CN109783991A - 一种无已知底滑面的滑坡滑动过程模拟方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种无已知底滑面的滑坡滑动过程模拟方法，包括如下步骤：(1)建立连续介质滑坡模型，分析该滑坡模型的稳定性，获得其位移云图和应变率云图；(2)提取连续介质滑坡模型内滑面上点的坐标，导出点坐标文件，拟合相应的滑面，并利用该滑面将模型分割为滑床和滑体；(3)分别使用连续介质和非连续介质模拟滑床和滑体，得到连续—非连续介质滑坡模型；(4)对连续—非连续介质滑坡模型进行数值计算，确定滑坡的滑动过程和滑体的堆积情况。该模拟方法解决了传统方法无法模拟无已知底滑面的滑坡灾害问题，同时避免了单一非连续介质方法计算速度慢而连续介质方法无法反映滑坡滑动过程及滑体堆积情况的不足。

Description

一种无已知底滑面的滑坡滑动过程模拟方法

技术领域

本发明涉及一种模拟滑坡滑动过程的方法，特别涉及一种无已知底滑面的滑坡滑动过程模拟方法，属于边坡工程力学分析领域。

背景技术

山体滑坡作为一种常见的地质灾害，在降雨、库水位变化、地震、爆破作业等环境下频繁发生。滑坡发生后，滑体沿山体倾向滑动，在山脚堆积。当山体滑坡发生在河谷且规模较大时，滑体快速在河道堆积，阻塞河流流动，抬高上游水位，极易形成堰塞体。堰塞体结构不稳定，属于不良地质体。堰塞体的形成不仅改变了当地的地质地貌，而且由于水流无法通过导致上游水位不断抬升，使堰塞体在上游不断增加的水压以及渗流的作用下，稳定性持续变差，发生漫坝以及溃坝的风险持续增加，对当地及下游人民的生命财产造成严重威胁。

目前，科研人员主要使用强度折减法或极限平衡法对滑坡的安全系数进行研究，进而分析滑坡的稳定性。强度折减法通过不断调整滑坡的安全系数，对模型进行不同材料参数下的重复计算，进而确定滑坡的最大安全系数，该方法不需要对滑面的位置和形状进行确定。极限平衡法通过选择与滑面形状和滑体特征相适应的方法进行安全系数的计算，因而在使用极限平衡法进行滑坡稳定性研究时需要预先确定滑面的形状。虽然这两种方法都可以对滑坡的稳定性有较好的判断，但强度折减法是连续介质研究方法，无法获得滑坡滑动过程以及滑体堆积情况；极限平衡法需要预先定义滑面，而且该方法为理论求解，无法对滑坡的运动过程进行模拟。

目前对滑坡滑动过程的模拟研究主要利用现场地质勘测获得的底滑面，通过在数值模型中将底滑面上部的滑体替换为颗粒进行模拟研究，但这种方法需要有关于底滑面的详细勘测资料。有的学者将整个滑坡定义为非连续介质进而对滑坡的滑动过程进行模拟研究，但计算效率慢且无法精确确定滑面，模拟效果较差。

由于很多滑坡没有已知的底滑面，在这种情况下出现的滑坡滑动情况难以使用上述方法进行研究。如何对这些滑坡进行滑动过程及灾害范围的预测，进而作出针对性的治理，是目前亟待解决的问题。

