（土木工程专业论文）基于监测数据的凉水井滑坡数值模拟与预测预报.pdf

| 摹 1 t o _ t 略 摘要 滑坡形变监测是滑坡安全监控中的重要内容，对滑坡形变的监测资料进行及 时、合理、有效的分析，获取滑坡变形规律和安全状况是滑坡形变监测的重要工 作之一，为判断边坡的安全状况和稳定性提供科学依据。 本文采用现代监测技术、数值模拟的方法，从工程地质、监测数据分析以及 数值模拟三个方面，以为重庆云阳县故陵镇凉水井滑坡为例，研究了监测系统布 置、三维建模方法预测滑坡的变形发展趋势。取得的主要成果如下： ( 1 ) 详细描述了凉水井滑坡监测方案的选择、仪器选型、监测布置以及观测 方法的设计过程。 ( 2 ) 通过对滑坡监测数据的采集与处理，边坡的稳定状态的分析，及时调整 设计参数与防护措施。 ( 3 ) 引入了f l a c 这种先进的岩土工程计算软件，研究了f l a c 3 d 软件的 技术特点与使用方法，应用该软件对凉水井滑坡进行了稳定性分析计算。 ( 4 ) 以凉水井滑坡位移监测数据为基础，建立f l a c 3 d 预测模型，对滑坡 的位移发展进行预测。 ( 5 ) 通过监测数据结合理论分析，表明凉水井滑坡目前处于处于欠稳定- 基本 稳定状态。 f l a c 数值模拟、滑坡滑裂面分析、结合滑坡深部位移监测能对滑坡安全稳定 做出合理判别，并且对凉水井滑坡位移变形的预测，通过与实测数据对比证明预 测模型拟合、预测误差较小，达到预期目标。 关键词：滑坡；监测系统设计；数据处理与分析；f l a c - 3 d ；预测预报 l 、三 门 1 i 、。， _ a bs t r a c t t h em o n i t o r i n gt ol a n d s l i d ed e f o r m a t i o nw h i c ha n a l y s e st h em o n i t o r i n gd a t a t i m e l y ，r e a s o n a b l ya n de f f e c t i v e l yi s a ni m p o r t a n tp a r to fs a f e t ym o n i t o r i n go f 1 a n d s l i d ed e f o r m a t i o n 。a n do n eo ft h ei m p o r t a n ti t e m st oo b t a i nt h ed e f o r m a t i o n a n ds e c u r i t ys i t u a t i o no fl a n d s l i d e ，m e a n w h i l e ，i tc a np r o v i d es c i e n c ep r o o f sf o rt h es a f e t ya n ds t a b i l i t yc o n d i t i o n so ft h es l o p e i no r d e rt op r e d i c a t ed e v e l o p m e n tt e n d e n c yo fl i a n g s h u i j i n gl a n d s l i d ei ng u l i n gt o w n ，y u n y a n gc o u n t y , c h o n g q i n gb a s e do ne n g i n e e r i n gg e o l o g y , m o n i t o r i n gd a t aa n a l y s i s a n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，t h em e t h o do fm o n i t o r i n gt e c h n o l o g ya n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o ni sp u tf o r w a r d t h em a i nr e s e a r c hw o r ka n da c h i e v e m e n t so ft h i sp a p e ri n c l u d e ： 1 ad e t a i l e dd e s c r i p t i o no ft h es c h e m es e l e c t i o no fm o n i t o r i n go fl i a n g s h u i j i n gl a n d s l i d e ，e q u i p m e n ts e l e c t i o n ，l a y o u to fm o n i t o r i n ga n dm e t h o d s o fo b s e r v a t i o nt