CN108133115A - 基于数值模拟及极限平衡计算的滑坡危险性评价方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及基于数值模拟及极限平衡计算的滑坡危险性评价方法，该评价方法结合现场勘查资料以及相关建模方法采用大变形数值模拟法建立相应数值模型并确定滑坡路径上不同位置的滑体形态轮廓线及关键位置坐标；基于环剪或直剪试验确定滑体‑坡面交界面的残余剪切强度；利用极限平衡法分析计算滑坡路径上不同位置和滑体形态的滑坡体安全系数，即FOS_计算；确定规范要求的安全系数FOS_规范，其中具体安全系数的确定需考量的指标包括滑动距离，滑体速度，危险范围内的人数，承灾体的土地资源类型；构建滑坡危险性程度计算公式并确定滑坡危险性等级判断标准，适用于所有类土质滑坡危险性评价，具有良好的应用前景。

Description

基于数值模拟及极限平衡计算的滑坡危险性评价方法

技术领域

本发明涉及滑坡防治工程技术领域，尤其涉及一种基于数值模拟及极限平衡计算的滑坡危险性评价方法。

背景技术

滑坡是指斜坡岩土体在重力作用下，沿坡内软弱结构面产生的整体滑动，是一种以剪切破坏为主的斜坡破坏类型。常发生在山地、丘陵和峡谷地区，特别是在水动力和强外部荷载扰动作用较强的地区发生斜坡破坏的概率极大，不仅破坏环境和资源，同时也会造成重大人员伤亡以及巨额的直接或间接经济损失。据统计，仅2013年我国滑坡事件便有13120起，造成的经济损失高达104亿元，且与2012年同期相比，滑坡事件的数量以及由滑坡而造成的人员伤亡数和经济损失均有较大幅度增加，由此可见频繁发生的滑坡灾害早已引起社会的广泛关注和重视。

我国的滑坡危险性评价始于80年代，90年代后取得了较大进展，现有所出现的滑坡危险性评价方法主要有数学统计法、多指标评判打分法、模糊综合评判理论等，但是这些方法大部分具有很强的人为主观性，影响评价结果的准确性和客观性。如申请号为201610122048.9的《一种快速识别滑坡危险程度的方法》，申请号为201710355241.1的《一种基于可拓最优组合赋权法的滑坡危险性评价方法》，申请号为201310627906.1的《一种区域滑坡灾害风险估计方法》等，上述方法考核指标众多，人为主观性强且计算公式繁琐，特别的，针对运动过程中的滑坡何时停止滑动和可能的滑动距离及危险性评估上述专利均未涉及。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明拟解决的技术问题是，提供一种基于数值模拟及极限平衡计算的滑坡危险性评价方法，该评价方法结合现场勘查资料以及相关建模方法采用大变形数值模拟法建立相应数值模型并确定滑坡路径上不同位置的滑体形态轮廓线及关键位置坐标；基于环剪或直剪试验确定滑体-坡面交界面的残余剪切强度(一般仅为摩擦强度)；利用极限平衡法分析计算滑坡路径上不同位置和滑体形态的滑坡体安全系数，即FOS_计算；确定规范要求的安全系数FOS_规范，其中具体安全系数的确定需考量的指标包括滑动距离，滑体速度，危险范围内的人数，承灾体的土地资源类型；构建滑坡危险性程度计算公式并确定滑坡危险性等级判断标准。本发明充分结合了数值模拟技术及极限平衡理论计算的优点，适用于所有类土质滑坡危险性评价，具有良好的应用前景。

本发明解决所述技术问题采用的技术方案是：基于数值模拟及极限平衡计算的滑坡危险性评价方法，该方法包括以下步骤：

步骤1：现场勘察并准确获取滑坡物质组成、工程及水文地质条件信息；

步骤2：利用步骤1得到的滑坡物质组成、工程及水文地质条件信息数据采用大变形数值模拟法建立相应地质条件下的滑坡数值模型，通过数值模拟确定滑坡路径上任一位置滑体的几何参数；

步骤3：根据室内环剪或直剪试验确定滑坡滑体-坡面交界面的残余剪切强度参数；

步骤4：基于步骤2与步骤3确定的滑坡路径上任一位置滑体的几何参数和残余剪切强度参数，采用极限平衡法分析计算滑坡路径上任一位置时的坡体的安全系数，记为FOS_计算；

