（地球探测与信息技术专业论文）基于gis的公路边（滑）坡灾害防治与预测系统研究.pdf

摘要 边坡工程的稳定性涉及到水利水电工程、铁道工程、公路工程、 矿山工程等诸多工程领域，能否正确评价其稳定性常常是此类工程成 败的关键，也是确保工程安全和降低建设费用的重要环节。不同的边 坡工程常常赋存于不同的工程地质环境中，不同的边坡稳定性分析方 法又各具特点，有一定的适用条件。因此，如何根据边坡工程的地质 条件，合理有效地选用与之相适应的边坡稳定性分析方法，是工程领 域面临的一项重要研究课题。 公路边坡工程由于岩土特性的不均匀性，地质构造的复杂性，影 响因素具有很强的不确定性和复杂性，边坡变形失稳机理复杂。在此 基础上的边坡设计和治理措施，往往不能完全把握边坡的安全状况； 另外边坡工程施工又是一个动态的过程。对于这种非确定的、动态变 化的边( 滑) 坡变形失稳的判断和预测需要依赖于有效的边坡变形监 测及安全评价，从而做到动态设计、信息化施工、及时有效的防治。 论文以湖南某在建高速公路k 1 3 1 + 4 0 0 - - - k 1 3 1 + 6 0 0 边( 滑) 坡工程 为例，在分析目前国内外边( 滑) 坡稳定性分析与评价的基础上提出： 公路边( 滑) 坡灾害防治与预测工作，以变形监测预测为主，稳定分 析评价为辅，并将两类方法都集成到g i s 平台；充分利用g i s 的空间 数据管理和分析优势，在g i s 平台上建立稳定性分析的力学计算模型 与边( 滑) 坡位移预测模型；结合变形监测数据与物理力学参数，构 筑基于g i s 的公路边坡灾害防治与预测系统，对边( 滑) 坡稳定性进 行分析、评价，对变形失稳进行趋势分析，从而对全线边坡进行失稳、 滑坡的预测预报，指导公路边坡中潜在滑坡的治理，以达到边坡灾害 防治的目的。 关键词公路边坡，滑坡，稳定性，位移监测，g i s ，安全系数 a bs t r a c t t h es t a b i l i t ya n a l y s i sa n de v a l u a t i o no fs l o p ei sr a l a t e dt om a n y e n g i n e e r i n gf i e l d s ，s u c ha sw a t e rc o n s e r v a n c ye n g i n e e r i n g ，e l e c t r i cp o w e r e n g i n e e r i n g ，r a i l w a ye n g i n e e r i n g ，h i g h w a ye n g i n e e r i n g ， a n dm i n e e n g i n e e r i n g w h e t h e rt oe v a l u a t et h es t a b i l i t yo fs l o p ee x a c t l yi st h ek e y t os u c c e e di nc o n s t r u c t i n gt h e s ee n g i n e e r i n g ，a n di ta l s oi st h ei m p o r t a n t s t e pt oe n s u r es a f e t ya n dr e d u c ec o n s t r u c te x p e n s e d i f f e r e n ts l o p e s e n g i n e e r i n gh a v ev a r i o u se n g i n e r i n gg e o l o g ye n v i r o n m e n t ，a n dd i f f e r e n t s t a b i l i t y m e t h o d so fs l o p eh a v ed i f f e r e n tc h a r a c t e ra n dd i f f e r e n t a p p l i c a t i o n c o n d i t i o n s s oh o wt oc h o o s er e a s o n a b l ea n de f f e c t i v e s t a b i l i t ym e t h o do fs l o p ee n g i n e e r i n gb a s e do ng e o l o g yc o n s d i t i o nh a s b e e na ni m p o r t a n tr e s e a r c hp r o b l e mo fr o c ka n ds o i lf i e l d s f o ru n h o m o g e n e o u sq u a l i t yo fs o i l ，c o m p l e x i t yo fg e o l o g y , i n t r i c a c y o fm e c h a n i c se f f e c tm e c h a n i s m , u n c e r t a i n t ya n dc o m p l