为1.2、。

23、 1.3和1.4g/cm3(Dc68.1、 73.8和79.5)， 这与三轴试 验中使用的密度相同。 与三轴试验一样， 主应力比K2.6。 0068 弹性波由电磁阀产生。 电磁阀由缠绕在铁芯上的螺线管线圈组成。 通电时， 电磁线 圈产生电磁力带动铁芯运动。 断电时， 电磁力消失， 弹簧把铁芯压回阀座。 铁芯在电磁力的 作用下运动产生弹性波。 电磁阀采用深圳众恒电器有限公司生产的推拉式电磁铁ZHO- 1040L/S， 弹性波接收器采用日本NECTOKIN公司生产的压电振动传感器(VS-BV201)。 0069 电磁阀放入一小塑料圆筒盒内， 埋入基层表面。 铁芯和塑料圆筒盒的运动方向与 坡面保持垂。

24、直。 弹性波接收器Ch0与塑料圆筒盒接触， 4个接收器(Ch14)布置在表层坡面 上， 测量弹性波的传播时间。 为了消除随机信号噪声， 提高信号的信噪比， 设计了单片机， 在 一次通电输入时自动产生20个重复脉冲， 在短时间内接收到20个重复信号， 最后将这20个 信号进行叠加。 叠加后的波形如图4所示。 弹性波传播时间t是通过选取波形最先到达时刻 来测量。 因此， 弹性波波速由式(2)计算得到。 0070 此外， 本发明还使用了水分计和倾斜计监测模型边坡表层的体积含水率和倾斜变 形。 倾斜传感器与一块长10cm的钢条相连， 插入到表层土。 假设钢条的底部在10cm的深度与 基层接触， 不会移。

25、动， 倾斜应变由倾斜计记录的倾斜角 表示为： 0071 tan (3) 0072 水分计和倾斜计的数据采集频率为1s/次， 弹性波的采集频率为30s/次， 降雨强度 为100mm/h， 降雨持续到滑坡发生。 0073 2)边坡模型试验中波类型的确定： 弹性波在三轴试验中是由弯曲元产生， 而在边 坡模型试验中是由电磁阀产生。 在三轴试验中， 弯曲元的弯曲和伸展和输入波形是可控的， 能够分别发射P波或S波。 然而， 在模型试验中由电磁阀产生的波信号并不清晰， 其产生的波 类型尚不清楚。 换言之， 在边坡模型试验中， 电磁阀产生的波信号是P波和S波的混合波形。 本发明尝试在边坡模型试验中确定波的类型。

26、。 0074 弹性波波速具有应力依赖性。 由于三轴试验与边坡模型试验中土体的应力状态不 同， 不能直接比较两种试验方法获得的弹性波波速， 尚不能武断地判断是P波或S波。 因此， 需要将三轴试验的弹性波波速进行修正， 修正至与边坡模型试验相同应力状态下的波速。 0075 由弹性连续介质力学可知， 压缩模量M0和剪切模量G0可表示为： 0076 M0 (VP)2 (4)。 0077 G0 (VS)2 (5)。 0078 式中： 为土体密度。 0079 土的小应变模量可以表示为： 0080 说明书 5/9 页 7 CN 110363963 A 7 0081 0082 联立式(4)(7)得到弹性波波速。

27、与应力状态的指数函数关系： 0083 Vp( 1)m/2 (8) 0084 0085 由式(8)和式(9)可知， P波波速只与轴向应力有关， S波波速与轴向应力和围压有 关。 0086 轴向应力可用围压表示为： 0087 1K 3 (10)。 0088 将式(10)代入式(9)得： 0089 0090 由式(11)可知S波波速也只与轴向应力有关。 因此P波和S波波速可一般地表达为： 0091 Vs.p(| 1)m/2 (12)。 0092 定义修正系数 为将三轴试验的弹性波波速修正至模型试验应力状态对应波速的 系数。 0093 0094 三轴试验中， 轴向应力( 1)triaxial26kPa。

28、。 边坡模型试验中的轴向应力( 1)mode1 为： 0095 ( 1)model gh/2 (14)。 0096 式中： g为重力加速度， h为表层土厚度(10cm)。 土体密度 可表示为： 0097 d(1+w) (15)。 0098 式中： d为干密度， w为含水率。 0099 含水率w换算成饱和度Sr： 0100 0101 式中， Vv为孔隙体积， V为总体积， Vw为孔隙水体积， ms为固体质量， w为水的密度， s 为土颗粒的密度。 0102 将式(16)代入式(15)得： 0103 0104 边坡模型试验中的轴向应力( 1)model可以通过式(17)和已知的表层土厚度h与重 力。

