一種降雨條件下的邊坡三維穩(wěn)定性預測方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種降雨條件下的邊坡三維穩(wěn)定性預測方法，包括以下步驟：1、根據(jù)待預測的邊坡，確定土體強度參數(shù)和土體滲透參數(shù)；2、對滑坡體劃分土柱，沿豎直方向滑坡體被劃分為行和列土柱；3、利用有限元軟件GEO/SEEP，建立邊坡滲流模型，計算滑坡體內的孔隙水壓力分布情況；4、建立降雨條件下邊坡三維極限平衡方程組，通過聯(lián)立方程組解得的邊坡穩(wěn)定系數(shù)Fs；5、求得不同降雨強度、降雨持時和降雨型式下邊坡的最小穩(wěn)定系數(shù)，將該穩(wěn)定系數(shù)與邊坡穩(wěn)定臨界值進行比較。本發(fā)明的優(yōu)點是：考慮了降雨條件對邊坡穩(wěn)定性的影響，計算精度有所提高，預測結果更為可靠。
【專利說明】
一種降雨條件下的邊坡三維穩(wěn)定性預測方法
技術領域
[0001] 本發(fā)明屬于地質災害防控技術領域，具體涉及一種針對降雨條件下預測邊坡三維 穩(wěn)定性的方法。
【背景技術】
[0002] 隨著全球氣候變暖，世界范圍內出現(xiàn)極端降雨天氣的頻率越來越高，由于我國山 地、丘陵地帶分布廣泛，因而由于降雨引起的滑坡災害占每年地質災害的百分之八十以上。 降雨前邊坡處于安全狀態(tài)，降雨過程中或者降雨后一定時間范圍內出現(xiàn)滑坡現(xiàn)象，這使得 預測降雨條件下邊坡的穩(wěn)定性問題變得尤為迫切。
[0003] 中國專利文獻CN103149340A于2013年6月12日公開了一種用降雨量測定滑坡穩(wěn)定 性的動力監(jiān)測方法，包括以下步驟:步驟1、選取滑坡位移監(jiān)測點與基準點；步驟2、在基準點 和監(jiān)測點布置安裝監(jiān)測設備；步驟3、通過監(jiān)測設備能夠獲得降雨量與位移速率的相關數(shù) 據(jù)，對數(shù)據(jù)進行處理;步驟4、確定滑坡動力加載率與位移動力響應率，在此處動力加載率是 某一降雨過程中降雨量的增量變化與初始降雨量的比值，位移動力響應率是相應的滑坡位 移變化速率與初始位移速率的比值;步驟5、確定滑坡穩(wěn)定性的判據(jù)，將滑坡的位移降雨動 力加載率作為滑坡穩(wěn)定性的判據(jù)，在此處將滑坡失穩(wěn)的動力加載率與位移動力響應率的比 值成為滑坡位移動力加載率;步驟6、進行滑坡的監(jiān)測與預警預報。該方法利用實時測量的 方法，建立降雨量與位移的關系，利用位移變化速率來預測預報邊坡的穩(wěn)定性。該方法基準 點選擇的準確與否與預報效果有很大關系，同時通過降雨量與邊坡位移的關系來預測具有 一定的不確定性。

【發(fā)明內容】

[0004] 本發(fā)明所要解決的技術問題就是提供一種降雨條件下的邊坡三維穩(wěn)定性預測方 法，它在預測降雨條件下邊坡三維穩(wěn)定性時，降雨條件包括降雨強度、降雨持時和降雨型 式，得出不同巖土體邊坡在不同降雨條件下的穩(wěn)定系數(shù)，能夠提高計算精度，增大預測結果 的可靠性。
[0005] 本發(fā)明所要解決的技術問題是通過這樣的技術方案實現(xiàn)的，本發(fā)明包括以下步 驟：
[0006] 步驟1、根據(jù)待預測的邊坡，確定土體強度參數(shù)和土體滲透參數(shù)，選定邊坡坡體表 面幾何尺寸和三維滑面形狀，將滑裂面形狀和邊坡表面形狀用代數(shù)方程表示；確定需要進 行滲流分析截面的幾何尺寸，設定不同降雨強度、降雨持時和降雨型式的組合條件，進行滲 流分析；
[0007] 步驟2、將邊坡進行離散化，滑坡體被垂直離散為m行和η列土柱，每個土柱按所在 的行號i和列號j定義為[i、j];假定行方向的土柱間作用力與水平面夾角為±〇，假定列方 向的土柱間作用力與水平面夾角為±β;
[0008] 步驟3、利用有限元軟件GE0/SEEP，建立邊坡滲流模型，計算滑坡體內的孔隙水壓 力分布情況，得到孔隙水壓力分布圖，獲得各位置點的孔隙水壓力；
[0009] 步驟4、建立降雨條件下邊坡三維極限平衡方程組，通過聯(lián)立方程組解得的邊坡穩(wěn) 定系數(shù)Fs;
