滑坡計(jì)算參數(shù)反演分析的優(yōu)化算法

1、滑坡計(jì)算參數(shù)反演分析及研究 以 引 漢 濟(jì) 渭 工 程梅 子 集 鎮(zhèn) 移 民安 置 點(diǎn) 邊 坡 為 例帆，宋文搏王( 陜西省水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院 勘察分院，陜西 咸陽(yáng) 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(yàn)與反演相結(jié)合的方法確定斜坡體穩(wěn)定性分析計(jì)算參數(shù)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)滑坡穩(wěn)定性分析與評(píng)價(jià)。以引漢濟(jì)渭工程某移民安置點(diǎn)斜坡穩(wěn)定性研究為例，探討滑坡計(jì)算參數(shù)反演分析及穩(wěn)定性分析與評(píng)價(jià)。關(guān)鍵詞: 滑坡; 穩(wěn)定性;傳遞系數(shù)法; 反演分析中圖分類(lèi)號(hào):文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:文章編號(hào):p642 22b1671 1211( 2012) 05 0521 04點(diǎn)滑坡2

2、為例，采用實(shí)驗(yàn)方法和單參數(shù)反演分析方法綜合確定滑帶土抗剪強(qiáng)度參數(shù)，并運(yùn)用不 平 衡 推 力 傳 遞系 數(shù) 法 ( 剩 余 推 力 法 ) 進(jìn) 行 穩(wěn) 定 性 計(jì) 算 分 析、用 bishop 法進(jìn)行校 核，綜合得出該滑坡的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)結(jié) 果，對(duì)該移民安置點(diǎn)的建設(shè)起到了積極地指導(dǎo)作用。0引言近年來(lái)，伴隨著中國(guó)水利水電事業(yè)的快速發(fā)展和 城鎮(zhèn)化進(jìn)程的加快，各類(lèi)移民安置工程大量增加。該類(lèi)工程中，外圍地質(zhì)環(huán)境的穩(wěn)定性對(duì)安置點(diǎn) 的 人 民 生 命財(cái)產(chǎn)安全及區(qū)域生態(tài)環(huán)境保護(hù)具決定性 主 導(dǎo) 作 用。邊坡穩(wěn)定問(wèn)題是制約地質(zhì)環(huán)境穩(wěn)定性的主 要 問(wèn) 題，也 是危害最大、最為常見(jiàn)的工程地質(zhì) 問(wèn) 題。能 否 對(duì) 影 響

3、 安置點(diǎn)安全的邊坡做出合理的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)，是 決 定 安 置點(diǎn)能夠合理選址、正常興建及安全運(yùn)行的關(guān)鍵所在。在滑坡穩(wěn)定性分 析 與 評(píng) 價(jià) 中，滑 帶 土 的 粘 聚 力 c和內(nèi)摩擦角 取 值正確與否至關(guān) 重 要。目 前 確 定 滑 帶土抗剪強(qiáng)度參數(shù) c、 值的方法有三種，實(shí) 驗(yàn)、工 程 類(lèi)比和反演分析。試驗(yàn)方法受試件和實(shí)驗(yàn)條件的限 制，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)通常 很 離 散，還需進(jìn)行分析來(lái)確定。工程類(lèi)比法在確定滑 帶土的抗剪強(qiáng)度參數(shù)時(shí)具有很強(qiáng) 的主觀性，在確定類(lèi)比指標(biāo) 時(shí)又受到類(lèi)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(shè)滑坡的穩(wěn)定性系 數(shù)，再反算滑帶土抗剪強(qiáng)度參數(shù)， 是滑坡穩(wěn) 定性計(jì)算的逆過(guò)

