一种基于位移与动力多参数的滑坡综合监测预警方法
技术领域
本发明涉及一种基于位移与动力多参数的滑坡综合监测预警方法，尤其涉 及一种构建和确定边坡位移与动力多参数综合隶属度，并依次建立边坡稳定性 评价及监测预警的方法，其属于边坡工程稳定性评价与滑坡地质灾害监测预警 技术领域。
背景技术
滑坡是危害性和破坏性较为严重的地质灾害之一，其稳定性的科学监测与 预测预报是滑坡灾害监测预警与防灾减灾工程的基础与前提。目前，在滑坡地 质灾害预测评价方法中，极限平衡法和位移时序预测法一直是边坡工程评价设 计和滑坡预测中所采用的主要方法，并在各类工程实践中发挥了重要作用。极 限平衡法以刚体极限平衡理论为基础，将滑坡进行简化，分析其沿滑动面的力 学平衡状态，通过下滑力、抗滑力确定滑坡体的稳定性系数Fs来预测滑坡的稳 定性。该评价方法具有明确的失稳判据，即稳定性系数Fs＝1，是滑坡稳定分析 中常用的方法。但该类方法不考虑其变形协调关系，且其力学评价模型是一种 与时间无关的静态评价模型，评价不了边坡稳定性随时间的变化规律，因此该 方法在滑坡稳定性评价方面不具有对其动态稳定性进行监测预警与评价的局限 性。位移时序预测法是基于监测到的边坡系统演化的位移时间序列，直接运用 位移参数的变化对滑坡的稳定性进行评价与预测预报。这种方法包含时间变化 关系，且具有易实施、操作简单的优点。但是这种方法只是运用滑坡的位移量 或位移速率变化规律对边坡稳定性进行分析与评价，其评价模型不能科学反映 滑坡位移或位移速率变化的动因，不能建立完整统一的边坡失稳位移和位移速 率判据，不能对边坡稳定性进行基于滑坡机理的科学评价与防治。
针对上述传统边坡稳定性评价方法的不足与局限性，本发明运用模糊数学 基本理论，提出建立一种利用位移与动力多参数综合隶属度评价边坡稳定性的 方法，综合对边坡整体稳定性进行监测预警，以此克服传统边坡稳定性评价理 论与方法的不足。所提出和建立的方法具有可操作性强、准确性高、稳定性强 的特点，对边坡稳定性评价及监测预警具有十分重要的应用价值。
发明内容
本发明针对上述现有技术中存在的不足，提供一种基于位移与动力多参数 的滑坡综合监测预警方法。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：
一种基于位移与动力多参数的滑坡综合监测预警方法，包括以下步骤：
步骤一、边坡位移、后缘裂缝、地下水位、坡体含水率数据的监测与预处 理
1)对边坡进行初步勘察与测绘，确定边坡分布范围与尺寸以及后缘壁长度 等特征，在主滑区及后缘裂缝、剪出口等关键点设置监测点和基准点；
2)监测设备的布置与安装；
3)监测数据的预处理；
步骤二、边坡不同位移关键参数的选择与确定；
选取能反映边坡整体稳定性变化的位移关键参数：位移速率、位移矢量角、 后缘裂缝，作为边坡稳定性评价指标；
步骤三、边坡不同动力关键参数的选择与确定；
选取能反映边坡整体稳定性变化的动力关键参数：地下水位、坡体含水率， 作为边坡稳定性评价指标；
步骤四、边坡不同位移动力稳定性评价参数的确定；
1)位移速率统计量参数的确定；
2)位移矢量角统计量参数的确定；
3)后缘裂缝连通率变化率的确定；
4)地下水位变化率的确定；
5)坡体含水率变化率的确定；
步骤五、边坡不同位移动力稳定性评价参数临界值的确定；
1)边坡位移速率临界统计量参数的确定；
2)边坡位移矢量角临界统计量参数的确定；
3)后缘裂缝连通率变化率临界值的确定；
4)地下水位变化率临界值的确定；
5)坡体含水率变化率临界值的确定；
步骤六、边坡各位移动力参数稳定性隶属度的确定；
1)分别确定边坡位移速率、位移矢量角、后缘裂缝、地下水位及坡体含水 率评价参数的隶属函数；
2)根据隶属函数，可确定任一时刻位移速率、位移矢量角、后缘裂缝、地 下水位及坡体含水率的边坡稳定性隶属度；