[0010] 步驟5、求得不同降雨強度、降雨持時和降雨型式下邊坡的最小穩(wěn)定系數(shù)，將該穩(wěn) 定系數(shù)與邊坡穩(wěn)定臨界值進行比較，若該最小穩(wěn)定系數(shù)大于邊坡穩(wěn)定的臨界值，則該邊坡 處于穩(wěn)定狀態(tài);若該最小穩(wěn)定系數(shù)小于邊坡穩(wěn)定的臨界值，則該邊坡處于失穩(wěn)狀態(tài)。
[0011] 由于本發(fā)明考慮了比二維情況更真實的三維情況，同時在離散化過程中考慮了更 多力和力矩的平衡關系，使得計算精度提高，所以本發(fā)明的預測結果更準確可靠。另外，所 有建模過程都程序化，便于操作和編程，大大的減少了人為的計算量，由計算機實現(xiàn)邊坡的 穩(wěn)定系數(shù)的預測。所以本發(fā)明的優(yōu)點是:考慮了降雨條件對邊坡穩(wěn)定性的影響，計算精度有 所提高，預測結果更為可靠。
【附圖說明】
[0012] 本發(fā)明的【附圖說明】如下：
[0013]圖1為本發(fā)明實施例的土體飽和滲透系數(shù)曲線圖；
[0014] 圖2為本發(fā)明實施例的土體含水率曲線圖；
[0015] 圖3為本發(fā)明實施例的邊坡三維幾何尺寸；
[0016] 圖4為圖3的滲流剖截面的幾何尺寸；
[0017] 圖5為滑坡體滑裂面和邊坡表面的剖面圖；
[0018] 圖6為本發(fā)明實施例的孔隙水壓力分布圖；
[0019]圖7為離散化土柱受力圖。
【具體實施方式】
[0020] 下面結合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步說明：
[0021] 步驟1、根據(jù)待預測的邊坡，確定土體強度參數(shù)和土體滲透參數(shù)，土體強度參數(shù)包 括土體重度γ、有效粘聚力C'、孔隙氣壓力μ α、巖土體的有效內摩擦角爐'和抗剪強度隨基質 吸力變化的內摩擦角土體滲透參數(shù)包括飽和滲透系數(shù)曲線和土體體積含水率曲線;選 定邊坡坡體表面幾何尺寸和三維滑面形狀，將滑裂面形狀和邊坡表面形狀用代數(shù)方程表 示;確定需要進行分析的滲流截面幾何尺寸，設定不同降雨強度、降雨持時和降雨型式的組 合條件，進行滲流分析；
[0022] 本實施例中，待預測邊坡是典型的殘坡積土邊坡，土體重度γ為18.7kg · ΠΓ3,有效 粘聚力c '為7 · OkPa，有效內摩擦角供'為26 · 0°，取孔隙氣壓力uaS〇Kpa，抗剪強度隨基質吸 力變化的內摩擦角/為定值16°。根據(jù)"降雨條件下土質邊坡瞬態(tài)穩(wěn)定性分析"，吳長富，巖 土力學報，第29卷第2期，387~389頁，2008年2月的記載:土體的飽和滲透系數(shù)如圖1所示， 飽和滲透系數(shù)為0.415m · cf1;土體含水率曲線如圖2所示。選取降雨條件為暴雨98mm均強型 工況，降雨持續(xù)時間為24h。降雨入滲到土體內部，使得土體內浸潤線不斷上升，影響土體內 的基質吸力，使其不斷減小，同時增大了土體內孔隙水壓力，這兩個因素引起土體抗剪強度 較低。
[0023] 三維滑坡體如圖3所示，邊坡表面為傾斜面，長高比為1:2,邊坡斜面的水平方向的 投影為20m，在豎直方向上的投影為10m;滑裂面為橢球體滑裂面，設y方向上滑裂面寬度的 半長軸為40m;X、z方向的半軸長度為21m。滲流剖截面為三維滑坡體的橫截面，其尺寸如圖4 所示。
[0024] 參照中國專利文獻CN103163563A于2013年6月19日公開的一種三維邊坡穩(wěn)定性預 測方法的步驟1:將邊坡表面和滑裂面用方程表示。如圖5所示，邊坡表面的參數(shù)有邊坡斜面 在水平面上的投影長度1，邊坡斜面在豎直方向上的投影長度H;滑裂面的參數(shù)依據(jù)實際幾 何形狀確定。
[0025]邊坡表面的表達式為
[0027]滑裂面的表達式為：
[0029] 步驟2、參照中國專利文獻CN103163563A于2013年6月19日公開的一種三維邊坡穩(wěn) 定性預測方法的步驟2:對三維滑坡體離散化，沿豎直方向滑坡體被劃分為m行和η列土柱， 每個土柱按所在的行號i和列號j定義為[i，j];假定行方向的土柱間作用力與水平面夾角 為土α，假定列方向的土柱間作用力與水平面夾角為土β;