29、加速度g求得。 说明书 6/9 页 8 CN 110363963 A 8 0105 3)另一个关键问题就是如何确定参数m。 0106 Irfan建立Edosaki砂的波速与各向同性围压的关系。 图5给出了m/2和饱和度的关 系曲线， 对试验数据进行拟合得到： 0107 P波mp/20.1461-0.11345Sr+0.28238Sr2 (18)。 0108 S波ms/20.13267-0.07352Sr+0.26655Sr2 (19)。 0109 修正系数 可表示为： 0110 P波： 0111 0112 S波： 0113 0114 为比较三轴试验和边坡模型试验的弹性波波速， 将三轴试验获得的。

30、波速值除以修 正系数 。 倾斜角换算成倾斜应变(tan )。 图6比较了修正后的三轴试验观测到的弹性 波波速与边坡模型试验观测到的波速。 如图6所示， 三轴试验和边坡模型试验的弹性波波速 的变化趋势有一定差异。 三轴试验中的弹性波波速随应变的下降速率比边坡模型试验更 快。 边坡模型试验的弹性波波速-应变曲线略高于三轴试验。 这种差异可能是由于不同试验 方法的应力路径、 浸润路径、 尺寸效应、 降雨强度等原因造成的。 0115 与三轴试验的P波相比， 模型试验的弹性波波速与修正后的三轴试验的S波波速相 近。 P波的传播速度比S波快， 但在边坡模型试验中， P波却被掩盖了。 这可能是因为P波的弱 。

31、近场效应。 由于低振幅和低强度， P波衰减较快， 不易被监测到。 因此， 边坡模型试验中观测 到的波类型最有可能是S波。 0116 下面结合弹性波波速下降机制对本发明作进一步描述。 0117 弹性波波速随含水率和变形而降低的原因可能有： 0118 由式(4)和(5)可知， 弹性波波速的平方与剪切模量和压缩模量成正比， 与土密 度成反比。 含水率增大导致基质吸力和有效应力降低， 土体逐渐软化， 剪切模量和压缩模量 减小， 而密度增大。 所以由式(4)和(5)计算得到的弹性波波速随着含水率增大而降低。 0119 由传统的刚度退化曲线可知， 随着应变的增大， 刚度模量随之减小。 土体累积变 形导致了。

32、其内部结构的非均质性， 改变了弹性波的传播路径。 变形引起土体结构的变化， 即 控制基质吸力的孔隙和弯液面水膜的结构、 形状和分布发生了变化。 因此， 弹性波波速随变 说明书 7/9 页 9 CN 110363963 A 9 形增大而减小。 0120 临近破坏时， 波速急剧减小可能是因为土体膨胀变形。 Irfan等进行了与本发明 同样的三轴注水试验， 发现三轴试件在临近破坏时体积应变从压缩转变为膨胀， 试件在临 近破坏时的逐渐膨胀和颗粒的重新排列导致了弹性波波速的迅速下降。 0121 下面结合滑坡早期预警对本发明作进一步描述。 0122 试验结果解释了非饱和土弹性波波速随含水率和变形而变化的机。

33、制。 这为基于弹 性波波速的滑坡预警系统奠定基本框架和基本准则。 为监测边坡表面的弹性波波速， 需在 边坡内安装一组弹性波发射器/接收器， 定时获取弹性波在边坡内的波速， 如图7所示。 通过 钻孔至一定深度的潜在滑动面， 安装一个弹性波发射器， 发射器将弹性波发送至边坡表面 的多个接收器。 发射器按一定时间频率自动发射弹性波， 记录每个接收器的接收到弹性波 波速。 各接收器记录的波速变化能够反映边坡的稳定性状态。 0123 实时监测是滑坡预警系统的基础。 边坡易滑区弹性波波速的监测对边坡稳定性的 准确预测至关重要。 降雨最先增大土体含水率， 降低弹性波波速。 一旦发生滑坡， 预计波速 将急剧下。

34、降。 弹性波波速减小速率在临近滑坡时骤然增大。 弹性波波速减小速率的突变将 作为滑坡先兆的判据， 由此可利用弹性波在土中的传播速度来预测滑坡的发生。 0124 下面结合具体实例对本发明的创造性作进一步描述： 0125 实例一 0126 三轴注水试验。 0127 三轴试验在围压 310kPa、 主应力比K2.6、 饱和度Sr15条件下进行。 图8为 三轴试验获得的饱和度、 轴向应变和弹性波波速。 随着水的入渗， 试件的下部先浸润， 然后 通过毛细水吸力向上部渗流。 试验过程中， 试件的水分在其高度上的分布是不均匀的。 0128 随着含水率的增加， 试件的轴向应变开始呈线性增加。 临近破坏时， 轴。