步骤七、各位移动力参数稳定性权重的确定；
由于各个参数对边坡稳定性的影响程度不同，通过改进的层次分析法对各 个参数的权重进行计算；
步骤八、边坡监测预警参数的确定及其稳定性监测预警；
1)边坡稳定性综合监测预警参数的确定，将边坡位移速率、位移矢量角、 后缘裂缝、地下水位及坡体含水率隶属度进行加权计算，确定边坡多参数稳定 性综合隶属度；
2)依据边坡稳定性综合监测预警参数及其与边坡稳定性关系，可确定边坡 不同稳定性监测预警值，并对边坡稳定性进行监测预警。
进一步，所述步骤一中的在主滑区及后缘裂缝、剪出口等关键点设置监测 点和基准点的步骤为：①选取所监测边坡的主滑面对应坡面布置m个监测点， 按照坡面实际地形在后缘壁到前缘剪出口坡面等距离均匀布设监测点，形成监 测网；②在监测滑坡体以外稳定的基岩或无变形的区域，选取地质条件好、点 位稳定的点作为监测基准点不少于3个，形成控制网，保证自我校核和控制边 坡监测点全面监测；
监测设备的布置与安装步骤为：①在监测点与监测基准点处安置GPS位移 监测设备，使边坡位移监测设备与滑坡体表面紧密连接，确保能够准确反映坡 体表面的变形；②在边坡每个监测点位置进行钻孔，钻孔深度应到达基岩面或 者历年地下水位以下，保证监测设备安置后能监测到地下水位任何时段变化； 在钻孔底部设置压力式水位计，并在坡面上同时设置额外的气压补偿装置，共 同监测地下水位的变化；③在每个监测点处的基岩面与上部土层交界处和坡体 表面以下0.5m处分别设置土壤水分传感器，共计2×m个，用来实时反映边坡 坡体含水率的变化情况；④边坡后缘裂缝的测量采用人工测量的方法，首先对每个裂缝进行编号，然后用钢尺进行测量并记录数据，每两天进行一次；
监测数据的预处理：将监测的m个监测点处的垂直位移、水平位移、地下 水位、坡体含水率以及每条后缘裂缝的长度分类预处理，并录入Excel表格。
进一步，所述步骤二中的位移速率的确定
根据各监测点k＝1，2，…，m在i时刻i＝1，2，…，n水平位移
其中，
边坡第i时刻i＝1，2，…，n各监测点k＝1，2，…，m位移速率均值由各监 测点位移速率的算术平均值来确定，如式(2)
步骤二中的位移矢量角的确定
根据式(3)，确定各监测点k＝1，2，…，m在i时刻i＝1，2，…，n的位移 矢量角：
边坡第i时刻i＝1，2，…，n各监测点k＝1，2，…，m位移矢量角均值由各 监测点位移矢量角的算术平均值来确定，如式(4)
步骤二中的后缘裂缝长度的确定
通过勘察测绘，确定边坡的后缘壁长度L，后缘裂缝长度依据式(5)确定：
其中，C为后缘裂缝总长度；f为后缘裂缝个数；ci为每条后缘裂缝的长度。
进一步，所述步骤三中的地下水位的确定
边坡的地下水位由各个监测点处实测地下水位的平均值确定：
其中，H为边坡地下水位；m为监测点个数；hk为各个监测点处的地下水位； 步骤三中的坡体含水率的确定
分别监测各个监测点对应的基岩面与上部土层交界处和坡体表面以下0.5m 处的含水率，坡体含水率由各个监测点处的坡体含水率的平均值确定：
其中，W为坡体含水率；2m为土壤水分传感器两个数；wk为各个监测点 对应的基岩面与上部土层交界处和坡体表面以下0.5m处的含水率。
进一步，所述步骤四中的位移速率统计量参数的确定
根据趋势位移分析原理，计算位移速率统计量参数，作为位移速率的边坡 稳定性评价参数；
①计算边坡位移速率的平均值：
其中，
②计算边坡位移速率统计量参数：
步骤四中的位移矢量角统计量参数的确定
同样根据趋势位移分析原理，计算位移矢量角统计量参数，作为位移矢量 角的边坡稳定性评价参数；
①计算边坡位移矢量角的平均值：
其中，
②计算边坡位移矢量角统计量参数：
步骤四中的后缘裂缝连通率变化率的确定
监测边坡每条后缘裂缝的发展情况，依据式(12)确定边坡后缘裂缝连通 率变化率：