步骤5：规定四个危害性等级分别为轻度、中度、重度和极度，相对应每个危害等级的安全系数范围分别为：1～1.2，1.2～1.5，1.5～1.8和>1.8；然后以滑动距离、滑体速度、危险范围内的人数和承灾体的土地资源类型作为考核指标，确定不同考核指标下所对应的滑坡安全系数的取值，记为FOS_规范；

步骤6：根据极限平衡法计算得到的安全系数FOS_计算与根据考核指标确定的滑坡安全系数的取值FOS_规范按照式(1)构建滑坡危险性程度计算公式；然后将步骤4和步骤5得到的FOS_计算和FOS_规范的数值带入式(1)，得到滑坡不同位置的危险性程度取值；

其中，D_w为危险性程度；

步骤7：建立滑坡危险性等级判断标准，滑坡危险性等级分为五级，分别是：低危险性、较低危险性、中危险性、较高危险性和高危险性；具体是：

1)D_w<10％：低危险性，稳定性好，滑坡继续滑动的概率<10％；

2)10％≤D_w≤30％：较低危险性，稳定性较好，滑坡继续滑动的概率10％～30％；

3)30％≤D_w≤50％：危险性中等，稳定性较差，滑坡继续滑动的概率30％～50％；

4)50％≤D_w≤70％：危险性较高，稳性性差，滑坡继续滑动的概率50％～70％；

5)D_w>70％：高危险性，稳定性极差，滑坡继续滑动的概率>70％；

将步骤6计算得到的滑坡不同位置的危险性程度取值带入上述判断标准中，确定滑坡不同位置的危险性。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明的突出的实质性特点是：

本发明综合发挥大变形数值模拟及极限平衡的优势进行滑坡危险性评价。利用大变形数值模拟法来确定的滑体形态参数，鉴于滑坡发生后不同坡面位置的滑体形态以及对承灾体所造成的危害程度不同，在假定边坡滑动后滑体体积与滑动路径不变的情况下，基于数值模拟和室内环剪或直剪试验方法所确定任意滑动路径上滑体几何参数和滑体-坡面交界面的残余剪切强度参数，采用极限平衡法计算边坡安全系数(FOS_计算)，再结合《地质灾害危害性评估规范》中所规定的安全系数重新规定安全系数的取值范围及考核指标给出规范的安全系数，构建滑坡危险性程度计算公式并界定滑坡危险性等级判断标准。本发明简单实用，所涉及的滑体几何参数与残余剪切强度参数易于获取，分析可靠，适用于所有类土质边坡边坡危险性评价问题。

本发明的显著进步是：

1、本发明基于数值模拟及极限平衡计算的滑坡危险性评价方法适用范围较广，适用于所有类土质滑坡危险性评价，方法简单，易于理解和计算；

2、创新地构建的滑坡危险性等级计算公式和界定滑坡危险性等级判断标准，跳出常规滑坡危害性等级判断标准的范围，丰富了滑坡危险性评价方法；

3、综合发挥了大变形数值模拟方法及极限平衡计算理论优点，创新性地提出了基于滑坡运动演化的滑坡稳定性计算及危险性评价方法，为地质灾害风险控制提供了重要的科学思想。

附图说明

为了使本发明的目的，技术方案和分析方法更加清楚，本发明提供如下附图说明：

图1为本发明基于数值模拟及极限平衡计算的滑坡危险性评价方法的流程示意图；

图2为某滑坡的滑体在滑动路径上的几何形态剖面示意图；

图中，1.坡面，2.滑前时滑体的位置和几何形态，3.A控制点，4.滑体在滑动路径上AC位置的剖面轮廓线，5.B控制点，6.C控制点，7.滑体在滑动路径上BD位置的剖面轮廓线，8.D控制点，9.滑床，10.灌木，11.滑动方向。

具体实施方式

下面结合实施例及附图进一步解释本发明，但并不以此作为对本申请保护范围的限定。

本发明基于数值模拟及极限平衡计算的滑坡危险性评价方法(简称评价方法)，包括以下步骤：

步骤1：采用钻孔或探槽观测等现场勘察手段，准确获取滑坡物质组成、工程及水文地质条件信息；

步骤2：利用步骤1得到的滑坡物质组成、工程及水文地质条件信息数据采用大变形数值模拟法建立相应地质条件下的滑坡数值模型，通过数值模拟确定滑坡路径上任一位置滑体的几何参数；