4、程，得到的參數(shù)更符合滑 坡的變形情況1?；瑤量辜魪?qiáng)度參數(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(gè)參數(shù)已 知的前提下，反算另外一個(gè)參數(shù)，通常選擇對(duì)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(gè)未知的參數(shù)，通常選擇兩個(gè)距主滑動(dòng)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(jì)渭工程中梅子集鎮(zhèn)移民安置1工程概況陜西省引漢濟(jì)渭工程三河口梅子集鎮(zhèn)移民遷建安置點(diǎn)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(diǎn)滑坡位于子午河左岸山前斜坡，相對(duì)高差 約 22 0 m，斜坡表面階梯式農(nóng)田臺(tái)坎高度 2 3 m，寬度15 0 45 0 m，開(kāi)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(shè)計(jì)將分兩個(gè)臺(tái)階對(duì)斜坡開(kāi)挖平整，臺(tái) 階 高 5 9 m，臺(tái)坎單級(jí)坡比 1 0 75 1 1。2011 年 6 月 下 旬，當(dāng)開(kāi)挖二級(jí)邊坡到 532 7 m 時(shí)，遇到暴雨下滲，土坡淺層迅速達(dá)到飽和狀態(tài)，坡面形成地表徑流，對(duì)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(qiáng)度又因含水率增加而急劇下降; 再 加之坡體開(kāi)挖造成上部土體失去坡腳受 力 支 撐 點(diǎn)，坡 腳臨空，進(jìn)而導(dǎo)致坡體失穩(wěn)下滑。斜坡滑塌后緣錯(cuò)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(zhǎng) 3 5 m，裂 寬 10 20 cm，深度 1 2 5 m。前緣剪出口一帶，可見(jiàn)有地下 水滲出。法) 、sarma 法和 bishop 法等。根據(jù)滑坡野外實(shí)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(dòng)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(gòu)建穩(wěn)定 性 分 析 模 型。由于各種計(jì)算方法對(duì)不同滑坡體及滑動(dòng)面類(lèi)型的 適應(yīng)性的差異3，本文采用適

7、應(yīng)于該類(lèi)滑動(dòng)面類(lèi)型的 傳遞系數(shù)法建立反演分析所需極限平衡方 程; 并 運(yùn) 用 傳遞系數(shù) 法 進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算分析、用圓弧形滑面的 bishop 法進(jìn)行校核。第一條開(kāi)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(jìn)行試算。另 外，因?yàn)榉謼l之間不能承受拉力，所以任何土條的推力 pi 如果為負(fù)值，此 pi 不 再 向 下 傳 遞，而對(duì)下一土條取 pi-1 為 0。3計(jì)算參數(shù)反演分析3 1反演分析狀態(tài)的穩(wěn)定性評(píng)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(jì)算狀態(tài)時(shí)，應(yīng)該使邊坡的臨界狀態(tài)各 因

8、素 符 合 實(shí)際情況。在實(shí)際應(yīng)用中必須考慮滑坡不同發(fā)育階段的變形 性質(zhì)并詳細(xì)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(guān)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(shí)踐中應(yīng)用的最多，也叫 剩 余 推 力 法。其 按折線滑動(dòng)面將滑動(dòng)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(duì)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(dòng)前反演分析模型建立由于工程處滑坡在二級(jí)邊坡施工開(kāi)挖基本完成后發(fā)生滑塌，反演分析時(shí)選用梅子集滑坡滑 動(dòng) 前 的 坡 體 為實(shí)體模型?？萦昙竟?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(cè)5中 有 關(guān) 規(guī) 定，假定連降暴雨 工 況 時(shí) 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(lái)擬合連降暴雨工況，同樣根據(jù)安全系數(shù)定義和莫爾庫(kù) 倫 破 壞 準(zhǔn) 則，有如下式( 2) :滑坡滑動(dòng)前反演分析模型見(jiàn)圖 2。3 3影響因子敏感性計(jì)算與分析滑坡穩(wěn)定性影響因子 敏 感 性 分 析，關(guān) 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(duì)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(jì)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(yàn)統(tǒng)計(jì)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(jié)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(dòng)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(duì) 、c、 求偏導(dǎo)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(jì)算滑坡 kc 對(duì) 、c、 求偏導(dǎo)數(shù)值 ( 見(jiàn)表 2) 。表 2 kc 對(duì)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(guān)系曲線fig. 3 cohesion-internal friction angle relation curve由表 2 可見(jiàn)，各因子中滑體容重 對(duì) 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(xué)參數(shù)的確定滑坡體穩(wěn)定分析的物理性指標(biāo)采用了前期勘察資料的統(tǒng)計(jì)成果，天然重度 = 19 4 kn / m3 、浮容重 ' =根據(jù)反演分析計(jì)算獲得的該滑坡參數(shù)反演成果圖kc - c 關(guān)系曲