其中，δ为边坡后缘裂缝连通率变化率；C为后缘裂缝总长度；L为后缘壁 长度；
步骤四中的地下水位变化率的确定
地下水位变化率由式(13)确定：
其中，ζ为地下水位变化率；H为边坡当前时刻地下水位；Ho为边坡初 始地下水位；
步骤四中的坡体含水率变化率的确定
坡体含水率变化率由式(14)确定：
其中，η为坡体含水率变化率；W为边坡当前时刻坡体含水率；wo为边坡 初始含水率。
进一步，所述步骤五中的边坡位移速率临界统计量参数
选用一定的显著性水平α，计算边坡位移速率临界统计量参数
其中，
当边坡位移速率统计量参数γv≥1时，边坡处于稳定状态；当边坡位移速 率统计量参数γv小于位移速率临界统计量参数
步骤五中的边坡位移矢量角临界统计量参数
选用一定的显著性水平α，计算边坡位移矢量角临界统计量参数
其中，
当位移矢量角统计量参数γθ≥1时，边坡处于稳定状态，当位移矢量角统 计量参数γθ小于位移矢量角临界统计量参数
步骤五中的后缘裂缝连通率变化率临界值的确定
因为后缘裂缝一旦出现是不断扩展的，所以连通率变化率δ>0，当后缘 裂缝连通率变化率δ＝0时，边坡处于稳定状态；当δ>90％时，边坡发生 失稳；
步骤五中的地下水位变化率临界值的确定
当边坡地下水位变化率ζ≤0时，边坡处于稳定状态；当ζ>70％时， 边坡发生失稳；
步骤五中的坡体含水率变化率临界值的确定
当坡体含水率变化率η≤0时，边坡处于稳定状态；当边坡土体含水率为 饱和含水率wp，即坡体含水率变化率
边坡位移速率、位移矢量角、后缘裂缝、地下水位及坡体含水率稳定性评 价参数的定量判据见表1。
表1边坡稳定性评价参数定量判据
进一步，所述步骤六中的边坡位移速率隶属函数为：
步骤六中的边坡位移矢量角隶属函数为：
步骤六中的后缘裂缝隶属函数为：
步骤六中的地下水位隶属函数为：
步骤六中的坡体含水率隶属函数为：
所述步骤七中的改进的层次分析法：若A与B同样重要用参考表1，若A 比B重要用参考表2，若A没有B重要用0表示；
1)根据不同边坡的实际情况，利用专家打分法建立初始判断矩阵如表2所 示，其中
表2初始判断矩阵
2)根据下式建立最终判断矩阵A＝(aij)n×n：
3)计算权重；
根据式(23)求出各参数的最终权重值：
其中，
进一步，所述步骤八中的边坡多参数稳定性综合隶属度，如式(24)所示：
M＝zvuv+zθuθ+zcuc+zHuH+zWuW(24)
其中：M为边坡多参数综合隶属度；zv、zθ、zc、zH、zW分别为边 坡位移速率、位移矢量角、后缘裂缝、地下水位及坡体含水率稳定性评价参数 对边坡稳定性的权值；uv、uθ、uc、uH、uW分别为边坡位移速率、位移矢 量角、后缘裂缝、地下水位及坡体含水率稳定性评价参数的边坡稳定性隶属度；
边坡多参数稳定性综合隶属度的大小直接表明了边坡的稳定状态，其中， 如果综合隶属度等于0，说明边坡处于不稳定状态，一定发生了趋势位移；如果 综合隶属度等于1，则说明边坡处于稳定状态，未发生趋势位移；如果综合隶属 度在0～1之间，则要看这个数是靠近0还是靠近1：越靠近0，说明边坡发生 趋势位移的可能性越大；越靠近1，则说明边坡处于稳定状态的可能性越大；因 此将多位移动力参数稳定性综合隶属度确定为边坡稳定性综合监测预警参数；
步骤八中的对边坡稳定性进行监测预警：当0.75<M≤1时，边坡处于 稳定状态；当0.5<M≤0.75时，边坡处于基本稳定状态，预警等级为黄色 预警；当0.25<M≤0.5时，边坡处于欠稳定状态，预警等级为橙色预警； 当0≤M≤0.25时，边坡处于不稳定状态，预警等级为红色预警。
本发明的有益效果是：通过确定边坡位移速率、位移矢量角、后缘裂缝、 地下水位、坡体含水率多种位移动力关键参数综合隶属度，评价边坡稳定性的 新方法。该方法不仅克服了极限平衡法无法分析和评价边坡稳定性随时间变化 的局限，同时又克服了传统位移时序预测法无法分析和评价滑坡形成机理与动 因的弊端，为复杂滑坡稳定性评价和监测预警提供了一种科学有效的评价方法。