i c a c yo fa f f e c t f a c t o r s ，d i s t o r t i o na n du n s t a b i l i z a t i o nm e c h a n i s mo fh i g w a ys l o p ea r e v e r yc o m p l e x s od e s i g na n dc o n s t r u c t i o no fs l o p es o m e t i m e sc a n n o t h o l dt h es a f e t yc o n d i t i o n i na d d i t i o n ，s l o p ec o n s t r u c t i o ni sa l s oad y n a m i c p r o c e s s f o r t h e s e u n c e r t a i n ，d y n a m i c m u t a t i v e s l o p e ，j u d g e a n d p r e d i c t i o no fd i s t o r t i o na n du n s t a b i l i z a t i o nn e e dr e l yo ne r i e c t i v es a f e t y m o n i t o r i n g ，a n a l y s ea n dd i s p o s ei nt i m e ，t h e nr e a c ht od y n a m i cd e s i g n ， i n f o r m a t i o n - b a s e dc o n s t r u c t i o n ，e f f e c t i v ep r e v e n t i o na n dc u r e a se x a m p l eo ft h es l o p e e n g i n e e r i n go fo n eh i g h w a yi nh u n a n p r o v i n c e ，t h ep a p e rb r i n gf o r w a r dt h er e s e a r c hm e t h o d so fs t a b i l i t y a n a l y s eb a s e do nt h er e s e a r c hs t a t u sa tp r e s e n th o m ea n da b r o a d t h e m e t h o d sg i v ep r i o r i t yt od i s t o r t i o nm o n i t o r i n ga n dp r e d i c t i o n ，b ya s s i s t e d w i ms t a b i l i t ya n a l y s ea n de v a l u a t i o n t h e nm e ya r ei n t e g r a t e dw i t hg i s b yt a k i n gf u l la d v a n t a g eo fg i ss p a t i a ld a t am a n a g e m e n ta n db u i l d u p ，t h e m o d e lo fs t a b i l i t ya n a l y s ea n dc a l c u l a t i o no fs l o p e ，a n dt h em o d e lo f d i s p l a c e m e n tp r e d i c t i o no fs l o p e ，a r ea l lc o n s t r u c t e db yg i ss o f tf l a t b y d a t ao fd i s p l a c e m e n tm o n i t o r i n g , p a r a m e t e r so fp h y s i c sa n dm e c h a n i c s ， t h ei n f o r m a t i o ns y s t e ma b o u tt h ed i s a s t e rp r e v e n t i o na n dp r e d i c t i o no f h i g h w a ys l o p ei ss e tu p a n dt h e na n a l y s ea n de v a l u a t i o no ft h e i s t a b i l i s y ，t h et r e n da n a l y s eo fd i s t o r t i o nc a nb ea c c o m p l i s h e d t h e r e b y p r e d i c t i o no fu n s t a b i l i t ys l o p eo ff u l lr o a dc a nb ec a r r i e dt h r o u g h ， r e a c h i n ga