滑坡計算參數(shù)反演分析的優(yōu)化算法

1、滑坡計算參數(shù)反演分析及研究 以 引 漢 濟 渭 工 程梅 子 集 鎮(zhèn) 移 民安 置 點 邊 坡 為 例帆，宋文搏王( 陜西省水利電力勘測設計研究院 勘察分院，陜西 咸陽 712000)摘 要: 根據(jù)滑坡宏觀變形特征確定滑坡穩(wěn)定性狀態(tài)，據(jù)此建立合理的反演分析模型，采用試驗與反演相結合的方法確定斜坡體穩(wěn)定性分析計算參數(shù)，進而實現(xiàn)滑坡穩(wěn)定性分析與評價。以引漢濟渭工程某移民安置點斜坡穩(wěn)定性研究為例，探討滑坡計算參數(shù)反演分析及穩(wěn)定性分析與評價。關鍵詞: 滑坡; 穩(wěn)定性;傳遞系數(shù)法; 反演分析中圖分類號:文獻標識碼:文章編號:p642 22b1671 1211( 2012) 05 0521 04點滑坡2

2、為例，采用實驗方法和單參數(shù)反演分析方法綜合確定滑帶土抗剪強度參數(shù)，并運用不 平 衡 推 力 傳 遞系 數(shù) 法 ( 剩 余 推 力 法 ) 進 行 穩(wěn) 定 性 計 算 分 析、用 bishop 法進行校 核，綜合得出該滑坡的穩(wěn)定性評價結 果，對該移民安置點的建設起到了積極地指導作用。0引言近年來，伴隨著中國水利水電事業(yè)的快速發(fā)展和 城鎮(zhèn)化進程的加快，各類移民安置工程大量增加。該類工程中，外圍地質(zhì)環(huán)境的穩(wěn)定性對安置點 的 人 民 生 命財產(chǎn)安全及區(qū)域生態(tài)環(huán)境保護具決定性 主 導 作 用。邊坡穩(wěn)定問題是制約地質(zhì)環(huán)境穩(wěn)定性的主 要 問 題，也 是危害最大、最為常見的工程地質(zhì) 問 題。能 否 對 影 響

3、 安置點安全的邊坡做出合理的穩(wěn)定性評價，是 決 定 安 置點能夠合理選址、正常興建及安全運行的關鍵所在。在滑坡穩(wěn)定性分 析 與 評 價 中，滑 帶 土 的 粘 聚 力 c和內(nèi)摩擦角 取 值正確與否至關 重 要。目 前 確 定 滑 帶土抗剪強度參數(shù) c、 值的方法有三種，實 驗、工 程 類比和反演分析。試驗方法受試件和實驗條件的限 制，實驗數(shù)據(jù)通常 很 離 散，還需進行分析來確定。工程類比法在確定滑 帶土的抗剪強度參數(shù)時具有很強 的主觀性，在確定類比指標 時又受到類比滑坡客觀 條件的限制。反演分析根據(jù)滑坡的宏觀變形狀況假 設滑坡的穩(wěn)定性系 數(shù)，再反算滑帶土抗剪強度參數(shù)， 是滑坡穩(wěn) 定性計算的逆過

4、程，得到的參數(shù)更符合滑 坡的變形情況1?；瑤量辜魪姸葏?shù)反演分析的方法分為單參數(shù) 反演和雙參數(shù)反演兩種。單參數(shù)反演假定一個參數(shù)已 知的前提下，反算另外一個參數(shù)，通常選擇對滑坡穩(wěn)定性影響較敏感的作為未知參數(shù)。雙參數(shù)反演中有兩個未知的參數(shù)，通常選擇兩個距主滑動面等距 的 剖 面 建 立極限平衡方程求解。本文以陜西省引漢濟渭工程中梅子集鎮(zhèn)移民安置1工程概況陜西省引漢濟渭工程三河口梅子集鎮(zhèn)移民遷建安置點位于寧陜縣梅子集鎮(zhèn)蘭草灣村附近，子午河左岸斜坡上。安置點滑坡位于子午河左岸山前斜坡，相對高差 約 22 0 m，斜坡表面階梯式農(nóng)田臺坎高度 2 3 m，寬度15 0 45 0 m，開挖坡面平均傾角約