附图说明
图1为本发明的流程图。
图2为本发明隶属函数半梯形分布图。
图3为本发明的边坡含水率、地下水和位移监测点及监测收集处理设备示 意图。
图4为本发明的边坡坡体网格划分及位移变形监测点示意图。
图5为本发明的实例边坡坡体监测点、基准点、后缘壁及后缘裂缝示意图。
具体实施方式
以下对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非 用于限定本发明的范围。
一种基于位移与动力多参数的滑坡综合监测预警方法，包括以下步骤：
步骤一、边坡位移、后缘裂缝、地下水位、坡体含水率数据的监测与预处 理；
1)对边坡进行初步勘察与测绘，确定边坡分布范围与尺寸以及后缘壁长度 等特征，在主滑区及后缘裂缝、剪出口等关键点设置监测点和基准点；
2)监测设备的布置与安装；
3)监测数据的预处理；
步骤二、边坡不同位移关键参数的选择与确定；
选取能反映边坡整体稳定性变化的位移关键参数：位移速率、位移矢量角、 后缘裂缝，作为边坡稳定性评价指标；
步骤三、边坡不同动力关键参数的选择与确定；
选取能反映边坡整体稳定性变化的动力关键参数：地下水位、坡体含水率， 作为边坡稳定性评价指标；
步骤四、边坡不同位移动力稳定性评价参数的确定；
1)位移速率统计量参数的确定；
2)位移矢量角统计量参数的确定；
3)后缘裂缝连通率变化率的确定；
4)地下水位变化率的确定；
5)坡体含水率变化率的确定；
步骤五、边坡不同位移动力稳定性评价参数临界值的确定；
1)边坡位移速率临界统计量参数的确定；
2)边坡位移矢量角临界统计量参数的确定；
3)后缘裂缝连通率变化率临界值的确定；
4)地下水位变化率临界值的确定；
5)坡体含水率变化率临界值的确定；
步骤六、边坡各位移动力参数稳定性隶属度的确定；
1)分别确定边坡位移速率、位移矢量角、后缘裂缝、地下水位及坡体含水 率评价参数的隶属函数；
2)根据隶属函数，可确定任一时刻位移速率、位移矢量角、后缘裂缝、地 下水位及坡体含水率的边坡稳定性隶属度；
步骤七、各位移动力参数稳定性权重的确定；
由于各个参数对边坡稳定性的影响程度不同，通过改进的层次分析法对各 个参数的权重进行计算；
步骤八、边坡监测预警参数的确定及其稳定性监测预警；
1)边坡稳定性综合监测预警参数的确定，将边坡位移速率、位移矢量角、 后缘裂缝、地下水位及坡体含水率隶属度进行加权计算，确定边坡多参数稳定 性综合隶属度；
2)依据边坡稳定性综合监测预警参数及其与边坡稳定性关系，可确定边坡 不同稳定性监测预警值，并对边坡稳定性进行监测预警。
所述步骤一中的在主滑区及后缘裂缝、剪出口等关键点设置监测点和基准 点的步骤为：①选取所监测边坡的主滑面对应坡面布置m个监测点，按照坡面 实际地形在后缘壁到前缘剪出口坡面等距离均匀布设监测点，形成监测网；② 在监测滑坡体以外稳定的基岩或无变形的区域，选取地质条件好、点位稳定的 点作为监测基准点不少于3个，形成控制网，保证自我校核和控制边坡监测点 全面监测；
监测设备的布置与安装步骤为：①在监测点与监测基准点处安置GPS位移 监测设备，使边坡位移监测设备与滑坡体表面紧密连接，确保能够准确反映坡 体表面的变形；②在边坡每个监测点位置进行钻孔，钻孔深度应到达基岩面或 者历年地下水位以下，保证监测设备安置后能监测到地下水位任何时段变化； 在钻孔底部设置压力式水位计，并在坡面上同时设置额外的气压补偿装置，共 同监测地下水位的变化；③在每个监测点处的基岩面与上部土层交界处和坡体 表面以下0.5m处分别设置土壤水分传感器，共计2×m个，用来实时反映边坡 坡体含水率的变化情况；④边坡后缘裂缝的测量采用人工测量的方法，首先对每个裂缝进行编号，然后用钢尺进行测量并记录数据，每两天进行一次；