i mo fg u i d i n gt h el a t e n tc o a s t sf a t h e r i n g ，p r e v e n t i n gt h es l o p e d i s a s t e r k e y w o r d s h i g h w a ys l o p e ，c o a s t ，s t a b i l i t y , d i s p l a c e m e n tm o n i t o r i n g ， g i s ，s a f e t yf a c t o r l i 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在在论文中作了明确的说 明。 作者签名：丝亟 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位 论文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论 文；学校可根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。 作者签名：新签名尘过日期：趟年月旦日 中南大学硕士论文第一章绪论 1 1 概述 第一章绪论 边坡系指地壳表面一切具有侧向临空面的地质体，是广泛分布于地表的一种 地貌景观。滑坡是在内力地质作用和外力条件下形成和发展的，随着时间的推移， 它的外形和内在的工程水文地质特性都在不断的发生变化，因而会发生不同程度 或缓或急的变形，比如滑动、崩塌、剥落、蠕动。当一定体积的滑坡地质体，沿 着一个或一组贯穿的滑动面做整体的滑动时，即形成滑坡。在工程建设领域，常 见的滑坡有两种类型：一种是天然边坡由于水流冲刷、地壳运动或人类活动破坏 了它原有的地质条件而产生滑坡，另一种是人工开挖或填筑的人工边坡，由于设 计的坡度太陡，或工作条件的变化改变了岩土体内部的应力状态，使局部地区的 剪切破坏，发展成一条连贯的剪切破坏面，岩土体的稳定平衡状态遭到破坏，因 而发生滑坡【l 】。 边( 滑) 坡稳定性分析和评价一直是边坡工程的核心问题，它涉及到水利水电 工程、铁道工程、公路工程、矿山工程等诸多工程领域，能否正确评价其稳定性 常常是此类工程成败的关键，也是确保工程安全和降低建设费用的重要环节1 2 ， 因此，边( 滑) 坡工程的稳定分析，一直是岩土工程领域中的一项重要研究内容。 目前分析方法层出不穷，然而不同的研究方法，适用于不同的工程地质环境，稳 定分析的合理与否直接影响到工程建设，因此如何有效地选用合适的分析、评价 与预测方法尤为重要p 】。 过去传统的边( 滑) 坡研究大多是在滑坡发生后，对现场的地质、水文、岩性 等进行调查j 然后对其发生的机理及滑动过程进行反分析。这样的滑坡发生的事 后研究已经不能满足现代社会对环境安全评估和预测的要求，进行更准确的大范 围滑坡预测是高度信息化时代的必然要求。而大范围滑坡发生及危险性预测涉及 到大量空间数据的获取、储存、处理等过程( 如标高、地形、地质、岩性、堆积 物、表面植被状况等) ，过去由于缺乏先进的空间数据处理工具，在这方面的研 究始终没有很大的突破。 g i s 以其强大的空间数据处理能力，近年来在自然灾害评价中应用日渐增 多，在滑坡灾害的评价中也得到了广泛应用。g i s 强大的空间数据处理和分析功 能，为滑坡稳定性分析计算，尤其是为大范围边( ( 滑) 坡稳定性评价及危险性预测， 提供了新的强有力的数据处理与空间分析平台，g i s 正日益成为边( ( 滑) 灾害防 治不可缺乏的重要工具。 中南大学硕士论文 第一章绪论 针对公路边坡特点，基于g i s 技术，综合边( ( 滑) 坡稳定性分析中力学计算 模型的优势，结合公路边( 滑) 坡监测技术，对公路边( 滑) 坡灾害防治与预测 进行系统研究，为工程施工及灾害防治提供决策支援，对保障工程建设，维护人 员及车辆安全将具有重要的经济效益和社会价值。 1 2 研究现状 不同的边坡工程常常赋存于不同的工程地质环境中，不同的边坡稳定性分析 方法又各具特点，具有一定的适用条件。因而，如何根据具体的边坡工程地质条 件，合理有效地选用与之相适应的边坡稳定性分析方法，是值得深思的问题。从 边坡工程研究发展历程可见，边( 滑) 坡稳定性研究发展的过程，同时又是一个边 坡稳定性分析方法不断发展的过程。新的边坡稳定性分析方法不断出现，传统的 方法又不断得到改进，且逐步由定性向定量、半定量的方向发展 4 1 。 公路边( 滑) 坡稳定性评价方法大致可以分为两大类，即定性分析方法和定量 分析方法。定量分析方法分为确定性分析方法和不确定性分析方法，其中确定性 分析方法主要包括极限平衡分析法和数值分析方法；不确定性分析方法主要包括 灰色系统评价法、可靠度分析方法、模糊综合评价法等【2 4 】。另外，还有地质力 学模型、底摩擦实验模型等物理模型方法、现场监测分析方法、以及g i s 方法技 术等。 一、定性分析方法 定性分析方法【4 】主要是通过工程地质勘察，对影响边坡稳定性的主要因素、 可能的变形破坏方式及失稳力学机制等的分析，对已变形地质体的成因及其演化 史进行分析，从而给出被评价边坡一个稳定性状况及其可能发展趋势的定性的说 明和解释。