步骤3：根据室内环剪或直剪试验确定滑坡滑体-坡面交界面的残余剪切强度参数；

步骤4：基于步骤2与步骤3确定的滑坡路径上任一位置滑体的几何参数和残余剪切强度参数，采用极限平衡法分析计算滑坡路径上任一位置时的坡体的安全系数，记为FOS_计算；

步骤5：规定四个危害性等级分别为轻度、中度、重度和极度，相对应每个危害等级的安全系数范围分别为：1～1.2，1.2～1.5，1.5～1.8和>1.8，这里的数值范围为左开右闭，例如1～1.2表示安全系数取值为(1,1.2]，该安全系数及危害等级的确定参考《地质灾害危害性评估规范》、《重大突发性滑坡灾害预测预报研究》、《小湾水电站黑惠江库区西密滑坡复活成因机制及其危害性分析》、《金沙江奔子栏水源地库区滑坡危害性及危险性评价研究》等；然后以滑动距离、滑体速度、危险范围内的人数和承灾体的土地资源类型作为考核指标，确定不同考核指标下所对应的滑坡安全系数的取值，记为FOS_规范；

步骤6：根据极限平衡法计算得到的安全系数FOS_计算与根据考核指标确定的滑坡安全系数的取值FOS_规范按照式(1)构建滑坡危险性程度计算公式；然后将步骤4和步骤5得到的FOS_计算和FOS_规范的数值带入式(1)，得到滑坡不同位置的危险性程度取值；

其中，D_w为危险性程度；

步骤7：建立滑坡危险性等级判断标准，滑坡危险性等级分为五级，分别是：低危险性、较低危险性、中危险性、较高危险性和高危险性；具体是：

1)D_w<10％：低危险性，稳定性好，滑坡继续滑动的概率<10％；

2)10％≤D_w≤30％：较低危险性，稳定性较好，滑坡继续滑动的概率10％～30％；

3)30％≤D_w≤50％：危险性中等，稳定性较差，滑坡继续滑动的概率30％～50％；

4)50％≤D_w≤70％：危险性较高，稳性性差，滑坡继续滑动的概率50％～70％；

5)D_w>70％：高危险性，稳定性极差，滑坡继续滑动的概率>70％；

将步骤6计算得到的滑坡不同位置的危险性程度取值带入上述判断标准中，确定滑坡不同位置的危险性。

本发明中所述大变形数值模拟法可以为离散元法(DEC)、不连续变形分析法(DDA)、光滑粒子流法(SPH)、物质点法(MPM)等适合于模拟滑坡运动过程的数值模拟方法，选择大变形数值模拟法能够产生多种变形，能得到滑坡各种极限情况下的几何参数，该几何参数用于危险性评价数值准确性更高。

所述滑体的几何参数指定量的滑坡形态轮廓线及滑坡在运动路径剖面图上的几何坐标。

所述滑体-坡面交界面的残余剪切强度参数指残余内聚力和残余内摩擦角。

所述极限平衡法包括平面破坏计算法、简化Bishop法、Janbu法和Sarma法等计算方法。

各个考核指标与每个危害等级的对应安全系数FOS_规范的对应关系为表1。

表1

安全系数FOS规范	1～1.2	1.2～1.5	1.5～1.8	>1.8
					滑坡危害性等级	轻度	中度	重度	极度
滑动距离(Km)	<150	150～350	350～550	>550
					滑体速度(m/s)	<5	5～20	20～40	>40
受威胁人数(人)	<10	10～100	100～1000	>1000
					承灾体的土地资源类型	裸露	灌木、杂草	耕地	建筑用地