监测数据的预处理：将监测的m个监测点处的垂直位移、水平位移、地下 水位、坡体含水率以及每条后缘裂缝的长度分类预处理，并录入Excel表格。
所述步骤二中的位移速率的确定
根据各监测点k＝1，2，…，m在i时刻i＝1，2，…，n水平位移
其中，
边坡第i时刻i＝1，2，…，n各监测点k＝1，2，…，m位移速率均值由各监 测点位移速率的算术平均值来确定，如式(2)
步骤二中的位移矢量角的确定
根据式(3)，确定各监测点k＝1，2，…，m在i时刻i＝1，2，…，n的位移 矢量角：
边坡第i时刻i＝1，2，…，n各监测点k＝1，2，…，m位移矢量角均值由各 监测点位移矢量角的算术平均值来确定，如式(4)
步骤二中的后缘裂缝长度的确定
通过勘察测绘，确定边坡的后缘壁长度L，后缘裂缝长度依据式(5)确定：
其中，C为后缘裂缝总长度；f为后缘裂缝个数；ci为每条后缘裂缝的长度。
所述步骤三中的地下水位的确定
边坡的地下水位由各个监测点处实测地下水位的平均值确定：
其中，H为边坡地下水位；m为监测点个数；hk为各个监测点处的地下水位； 步骤三中的坡体含水率的确定
分别监测各个监测点对应的基岩面与上部土层交界处和坡体表面以下0.5m 处的含水率，坡体含水率由各个监测点处的坡体含水率的平均值确定：
其中，W为坡体含水率；2m为土壤水分传感器两个数；wk为各个监测点 对应的基岩面与上部土层交界处和坡体表面以下0.5m处的含水率。
所述步骤四中的位移速率统计量参数的确定
根据趋势位移分析原理，计算位移速率统计量参数，作为位移速率的边坡 稳定性评价参数；
①计算边坡位移速率的平均值：
其中，
②计算边坡位移速率统计量参数：
步骤四中的位移矢量角统计量参数的确定
同样根据趋势位移分析原理，计算位移矢量角统计量参数，作为位移矢量 角的边坡稳定性评价参数；
①计算边坡位移矢量角的平均值：
其中，
②计算边坡位移矢量角统计量参数：
步骤四中的后缘裂缝连通率变化率的确定
监测边坡每条后缘裂缝的发展情况，依据式(12)确定边坡后缘裂缝连通 率变化率：
其中，δ为边坡后缘裂缝连通率变化率；C为后缘裂缝总长度；L为后缘壁 长度；
步骤四中的地下水位变化率的确定
地下水位变化率由式(13)确定：
其中，ζ为地下水位变化率；H为边坡当前时刻地下水位；Ho为边坡初 始地下水位；
步骤四中的坡体含水率变化率的确定
坡体含水率变化率由式(14)确定：
其中，η为坡体含水率变化率；W为边坡当前时刻坡体含水率；wo为边坡 初始含水率。
所述步骤五中的边坡位移速率临界统计量参数
选用一定的显著性水平α，计算边坡位移速率临界统计量参数
其中，
当边坡位移速率统计量参数γv≥1时，边坡处于稳定状态；当边坡位移速 率统计量参数γv小于位移速率临界统计量参数
步骤五中的边坡位移矢量角临界统计量参数
选用一定的显著性水平α，计算边坡位移矢量角临界统计量参数
其中，
当位移矢量角统计量参数γθ≥1时，边坡处于稳定状态，当位移矢量角统 计量参数γθ小于位移矢量角临界统计量参数
步骤五中的后缘裂缝连通率变化率临界值的确定
因为后缘裂缝一旦出现是不断扩展的，所以连通率变化率δ>0，当后缘 裂缝连通率变化率δ＝0时，边坡处于稳定状态；当δ>90％时，边坡发生 失稳；
步骤五中的地下水位变化率临界值的确定
当边坡地下水位变化率ζ≤0时，边坡处于稳定状态；当ζ>70％时， 边坡发生失稳；
步骤五中的坡体含水率变化率临界值的确定
当坡体含水率变化率η≤0时，边坡处于稳定状态；当边坡土体含水率为 饱和含水率wp，即坡体含水率变化率
边坡位移速率、位移矢量角、后缘裂缝、地下水位及坡体含水率稳定性评 价参数的定量判据见表1。
表1边坡稳定性评价参数定量判据
所述步骤六中的边坡位移速率隶属函数为：
步骤六中的边坡位移矢量角隶属函数为：
步骤六中的后缘裂缝隶属函数为：