其优点是能综合考虑影响边坡稳定性的多种因素，快速地对边坡的稳 定状况及其发展趋势作出评价。定性分析方法主要包括：自然( 成因) 历史分析法、 图解法、边坡稳定性分析数据库和专家系统等【2 ，4 1 。 1 、自然( 成因) 历史分析法 该方法主要根据边( 滑) 坡发育的地质环境、边坡发育历史中的各种变形破 坏迹象及其基本规律和稳定性影响因素等的分析，追溯边坡演变的全过程，对边 ( 滑) 坡稳定性的总体状况、趋势和区域性特征作出评价和预测，对已发生滑坡 的边坡，判断其能否复活或转化。它主要用于天然斜坡的稳定性评价。 2 、工程类比法 该方法实质上就是利用已有的自然边坡或人工边坡的稳定性状况及其影响 因素、有关设计等方面的经验，并把这些经验应用到类似的所要研究边坡的稳定 性分析和设计中去的一种方法。它需要对已有的边坡和目前的研究对象进行广泛 2 中南大学硕士论文 第一章绪论 的调查分析，全面研究工程地质因素等的相似性和差异性，分析影响边坡变形破 坏的各主导因素及发展阶段的相似性和差异性，分析它们可能的变形破坏机制、 方式等的相似性和差异性，兼顾工程的等级、类别等的特殊要求。通过这些分析， 来类比分析和判断研究对象的稳定性状况、发展趋势、加固处理设计等。在工程 实践中，既可以进行自然边坡间的类比，也可以进行人工边坡之间的类比，还可 以在自然边坡和人工边坡之间进行类比。 3 、边坡稳定性分析数据库和专家系统 ( 1 ) 边坡工程数据库是收集已有的多个自然斜坡、人工边坡实例的计算机软 件。它按照一定的格式，把各个边坡实例的发育地点、地质特征( 工程地质图、 钻孔柱状图、岩土力学参数等) 、变形破坏影响因素、形式、过程、加固设计， 以及边坡的坡形、坡高、坡角等收录进来，并有机地组织在一起。建立边坡工程 数据库的目的仍然主要是进行工程类比、信息交流。它可以直接根据不同设计阶 段的要求和相关的类比依据，方便快捷地从中查得相似程度最高的实例进行类 比，从而能更好地指导实践、节约费用。我国在“八五 国家科技攻关期间，已 初步建立了“水电工程高边坡数据库一。 ( 2 ) 专家系统就是一种按某学科及相关学科专家的水平进行推理和解决问 题、并能说明其缘由的计算机程序。边坡稳定分析设计专家系统就是进行边坡工 程稳定性分析与设计的智能化计算机程序。它把某一位或多位边坡工程专家的知 识、工程经验、理论分析、数值分析、物理模拟、现场监测等行之有效的知识和 方法有机地组织起来，建成一个边坡工程知识库，然后利用智能化的推理机( 一 个控制整个系统的计算机程序) 来模拟并再现人( 专家) 脑的思维( 推理与决策) 过 程，吸收其合理的知识结构，寻求优化的技术路径，同时，它又能建立计算机模 型，结合相关学科不同专家的知识进行推理和决策，对所研究的对象( 边坡) 进行 稳定性评价。刘沐宇【5 】等提出了基于模糊相似优先的边坡稳定性评价范例推理方 法。在边坡工程数据库的基础上又发展出了工程类比法和专家系统【6 】。 4 、图解法 图解法可以分为诺模图法和赤平投影图法。 ( 1 ) 诺模图法 该法就是利用一定的诺模图或关系曲线来表征与边坡稳定有关参数间的关 系，并由此求出边坡稳定安全系数，或根据要求的安全系数及一些参数来反分析 其它参数( 1 l r ，c ，结构面倾角，坡角，坡高等) 的方法。它实际上是数理分析方 法的一种简化方法，如t a y l o r 图解等。主要用于土质或全强风化的具弧形破坏面 的边坡稳定性分析。 ( 2 ) 投影图法 3 中南大学硕士论文第一章绪论 该法就是利用赤平极射投影的原理【7 】，通过作图来直观地表示出边坡变形破 坏的边界条件，分析不连续面的组合关系，可能失稳岩土体形态及其滑动方向等， 进而评价边坡的稳定性，并为力学计算提供信息。常用的有赤平极射投影图法、 实体比例投影图法、m a r k l a n djj 投影图法等。主要用于岩质边坡岩体的稳定性 分析。 二、确定性分析方法 1 、极限平衡理论 极限平衡理论是最经典的确定性分析方法。具体方法是将有滑动趋势范围内 的边坡岩体，按某种规则划分为一个个小块体。通过块体的平衡条件建立整个边 坡平衡方程，以此为基础进行边坡分析。由于该方法具有模型简单、计算公式简 捷、可以解决各种复杂剖面形状、能考虑各种加载形式的优点，因此得到广泛的 应用【踟。 ( 1 ) 条分法。条分法是边坡稳定分析理论中的重要方法【。力学模型简单可 以对边坡进行定量的稳定性评价，已被工程人员广泛采用。1 9 1 6 年瑞典人彼德 森最早提出了条分法。该法假定土坡稳定问题是平面应变问题，并对圆柱形滑裂 面以上的土体划分垂直条块，计算中不考虑土条间的作用力，定义安全系数为滑 裂面上全部抗滑力矩与滑动力矩之比。之后f e l l e n i u s 、b i s h o p 、m o r g e n s t e r n 、j a m b u 等许多学者对条分法进行了改进，其中b i s h o p 重新定义安全系数为沿整个滑裂 面的抗剪强度与实际产生剪应力的比值，使得安全系数的物理意义更加明确。 ( 2 ) 改进条分法。张雄【1 2 】利用极限分析和刚体有限元离散概念，提出了一种 用于边坡稳定性分析的改进条分法。