基于参数反演的库区滑坡灾害预测研究.pdf

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的滑坡 参数反演 库区滑坡 滑坡参数反演 滑坡灾害 研究区滑坡灾害 PDF ... 参数研究
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第13卷 2013年 第4期 4月 中 国水运 Oh na Water Transport VoI.13 Apri No.4 2013 基于参数反演的库区滑坡灾害预测研究 张金华,李忠芳 (长江重庆航运Z-程勘察设计院,重庆401 147) 摘要:文中针对岩土体抗剪强度参数进行研究的基础上,将复变量求导方法应用于岩土体抗剪强度参数反演计算。 同时将滑坡变形预测方法、参数反演方法、有限元强度折减法相结合,求取滑坡各阶段安全系数,可以对库岸滑坡 进行预测。 关键词:复变量求导法;抗剪强度参数;有限元强度折减法;预测预报 中图分类号:TU45 文献标识码:A 文章编号:1006—7973(2013)04—0169—03 一、引言 频繁发生的地质灾害以及大量灾害治理资金投入,使得 滑坡灾害研究已成为我国基础设施建设中的热点和难点问 题。滑坡灾害治理的关键问题是滑坡危险性的预测,成功的 滑坡预测预报能大大降低滑坡灾害所造成的损失。由于滑坡 系统是一个非常复杂的非线性动态系统,其演化规律非常复 杂,目前工程上采用滑坡预测方法理论不严格,定量分析程 度不高,不管是滑坡灾害的时间预测还是空间预测都不完善, 需要提出理论上更为严格的滑坡预测方法。由于实测坡体位 移比较简便,因而采用位移反分析方法反算岩土体强度参数 已经成为一种理想的岩土参数确定方法。 本文研究直接针对当前重庆市及三峡库岸滑坡防治与预 测中存在的关键问题——滑坡灾害预报问题开展研究,成果 将直接服务于三峡库岸岩土工程实际,即能为工程设计人员 确定滑(边)坡岩土体抗剪强度参数提供科学和合理的依据, 同时根据实测位移和求得的安全系数变化,准确完成滑坡灾 害的预报。 二、滑坡预测方法简介 由于系统科学和非线性科学的发展及其在各个领域的广 泛应用,滑坡研究者开始认为到滑坡体系是一个开放系统, 一个灰与白、稳定性与随机性、渐变与突变、平衡与非平衡、 有序与无序等对立统一的系统,复杂性是滑坡的根本属性。 滑坡预测主要从时间和空间进行预测。 1.滑坡灾害时间预测 马崇武(2000)提出基于塑性功率概念的临滑预报理论 和方法,不仅弥补了以往滑坡时间只停留在位移一时间变形 曲线的数学处理上,难以反映坡体内应力和强度变化的不足, 而且把滑坡预报从单桩预报发展为群桩预报,使坡体变形的 局部特征和整体特征有机统一起来,从而提高了预报的成功 率。黄志全(2000)提出了滑坡预测预报的非线性时间序列 方法,建立了滑坡失稳时间的协同一分岔模型,并把混沌理 论与神经网络方法结合起来对边坡稳定性进行了评价。刘莉 等…研究基于时间序列的BP神经网络模型,并用Matlab神 经网络工具箱对滑坡位移一时间曲线进行预测,结果显示具有 良好的收敛性、精度搞。王祥等【21应用改进的灰色GM(1, 1)模型在滑坡预测,提出了一种自动寻优定权的改进措施, 提高预测精度。龙建辉【31探讨了基于蠕变理论时间预报模型 在黄土滑坡的应用,并把影响滑坡发生的制约因子一含水率 到预测模型中,有待验证模型的正确性。周中等141在Verhulst 反函数模型预测预报模型的基础上,增加残差项,应用BP 神经网络对残差序列进行二次建模分析,形成滑坡失稳时间 预报的Verhulst反函数残差修正模型预测方法。 从预测结果来看,只有滑坡位移一时间蠕变预测法、滑坡 变形功率法和基于宏观变形现象的经验预报法作出过成功的 滑前预报,其他方法均是滑坡事后的校验性预测,这些方法 或多或少能够解决一些问题,但是由于滑坡演化过程的极端 复杂性,很难做到理想的程度。 2.滑坡灾害空间预测 空间预测是指对滑坡发生的地点、规模的预测。现阶段 有稳定系数预测法、神经网络法、信息模型法、灾变模型预 测法、模糊综合评判法。稳定系数预测法在计算中,参数的 选取直接影响到分析结果的正确性。对某一具体滑坡而言, 总会存在“最佳因素组合”,信息模型法基于此理论,信息模 型主要研究“滑坡因素组合”,而不是停留在单个因素上,所 以预测精度高。