om o n i t o r 2 t i m e l ya d j u s t m e n to fd e s i g np a r a m e t e r sa n dp r o t e c t i o nm e a s u r e sd u e t ot h e c o l l e c t i o na n dp r o c e s s i n go fl a n d s l i d em o n i t o r i n gd a t aa n dt h es t e a d y s t a t ea n a l y s i so f t h es l o p e 3 f l a c ，t h ea d v a n c e dg e o t e c h n i c a le n g i n e e r i n gc a l c u l a t i o ns o f t w a r e ，i s i n t r o d u c e di nt h i sp a p e r t h ef e a t u r e sa n du s a g eo ff l a c 一3 ds o f t w a r ea r ei n v e s t i g a t e d t h es t a b i l i t yo fl i a n g s h u i ji n gl a n d s l i d eu s i n ga b o v em e n t i o n e ds o f t w a r ew a sa n a l y s i s 4 t h ef l a c - 3 dp r e d i c t i n gm o d e lw a sb u i l tb a s e do nt h ed i s p l a c e m e n t d e f o r m a t i o nd a t ao fl i a n g s h u i j i n gl a n d s l i d e ，a n dt h ed e v e l o p m e n to fd i s p l a c e m e n to f t h el a n d s l i d ew a s p r e d i c t e d 5 b ya n a l y z i n gm o n i t o r i n gd a t ac o m b i n e dw i t ht h e o r e m ，l i a n g s h u i j i n gl a n d s l i d e i sc u r r e n t l yi ns t a b l e - l e s ss t a b l es t a t e a f t e rf l a cn u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，l a n d s l i d es l i ps u r f a c ea n a l y s i s ，m a k e i n ga r e a s o n a b l ed i s c r i m i n a t i o nt ot h es e c u r i t ya n ds t a b i l i t yo fl a n d s l i d ec o m b i n e dw i t hd e e p d i s p l a c e m e n tm o n i t o r i n g ，d i s p l a c e m e n tp r e d i c t i o no fl i a n g s h u i j i n gl a n d s l i d ea n d t h e c o m p a r i s o nt h em e a s u r e dd a t aw i t ht h ep r e d i c t i o nm o d e l ，t h er e s u l t sr e v e a lt h a tt h e m o d e li so fl e s sp r e d i c t i o ne r r o r sa n dc a nr e a c ht h ef i r s tr a n k k e yw o r d s ：l a n d s l i d e ；m o n i t o r i n gs y s t e md e s i g n ；d a t ap r o c e s s i n ga n da n a l y s i s ： f l a c - 3 d ；p r e d i c t i o n 、， _ 目录 第一章绪论1 1 1 边坡监测技术发展现状1 1 1 1 边坡安全监测仪器和技术方法的研究现状1 1 1 2 边坡安全监测数据分析处理理论与方法的研究现状3 1 2 边坡稳定性评价方法的研究现状4 1 2 1 确定性分析方法4 1 2 2 不确定性分析方法7 