实施例1

本实施例以湖北宜昌的一段滑坡为评价研究对象，滑坡剖面图如图2所示，该滑坡高程为334m，纵向长度为574m，天然容重为18KN/m³，饱和容重为21KN/m³，

应用本实施例基于数值模拟及极限平衡计算的滑坡危险性评价方法进行危险性评价，具体步骤是：

步骤1：采用钻孔或探槽观测等现场勘察手段，准确获取滑坡物质组成、空间结构以及地下水分布等水文地质条件数据信息；

步骤2：结合步骤1的数据信息，利用不连续变形分析法(DDA)建立该地质条件下的滑坡数值模型，并在数值计算中确定滑坡路径上任意两个位置的滑体形态轮廓线，本实施例中滑坡任意两个位置分别记为AC和BD，其中A控制点3、B控制点5、C控制点6、D控制点8的坐标分别为：A(108，215)；B(221，132)；C(264，118)；D(413，87)；如图滑动前坡面1与滑体的相对位置关系如图2所示，滑体按照滑动方向11沿坡面由上至下滑动，AC之间的曲线为滑体在滑动路径上AC位置的剖面轮廓线4，BD之间的曲线为滑体在滑动路径上BD位置的剖面轮廓线7，坡面1位于滑床9的上表面，在滑床上生长灌木10，滑体滑前时的滑体位置和几何形态2相对于滑动结束后的滑体在滑动路径上BD位置的剖面轮廓线7来说滑体整体更加松散。

步骤3：根据室内环剪或直剪试验确定滑坡滑体-坡面交界面的残余剪切强度参数，本实施例计算得到残余内聚力c_i＝8.9kpa，残余内摩擦角

步骤4：基于步骤2和步骤3采用简化Bishop法分析计算AC和BD两个位置，按照式(2)计算不同滑体几何参数情况下的边坡安全系数FOS_计算：

式中：FOS_计算为极限平衡法计算得到的边坡安全系数，i为极限平衡法中的分块序列(i＝1，2，3，….，n)；n为分块数；b_i为极限平衡法中分块的水平投影宽度，b_i的大小依据l_i＝b_i/cosα_i计算得到，l_i为极限平衡法中分块滑面长度；α_i为极限平衡法中分块面相对于水平面的夹角；Q_i为作用在极限平衡法中分块上的地面荷载，一般为已知值，本实施例中取15000N；m_i取0.3；W_i为滑体容重，取21KN/m³；为作用在分块上的水平力，一般为已知值，本实施例中取6000N；

将相应参数代入式(2)中可得AC与BD两个位置的边坡安全系数分别为0.95、1.32；

步骤5：规定四个危害性等级分别为轻度、中度、重度和极度，相对应每个危害等级的安全系数范围分别为：1～1.2，1.2～1.5，1.5～1.8和>1.8；然后以滑动距离、滑体速度、危险范围内的人数和承灾体的土地资源类型作为考核指标，确定不同考核指标下所对应的滑坡安全系数的取值，记为FOS_规范；本实施例滑动距离270m左右，滑体速度5.7m/s，危险范围内的人数小于76，承灾体的土地资源类型为灌木，查表1可知本实施例的滑坡的危害性等级为中度，安全系数在1.2～1.5之间取值，根据该考核指标下的滑坡安全系数的取值FOS_规范为1.35。

步骤6：根据极限平衡法计算得到的安全系数FOS_计算与根据考核指标确定的滑坡安全系数的取值FOS_规范按照式(1)构建滑坡危险性程度计算公式；然后将步骤4和步骤5得到的FOS_计算和FOS_规范的数值带入式(1)，得到滑坡不同位置的危险性程度取值；

将FOS_规范为1.35，AC与BD两个位置的边坡安全系数分别为0.95、1.32分别代入滑坡危险性程度计算公式(1)中可得AC与BD两个位置的边坡危险性程度分别为31.9％、2.2％。本实施例的极限平衡法采用简化Bishop法，计算简单，结果准确度高。

步骤7：建立滑坡危险性等级判断标准(参见表2)，滑坡危险性等级分为五级，分别是：低危险性、较低危险性、中危险性、较高危险性和高危险性；具体是：

1)D_w<10％：低危险性，稳定性好，滑坡继续滑动的概率<10％；

2)10％≤D_w≤30％：较低危险性，稳定性较好，滑坡继续滑动的概率10％～30％；

3)30％≤D_w≤50％：危险性中等，稳定性较差，滑坡继续滑动的概率30％～50％；

4)50％≤D_w≤70％：危险性较高，稳性性差，滑坡继续滑动的概率50％～70％；

5)D_w>70％：高危险性，稳定性极差，滑坡继续滑动的概率>70％；

表2

将步骤6计算得到的AC与BD两个位置的边坡危险性程度31.9％、2.2％带入上述判断标准中，确定滑坡不同位置的危险性。

根据滑坡危险性程度与滑坡危险性等级判断标准可知：当滑体运动到AC处时，滑坡危险性程度为31.9％，滑坡的稳定性较差，滑体继续滑动的概率较大，滑坡危险性等级为中危险性；当滑体运动到BD处时，滑坡危险性程度为2.2％，滑坡的稳定性很好，滑体继续滑动的概率很低，滑坡危险性等级为低危险性。