灾变模型预测法涉及到岩上的计算参数,由 于岩土性质的不确定性和离散性,使得同一边坡采用不同的 计算参数得出差别较大结果,甚至得出相反的结论。模糊综 合评判法最终结果是否可靠,受因素的选取和隶属度的确定 影响较大。 3.存在问题 预报模型得到静态的定解方程,并没有考虑滑坡系统内 在的本质作用规律、内在随机性、演化和外界环境因素的相 互作用,难以描述滑坡从连续到突变现象。因此预报模型均 属于事后检验方法,很难提前预测滑坡的变形阶段及其安全 系数。 滑坡灾害预测从时间和空间两个方面来看,都未获得圆 满解决,仍然是岩土工程领域的热点与难点。 本文采用极限平衡法与有限元强度折减法相结合,将复 收稿El期:2012—10—23 作者简介:张金华(1982一),男,硕士,长江重庆航运工程勘察设计院,主要从事岩土、港13码头水工建筑物的科研工 作。 万方数据 170 中国水运 第13卷 变量求导法、粘弹塑性有限元法、优化方法相结合的岩土体 参数反演方法,在此基础上,建立变形阶段与安全系数的关 系,对滑坡灾害进行实时预报。 三、岩土体参数反演分析 本文在D.R.J.Owen和E.Hinton(1980)的有限元程 序基础上【5】,采用FORTRAN 90程序设计语言,加入了复 变量求导方法和反分析思想,完成了基于复变量求导法 (CVDM)反演岩土物理力学参数程序编制。程序实现时, 有几个特点: (1)待求变量x,在输入数据时采用复数形式,即 x,+ih,其中h=1E一15~1E一20间取值; (2)有限元计算出的测点处位移值也为复数形式,该位 移的实部为测点处位移,而虚部正好用于计算灵敏度矩阵 剖; (3)反演计算是否满足要求,采用实测位移与计算位移 的残差表示,本文采用芝凡?(Ⅳ)c1E一10为终止条件。 图1复变量求导法反演岩土物理力学参数流程 四、滑坡灾害预测分析”1 本文在已知坡体变形基础上,采用基于复变量求导法的 岩土体抗剪强度参数反演求得滑带抗剪强度参数,采用有限 元强度折减法求取滑坡的安全系数,由此建立起位移和时间 的关系,可以对特定滑坡灾害进行预测研究。从而从变形、 时间、空间预测(安全系数、滑面)来综合分析滑坡灾害预 测方法,建立滑坡预警系统。 图2滑坡预测预报研究思路 五、工程应用 1.工程概况及监测数据 重庆云阳某滑坡地形后缓前陡,南高北低,后部坡度在 5—15。,前部坡度在20—60。,呈长条形,后缘高程212m, 前缘高程158m,长约390m,宽190m,土层厚度在33m 左右,面积7.6×104m2,体积约245×104m3,坡向0。 左右。图5.4中高程为黄海高程。从2007年4月以来,对 该滑坡进行了全面的位移观测。位移观测主剖面如图3所示。 根据测点位移观测资料,测点位移量如表1。JC01、JC04、 JC06、JC09、JCl2监测位移累积曲线如图3。 表1监测位移数据表 一-1t“ 弭口 图3位移监测断面 2.滑坡变形趋势预测及分析 本文采用非线性回归法、指数平滑法及灰色数列法等方 法分别对本次监测数据进行分析。监测JC06、JC 1 2预测变 形逐步增大,而JC04、JC09预测变形值五月份到六月份增 大,从六月份后逐次减小。从监测断面可以看出JC06、JCl2 位于斜坡的相对比较陡的斜面上。JC04、JC06、JC09变 形速率属于等速变形阶段;滑坡前缘监测点JCl2变形速率 逐渐加大,该滑坡为牵引式滑坡。 3.滑坡接段与安全系数关系分析 本文基于复变量求导法反演滑带土抗剪强度参数的基础 上,采用有限元强度折减法计算该滑坡安全系数。 (1)计算参数及模型建立 坡体的基本物理力学参数如表2、监测点累计位移如表 2。由测点5—8月份的实测位移及8—12月份的预测位移, 采用复变量求导法反演计算滑带土抗剪强度参数粘聚力c及 内摩擦角妒值。同时应用有限元强度折减法计算相应的安全系 数。有限元单元划分如图4,采用四结点等参单元,共计节 点3,232个,单元3,100个。边界条件为左右两侧水平约束, 下部固定,上部为自由边界。 表2坡体的基本物理力学参数 万方数据 第4期 张金华等:基于参数反演的库区滑坡灾害预测研究 1 71 图4滑坡坡体断面有限元计算模型 (2)参数反演计算 滑带土的天然抗剪强度C=39.45Kpa,qo=1 1.73。,饱 和抗剪强度C=20Kpa,qo=7。。根据现场勘查并结合工程 经验,滑带土抗剪强度参数范围为:C值,15—45;币值, 5一15。。该阶段给定初始值Co=40,中o=12。。 