步骤六中的地下水位隶属函数为：
步骤六中的坡体含水率隶属函数为：
所述步骤七中的改进的层次分析法：若A与B同样重要用参考表1，若A 比B重要用参考表2，若A没有B重要用0表示；
1)根据不同边坡的实际情况，利用专家打分法建立初始判断矩阵如表2所 示，其中
表2初始判断矩阵
2)根据下式建立最终判断矩阵A＝(aij)n×n：
3)计算权重
根据式(23)求出各参数的最终权重值：
其中，
所述步骤八中的边坡多参数稳定性综合隶属度，如式(24)所示：
M＝zvuv+zθuθ+zcuc+zHuH+zWuW(24)
其中：M为边坡多参数综合隶属度；zv、zθ、zc、zH、zW分别为边 坡位移速率、位移矢量角、后缘裂缝、地下水位及坡体含水率稳定性评价参数 对边坡稳定性的权值；uv、uθ、uc、uH、uW分别为边坡位移速率、位移矢 量角、后缘裂缝、地下水位及坡体含水率稳定性评价参数的边坡稳定性隶属度；
边坡多参数稳定性综合隶属度的大小直接表明了边坡的稳定状态，其中， 如果综合隶属度等于0，说明边坡处于不稳定状态，一定发生了趋势位移；如果 综合隶属度等于1，则说明边坡处于稳定状态，未发生趋势位移；如果综合隶属 度在0～1之间，则要看这个数是靠近0还是靠近1：越靠近0，说明边坡发生 趋势位移的可能性越大；越靠近1，则说明边坡处于稳定状态的可能性越大；因 此将多位移动力参数稳定性综合隶属度确定为边坡稳定性综合监测预警参数；
步骤八中的对边坡稳定性进行监测预警：当0.75<M≤1时，边坡处于 稳定状态；当0.5<M≤0.75时，边坡处于基本稳定状态，预警等级为黄色 预警；当0.25<M≤0.5时，边坡处于欠稳定状态，预警等级为橙色预警； 当0≤M≤0.25时，边坡处于不稳定状态，预警等级为红色预警。
实施例：
现以巫山县某一滑坡为例来具体说明本方法。该滑坡平面形态呈长方型， 长约450m，宽约350m，高程约为160m，后缘壁长度约170m，土体厚度约5～15m， 为粉质黏土，面积约15×104m2，体积约120×104m3。滑坡区整体坡向275°、坡 角约20～30°。运用本方法对该滑坡的监测评价具体实施步骤如下：
第一步：边坡位移、后缘裂缝、地下水位、坡体含水率数据的监测
1)对边坡进行初步勘察与测绘，确定边坡分布范围与尺寸以及后缘壁长度 等特征，在主滑区及后缘裂缝、剪出口等关键点设置监测点和基准点：①选取 所监测边坡的主滑面对应坡面布置m个监测点，按照坡面实际地形在后缘壁到 前缘剪出口坡面等距离均匀布设监测点，形成监测网(见图4)；②在监测滑坡 体以外稳定的基岩或无变形的区域，选取3个地质条件好、点位稳定且能满足 GPS观测条件的点作为监测基准点，形成控制网，保证自我校核和控制边坡监测 点全面监测(见图5)。
2)监测设备的布置与安装(见图3，图中的1为压力式水位计；图中的2 为土壤水分传感器；图中的3为位移监测点；图中的4为位移变化监测设备； 图中的5为监测基准点及设备；图中的6为数据采集设备；图中的7为远程监 测室；图中的8为主滑移面坡面)：①在监测点与监测基准点处安置GPS位移监 测设备，使边坡位移监测设备与滑坡体表面紧密连接，确保能够准确反映坡体 表面的变形。②在边坡选定的监测点位置进行钻孔，钻孔深度应到达基岩面或 者历年地下水位以下，应保证监测设备安置后能监测到地下水位任何时段变化。 在钻孔底部设置压力式水位计，并在坡面上同时设置额外的气压补偿装置，共 同监测地下水位的变化。③在每个监测点处的基岩面与上部土层交界处和坡体 表面以下0.5m处分别设置土壤水分传感器，共计2×m个，用来实时反映边坡 坡体含水率的变化情况。④边坡后缘裂缝的测量采用人工测量的方法，首先对 每个裂缝进行编号，然后用钢尺进行测量并记录数据，每两天进行一次。
第二步：边坡不同位移关键参数的选择与确定