该方法利用优化技术直接调整条块间及滑裂 面上的内力，使得对给定的滑裂面安全系数取最大值，而对各个不同的滑裂面寻 求使安全系数为最小的滑裂面，对滑裂面的形状、条块间的内力之间的关系等不 做任何假定。因此，能更真实地反映边坡的实际稳定状态。 2 、数值分析方法 数值分析方法是目前岩土力学计算中使用最普遍的分析方法。 ( 1 ) 有限元( f e m ) 法 该方法在边坡岩土体的稳定性分析中得到最早( 1 9 6 7 ) 应用，也是目前最广泛 使用的一种数值分析方法。目前，已经开发了多个二维及三维有限元分析程序， 可以用来求解弹性、弹塑性、粘弹塑性、粘塑性等问题。有限元法的优点是部分 地考虑了边坡岩体的非均质和不连续性，可以给出岩体的应力、应变大小与分布， 避免了极限平衡分析法中将滑体视为刚体而过于简化的缺点，能使我们近似地从 应力应变去分析边坡的变形破坏机制，分析最先、最容易发生屈服破坏的部位和 需要首先进行加固的部位等。它还不能很好地求解大变形和位移不连续等问题， 4 中南大学硕士论文 第一章绪论 对于无限域、应力集中问题等的求解还不理想。 ( 2 ) 边界元( b e m ) 法 边界元法是7 0 年代发展起来的一种数值方法，c r o n c hsl 于1 9 7 6 年首先将 其应用于分析层状岩体的开挖稳定问题。与有限元方法不同，它只对研究区的边 界进行离散，因而它要求的数据输入量较少。该方法对处理无限域和半无限域问 题较为理想。它要求事先知道求解问题的控制微分方程的基本解，在处理材料的 非线性、不均匀性、模拟分步开挖等方面还远不如有限元法，它同样不能求解大 变形问题。因而，边界元方法目前在边坡岩体稳定性分析中的应用还远不如在地 下洞室中应用广泛【1 3 1 。 ( 3 ) 快速l a g r a n g i a n 分析( f l a c ) 法 为了克服有限元等数值分析法不能求解岩土大变形问题的缺陷，人们根据显 式有限差分原理，提出了f l a c 数值分析方法。该方法较有限元方法能更好地考 虑岩土体的不连续性和大变形特征，求解速度较快。其缺点是同有限元方法一样， 计算边界、单元网格的划分带有很大的随意性。 ( 4 ) 离散元( d e m ) 法 离散元法是由c u n d a upa ( 1 9 7 1 ) 首先提出并应用于岩土体稳定性分析的一 种数值分析方法。它是一种动态的数值分析方法，可以用来模拟边坡岩体的非均 质、不连续和大变形等特点，因而，也就成为目前较为流行的一种岩土体稳定性 分析数值方法。该方法在进行计算时，首先将边坡岩体划分为若干刚性块体( 目 前已可以考虑块体的弹性变形) ，以牛顿第二运动定律为基础，结合不同本构关 系，考虑块体受力后的运动及由此导致的受力状态和块体运动随时间的变化。它 允许块体间发生平动、转动，甚至脱离母体下落，结合c a d 技术可以在计算机 上形象地反应出边坡岩体中的应力场、位移及速度等力学参量的全程变化。该方 法对块状结构、层状破裂或一般碎裂结构岩体比较适合。 ( 5 ) 块体理论( b t ) 与不连续变形分析( d d a ) 块体理论是由g o o d m a nre 等于1 9 8 5 年首先提出。该方法实际上是一种几 何学的方法，它利用拓扑学和群论的原理，以赤平投影和解析计算为基础，来分 析三维不连续岩体稳定性。在计算时，它根据岩体中实际存在的不连续面倾角及 其方位，利用块体间的相互作用条件找出具有移动可能的块体及其位置，故也常 被称为关键块o ) 理论。它最初主要用于地下洞室围岩稳定分析，现在也较好地 用于帮助选择边坡开挖的形状和方向。块体理论的缺点是它通常只考虑不连续面 的抗剪强度，不考虑其变形，不计力矩的作用，且通常假定其无限长，这些都在 一定的程度上与实际情况不符。另外，块体理论在块体的划分方面，还存在一定 的随意性，也不能很好地解决大变形问题。 中南大学硕士论文 第一章绪论 d d a 是s h ig e n h u a 于1 9 8 8 年提出的一种新的数值方法。该方法用一种类 似于离散元的块体元来模拟被不连续面切割成的块体系统，在此过程中，块体通 过不连续面间的接触连成整体。此方法的计算网格( 单元) 与岩体物理网络相一 致，可以反映岩体连续和不连续的具体部位。d d a 通过不连续面间的相互约束 建立整个系统的力学平衡条件，但与一般的连续介质法不同，它引入了非连续接 触和惯性力，采用运动学方法来解决非连续的静力和动力问题，其特点是考虑了 变形的不连续性和引入了时间因素，既可以计算静力问题，又可以计算动力问题。 它可以计算破坏前的小位移，也可以计算破坏后的大位移，如滑动、崩塌、爆破 及贯入等，特别适合于极限状态的设计计算。 ( 6 ) 无界元( i d e m ) 法 为了克服有限元法在计算时其计算范围和边界条件不易确定的这一缺点， b e t t e s sp 于1 9 7 7 年提出了无界元方法。它可以看作是有限元方法的推广，它采 用了一种特殊的形函数及位移插值函数，能够反映在无穷远处的边界条件，近年 来已比较广泛地应用于非线性问题、动力问题和不连续问题等的求解。其优点是： 有效地解决了有限元方法的“边界效应 及人为确定边界的缺点，在动力问题中 尤为突出；显著地减小了解题规模，提高了求解精度和计算效率，这一点对三维 问题尤为显著。