采用基于复变量求导法岩土体抗剪强度参数反演方法, 由坡体实测各阶段变形,可以反演滑坡滑带土各个阶段变形 所对应的抗剪强度参数见表3。 表3各阶段参数反演结果 (3)安全系数划分滑坡阶段 采用前述基于复变量求导法反演方法反算滑带土抗剪强 度参数,应用有限元强度折减法求取该滑坡不同时期的安全 系数,建立变形阶段与安全系数关系。 5月份,经有限元强度折减法计算安全系数为1.13,同 时搜索得到了滑坡的极限状态。变形较大集中在JC04、 JC06、JC09处,滑坡从监测点JCl2附近滑出。5月份的 X方向的变形达到最大约为5.5m。6月份的X方向的变形达 到最大约为4.715m,12月份的X方向的变形位移约为 4.135m。随着库水位上升滑舌呈现上仰的趋势以至最大变 形减小,滑坡坡体在库水浸泡,岩土体抗剪强度参数降低, 滑动范围不断扩大。12月份该滑坡的安全系数达到1.03, 该滑坡快进入临滑阶段。在次年四月份降水尤其是陡降时, (上接第168页) 每延米造价约11,100元,利用5t扭王 字块护面结构每延米造价约1 2,530元,大块石护面较扭王 字块护面每延米节约成本1,430元,护岸长度按2,280m计, 总计可节约投资约326万元,效益还是比较可观的。 与预制块体护面相比,大块石护面的优点是石料利用合 理,定性提高,便于计划采石料。缺点是石料来源和数量不 易保证。适用条件:水深浅、地质较好、石料丰富,波浪小。 虽然预制块体(如扭王字块等)形状因素比较好,即具 有高度的不规则性,有利于块体之间的相互结合,能增大块 体的稳定性;孔隙率大,表面粗糙,有利于波浪在斜坡上破 碎,波能消散。但是块体形状复杂,制作麻烦,施工(起吊) 和使用中因肢体连接部位薄弱易断裂,从而失去块体的防护 作用,易给防波堤带来险情。 六、结语 该滑坡面临更大危险。 ,麟麟叠一~夏!一…—__一_一——④龋。. ,■。+ .;’ 一j。 ’ 图5坡体x方向应变云图(k=1.03) 该滑坡5—6月份安全系数(1.1=F)滑坡处于基本稳 定的情况;8—11月份安全系数(1.04F1.1)滑坡处于欠 稳定阶段;12月份安全系数达到1.03,滑坡严重欠稳定阶 段即濒临临滑阶段。次年四月三峡库区水位持续下降前需处 理该处边坡。 六、结论 (1)采用基于复变量求导法反演计算各个时期的滑带土 抗剪强度参数粘聚力c及内摩擦角币值。同时应用应用有限 元强度折减法计算各个时期相应的安全系数,由此建立起变 形阶段和安全系数关系。 (2)进行安全系数等级对滑坡稳定性分区。 (3)为滑(边)坡岩土体抗剪强度参数提供科学和合理 的依据,同时根据实测位移和求得的安全系数变化,准确完 成滑坡灾害的预报。 参考文献 [1]刘莉,贺聪.基于时间序列的BP神经网络的滑坡预测预报及 其在Matlab中的实现Ⅱ】.中国水运,2006,4(12):72—75. [2]王祥,郑明新,张定邦.改进的灰色GM(1,1)模型在滑坡 预测中的应用D].华东交通大学学报,2008,25(4):11—15. 【3】龙建辉.高速远程黄土滑坡预测预报方法研究[D】.长安: 长安大学,2008,6:106—119. [4】周中,刘宝琛.滑坡预测预报的Verhulst反函数残差修正 模型Ⅱ].中国铁道科学,2009,7,30(4):13—19. 【5]DR.y.欧文,E.幸顿.塑性力学有限元理论与应用[M】.北 京:兵器工业出版社,1989. [6】岩土体抗剪强度参数反演及滑坡灾害预测研究[D】.重庆: 重庆交通大学,2010. 护面块石结构做防波堤施工工艺简单,较其他护面结构 造价较低,经过工程实践,能够达到防护要求,近年在海阳、 石岛等沿海地区的小型防波堤常用此结构,若当地石料资源 丰富,地质条件较好,受风浪影响较小,防波堤采用大块石 护面结构从经济和技术上都是可行的。 参考文献 [1】1防波堤设计与施工规范[s】.北京:人民交通出版社,2011. [2]水运工程质量检验标准[s1.北京:人民交通出版社,2008. 【3]海阳港防波堤兼疏港路工程地质勘查报告【z1.烟台:烟台 地质工程勘察院,2009. [4】海阳港防波堤兼疏港路工程施工图设计【z].青岛:中交天 津港湾工程勘察设计院,2009. [5]海阳港防波堤兼疏港路工程施工图预算[z].青岛:中交天 津港湾工程勘察设计院,2009. 万方数据
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