5、45°后緣 15° 30°。斜坡主要由坡洪積的粉質(zhì)粘土組成，厚 5 13 m。設計將分兩個臺階對斜坡開挖平整，臺 階 高 5 9 m，臺坎單級坡比 1 0 75 1 1。2011 年 6 月 下 旬，當開挖二級邊坡到 532 7 m 時，遇到暴雨下滲，土坡淺層迅速達到飽和狀態(tài)，坡面形成地表徑流，對坡面造成沖刷，且坡體重度增加，下滑力增 大; 隨著雨水滲入坡 體內(nèi)部，土體抗剪強度又因含水率增加而急劇下降; 再 加之坡體開挖造成上部土體失去坡腳受 力 支 撐 點，坡 腳臨空，進而導致坡體失穩(wěn)下滑。斜坡滑塌后緣錯落高度 1 2 2 0 m，前緣坡腳水 平位移 5 9 m

6、，滑塌體后緣寬 40 m，前緣寬 20 m，坡面 平均傾角前緣約 30°，后緣 10° 20° 滑塌體后部出現(xiàn) 數(shù)條裂 縫，裂 縫 呈 楔 形，一 般 長 3 5 m，裂 寬 10 20 cm，深度 1 2 5 m。前緣剪出口一帶，可見有地下 水滲出。法) 、sarma 法和 bishop 法等。根據(jù)滑坡野外實地勘察，確定了滑坡基本形態(tài)特 征及物質(zhì)組成，該滑坡屬堆積層滑坡，主要由坡洪積的 粉質(zhì)粘土組成，其滑動面為圓弧形。根據(jù)斜坡地形地 貌和邊界條件繪制滑坡主縱剖面，構建穩(wěn)定 性 分 析 模 型。由于各種計算方法對不同滑坡體及滑動面類型的 適應性的差異3，本文采用適

7、應于該類滑動面類型的 傳遞系數(shù)法建立反演分析所需極限平衡方 程; 并 運 用 傳遞系數(shù) 法 進行穩(wěn)定性計算分析、用圓弧形滑面的 bishop 法進行校核。第一條開始逐條向下推求 pi ，直至求出最后一條的推力 pn ，pn 必須為 0，否則要重新假定 fs ，進行試算。另 外，因為分條之間不能承受拉力，所以任何土條的推力 pi 如果為負值，此 pi 不 再 向 下 傳 遞，而對下一土條取 pi-1 為 0。3計算參數(shù)反演分析3 1反演分析狀態(tài)的穩(wěn)定性評估通常反演分析的狀態(tài)稱為臨界狀態(tài)，包 括 坡 面 形態(tài)、地下水位、滑帶賦存條件和外荷載等因素。在確定 了計算狀態(tài)時，應該使邊坡的臨界狀態(tài)各 因

8、素 符 合 實際情況。在實際應用中必須考慮滑坡不同發(fā)育階段的變形 性質(zhì)并詳細查勘滑坡前、后緣變形量和地 形 變 化 后 才 能做出正確選擇。表 14給出了通常情況下滑坡穩(wěn)定 系數(shù)和變形狀態(tài)的關系。2 1不平衡推力傳遞系數(shù)法基于極限平衡原理的不平衡推力傳遞系數(shù)法在滑坡的工程實踐中應用的最多，也叫 剩 余 推 力 法。其 按折線滑動面將滑動土體分成條塊，而假定條 間 力 的 合 力與上一條土條底面平行，如圖 1 所示，根據(jù)各分條力 平衡 條 件，逐 條 向 下 推 求，直到最后一條土條的 推 力 為零。對于一土條，分別取垂直及平行土條底面方向力 的平衡 ，有如下式( 1) :表 1 滑坡不同發(fā)展階

9、段的穩(wěn)定系數(shù)table 1 stability coefficient of landslide in different development stages穩(wěn)定性系數(shù) fs發(fā)展階段變形性質(zhì)= 0ni wi cosi pi 1 sin( i 1 i )= 0局部變形蠕滑1 05 1 00( 1)ti + pi wi sini pi 1 cos( i 1 i )微滑1 00 0 95整體變形劇滑 0 903 2滑坡滑動前反演分析模型建立由于工程處滑坡在二級邊坡施工開挖基本完成后發(fā)生滑塌，反演分析時選用梅子集滑坡滑 動 前 的 坡 體 為實體模型。枯雨季節(jié)處于整體 穩(wěn) 定 狀 態(tài)，穩(wěn) 定 系 數(shù)