1 3 边坡预测预报的发展状况8 1 4 论文的研究内容、思路、目的和特点9 1 4 1 研究内容9 1 4 2 研究思路9 1 4 3 研究目的1 0 1 4 4 研究特点1 0 1 5 本章小结1 0 第二章凉水井滑坡工程概况1 1 2 1 滑坡区自然地理及地质环境1 1 2 1 1 地理位置及交通状况1 1 2 1 2 气象与水文1 1 2 1 3 地形地貌1 2 2 1 4 地层岩性1 2 2 1 5 地质构造与地震1 4 2 1 6 水文地质条件1 5 2 1 7 不良地质现象1 6 2 2 滑坡基本特征1 6 2 2 1 滑坡地形地貌1 6 2 2 2 滑坡空间形态1 7 2 2 3 滑坡物质组成及结构特征1 9 2 2 4 滑坡水文地质2 0 2 3 本章小结2 1 第三章凉水井滑坡监测系统的布置与实施2 2 3 1 监测方案制定的原则依据2 2 3 2 监测方法的选取2 2 3 3 监测系统建立2 3 3 42 0 1 0 年度监测方案2 3 3 5 本章小结2 8 第四章滑坡监测数据处理及分析2 9 4 1 监测精度分析2 9 4 2 监测成果3 0 - 4 3 地表水平位移监测分析4 2 4 1 1 基于地质判断的分区及分析4 2，j 4 1 2 分区监测数据分析4 3 4 2 地表裂缝宽度监测分析4 9 4 3 深部位移监测分析5 0 4 4 光纤推力监测分析5 0 4 5 地下水位监测分析5 0 4 6 地质宏观巡查分析5 0 4 7 本章小结5 1 第五章基于f l a c - 3 d 的数值模拟与稳定性分析5 2 5 1 滑坡稳定性分析5 2 5 1 1 滑坡变形宏观分析5 2 5 1 2 滑坡稳定性极限平衡法分析5 5 5 1 3 稳定性综合评价5 7 5 2f l a c - 3 d 基本原理5 7 5 2 1 连续介质几何方程5 8 5 2 2 本构方程6 1 5 2 3 运动方程6 l 5 2 4 差分算法6 2 5 3f l a c - 3 d 求解问题一般方法6 3 5 3 1 确定数值分析的目标6 4 5 3 2 建立描述实际问题的概念模型6 4 5 3 3 建立并运行简单的理想化模型6 5 5 3 4 汇集求解问题的详细数据6 5 5 3 5 准备运行不同的具体模型6 6 5 3 6 进行模型的运算6 6 5 3 7 分析运算结果6 6 t l “ 5 4 基于地质模型的数值分析6 6 5 5 基于地质模型的监测耦合分析7 0 5 6 本章小结7 1 第六章结论与建议7 2 6 1 主要结论7 2 6 2 建议7 3 致谢7 4 参考文献7 5 在学期间发表的论著及取得的科研成果7 8 第一章绪论 第一章绪论 1 1 边坡监测技术发展现状 目前，边坡监控的研究主要可分为两个方面：边坡安全监测仪器和技术方法 的研究；边坡安全监测数据分析处理理论和方法的研究。 1 1 。1 边坡安全监测仪器和技术方法的研究现状 边坡安全监测研究由来己久，早期的边坡安全监测主要从岩土的力学性质方 面进行边坡的安全状况研究，所用到仪器主要以各种测量岩土力学性质的传感器 为主。随着经济的发展、科技的进步和边坡研究的不断深入，人们认识到边坡破 坏的力学机理研究的不足，在进一步研究边坡破坏力学理论的同时，开始进行其 它各种边坡破坏影响因素和变化特征量的监测与分析研究。目前，国内外应用于 边坡安全监测的仪器和技术方法很多。从传统使用的测斜管、压力计、雨量计和 位移计，到新型的g p s 、时间域反射测试技术( t d r ) 和光纤传感器，都被大量 运用于实际工程监测当中，而且很多是以多种技术集成的形式出现。通讯和计算 机技术的发展，使边坡安全监测实现了自动化的数据采集、传输，以及数据管理， 在线分析，综合成图，成果预警的计算机控制网络化。相比于传统的光学、机械 仪器人工采集数据及手工记录数据方式，现代的边坡安全监测技术有了很大的提 高，可以进行边坡状况的实时监测，为边坡稳定性分析提供可靠数据，能够及时 预报险情，对边坡进行维护、加固。 目前，边坡工程变形监测技术方面，我国正由过去的人工皮尺简易工具的监 测手段过渡到仪器监测，又正在向自动化、高精度及远程监测系统发展。通过边 坡工程监测，主要对边坡的变形机理、地质灾害防治和治理效果的反馈以及对工 程的影响获取信息。通过监测信息的分析得到边坡变形破坏的各种特征信息，分 析其动态变形的规律，进而预测边坡工程可能发生的破坏，为防灾减灾提供依据。 在边坡工程变形监测中主要采用4 种类型的监测方法船1 ：简易观测法、设站观 测法、仪表观测法和远程监测法。 简易观测法 简易观测法是通过人工观测边坡工程中地表裂缝、地面鼓胀、沉降、坍塌、 建筑物变形特征及地下水变化、地温变化等现象，也可在边坡体关键裂缝处埋设 骑缝式简易观测桩；在建( 构) 筑物裂缝上设置简易玻璃条、水泥砂浆片、贴纸 片；在岩石、陡壁面裂缝处用红油漆划线作观测标一记；在陡坎( 壁) 软弱夹层 出露处设置简易观测标桩等，定期用各种长度量具测量裂缝长度、宽度、深度变 化及裂缝形态、开裂延伸的方向。