选取能反映边坡整体稳定性变化的位移关键参数：位移速率、位移矢量角、 后缘裂缝，作为边坡稳定性评价指标。
1)位移速率的确定
使用GPS位移监测设备每隔T＝10d分别对边坡各监测点垂直位移与水平位 移进行监测，并通过无线传输将监测数据发送到数据处理中心，经过6个周期 的监测，获得各监测点k＝1，2，…，m的垂直位移
表3边坡各监测点水平位移、垂直位移统计表(mm)
根据各监测点k＝1，2，…，m在i时刻i＝1，2，…，n水平位移与垂直位移 监测数据，可求出各监测点在i时刻的位移速率(见表4)：
其中，
边坡第i时刻i＝1，2，…，n各监测点k＝1，2，…，m位移速率均值由各监 测点位移速率的算术平均值来确定，(见表4)：
表4边坡第i时刻各监测点位移速率值及均值(mm/d)
2)位移矢量角的确定
确定各监测点k＝1，2，…，m在i时刻i＝1，2，…，n的位移矢量角(见表 5)：
边坡第i时刻i＝1，2，…，n各监测点k＝1，2，…，m位移矢量角均值由各 监测点位移矢量角的算术平均值来确定(见表5)：
表5边坡第i时刻各监测点位移矢量角值及均值(°)
3)后缘裂缝长度的确定
通过勘察测绘，确定边坡的后缘壁长度L＝170m，当日测量每条裂缝的长度 如表6所示，则后缘裂缝长度为：
表6边坡后缘裂缝长度
第三步：边坡不同动力关键参数的选择与确定
1)地下水位的确定
边坡各监测点初始地下水位及当日地下水位的监测值如表7所示，则边坡 初始地下水位：Ho＝40.46米，当前时刻地下水位：
表7边坡各监测点地下水位(m)
2)坡体含水率的确定
分别监测各个监测点对应的的基岩面与上部土层交界处和坡体表面以下 0.5m处的含水率(见表8)，坡体初始含水率：W0＝23.8％，当前时刻坡体含水 率为：
表8各监测点不同位置坡体含水率(％)
第四步：边坡不同位移动力稳定性评价参数的确定
1)位移速率统计量参数的确定
①计算边坡位移速率的平均值：
②计算边坡位移速率统计量参数：
2)边坡位移矢量角统计量参数的确定
①计算边坡位移矢量角的平均值：
②计算边坡位移矢量角统计量参数：
3)确定后缘裂缝连通率变化率：
4)确定地下水位变化率：
5)确定坡体含水率变化率：
第五步：边坡不同位移动力稳定性评价参数临界值的确定
1)边坡位移速率临界统计量参数
选用显著性水平α＝0.05，计算边坡位移速率临界统计量参数
其中，
表9边坡各监测点的位移速率统计量参数
2)边坡位移矢量角临界统计量参数
选用显著性水平α＝0.05，计算边坡位移矢量角临界统计量参数
其中，
表10边坡各监测点的位移矢量角统计量参数
3)后缘裂缝连通率变化率临界值的确定
当后缘裂缝连通率变化率δ＝0时，边坡处于稳定状态；当δ>90％时， 边坡发生失稳。
4)地下水位变化率临界值的确定
当边坡地下水位变化率ζ≤0时，边坡处于稳定状态；当ζ>70％时， 边坡发生失稳。
5)坡体含水率变化率临界值的确定
本例中坡体土壤为粉质粘土，当坡体含水率变化率η≤0时，边坡处于稳 定状态；当边坡土体含水率为饱和含水率wp＝32％，即坡体含水率变化率
第六步：边坡各位移动力参数稳定性隶属度的确定
1)根据原理2，可分别确定边坡位移速率、位移矢量角、后缘裂缝、地下 水位及坡体含水率的隶属函数。
边坡位移速率隶属函数为：
边坡位移矢量角隶属函数为：
后缘裂缝属函数为：
地下水位隶属函数为：
坡体含水率隶属函数为：
2)根据隶属函数，可确定任一时刻位移速率、位移矢量角、后缘变形裂缝 连通率、地下水位及坡体含水率的边坡稳定性隶属度：uv＝0、uθ＝0.31、 uc＝0.66、uH＝0.60、uW＝0.39。
第七步：各参数权重的确定
利用改进的层次分析法计算各参数的权重。
1)初始判断矩阵如下表所示：
表11初始判断矩阵
2)最终判断矩阵：
3)计算权重
求出各参数的最终权重值：zv＝0.386、zθ＝0.386、zc＝0.047、 zH＝0.134、zW＝0.047。