35、向应变加速 增加(图8b)。 低密度土体比高密度土体的变形速率大。 图8c显示P波波速大于S波波速。 高密 度试件的弹性波波速大于低密度试件的波速。 与轴向应变的观测结果相似， 水入渗后的弹 性波波速逐渐减小， 在试件临近破坏时波速急剧减小。 当轴向应变加速增大时(即失稳起始 点)， 波速急剧下降。 该观测结果对基于弹性波波速的滑坡预警系统具有重要意义。 0129 图9(a)、 (b)分别给出了饱和度-轴向应变-弹性波波速的关系曲线。 弹性波波速和 轴向应变在失稳启动时同时加速响应。 图9(c)给出了弹性波波速随轴向应变的变化。 图9 (b)和(c)显示饱和度和轴向应变均能导致弹性波波速的降低。

36、。 图9(c)表明， 弹性波波速与 轴向应变的呈线性关系， 波速衰减速率能够反映土体变形的速率。 该试验结果为滑坡预警 系统提供了指导意义和依据。 图9(d)显示了弹性波波速与饱和度和轴向应变的三维关系。 开始注水后， 弹性波波速逐渐下降， 然后临近失稳时， 波速迅速下降。 受含水率增加和变形 的耦合作用， 弹性波波速加速减小。 0130 实例二 0131 边坡模型试验。 0132 图10和图11分别给出了40 坡角和50 坡角的饱和度、 倾斜角和弹性波波速的变 化。 随着持续降雨， 边坡下部的饱和度最先增大， 在坡脚处形成地下水位。 地下水位升高， 坡 体上部土体逐渐饱和或接近饱和。 倾斜变。

37、形从坡脚向上发展。 在饱和比达到一定程度后， 边 坡下部首先发生滑动。 与此同时， 边坡上部开始变形， 表明坡脚出现滑动以后， 整个边坡趋 说明书 8/9 页 10 CN 110363963 A 10 于不稳定状态。 滑坡之前的倾斜变形较小， 滑坡突然发生， 倾斜角突然增大。 坡脚小规模的 滑动也可以作为即将发生的滑坡的先兆。 由于孔隙水压持续增大， 基质吸力下降导致的抗 剪强度降低， 使边坡趋于不稳定。 最终， 抗剪强度的衰减导致边脚滑动和整个边坡的突然崩 塌。 0133 随着表层土体饱和度和倾斜角的增大， 弹性波波速先缓慢减小， 临近滑坡时波速 加速减小。 降雨前期， 仅有饱和度增大， 倾。

38、斜角未有增大。 由此推测， 降雨前期弹性波波速的 轻微下降是由于饱和度增大。 而在后期， 饱和度保持在较高水平， 增幅较小， 此时倾斜角开 始增大。 因此， 后期弹性波波速的大幅下降被认为是由于倾斜变形增大。 不幸的是， 弹性波 波速监测频率设置为30s， 因此未能及时捕捉到突然滑坡前的波速监测数据。 但根据监测到 的弹性波波速的数据所呈现出的趋势， 预计滑坡发生时， 弹性波速将大幅减小。 0134 图12和图13分别给出了坡角40 和50 条件下的饱和度-倾斜角-弹性波波速关系 曲线。 三轴试验结果一致， 边坡模型试验得到的弹性波波速先逐渐减小， 然后随着倾斜变形 而迅速减小。 弹性波波速先。

39、随着饱和度的增大而缓慢减小， 此时倾斜角未见明显增大。 然后 随着倾斜角的增大， 弹性波波速出现急剧减小。 0135 以上所述仅为本发明的较佳实施例而已， 并不用以限制本发明， 凡在本发明的精 神和原则之内所作的任何修改、 等同替换和改进等， 均应包含在本发明的保护范围之内。 说明书 9/9 页 11 CN 110363963 A 11 图1 说明书附图 1/12 页 12 CN 110363963 A 12 图2 说明书附图 2/12 页 13 CN 110363963 A 13 图3 说明书附图 3/12 页 14 CN 110363963 A 14 图4 图5 说明书附图 4/12 页 。

40、15 CN 110363963 A 15 说明书附图 5/12 页 16 CN 110363963 A 16 图6 说明书附图 6/12 页 17 CN 110363963 A 17 图7 图8 说明书附图 7/12 页 18 CN 110363963 A 18 图9 说明书附图 8/12 页 19 CN 110363963 A 19 图10 图11 说明书附图 9/12 页 20 CN 110363963 A 20 图12 说明书附图 10/12 页 21 CN 110363963 A 21 说明书附图 11/12 页 22 CN 110363963 A 22 图13 说明书附图 12/12 页 23 CN 110363963 A 23 。