[0030]本實施例中，三維滑坡體被垂直離散為30行和30列土柱。
[0031]步驟3、利用有限元軟件GE0/SEEP，建立邊坡滲流模型，如圖4所示，該邊坡的邊界 條件設置為:abed為降雨入滲邊界、ah、de、gf為0(m/s)流量邊界，hg、ef為初始水頭邊界6m， 將步驟1中的巖土參數(shù)代入，計算即可得到邊坡的孔隙水壓力分布圖，如圖6所示。
[0032]步驟4、對每個土柱進行受力分析，土柱的受力如圖7所示。根據(jù)力的平衡，每個土 柱上可建立如下的三個方向上力的平衡方程：
[0036]式（1)、（2)和(3)中：
[0037] Ni>j為第[i，j] 土柱底面支持力；
[0038] 1^」為第[1，]_]土柱底面孔隙水壓力的合力；
[0039] 1^'」為第[丨，幻土柱底面孔隙氣壓力的合力；
[0040] Si>j為第[i，j] 土柱底面的剪切力；
[0041] Q1，」為第[i，j-l] 土柱與第[i，j] 土柱之間的條間力；
[0042] QU+1為第[i，j] 土柱與第[i，j+l] 土柱之間的條間力；
[0043] G1，」為第[i_l，j] 土柱與第[i，j] 土柱之間的條間力；
[0044] G1+U為第[i，j] 土柱與第[i+l，j] 土柱之間的條間力；
[0045] ,'」為第[丨，幻土柱的重力；
[0046] α行方向的土柱間作用力與水平面夾角；
[0047] β列方向的土柱間作用力與水平面夾角；
[0048] 表示第[i，j ] 土柱底面上正應力的X方向余弦；
[0049] 表示第[i，j]土柱底面上正應力的y方向余弦；
[0050] 表示第[i, j]土柱底面上正應力的z方向余弦；
[0051 ] f表示第[i，j]土柱底面上剪應力的X方向余弦；
[0052] t表示第[i，j]土柱底面上剪應力的y方向余弦；
[0053] 表示第[i, j]土柱底面上剪應力的z方向余弦；
[0054]設該邊坡沒有加固措施，則在滑體上沒有支護力的作用，那么條間力的邊界條件 可以表示為
（m為土柱的行總數(shù)和η為土柱的列總數(shù)）。 因為條間力是相鄰兩個土柱之間的作用力與反作用力，其繞X軸方向的力矩之和等于0。 [0055]利用非飽和土強度準則，并引入穩(wěn)定系數(shù)表達式，得到下式：
[0057]式(4)中，
[0058] c '為巖土體的有效粘聚力；
[0059] 夢'為巖土體的有效內摩擦角；
[0060] #為抗剪強度隨基質吸力變化的內摩擦角；
[0061] Α1，」為[i，j]土柱橫截面的面積；
[0062] Fs為穩(wěn)定系數(shù)。
[0063]將前面(1)、（2)、（3)、（4)聯(lián)立求解，可得每個土柱的支持力和剪切力：

[0066]所有力繞x、y、z軸方向的力矩分別為：
[0070] 式(7)、(8)、(9)中：
[0071] AGi>j是平面ABB'A'和平面CDD'C'之間的力之差，AGi'LGMj-GU;
[0072] &9^」是平面8〇：'8'和平面4001'之間的力之差，&9^」=9^」+1-9^ ;
[0073] χΔ??ν/ΔΡ是力Λ Gi>j或者Δ QU的X坐標，其值等于點Η的X坐標值；
[0074] 是力AG1，域者AQ1，啪y坐標，其值等于點油％坐標值；
[0075] 是力Λ Gi>j或者Δ QU的z坐標，其值等于點Η的z坐標值；
[0076] <是點Η的X坐標值; 是點Η的y坐標值。
[0077] 將式(5)、（6)代入上面式(7)、（8)、（9)，可求得邊坡在不同時刻的穩(wěn)定系數(shù)。穩(wěn)定 系數(shù)通過多次迭代求得。
[0078] 步驟5、計算暴雨98mm均強型降雨工況下的邊坡穩(wěn)定系數(shù)。
[0079] 表1暴雨98mm均強型降雨工況下的邊坡穩(wěn)定系數(shù)
[0080]