简易观测法对于发生病害的边坡进行观测较为 第一章绪论 适合，对滑塌和滑坡的宏观变形迹象和与其有关的各种异常现象进行定期的观测、 记录，从宏观上掌握崩塌、滑坡的变形动态和发展趋势。该法也可以结合仪器监 测资料综合分析，初步判定崩滑体所处的变形阶段及中短期滑动趋势。即使是采 用先进的仪表观测方法监测边坡体的变形，该方法仍然是不可缺少的观测方法。 设站观测法 设站观测法是指在充分了解了现场的工程地质背景的基础上，在边坡上设立 变形观测点( 成线状、网络状) ，在变形区影响范围之外稳定地点设置固定观测 站，用测量仪器( 经纬仪、水准仪、测距仪、摄影仪及全站型电子速测仪、g p s 接收机等) 定期监测变形区内网点的三维( x ，y ，z ) 位移变化的一种行之有效 的监测方法。 大地观测法：是采用常规的大地测量的方法进行边坡的监测，常用的大地测 量法主要有两方向( 或三方向) 前方交会法、双边距离交会法、视准线法、小角 法、测距法、几何水准测量法，以及精密三角高程测量法等。大地测量法有如下 优点：能确定边坡地表变形区域；可测量较大的范围；能观测到边坡坡体 的绝对位移量。大地测量法由于具有上述优点，从而在边坡工程的地表监测中占 主导地位，但是大地测量法也受到地形通视条件限制和气象条件的影响，另外大 地测量法还存在工作量大、观测周期长、连续观测能力较差等缺点。 g p s ( 全球定位系统) 测量法：利用g p s 定位原理测定地面观测点的三维坐 标。g p s 测量法克服了大地测量法受地形通视条件限制和气象条件影响的缺点， 选点方便，并且可以进行全天候观测。而且g p s 测量法可以同时测定测点的三维 坐标，对于运动的观测点还能精确测出其运动的速度。在测程大于1 0 k i n 时，其相 对精度可以达到5 1 0 5 - - 1 1 0 - 6 ，甚至可以能达到1 0 7 ，优于精密光电测距仪。 近景摄影测量法：把近景摄影仪安置在两个不同位置的固定测点上，同时对 边坡范围内的观测点摄影构成立体像对，利用立体坐标仪量测像片上各观测点三 维坐标的一种方法。对边坡进行周期性重复摄影，并且所获得的像片资料是边坡 地表变化的实况记录，可随时进行比较，该方法外业省时省力信息量大。目前该 方法的精度可以满足崩滑体处于速变、剧变阶段的监测要求，即适合危岩临空陡 壁裂缝变化或滑坡地表位移量变化速率较大时的监测。 仪表观测法 仪表观测法是指用精密仪表对边坡进行地表及深部的位移、倾斜( 沉降) 动 态、裂缝相对变化及地声、应力应变等物理参数与环境影响因素进行监测。目前， 监测仪器的类型，一般可分为位移监测，地下倾斜监测、地下应力测试和环境监 测四大类。 远程监测法 第一章绪论 伴随着电子技术及计算机技术的发展，各种先进的自动遥控监测系统相继问 世，为边坡工程、特别是边坡崩塌和滑坡的自动化连续遥测创造了条件。远距离 无线传播是该方法最基本的特点，由于其自动化程度高，可全天候连续观测，故 省时、省力和安全，是当前和今后一个时期滑坡监测发展的方向。 1 1 2 边坡安全监测数据分析处理理论与方法的研究现状 边坡安全监测数据分析处理理论和方法的研究包括观测数据的误差处理与分 析和观测资料的正分析，即通过建立各种模型对边坡的稳定性进行评价曲1 。 在监测数据的预处理中，目前主要采用基于最小二乘理论的分析方法对边坡 安全监测数据进行粗差判别和处理，较常用的方法有两类：数据探测法和稳健估 计法。 数据探测法是假定平差系统只存在一个粗差观测值，并将该粗差纳入函数模 型，用统计假设检验方法检测并剔除粗差。剔除含有粗差的观测值后，建立新的 平差系统，若仍存在粗差，再假定只存在一个粗差，逐次不断进行，直至判断不 再含有粗差。数据探测法对于探测单个粗差的研究已经较为成熟，但该方法用于 多维粗差的探测时往往会出现遮蔽现象。莱茵达准则是数据探测法中最常用的一 种粗差检验方法，将残差超过三倍中误差的观测值判定为粗差加以剔除。莱茵达 准则一般只适合于探测单个粗差，当观测值中存在多维粗差且相互作用显著时， 粗差探测难以获得良好的效果。 稳健估计法是通过变权使观测中正常方差和异常大方差对参数产生不同影 响，以达到定位粗差和削弱其对参数解的不良影响。 除了数据探测法和稳健估计法外，粗差处理还常用统计量检验法，如格拉布 斯准则、狄克逊准则、肖维勒准则、t 检验准则、f 检验准则等。此外，除了以上 传统的粗差剔除方法外，近些年来，各种数学理论和方法用于粗差的剔除，取得 了一定的研究成果，如1 9 9 6 於宗俦教授从最小二乘平差中残差和真误差理论关系 式出发，用特定方法估计粗差观测值个数不大于多余观测时的粗差测值，研究了 一种同时定位与定值多维粗差的方法；1 9 9 9 年欧吉坤从观测值的真误差入手，借 鉴拟稳平差思想，通过附加拟准观测的真误差范数极小的条件，求解关于真误差 的秩亏方程组，推导了粗差的拟准检定法，可以同时检测出监测网中的粗差和异 常变形，但该方法将粗差和变形异常等同对待，无法将它们区分开；另外还有利 用小波分析原理、信息熵原理和未确知有理数理论等方法探测观测数据中粗差的 研究。 