它目前常常与有限元法联合使用，互取所长。 三、非确定性分析方法 l 、可靠性分析法【1 4 】 边坡工程可靠度分析是把边坡岩体性质、荷载、地下水、破坏模式、计算模 型等作为不确定量，鉴结构工程可靠性理论方法，结合边坡工程的具体情况，用 可靠指标或破坏概率来评价边坡安全度。该方法首先通过现场调查，以获得影响 边坡稳性影响因素的多个样本，然后进行统计分析，求出它们各自的概率分布及 其特征参数，再利用某种可靠性分析方法，如m o n t e c a r l o 法、可靠指标法、统 计矩法、随机有限元法等来求解边坡岩体的破坏概率即可靠度。祝玉学掣1 5 】对 边坡随机分析进行了系统研究，为边坡可靠性分析作了大量基础工作。黄志全等 【1 6 】、严春风等【1 7 】对岩体力学参数和强度参数的可靠性问题进行了研究。可见， 用可靠度比用安全系数在一定程度上更能客观、定量地反映边坡的安全性。我国 的岩土工程勘察规范已明确指出，大型边坡设计除按条边坡稳定系数值计算 边坡的稳定性外，尚宜进行边坡稳定的可靠性分析，并对影响边坡稳定性的因素 进行敏感性分析。只要我们求出的可靠度足够大，也即破坏概率足够小，小到人 们可以接受的程度，就认为边坡工程的设计是可靠的。 近年来，该方法在岩土工程中的研究与应用发展很快，为边坡稳定性评价指 明了一个新的方向。但该方法的缺点是：计算前所需的大量统计资料难于获取， 6 中南大学硕士论文 第一章绪论 各因素的概率模型及其数字特征等的合理选取问题还没有得到很好的解决。另 外，其计算通常也较一般的极限平衡方法显得困难和复杂。 2 、模糊分级评判方法 影响边坡稳定性的诸因素除了具有前述的随机不确定性外，还具有一定的模 糊不确定性。采用模糊分级评判或模糊聚类方法对边坡的稳定性作出分级评判， 其具体做法通常是先找出影响边坡稳定性的各个因素，并赋予它们不同的权值， 然后根据最大隶属度原则来判定边坡的稳定性。实践证明，模糊分级评判方法为 多变量、多因素影响的边坡稳定性分析提供了一种行之有效的手段。其优点是能 得到边坡稳定性等级分类指标，据此判断出边坡的稳定性情况；缺点是在实际操 作过程中，评判中权数的分配带有一定的经验性和主观性，并且并没有考虑到各 个影响要素。主要应用于大型边坡的整体稳定性评价。 3 、灰色系统评价法 灰色系统理论认为，在决定事物的诸因素中若既有己知的，又有未知的或不 确定的，它们所在系统则称为灰色系统f l 蹦9 】。把系统中的一切信息量看作灰色量， 采用特有的方法建立描述灰色量的数学模型。利用灰色关联度分析原理，确定边 坡稳定性各影响因素的影响程度，进而利用多因素叠加分析评估边坡的稳定性。 陈新民等【2 0 】提出了一种基于经验的边坡稳定性灰色系统分析方法，该方法所得 的结果与边坡实际状态相一致，并且，该方法直观、简单、可操作性耐5 1 。 目前，除了以上三种常用的非确定性分析方法外，系统工程分析方法、突变 理论方法、神经元方法、损伤断裂力学理论、分叉与混沌理论等也在边坡稳定性 方向上得到了不同程度的应用，为边坡稳定性分析及预测提供了新的途径。 四、物理模型方法 物理模型方法是一种发展较早、应用广泛、形象直观的边坡稳定性分析方法。 它主要包括光弹模型、底摩擦试验、地质力学模型试验、离心模型试验等。这些 方法通常能够形象地模拟边坡岩土体中的应力大小及其分布，边坡岩土体的变形 破坏机制及其发展过程、加固措施的加固效果等。离心模型试验是以离心机作为 加载工具，把1 n 缩尺的模型放在以n g 离心加速度运转的离心机中进行试验， 测量其中的应力、变形，观察模型的变形破坏发展过程及加固措施的加固效果。 由于离心力与重力保持等效，且加速度不会改变材料的性质，从而使模型与原型 的应力应变相等、变形相似、破坏机理相同，能够再现原型的特性。该方法可以 在同一模型上，完成弹性、弹塑性乃至破坏失稳各个阶段( 整个过程) 的模拟，展 示边坡岩土体变形破坏的机制与过程，且可以测量全过程的应力和位移，还可求 得超载安全系数等。与其他模拟方法相比，离心模型要求模型材料具有弹模、容 重多样，且要求模型与原型材料的本构关系完全相似，对模型尺寸的大小和精度 7 中南大学硕士论文第一章绪论 要求较高，测量方法及其技术要求严格，费用较高等【2 l 。 五、现场监测分析法 岩石流变力学认为岩体的变形破坏是一个过程。岩质边坡工程由稳定状态向 不稳定状态的突变也必然具有某种前兆。捕捉这些前兆信息并对其进行分析和解 释，将可更好地认识边坡岩土体变形的发展过程和失稳的征兆及其判据。人们在 生产实践的过程中早已认识到这个问题，并对之越来越重视。在发展其它边坡稳 定性分析理论与方法的同时，又开展了现场监测技术、监测结果分析等的研究， 通过现场监测所获得的信息如位移、位移速度、应力、声发射率、氡气q 、脉 冲频率、地下水等有关特征，来对边坡岩土体稳定性作出评价和预测，为加固处 理设计提供服务，同时，又能对加固措施的加固效果进行检验，为施工的安全保 护等提供信息。由于现场监测结果直观可靠，因而利用监测结果对边坡过程的稳 定性进行分析，已成为目前边坡工程中稳定性评价极其重要的一种方法【2 1 。 