16、線( 圖 3) 確定滑動(dòng)面抗剪強(qiáng)度指標(biāo): c =14 0 kpa; = 19 0°。4現(xiàn)狀邊坡穩(wěn)定性分析與評(píng)價(jià)10 03 kn / m3 、飽和容重 = 19 83 kn / m3 。試驗(yàn)統(tǒng)4 1邊坡工程安全等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)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(jì)的飽和抗剪強(qiáng)度參數(shù)為 c = 18 7 kpa; = 21 3°。本次滑坡穩(wěn)定計(jì)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(guò)不同抗剪強(qiáng)度 c、 值對(duì)滑 坡安全系數(shù) kc 進(jìn)行迭代計(jì)算，并通過(guò)計(jì)算獲得的安全 系數(shù) kc 分析確定滑帶土力學(xué)參數(shù)。根據(jù)上述模型得 到的參數(shù)反演成果見(jiàn)表 3; 參數(shù)反演的結(jié)果形成

17、的 kc - - c( kc = 0 95) 關(guān)系曲線見(jiàn)圖 3。標(biāo)。由于滑坡體物質(zhì)組成的復(fù)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(guó)內(nèi) 沒(méi)有統(tǒng)一的滑坡治理工程國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。但相關(guān)行業(yè)已有 相應(yīng)的規(guī)定。本滑坡治理工程，根據(jù)其穩(wěn)定性對(duì)安置點(diǎn)場(chǎng)地的 影響，參照已有工程經(jīng)驗(yàn)，確定該滑坡為三級(jí)邊坡，治方法之間的差別符合一般規(guī)律。為 保 證 結(jié) 果 更 為 可靠，這里選 bishop 法結(jié)果。根據(jù)安置點(diǎn)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(jié)語(yǔ)滑坡穩(wěn)定性計(jì)算參數(shù)反

18、演的前提是要對(duì)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(yīng) 進(jìn) 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(shí)驗(yàn)與反演相結(jié)合 的 方 法 確 定 斜坡體穩(wěn)定性分析計(jì)算參數(shù)比較合理?；路€(wěn)定性計(jì)算成果表明梅子集移民遷建安置點(diǎn) 斜坡穩(wěn)定性較差，處于不安全狀態(tài)，必須對(duì)滑坡進(jìn)行適 當(dāng)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(guò)對(duì)本案例的研究 探 討，在 全 國(guó) 水 利 事 業(yè)快速發(fā)展，移民遷建安置工程建設(shè)中，避免因?yàn)槿斯?隨意開(kāi)挖而不及時(shí)保護(hù)形成較大的地質(zhì)災(zāi)害。圖 4 梅子集滑坡穩(wěn)定性

19、計(jì)算分條剖面fig. 4 profile of stability calculation of meiziji landslide斜坡穩(wěn)定性計(jì)算分析采用的物理力學(xué)指標(biāo): 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?qiáng)度指標(biāo): c =14 0 kpa; = 19 0° 地 震 動(dòng) 參 數(shù): 區(qū)域內(nèi)地震動(dòng)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(yùn)用不平衡推力傳遞系數(shù)法 ( 剩 余 推 力 法) 進(jìn) 行 穩(wěn)定性評(píng)價(jià)，用 bishop 法進(jìn)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(shí)的兩種工況。穩(wěn)定性計(jì)算成果見(jiàn)表 4。參考文獻(xiàn):1李瑞有，甘孝清 滑坡體力學(xué)參數(shù)分析研究j 長(zhǎng)江科學(xué)院院報(bào)，2005，22( 6) : 44 48王帆 寧陜 縣 梅 子 集鎮(zhèn)移民安置點(diǎn)滑坡體穩(wěn)定性分析計(jì)算說(shuō)明 r 西安: 陜西省水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，2011盧廷浩 土力學(xué)m 南京: 河海大學(xué)出版社，2005dzt02182006，滑坡防治工程勘查規(guī)范s工程地質(zhì)手冊(cè)編寫(xiě)組 工程 地 質(zhì) 手 冊(cè)s 北 京: 中國(guó)建筑工業(yè)出 版社，1982dlt53532006，水利水電工程邊坡設(shè)計(jì)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(zé)任編輯: 李 雯)2345表 4 斜坡穩(wěn)定性計(jì)算成果表table 4 calculation results of slope stability 計(jì)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