对边坡进行变形监测是边坡安全监控中非常重要的内容，利用边坡变形监测 的数据对未来的边坡变形状况进行预测预报，分析边坡变形趋势，从而能够为工 4 第一章绪论 程的施工和边坡的治理提供可靠的决策依据。目前预测预报的方法很多，各种新 的数学理论和方法不断地被应用到边坡的监测数据处理中来，新的数学模型和方 法为边坡的预测预报提供了新的方法，结合具体的情况，可以选用适当的方法对 边坡的变形状况进行预测预报。不考虑其他物理因素对边坡变形的影响，仅对边 坡的位移变量进行处理的情况下，可以采用的主要方法有时间序列分析法、k a l m a n 滤波法等。 1 2 边坡稳定性评价方法的研究现状 边坡稳定是一个非常复杂的问题，其稳定性研究从最初阶段发展到今天，经 历了一个从不完善到逐渐完善、从不成熟到逐渐成熟的过程。但总的说来，边坡 稳定分析方法可以分为两大类：确定性分析方法和不确定性分析方法。 1 2 1 确定性分析方法 确定性分析方法畸1 是将影响边坡稳定的各种因素都作为确定的量来考虑。通常 以计算安全系数为基础的，当边坡所能承受的荷载与所受外力之比大于某个值为 安全。确定性分析方法是边坡稳定性分析的最基本方法，同时也是判断边坡是否 稳定的重要依据。主要包括以下几种方法：极限平衡法( l e m ) 、有限单元法( f e m ) 、 边界单元法( b e m ) 、界面元法( i s e m ) 、离散单元法( d e m ) 、不连续变形分 析方法( d d a ) 、快速拉格朗日法等。 极限平衡法 极限平衡理论是经典的确定性分析方法，在工程界应用非常广泛。具体作法 是：将滑动趋势范围内的边坡岩土体按某种规则划分为一个个小块体，通过块体 的平衡条件来建立整个边坡平衡方程，以此为基础进行边坡分析。 极限平衡法的发展经历了一个漫长的阶段。上世纪2 0 年代以前，对土质边坡 稳定计算，一律只计土体的内摩擦角，并假定滑动面是平面，1 7 7 3 年法国工程师 库仑和1 8 5 7 年英国学者朗肯分别提出的土压力理论就是这类方法的代表。1 9 1 6 年， 彼德森和胡尔顿根据大量观测论证了某些土体( 特别是有粘结力的土体) 在发生 滑动失稳破坏时，其滑动面是与圆柱面接近的曲面，在此基础上彼德森提出了圆 弧滑面分析法，仍只计土的内摩擦力，并且不考虑土体内部土条间的相互作用力， 这就是最初的瑞典圆弧法。3 0 - - - , 4 0 年代是瑞典圆弧法逐渐完善的时期，瑞典学者 费兰纽斯将最初的圆弧法推广到兼有摩擦力和粘结力的土坡稳定计算中去，并初 步探索了最危险滑弧位置的变化规律旧1 。4 0 年代以后，不少学者致力于改进瑞典 圆弧法，主要研究两个方向：一方面，不少学者致力于探索最危险滑弧的位置， 制作数表、曲线，以减少计算工作，如泰勒、毕肖普、拉姆里和包洛斯等；另一 第一章绪论 方面，有不少人研究滑裂面的形状，如太沙基等。5 0 - - - - 6 0 年代，人们研究的主攻 方向，一是如何在计算中考虑滑动土体内部土条间的相互作用力，二是研究如何 将此法推广应用到任意形状的滑动面，这一阶段的研究成果表现在1 9 5 4 年简布提 出普遍条分法的基本原理，1 9 5 5 年毕肖普明确了土坡稳定安全系数的定义。6 0 年 代以后，我国在土坡稳定分析方法的改进方面发展较快，如7 0 年代潘家铮提出了 滑坡极限分析的两条基本原理即极大值原理和极小值原理；1 9 7 8 年张天宝通过按 瑞典法建立的简单土坡稳定系数函数的数值分析，全面归纳了最危险滑弧的变化 规律；1 9 8 1 年孙君实在前人工作基础上，在土坡稳定分析的理论和方法方面进行 了全面的研究，较好的解决了长期以来人们在计算中尚无法合理处理的滑动土体 内土条间相互作用力的大小、方向和作用点位置的问题，在滑面形态的构成和寻 求最危险滑面方法方面提出了行之有效的数值计算方法，深刻地揭示了土坡稳定 问题的力学原理，推动了土坡理论的深入发展n 。 有限单元法隅 有限单元法( 通常简称为“有限元法 ) 是目前使用最广泛的一种数值方法， 在边坡稳定评价中也是应用得最早的方法之一，其优点是能充分考虑了岩土体的 非均质以及边界条件的复杂性，因而能较好地模拟边坡的真实情况。通过有限元 分析可以给出边坡内的应力场和位移场分布，如果进行逐步非线性分析，还可了 解土坡的逐步破坏机理，跟踪土坡内塑性区的开展情况，避免了极限平衡分析中 将滑体视为刚体而过于简化的缺点，同时还可以根据坡体内的应力、应变分布规 律去分析边坡的边坡变形破坏机制。 界面元方法驯 卓家寿教授和章青教授提出了基于累积单元变形于界面上的界面应力元模型 建立了适用于分析不连续、非均质、各向异性和各类非线性问题、场问题，以及 能够完全模拟各类锚件复杂空间布局和开挖扰动的界面元理论，为复杂岩土体的 仿真计算提供了一种新的有效方法。