[0081]將計算的不同時刻邊坡的穩(wěn)定系數(shù)，與邊坡穩(wěn)定性臨界值進行比較;若計算出的 穩(wěn)定系數(shù)大于邊坡穩(wěn)定性臨界值，則邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài);若計算出的穩(wěn)定系數(shù)小于邊坡穩(wěn) 定性臨界值，則邊坡處于失穩(wěn)狀態(tài)。本實例計算出的最危險時刻是在降雨結束時，穩(wěn)定系數(shù) 最小，且接近1，該邊坡很有可能出現(xiàn)失穩(wěn)情況。
【主權項】
1. 一種降雨條件下邊坡的Ξ維穩(wěn)定性預測方法，其特征是，包括w下步驟： 步驟1、根據(jù)待預測的邊坡，確定±體強度參數(shù)和±體滲透參數(shù)，選定邊坡坡體表面幾 何尺寸和Ξ維滑面形狀，將滑裂面形狀和邊坡表面形狀用代數(shù)方程表示;確定需要進行滲 流分析截面的幾何尺寸，設定不同降雨強度、降雨持時和降雨型式的組合條件，進行滲流分 析； 步驟2、將邊坡進行離散化，滑坡體被垂直離散為m行和11列±柱，每個±柱按所在的行 號i和列號j定義為[i、j];假定行方向的±柱間作用力與水平面夾角為±〇,假定列方向的 ±柱間作用力與水平面夾角為±β; 步驟3、利用有限元軟件GEO/SEEP，建立邊坡滲流模型，計算滑坡體內的孔隙水壓力分 布情況，得到孔隙水壓力分布圖，獲得各位置點的孔隙水壓力； 步驟4、建立降雨條件下邊坡Ξ維極限平衡方程組，通過聯(lián)立方程組解得的邊坡穩(wěn)定系 數(shù)Fs; 步驟5、求得不同降雨強度、降雨持時和降雨型式下邊坡的最小穩(wěn)定系數(shù)，將該穩(wěn)定系 數(shù)與邊坡穩(wěn)定臨界值進行比較，若該最小穩(wěn)定系數(shù)大于邊坡穩(wěn)定的臨界值，則該邊坡處于 穩(wěn)定狀態(tài);若該最小穩(wěn)定系數(shù)小于邊坡穩(wěn)定的臨界值，則該邊坡處于失穩(wěn)狀態(tài)。2. 根據(jù)權利要求1所述的降雨條件下邊坡Ξ維穩(wěn)定性預測方法，其特征是，步驟4中，沿 Ξ個軸向方向的力的平衡方程為：式(1)、（2)和(3)中： Nl'^為第[i，j]±柱底面支持力； 1^'^為第[1，引±柱底面孔隙水壓力的合力； 山1'^為第[1，引±柱底面孔隙氣壓力的合力； 81'^為第[1，引±柱底面的剪切力； Qi'j為第[iJ-1]上柱與第[ij]上柱之間的條間力； Qi'w為第[ij]上柱與第[iJ+1]上柱之間的條間力； 為第[i-l，j]±柱與第[i，j]±柱之間的條間力； G1+U為第[i，j]±柱與第[i+l，j]±柱之間的條間力； 胖1'^為第[1，引±柱的重力； α行方向的±柱間作用力與水平面夾角； 0列方向的±柱間作用力與水平面夾角； 表示第[ij]±柱底面上正應力的X方向余弦； /<:-/^表示第[1，引±柱底面上正應力的7方向余弦； 表示第[i，j]±柱底面上正應力的Z方向余弦； 表示第[ij]上柱底面上剪應力的X方向余弦； 吟表示第[i，j]上柱底面上剪應力的y方向余弦； 表示第[i，j]±柱底面上剪應力的Z方向余弦； 每個±柱的支持力和剪切力：式巧）、（6)中： C'為巖±體的有效粘聚力； 批為巖±體的有效內摩擦角； 辭6為抗剪強度隨基質吸力變化的內摩擦角； Al'^為[i，j]±柱橫截面的面積； Fs為邊坡穩(wěn)定系數(shù)； 所有力繞x、y、z軸方向的力矩分別為：式(7)、（8)、（9)中： AGi'j是平面ABB'A'和平面C孤'C'之間的力之差，ΔGi'j = GW'j-Gi'j; AQi'j是平面BCC'B'和平面A孤'A'之間的力之差，ΔQi'j = Qi'j+l-Qi'j; yAG' 'MG'·'是力Δ護域者Δ QIJ的X坐標，其值等于點Η的X坐標值； '是力Δ護域者Δ Q1J的y坐標，其值等于點Η的y坐標值； '.'心―'是力AG1'域者AQ1J的Z坐標，其值等于點Η的Z坐標值； 瑪是點Η的X坐標值;冷是點Η的y坐標值； 將式(5)、（6)代入上面式(7)、（8)、（9)，可求得邊坡在不同時刻的穩(wěn)定系數(shù)。
【文檔編號】G01N33/24GK106093344SQ201610405311
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年6月6日
【發(fā)明人】周小平, 陳洪, 程浩, 壽云東, 畢靖
【申請人】重慶大學