10、 1 05; 連續(xù)暴雨期間滑坡堆積體發(fā)生變形，地表產(chǎn)生 拉張裂縫，其穩(wěn)定性降低，并產(chǎn)生滑塌。根據(jù)工程地質(zhì)手冊5中 有 關 規(guī) 定，假定連降暴雨 工 況 時 該 滑 坡 處于臨界狀態(tài)，其穩(wěn)定系數(shù)采用 0 95。反演分析采用圖 1 剩余推力法示意圖fig. 1 sketch of residual thrust method滑坡的主剖面，并采用飽水狀態(tài)來擬合連降暴雨工況，同樣根據(jù)安全系數(shù)定義和莫爾庫 倫 破 壞 準 則，有如下式( 2) :滑坡滑動前反演分析模型見圖 2。3 3影響因子敏感性計算與分析滑坡穩(wěn)定性影響因子 敏 感 性 分 析，關 于 安 全 系 數(shù)ci li + ni tgi( 2)

11、ti =fkc 的影響因子有滑體容重 、滑帶土粘聚力 c 和內(nèi)摩擦角 。各因子對安全系數(shù)有多大影響，其 中 敏 感 性 較 大的因子是哪些，這是滑坡穩(wěn)定性分析和 防 治 工 作 中非常重要的依據(jù)。根據(jù)極限平衡一般公式推出安全 系 數(shù) kc 的 如 下s聯(lián)合解式( 1) 和( 2) ，消除ti 和ni 得到如下計算式:pi = wi sini (ci li + wi cosi tgi) + p 1 i( 3)ifs式中 i 稱為傳遞系數(shù)，以下式表示:試驗統(tǒng)計成果乘 以 0 75，c = 14 0 kpa，內(nèi) 摩 擦 角 采 用反演值。表 3 剩余推力法反演結果table 3 residual r

12、esults of residual thrust method / ( ° )5 07 09 011 013 015 017 019 05 07 09 011 013 015 017 019 021 023 00 2830 3380 3950 4520 5100 5690 6290 6900 7530 8180 3400 3960 4520 5100 5670 6260 6860 7480 8100 8750 3980 4540 5100 5670 6250 6840 7440 8050 8680 9320 4560 5120 5680 6250 6820 7410 8010 86

13、20 9250 9900 5140 5690 6250 6820 7400 7990 8590 9200 9831 0470 5720 6270 6830 7400 7980 8560 9160 9771 0401 1040 6290 6850 7410 7980 8550 9140 9741 0351 0981 1620 6870 7430 7990 8560 9130 9721 0321 0931 1551 220圖 2滑坡滑動前的反演模型fig. 2 inversion model of landslide before slipping公式:cli + ( wi cosi ui ) t

14、ankc =w sini i分別將 kc 對 、c、 求偏導數(shù):k ctgui cl= 1 ( 5) 25 0 0 884 0 941 0 999 1 056 1 113 1 171 1 228 1 286 2b h sini i ik c l c = w sin( 6)i ik c ( wi cosi ui )=sec2 ( 7)wi sini根據(jù)上式，計算滑坡 kc 對 、c、 求偏導數(shù)值 ( 見表 2) 。表 2 kc 對各影響因子的敏感度綜合表table 2 kc on the the sensitivity of impact factor / ( kn·m 3 )影響因子

15、c / kpa / ( ° )敏感度0 0020 0290 903圖 3 滑坡參數(shù)反演成果圖 kc - c( kc = 0 95) 關系曲線fig. 3 cohesion-internal friction angle relation curve由表 2 可見，各因子中滑體容重 對 滑 坡 的 安 全系數(shù) kc 影響最小，滑帶土粘聚力 c 次之，內(nèi)摩擦角 影響較大。3 4滑坡滑帶參數(shù)反演及力學參數(shù)的確定滑坡體穩(wěn)定分析的物理性指標采用了前期勘察資料的統(tǒng)計成果，天然重度 = 19 4 kn / m3 、浮容重 ' =根據(jù)反演分析計算獲得的該滑坡參數(shù)反演成果圖kc - c 關系曲

16、線( 圖 3) 確定滑動面抗剪強度指標: c =14 0 kpa; = 19 0°。4現(xiàn)狀邊坡穩(wěn)定性分析與評價10 03 kn / m3 、飽和容重 = 19 83 kn / m3 。試驗統(tǒng)4 1邊坡工程安全等級標準抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)是確定 滑坡穩(wěn)定性的重要指 sat計的飽和抗剪強度參數(shù)為 c = 18 7 kpa; = 21 3°。本次滑坡穩(wěn)定計算采用傳遞系數(shù)法建立反演分析所需的極限平衡方程。通過不同抗剪強度 c、 值對滑 坡安全系數(shù) kc 進行迭代計算，并通過計算獲得的安全 系數(shù) kc 分析確定滑帶土力學參數(shù)。根據(jù)上述模型得 到的參數(shù)反演成果見表 3; 參數(shù)反演的結果形成