因此，在边坡稳定分析中，该方法在模拟坡 体内滑裂面开展情况有很大的优势。 离散单元法n 离散单元法是1 9 7 0 年c u n d a l l 首次提出的，其基本原理是：将所研究的区域 划分为一个个多边块体单元，单元之间通过接触关系，建立位移和力的相互作用 规律，相当于有限元中的物理关系，通过迭代使得每一个块体都达到平衡状态。 在稳定分析中，它的功能在于反映岩块之间接触的滑移、分离和倾翻等大位移的 同时，又能计算岩块内部的变形与应力。该法的另一个优点是利用显式时间差分 解求解动力平衡方程，可方便地求解非线性大位移和动力稳定。 不连续变形分析法n 6第一章绪论 由石根华与古德曼提出的块体系统不连续变形分析法d d a ( d i s c o m i n u e d e f o r m a t i o na n a l y s i s ) 是基于岩体介质、非连续性发展起来的一种崭新的数值分析 方法。节理面切割岩体形成不同的块体单元，单个块体内部满足连续介质的变形 协调方程和本构关系，但块体间不满足变形协调关系，块体间的本构关系是通过 假定刚度来实现，d d a 中的本构关系为块体所受的合外力与块体位移之间的关系。 此法的计算网格与岩体物理网格一致，可以反映岩体连续和不连续的具体部位。 它考虑了变形的不连续性和时间因素，既可以计算静力问题，又可以计算动力问 题。它还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，特别适合于边坡极限状态的设计计算。d d a 法是兼具有有限元与 离散元法二者之部分优点的一种数值方法，其一个时间步内的求解过程更像有限 元法，而在块体运动学求解方面更类似离散元法。但是岩体种类繁多，性质极为 复杂，计算时间步长大小对计算结果影响很大，且需耗用大量的计算机内存及时 间，计算方法的优化和改良还有待进一步研究。d e m 和d d a 的主要缺点在于引 用了一些过于简单的假定和接触面上的弹性刚度，其在岩体工程中的应用受到了 一定影响。 快速拉格朗日分析法n 羽 有限变形问题是针对塑性变化历程及延性破坏机制等问题提出来的。在处理 有变形问题时，对材料的非线性给予考虑，使由变形造成的对内外力平衡的影响 在计算中得以实现，所以需要一种兼顾材料非线性和几何非线性的一般解析方法。 为了克服有限元等方法在求解大变形问题时的缺陷，人们根据有限差分法的原理， 提出了f l a c ( f a s tl a g r a n g i o na n a l y s i so fc o n t i n u e ) 数值分析方法，该方法较有 限元能更好地考虑岩土体的不连续性和大变形特性，求解速度较快。其缺点是计 算边界、单元网格的划分带有很大的随意性。它已有不少的商业程序，如f l a c 3 d 就是一显式时间差分解析法，它无需建立刚度矩阵，所需内存少，时间少，但也 存在不足之处。 。 干扰能量法射 干扰能量法是基于系统稳定性分析的能量准则。对于一个处于平衡状态的物 体，如果给予任意微小的扰动使其位移和形状发生变化，在干扰除去后，视能否 恢复原来的形态来定义平衡状态是稳定或是不稳定的。若系统在原有平衡位置的 总势能为n o ，受干扰后的总势能为r i 0 ，比较1 1 0 和r i o 的大小，此时会出现三种 情况：a 稳定状态，此时r l o h o ；c 临界状态，此 时h o = h o 。由于能量值是标量，因此，用干扰能量值来反映稳定状态在边坡稳定 分析中有一定的优势。 第章绪论 1 2 2 不确定性分析方法 不确定性分析方法在边坡稳定分析中应用最早大约出现在2 0 世纪7 0 年代初。 一方面是由于一些新理论和方法如可靠度、人工智能等的出现；另一方面是由于 在边坡工程设计和分析中涉及有大量不确定因素越来越被人们认识到，如岩体性 质、荷载等物理方面的不确定性、取样、试验的统计不确定性，计算模型的不确 定性和人为过失造成的不确定性等，这些不确定性造成的影响尽管通过提高岩石 测试和计算技术的精度能在一定程序上减少，但局部试验的精确性、确定性并不 能消除岩石性状宏观判断上的随意性和模糊性，而且不可能无限度提高单项试验 的精度、规模和完善确定性计算方法，因此用较简单的测试手段来提高对岩石工 程质量状态判断的精度，就显得十分必要，目前主要的不确定性方法包括可靠度 方法、模糊数学法，人工智能法等几种。 可靠度方法n 町 可靠度方法是边坡稳定分析中应用最广的不确定性方法。边坡稳定分析中有 许多的不确定因素：岩土层面及边界条件的不确定性、岩土性质的变异性、荷载 及分布的不确定性和计算模型的不确定性等，而现行定值设计方法未深入考虑这 种不确定性，使得土坡安全系数的可靠性往往受制于人为经验，这是安全系数法 最大的缺点。近几十年来国内外已开始用概率和可靠度的方法研究土坡稳定问题。 现在可靠性设计的方法也达到了实际应用的阶段。