第八步：边坡监测预警参数的确定及其稳定性监测预警
1)边坡稳定性监测预警参数的确定
将边坡位移速率、位移矢量角、后缘裂缝、地下水位及坡体含水率隶属度 进行加权计算，由此确定边坡多参数稳定性综合隶属度：
M＝zvuv+zθuθ+zcuc+zHuH+zWuW＝0.249
2)依据边坡稳定性监测预警参数及其与边坡稳定性关系，对边坡稳定性进 行监测预警：0≤M≤0.25，边坡处于不稳定状态，预警等级为红色预警。
工作原理：
1)趋势位移分析原理与评价方法
边坡位移包含趋势性位移，周期性位移和部分随机位移。边坡的坡体蠕变 位移及压缩变形代表坡体的局部应力作用，属于局部变形，而边坡的整体滑移 则是边坡整体下滑应力场作用的结果，代表边坡的整体滑移变形趋势。因此， 全面正确地分析和判别边坡的整体趋势位移对边坡稳定性评价有重要意义。当 滑坡处于稳定状态，其变形主要以蠕变滑移和压缩变形为主，其整体趋势滑移 量较小；当滑坡进入不稳定阶段时，变形量主要是由整体滑移量构成，而表层 蠕变和压缩变形量所占的比例则要相应减少。因此，在此阶段其位移将出现趋 势性增大或减小，统计学上称之为总体均值逐渐移动。假设滑坡位移观测点相 互独立，遵守正态分布，具有相同方差σ2的随机序列Xi i＝1，2，…，n。其 样本均值、样本方差和均方差分别为：
根据统计学原理，当边坡总体无移动时，S2和q2都是总体方差的无偏估 计量，它们的值理应相近，此时边坡处于稳定状态。若总体逐渐移动且方差σ2仍保持不变时，S2会受到这种趋势性影响而变大，由于q2只包含前后两次观 测之差而消除了大部分这种影响，所受影响不大。为检验总体有无移动，可作 统计量：
选用一定的置信水平α，可确定相应γ值的临界值γd：
其中，
利用实际监测数据算出γk及相应γd，可对γk值进行检验。若边坡关键部 位监测点γk≥γd，则判断边坡坡体没有出现趋势性位移；若γk<γd，则判 断该边坡坡体已发生趋势性位移。
2)模糊数学隶属函数建模原理与方法
对于某一集合A，元素a要么属于A，要么不属于A，二者必居其一，且仅 居其一，这是经典集合的特征。然而在实际工作和生活中，人们经常遇到介于 “是”与“不是”之间，表现出“亦此亦彼”的性质的问题。为了解决实际工 作中的这类问题，必须把元素属于集合的概念模糊化，承认论域上存在并非完 全属于某集合又并非完全不属于该集合的元素，使经典集合的绝对属于概念变 为相对属于的概念。将经典集合中的特征函数只取0，1两个值的情形推广到可 取闭区间[0，1]的任意值，承认论域上的不同元素对同一集合有不同的隶属程度。 在模糊数学中，论域中的“最清晰点”是隶属度为0和1的元素，通常称之为 “确定态”，归属最难确定的元素的隶属度为0.5，这些元素称为“最模糊点”， 也称为“跨越点”。在本发明中，当总体无移动时，S2和q2都是总体方差的无偏 估计，它们的值相等，即当γ＝1时，则说明边坡保持稳定状态，认为此时边坡 位移速率与位移矢量角隶属度为1。若γ<γd，则可以以置信水平1-α判 定边坡发生了趋势性位移，边坡处于失稳状态，认为此时其隶属度为0。
隶属函数的形式有很多，主要有三角形分布、梯形分布、岭形分布及三角 函数分布，由相关研究成果可知，半梯形分布适用于安全等级要求更高的工程。 因此，本发明采用半梯形分布(图2)构造隶属函数。建立隶属函数之前，为了 使条件简化，作出下列假设：边坡位移速率、位移矢量角、后缘裂缝、地下水 位及坡体含水率的评价参数对边坡稳定性的影响呈线性变化。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，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、改进等，均应包含在本发明的 保护范围之内。