六、g i s 方法技术 基于g i s 的滑坡评价应用最早始于2 0 世纪8 0 年代，近年来，在边( 滑) 坡 工程变形预测和滑坡研究方面，g p s 位移监测技术、滑动面位移观测以及g i s 技术新技术得到不断应用。目前国际学术界在基于g i s 的滑坡发生及危险性的 预测研究方面可以分为两大类，即非确定性模型的方法及确定性模型方法。非确 定性模型的方法是指先对滑坡的因子( 如地质、倾斜角、地形特征等) 的空间分 布进行定量评价，然后采用数理统计、神经元网络以及遗传模型等近代数学的方 法做出滑坡发生及危险性预测图。确定性模型方法是指采用g i s 提供的基础空 间数据并结合传统的斜坡破坏的力学计算模型来区域性的滑坡进行预测。 由于g i s 具有空间数据的采集、存储、提取、转换、操作等功能特点，g i s 技术为公路边坡安全监控和预警提供了一个有效可行的手段，其优势在于能够处 理大量的数据以及其强大的二维、三维数据表达能力。近几年来，殷坤龙、兰恒 星、尚岳全、夏元友、朱建军等【2 ”o 】将g i s 技术应用于区域性的边坡灾害风险 评价中，根据各种影响因素建立评价指标体系，建立非确定性模型，得出研究区 域的灾害风险评价。 在边( 滑) 坡工程定量分析研究方面主要采用确定性模型，建立边坡稳定性 评价的一维模型、二维模型和三维模型。t e r l i e nj 、m a r kt 3 1 - 3 2 】采用一维无限 定模型与降雨入渗模型、地震加速度模型等结合，来分析土坡稳定性，用于浅层 平面型滑动的自然斜坡区。对于开挖或填筑的人工土坡，土体内部的应力状态发 生了改变，需要采用二维或三维模型来研究土体稳定状态。邵莉【3 3 】在g i s 环境 中，根据b i s h o p 法原理，开发用于土体边坡稳定性评估的二维确定性模型。谢 谟文 3 4 - 3 6 假定滑动面为椭球形，利用g i s 的空间数据处理功能结合改进的 中南大学硕士论文第一章绪论 h o v l a n d 三维分析模型，不考虑每个柱体的滑动力和抗滑力相加从而得到整个滑 体的稳定性系数。李冬田【3 7 】贝| j 从简化b i s h o p 法导出了三维稳定性计算的层分析 公式，并以单个岩柱的抗滑力矩与下滑力矩之比绘制出岩体抗滑系数图谱，来判 定岩质边坡的不稳定部位。 1 3 论文研究思路 公路边( 滑) 坡工程由于岩土特性的不均匀性，地质构造的复杂性，力学作 用机理复杂，且影响因素具有很强的不确定性和复杂性，导致边坡的变形失稳机 理复杂。因而，在此基础上的边( 滑) 坡初步设计和治理措施往往存在不能完全 把握边坡的工作性态和安全状况；另外边( 滑) 坡工程施工又是一个动态过程， 加之边界条件不同程度的非均质性和各向异性。对于这种非确定的、动态变化的 边( 滑) 坡变形失稳的判断和预测依赖于有效的边坡变形监测、监测数据的及时 分析处理，而做到动态设计，信息化施工，及时有效的防洲3 8 】。 在公路边( 滑) 坡稳定方面，单独采用地质力学分析确定性模型( 极限平衡 法) 对于一些较稳定或不稳定的边坡，可以作出合理的判断；但对于一些介于稳 定与非稳定之间的边坡，却难以准确计算其安全程度；尤其对于动态发展的边坡， 采用地质力学分析确定性模型来判断边坡稳定状况及其的发展具有一定的困难。 因为一方面地质力学确定性模型本身做了诸多假定，另一方面是边坡岩( 土) 性不 均匀性和边界条件的复杂性，边( 滑) 坡动态的变化( 施工、降雨、地震等) 【3 8 】。 因此，为提高边( 滑) 坡变形失稳和滑坡灾害防治和预测精度，首先需要借 助地质力学分析确定性模型的精确性，给出边坡稳定的安全判断；同时也需要借 助现场的位移监测成果作为依据，基于现场监测的数据进行及时分析、处理、统 计和推断。将这两种手段有机结合，形成一个综合的公路边( 滑) 坡灾害防治预 测模型，借助g i s 工具，将极大的减少计算误差，提高评价预测精度，为公路 工程设计与施工提供合理建议。基于此，本文的研究思路如下： g i s 支持下的公路边坡滑坡灾害防治与预测系统研究，以变形监测和预测预 报为主，稳定分析和安全评价为辅，并将两类方法都集成到g i s 平台，利用g i s 空间数据分析及管理功能特点，在g i s 平台上建立精确的地质力学分析评价模 型，结合监测数据与物理力学参数，对边( 滑) 坡稳定状态进行分析和评价，在 安全评价和监测位移预测模型基础上，进行边( 滑) 坡变形失稳的趋势分析，进 行边( 滑) 坡的失稳预测预报，以达到滑坡灾害防治的目的。 9 中南大学硕士论文 第一章绪论 诬纠 一h 捌燃卜匦圈 倒= 黧中乡t 阿斗圈 a 藤夏滴冷j 、一，1 ：= ：= l 7 拦竺三 1 4 论文主要内容 图1 1 论文研究思路 论文针对公路边( 滑) 坡稳定性进行计算与分析，借助g i s 强大的空间数 据处理和空间分析功能，建立了基于力学计算的边坡稳定性计算模型，结合边坡 监测信息，建立滑坡动态位移预报模型；在此基础上，建立公路边( 滑) 坡综合 信息空间数据库，进行系统分析与设计，构筑基于g i s 的公路边坡灾害防治与 预测系统，指导公路边( 滑) 坡灾害防治与治理。 论文包括六章，分述如下： 第一章：绪论。主要论述了论文研究目的、研究意义、研究现状，以及研 究思路。 