可靠度法随机变量的取值除了 重度、粘聚力和内摩擦角外，还要考虑弹性模量、泊松比、剪胀角和侧压力系数 对边坡安全系数的影响。可靠度研究，是一个系统的整体设计，必须研究其基础 的每个部分( 称为子系统部分) 和积累资料。然而，在边坡稳定分析中，可靠法 目前还没有像极限平衡分析那样得到广泛的认同和普及，其主要困难是设计公式 本身往往具有相当大的误差，而且可能也有不按设计进行的施工。另外，从本质 上讲，可靠度法本身并不深入研究边坡失稳的内在机理。 模糊数学法朝 模糊数学法是将模糊理论应用于边坡稳定性分析中，用隶属函数代替确定性 分析法中非此即彼的量，对那些边界不清的过渡问题进行描述，应用模糊模式识 别和模糊聚类分析方法对影响边坡稳定的因素进行分析，最后用综合评价理论对 边坡稳定性进行总的评价。不足之处是备择集一般取稳定、基本稳定、不稳定三 种状态，因而对边坡的评判较笼统，同时，由于隶属函数是依据一些基本原则确 定，权重的分配多由经验确定，因而主观性较大。模糊数学方法一般适用于外延 不明确，内涵明确的对象。 人工智能法n 6 3 第一章绪论 人工智能方法包括遗传算法、专家系统和神经网络控制等。遗传算法最早由 m i c h i g a n 大学的h o l l a n d 等教授创立，它是一种自适应启发式群体型概率性迭代式 全局收敛算法，是基于自然选择和基因遗传学原理的随机搜索算法，其显著特点 是：不需要梯度信息，不要求函数连续，全局搜索能力强，适合于并行处理和大 型复杂优化问题的求解，而且程序通用性强。人工智能中的专家系统的应用在于 应用专家系统中的知识处理、知识应用和不确定性推理的技术来分析边坡的稳定 性。人工神经网络是一种高度非线性映射处理系统，网络由许多计算单元( 神经 元) 相互连接构成，而这些连接的强度( 权值) 可通过训练自动调整。人工神经 网络的应用在于利用神经网络的学习和联想记忆功能，运用网络存储的领域知识 对边坡进行稳定性分析。专家系统与神经网络的优点是可考虑其它方法难以考虑 的定性描述和人为因素，解决处理一些很难用明确的数学和力学方法表示的不确 定性因素以及它们的关系，对结论既能进行定量分析，又能进行定性分析。然而， 基础研究难度大，如知识表示、推理方法、机器学习等问题取得了一些成果，但 远未形成完整的理论和体系，同时，储备知识的范围和程度将在很大程序上影响 其对边坡稳定性的评判。 对边坡进行稳定性分析时，以上各种方法均有自身的不足之处，因此，在进 行边坡稳定性分析是，应综合应用各种分析方法，利用已有的工程经验进行定量 和定性分析，只有将科学方法与工程经验相结合，才能更好地改进、完善上述方 法，使之更好地应用于工程实践中。 1 3 边坡预测预报的发展状况 边坡失稳预报n 7 1 是建立在对边坡演化过程及现状进行深入研究和科学分析的 基础之上，主要包括空间和时间两个方面，缺一不可。空间预测是指对滑坡发生 的地点、规模等的预测，目前使用较多的方法有以下几种：传统的稳定系数预测 法、神经网络法、信息模型法、模糊综合评判法。时间预报是指对边坡失稳发生 具体时间的预报，即对己获取的监测数据，通过数学模型来预测未来某一时刻坡 体的状态。最常用的方法有斋滕法、灰色理论模型、非线性动力学模型和多参数 预报法。 稳定系数预测法是最早的滑坡空间预测的方法，该法通过计算滑坡体的安全 系数f s 来预测某d 一具体边坡的稳定性。 1 9 6 9 年日本学者斋藤( m s a i t o ) 从金属蠕变理论出发提出崩塌性滑坡发生时 间的预测方法，在滑坡预测理论研究上是一次突破性进展引。 宏观现象预报法是根据边坡失稳前兆的反映进行直接预报，滑坡失稳前表现 出许多宏观征兆，如坡体前缘频繁崩塌、地下水突然变化等。我国曾利用该方法 第一章绪论9 成功预报了宝成线须家河滑坡，该法缺点是依赖于正确的地质分析和经验判断u 引。 统计数学模型是随着统计数理理论的广泛应用，以位移为参数建立的滑坡位 移一时间关系的数学模型，预报滑坡发生的时间。宴同珍于1 9 8 9 年应用二次回归 曲线拟合v 勾o n t 水库滑坡位移速度v 随时间t 变化的动态规律，得出回归方程 v - - 0 2 2 t 2 3 0 1 t + 1 8 9 9 并进行反演拟合预报，效果很好。 除此之外还有经验预报法、降雨量参数预报法、声发射( a e ) 参数预报法等。 因此，以地质分析、经验判断为主的定性或半定量预报及基于监测资料的趋势定 量预报在当前研究中占主导地位，研究滑坡变形在宏观上的几何规律，微观上的 物理、化学规律及数值的统计规律，在滑坡滑动时间预测预报研究中非常活跃唧。 1 4 论文的研究内容、思路、目的和特点 1 4 1 研究内容 滑坡本身受地形地貌、地质构造、地层岩性、大气降水等内外因素的影响具 有其复杂性和不确定性。为了对滑坡的稳定性及变形发展趋势有准确及时的掌握， 对其进行动态监测就极为重要；同时利用监测数据来评价高边坡的稳定性态及变 形发展趋势，并据此对其进行准确预测预报，也是一项重要的研究内容。