17、的 kc - - c( kc = 0 95) 關系曲線見圖 3。標。由于滑坡體物質(zhì)組成的復雜 性、自然條件的差異 性、以及人們揭示深度和分析方法的差異等原因，國內(nèi) 沒有統(tǒng)一的滑坡治理工程國家標準。但相關行業(yè)已有 相應的規(guī)定。本滑坡治理工程，根據(jù)其穩(wěn)定性對安置點場地的 影響，參照已有工程經(jīng)驗，確定該滑坡為三級邊坡，治方法之間的差別符合一般規(guī)律。為 保 證 結 果 更 為 可靠，這里選 bishop 法結果。根據(jù)安置點邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)，綜合分析表明在天然( 基本飽和) 工況下，滑坡體屬欠穩(wěn)定狀態(tài); 度地震荷載( 飽和 + 度地震) 工況下，滑坡體處不穩(wěn)定狀態(tài)。面如圖 4。5結語滑坡穩(wěn)定性計算參數(shù)反

18、演的前提是要對具有相同或相似地質(zhì)環(huán)境及地質(zhì)條件的斜坡體，首 先 應 進 行 合理的穩(wěn)定性宏觀地質(zhì)分析與判斷，從而建 立 合 理 的 反 演分析模型; 最后采用實驗與反演相結合 的 方 法 確 定 斜坡體穩(wěn)定性分析計算參數(shù)比較合理?；路€(wěn)定性計算成果表明梅子集移民遷建安置點 斜坡穩(wěn)定性較差，處于不安全狀態(tài)，必須對滑坡進行適 當處理。建議回填滑坡體表面裂 縫，滑坡體前緣修建 擋墻，并做好坡面排水，防止地表水和雨水大量入滲滑 坡體。希望通過對本案例的研究 探 討，在 全 國 水 利 事 業(yè)快速發(fā)展，移民遷建安置工程建設中，避免因為人工 隨意開挖而不及時保護形成較大的地質(zhì)災害。圖 4 梅子集滑坡穩(wěn)定性

19、計算分條剖面fig. 4 profile of stability calculation of meiziji landslide斜坡穩(wěn)定性計算分析采用的物理力學指標: 天 然重度 = 19 4 kn / m3 、浮容重 ' = 10 03 kn / m3 、飽和3容重 sat = 19 83 kn / m ?；瑤量辜魪姸戎笜? c =14 0 kpa; = 19 0° 地 震 動 參 數(shù): 區(qū)域內(nèi)地震動峰值 加速度為 0 05 g，特征周期為 0 45 s，地震基本烈度為度。運用不平衡推力傳遞系數(shù)法 ( 剩 余 推 力 法) 進 行 穩(wěn)定性評價，用 bishop 法進行

20、校核?？紤]現(xiàn)階段天然 狀態(tài)( 基本飽和狀態(tài)) 和地震荷載作用( 飽和 + 度地 震) 時的兩種工況。穩(wěn)定性計算成果見表 4。參考文獻:1李瑞有，甘孝清 滑坡體力學參數(shù)分析研究j 長江科學院院報，2005，22( 6) : 44 48王帆 寧陜 縣 梅 子 集鎮(zhèn)移民安置點滑坡體穩(wěn)定性分析計算說明 r 西安: 陜西省水利電力勘測設計研究院，2011盧廷浩 土力學m 南京: 河海大學出版社，2005dzt02182006，滑坡防治工程勘查規(guī)范s工程地質(zhì)手冊編寫組 工程 地 質(zhì) 手 冊s 北 京: 中國建筑工業(yè)出 版社，1982dlt53532006，水利水電工程邊坡設計規(guī)范s潘家錚 建筑物的抗滑穩(wěn)定和滑坡分析m 北京: 水利電力出版社，1980( 責任編輯: 李 雯)2345表 4 斜坡穩(wěn)定性計算成果表table 4 calculation results of slope stability 計算方法天然工況地震荷載67傳遞系數(shù)法bishop 法1 181 120 990 97back analysis and research on landslides calculation parameterswang fan，song wenbo( shaanxi province insti