第二章：边( 滑) 坡稳定性计算评价模型。针对公路边( 滑) 坡特点，基 于确定性分析方法中的极限平衡理论，推导了无限斜坡模型、二维以及三维力学 计算模型，结合g i s 特点，给出了力学计算模型的g i s 耦合算法流程。 第三章：边( 滑) 坡动态位移灾害时间预测模型。从边坡滑坡位移预测原 理出发，结合公路边( 滑) 坡特性，推导了基于多点的滑坡位移监测模型以及基 于降雨过程的滑坡动态位移预测模型，并给出了模型的算法流程。 第四章：公路边( 滑) 坡灾害防治预测的g i s 系统。针对公路边( 滑) 坡 的特点，主要论述了公路边( 滑) 坡灾害防治与预测g i s 系统的总体设计、功 能设计、开发工具以及空间数据库的设计。 第五章：工程应用。以湖南省某高速公路c 1 6 合同段k 1 3 1 + 4 0 0 , - - - k 1 3 1 + 6 0 0 边( 滑) 坡为例，采用综合地球物理勘察手段，圈定其滑动面，掌握其工程地质情 况，指导边( 滑) 坡治理方案设计与施工。根据设计建议，布置多个监测点进行 位移监测，分别采用无限斜坡计算模型和二维边坡力学计算模型，进行稳定性计 算；并根据多点位移监测模型，进行监测位移预测预报，指导边( 滑) 坡工程治 理。 第六章：结论与建议。对论文所做工作进行总结，并对下一步工作提出建 议。 l o 中南大学硕士论文第二章边( 滑) 坡动态位移预测模型 第二章边( 滑) 坡稳定性计算评价模型 边坡稳定分析是与土压力和地基承载力的研究同时发展起来的。1 7 7 6 年， 库仑提出了计算挡土墙土压力的方法，标志着土力学雏形的产生。1 8 5 7 年，朗 肯在假设墙后土体各点处于极限平衡状态的基础上，建立了计算主动和被动土压 力的方法。库仑和朗肯在分析土压力时采用的方法被推广到地基承载力和滑坡稳 定分析中，形成了一个体系，这就是极限平衡分析法。它以摩尔一库仑 ( m o h r - c o u l o m b ) 强度准则为基础，假定岩土体为刚体，不产生变形但传递力， 通过静力或力矩平衡分析，获取滑动面的反力，进而计算相应的安全系数 1 1 。 2 1 边坡稳定性分析的极限平衡法 极限平衡法作为目前国内外应用最为广泛的边( 滑) 坡稳定分析方法，是传 统边坡稳定性分析方法的代表。极限平衡法通过在已知滑移面上对边坡进行静力 平衡计算，从而求出边坡安全系数 4 y l 。 其基本思路为：假定岩土体破坏是由于滑体内滑面上发生滑动而造成的，滑 动体被看成刚体，不考虑其变形，滑面上岩土体处于极限平衡状态，并且满足摩 尔一库仑准则。滑面的形状可以为平面、圆弧面、对数螺旋面或其它不规则面， 然后通过由滑动面形成的隔离体的静力平衡方程，确定沿滑动面滑动可能性大 小，即该滑动面上安全系数f s 的大小。假定不同的滑动面就可以得到不同的安 全系数值，其中安全系数f s 值最小的滑面就是最危险滑动面，其对应的安全系 数值即为该边坡稳定的安全系数值 4 6 1 。 采用极限平衡法分析滑坡稳定性己有几十年的历史了，到目前为止已有多种 计算方法。对于各种计算方法，其基本原则相同【l 】： ( 1 ) 假定问题是平面应变性质的。 ( 2 ) 假定的滑动机理，即假定滑坡体沿既定的滑动面滑动。 ( 3 ) 假定的岩土体的材料变形特性，即滑动岩土体被视为刚体。 ( 4 ) 抗剪阻力由静力学方法确定。但各种方法在满足平衡条件即力平衡条 件和力矩平衡条件的程度上是不同的。较为精确的方法充分考虑了条块之间的相 互作用，但是也必须遵守两个合理性条件在条块分界面上不能违反摩尔一库仑强 度准则通常不允许条块之间出现拉应力。 ( 5 ) 在极限平衡条件下，计算的抗滑力或力矩与实际的下滑力或力矩之比 即为安全系数，且安全系数沿滑动面处处相等。 ( 6 ) 采用试算法找出最小的安全系数。 中南大学硕士论文 第二章边( 滑) 坡动态位移预测模型 针对上述原则，在进行滑坡稳定的极限平衡分析时，其基本步骤一般为【l 】： ( 1 ) 通过实践、观测，辅以简单的理论分析，判断出在各种实际问题中最 可能出现的滑动面的形态。例如，对于均质土坡，破坏面形状常接近于圆弧；在 堆石坝中常出现折线失稳；在承受基础荷载的土基中，破坏面常呈螺旋形状；地 基中有天然软弱夹层时破坏面中总会包含一段软弱层；基岩的滑坡失稳则常沿断 层、节理、破碎带发生。这样，对于具体问题，在进行极限平衡分析时，常可预 先失稳时的破坏面形状，并且与实际情况相当接近。 ( 2 ) 决定破坏面的大致形状后，即可拟定若干个可能的滑裂面，分别进行 核算。算出每个滑裂面的安全系数，其中最小的一个安全系数，就接近于问题的 解答，相应的滑裂面也接近于最危险的滑面。 ( 3 ) 对于每一个安全系数的计算，通常采用试算法进行。根据选择的安全 系数，即是超载安全系数还是强度储备安全系数，采用具体的试算方式。只有对 于简单问题采用最简化的计算方法时，才可能直接求出安全系数。 极限平衡法抓住了大多数边( 滑) 坡问题的主要矛盾，计算过程相当简单， 所需参数可由常规的室内外试验结合工程经验确定，而且经过长期的使用积累了 大量的经验，形成了一套定量评价的安全系数标准，成为边坡设计和滑坡防治规 范中推荐使用的方法，因而极限平衡法仍然是目前广泛应用的方法，也是一种比