本文利 用重庆市云阳县凉水井滑坡现场安全监测与工程地质现场调研为基础，对滑坡变 形及稳定性利用理论计算与数值模型进行分析；并对边坡未来发展进行综合预测 预报。本论文的主要研究内容如下： 详细介绍了目前国内外边坡稳定性评价方法，边坡预测预报的发展状况以 及针对凉水井滑坡适宜采用的预测方法。 详细描述了凉水井滑坡的工程地质特性，定性分析了其稳定状态。 详细描述了对凉水井滑坡监测方案的选择、仪器选型、监测布置的设计过 程。 通过对滑坡监测数据的采集与分析，判定边坡的稳定状态，及时调整设计 参数与防护措施。 引入了f l a c 这种先进的岩土工程计算软件，在研究f l a c 3 d 软件的基本 特点、使用方法的基础上，应用该软件对樟木滑坡进行了稳定性分析计算。 通过监测数据结合理论分析说明该滑坡目前处于欠稳定基本稳定状态。 1 4 2 研究思路 本文以依托工程现场监测系统的设置与安装，通过长时间监测数据的收集与 分析为基础，掌握滑坡稳定与变形的发展规律及表征参数，结合依托工程的具体 特点，通过数值模拟分析计算对滑坡进行安全稳定评价。根据长期位移监测数据， l o 第一章绪论 建立相应的f l a c 3 d 数值模型，了解边坡未来不同环境条件下的发展趋势。最后 综合监测数据结果分析、理论计算及数值模拟，从而对该滑坡的稳定状态和发展 规律时时进行预测，并根据预测结果建议建立相应的预警系统和采取必要的预防 措施。 1 4 3 研究目的 随着我国经济建设的迅速发展，特别是西部大开发战略的实施，在资源开发 和基础设施的建设中，出现了大量的滑坡3 。由于工程规模的不断增大和地形地 质条件的限制，滑坡的高度越来越大，稳定性问题目益突出。工程建设中不断发 生的滑坡失稳事件，导致了人们生命和财产的严重损失，由此引起工期延误而带 来的间接损失更是不可估量。可见，滑坡的稳定问题事关工程建设和运行期间的 安全和经济效益，对其稳定性进行综合评价和控制具有非常重要的工程实践意义 和经济价值，同时，针对典型实例研究的实践也会推动滑坡稳定性研究理论和方 法的进展。本论文研究目的如下： 通过对监测方法的筛选，最终确定适合凉水井滑坡的监测方法、仪器及布 置方案。 针对滑坡监测数据的处理及分析，揭示滑坡变形的趋势，从而及早做好预 防工作。 运用f l a c 一3 d 对凉水井滑坡进行数值模拟，从位移、应力、剪应变三个方 面对滑坡进行分析，以模拟滑坡真实变形。 根据滑坡监测数据的处理分析结果以及数值模拟分析，判断滑坡最先失稳 部位，及时做好滑坡的预测预警，将灾害损失降到最低。 1 4 4 研究特点 本文以依托重庆云阳县故陵镇凉水井滑坡现场监测系统的设置与安装，通过 长时间监测数据的收集与分析为基础，掌握滑坡稳定与变形的发展规律及表征参 数，结合依托工程的具体特点，根据长期位移监测数据，建立相应的f l a c 3 d 数 值分析模型，了解滑坡未来不同环境条件下的发展趋势。 1 5 本章小结 本章节有条理的从边坡监测技术发展现状开始介绍了边坡安全监测仪器和技 术方法的研究现状及边坡安全监测数据分析处理理论与方法的研究现状；然后介 绍了确定性和不确定性分析方法来评价边坡稳定性的研究现状；监测完成之后就 便开始了预测，所以又详细介绍了边坡预测的发展状况。最后系统说明了论文的 研究内容、思路、目的和特点。 第二章凉水并滑坡工程概况 第二章凉水井滑坡工程概况 2 1 滑坡区自然地理及地质环境 2 1 1 地理位置及交通状况 本滑坡区行政区划为重庆市云阳县故陵镇水让村8 组，位于故陵镇老场镇下 游长江右岸斜坡地带，三峡工程1 7 5 米试验性蓄水后，区内已无完整公路通过， 当地居民出行问题基本靠水路解决，小型客船从滑坡区至故陵镇老场镇航程约8 公里，航行时间约3 0 分钟，交通不方便。 2 1 2 气象与水文 滑坡区属亚热带季风湿润气候，具盆地与山区的气候特点，总体特点是热量 丰富、无霜期长、雨量充沛，但时空分布不均；云雾多、光照少，呈立体气候特 点。四季特点是冬季冷、无严寒、春季旱、冷暖多变，夏季多伏旱，秋季凉、多 绵雨。降雨主要集中在3 8 月，占全年降水量的三分之二。全年最热为8 月，最 高气温达到4 0 6 ，极端最低温度- 4 ，多年平均气温1 6 7 。根据云阳县气象局 资料，该地区多年平均年降雨量1 4 3 6 5 m m ，最小年降雨量7 4 0 m m ，最大日降雨量 l8 9 6 m m 。 滑坡区地表水系以长江干流为主。据水文资料表明，在本区段，原长江最高 洪水位为1 3 0 m ，最大流量为2 1 0 0 0 m 3 s ，最小流量为9 0 0 m 3 s 。 1 7 5 库 水 1 7 0 位 “ i 6 5 l 墙5 1 5 0 1 4 5 i ) 。| 六七八九十十一十二四五 图2 1三峡工程正常蓄水位17 5 m 时水库调度图 时闻 ( 月) p i c t u r e2 1t h r e eg o r g e sp r o j