应用本实施例对滑坡危险性进行评价的结果与实际情况相符，说明本发明方法是可以使用的，且准确的，其评价结果具有重要的参考价值。

本发明未述及之处适用于现有技术。

Claims (6)

1.一种基于数值模拟及极限平衡计算的滑坡危险性评价方法，该方法包括以下步骤：

步骤1：现场勘察并准确获取滑坡物质组成、工程及水文地质条件信息；

步骤2：利用步骤1得到的滑坡物质组成、工程及水文地质条件信息数据采用大变形数值模拟法建立相应地质条件下的滑坡数值模型，通过数值模拟确定滑坡路径上任一位置滑体的几何参数；

步骤3：根据室内环剪或直剪试验确定滑坡滑体-坡面交界面的残余剪切强度参数；

步骤4：基于步骤2与步骤3确定的滑坡路径上任一位置滑体的几何参数和残余剪切强度参数，采用极限平衡法分析计算滑坡路径上任一位置时的坡体的安全系数，记为FOS_计算；

步骤5：规定四个危害性等级分别为轻度、中度、重度和极度，相对应每个危害等级的安全系数范围分别为：1～1.2，1.2～1.5，1.5～1.8和>1.8；然后以滑动距离、滑体速度、危险范围内的人数和承灾体的土地资源类型作为考核指标，确定不同考核指标下所对应的滑坡安全系数的取值，记为FOS_规范；

步骤6：根据极限平衡法计算得到的安全系数FOS_计算与根据考核指标确定的滑坡安全系数的取值FOS_规范按照式(1)构建滑坡危险性程度计算公式；然后将步骤4和步骤5得到的FOS_计算和FOS_规范的数值带入式(1)，得到滑坡不同位置的危险性程度取值；

其中，D_w为危险性程度；

步骤7：建立滑坡危险性等级判断标准，滑坡危险性等级分为五级，分别是：低危险性、较低危险性、中危险性、较高危险性和高危险性；具体是：

1)D_w<10％：低危险性，稳定性好，滑坡继续滑动的概率<10％；

2)10％≤D_w≤30％：较低危险性，稳定性较好，滑坡继续滑动的概率10％～30％；

3)30％≤D_w≤50％：危险性中等，稳定性较差，滑坡继续滑动的概率30％～50％；

4)50％≤D_w≤70％：危险性较高，稳性性差，滑坡继续滑动的概率50％～70％；

5)D_w>70％：高危险性，稳定性极差，滑坡继续滑动的概率>70％；

将步骤6计算得到的滑坡不同位置的危险性程度取值带入上述判断标准中，确定滑坡不同位置的危险性。

2.根据权利要求1所述的基于数值模拟及极限平衡计算的滑坡危险性评价方法，其特征在于所述大变形数值模拟法为离散元法、不连续变形分析法、光滑粒子流法、物质点法。

3.根据权利要求1所述的基于数值模拟及极限平衡计算的滑坡危险性评价方法，其特征在于所述滑体的几何参数为定量的滑坡形态轮廓线及滑坡在运动路径剖面图上的几何坐标。

4.根据权利要求1所述的基于数值模拟及极限平衡计算的滑坡危险性评价方法，其特征在于滑体-坡面交界面的残余剪切强度参数包括残余内聚力和残余内摩擦角。

5.根据权利要求1所述的基于数值模拟及极限平衡计算的滑坡危险性评价方法，其特征在于所述极限平衡法为平面破坏计算法、简化Bishop法、Janbu法和Sarma法。

6.根据权利要求1-5任一所述的基于数值模拟及极限平衡计算的滑坡危险性评价方法，其特征在于，各个考核指标与每个危害等级的对应安全系数FOS_规范的对应关系为下表