发明内容

发明目的：针对传统模拟分析方法无法模拟无已知底滑面的滑坡灾害情况的问题，本发明提供一种无已知底滑面的滑坡滑动过程模拟方法。

技术方案：本发明所述的一种无已知底滑面的滑坡滑动过程模拟方法，包括如下步骤：

(1)建立连续介质滑坡模型，计算该滑坡模型的稳定性，获得位移云图和应变率云图，分析模型的失稳情况，确定滑面个数和分布情况；

(2)提取连续介质滑坡模型内指定滑面上点的坐标，导出点坐标文件，并拟合出相应的滑面，利用该滑面将连续介质滑坡模型分割为滑床和滑体；

(3)分别使用连续介质和非连续介质模拟滑床和滑体，得到连续—非连续介质滑坡模型；

(4)对连续—非连续介质滑坡模型进行数值计算，确定其滑动过程和滑体的堆积情况。

其中，步骤(2)具体包括下述步骤：

(2.1)确定连续介质滑坡模型的大小以及各坐标方向插值点的间隔；

(2.2)初步确定所述滑面上点的所在范围；

(2.3)精确搜索所述滑面上点的所在位置；

(2.4)依次遍历连续介质滑坡模型中的插值点，获得滑面上全部点的坐标，并导出点坐标文件；

(2.5)利用点坐标文件生成点云，然后利用各滑面的对应点拟合出滑面；

(2.6)将生成的滑面导入连续介质滑坡模型，对该模型进行切割，获得滑床和滑体。

较优的，步骤(2.1)中，根据如下方法确定连续介质滑坡模型的大小及各坐标方向上插值点间隔的：首先分别将连续介质滑坡模型各坐标方向的最大值和最小值初始化，保证初始化后各坐标方向的最大值小于模型在相应方向的最小值，最小值大于模型在相应方向的最大值；然后对整个模型中的节点进行遍历，依次比较每个节点在各坐标方向上的值与相应最大值和最小值的大小关系，以此为依据对该模型在各坐标方向的最大值和最小值进行更新，进而确定整个模型的大小；最后根据该模型大小及模拟要求分别输入模型在各坐标方向上插值点的个数，确定各坐标方向的插值点间隔。

优选的，步骤(2.2)中，初步确定滑面上点所在范围的方法为：首先根据步骤(1)获得的位移云图和应变率云图确定滑面的临界位移，然后根据所述连续介质滑坡模型的大小以及插值点的间隔，按照从模型底部向模型顶部逐一改变X-Y平面内单个插值点Z坐标的顺序，对插值点的位移进行判断，进而确定滑面的所在范围：

在某一X-Y坐标处，当上一插值点的位移小于临界位移而当前插值点的位移大于临界位移，停止在该X-Y坐标处对滑面的搜索，确定此处滑面上点的范围在上一插值点和当前插值点之间，其中，上一插值点的坐标为此处滑面上点的下限，当前插值点的坐标为此处滑面上点的上限；当上一插值点的位移小于临界位移，而当前插值点的位移超出模型范围时，使用黄金分割法在当前插值点和上一插值点之间搜索模型在当前X-Y坐标的上表面并获得该处的位移，搜索终止条件为Z坐标的变化量小于Z方向插值点间隔的十分之一；若该处位移大于临界位移，则确定滑面上点的范围在上一插值点与此处模型上表面的坐标之间，其中，上一插值点的坐标为此处滑面上点的下限，模型上表面的坐标为此处滑面上点的上限；当上一插值点的位移小于临界位移并且此处模型上表面的位移仍小于临界位移，则此处无滑动面存在，进行下一X-Y坐标处的搜索。

进一步的，步骤(2.3)中，精确搜索滑面上点所在位置的方法为：使用二分法反复调整滑面上点所在范围的上下限，逐渐缩小滑面上点的所在范围，当满足停止条件时，停止二分法的计算，滑面上点的坐标为各停止条件的对应值。

其中，二分法的停止条件及停止条件对应的滑面上点的坐标为：

a)、当二分法上下限对应的位移差小于容差时，停止计算，此时滑面上点的坐标为该上下限的中心坐标；

b)、当二分法上下限对应的位移之一等于临界位移时，停止计算，此时滑面上点的坐标为等于临界位移的插值点的坐标。

上述步骤(2.2)、(2.3)和(2.4)中，确定插值点处位移的具体方法为：由于插值点并非模型中的节点，因而模型在插值点处的位移不能用节点位移表示，本方法采用InverseDistance Weighting法直接对所述连续介质滑坡模型中相应位置处的位移进行提取。

作为优选的，上述步骤(2.5)中，利用点坐标文件生成点云后，根据连续介质模型中获得的滑面分布和数量对点云进行拆分合并，最后利用重组后的点拟合出对应的滑面。

上述步骤(3)中，可根据如下步骤建立连续—非连续介质滑坡模型：

(3.1)分别对滑床和滑体进行网格划分，并导出模型文件；其中，滑床作为基岩，不需要对其运动状态进行模拟，网格可以较粗糙；滑体作为主要研究对象，需要精确模拟研究其运动情况，网格需较细腻。

(3.2)根据该模型文件，分别使用连续介质和非连续介质模拟滑床和滑体，建立连续—非连续介质滑坡模型；具体而言，先利用获得的模型文件建立非连续介质滑坡模型，然后保持滑体为非连续介质，同时将滑床内部的节理进行粘合，使滑床成为连续介质，从而可得到结合连续介质和非连续介质的滑坡模型。

有益效果：与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明的模拟方法先采用连续介质滑坡模型,通过先初步确定再精确搜索的方法快速准确地获得滑面上点的坐标，利用提取的点坐标重新拟合出滑面，提高了所拟合滑面的精度，解决了传统方法无法模拟无已知底滑面的滑坡灾害问题；然后以该滑面为依据将连续介质滑坡模型分割为滑床和滑体，分别使用连续介质和非连续介质模拟滑床和滑体，将连续介质和非连续介质进行统一，避免了单一非连续介质方法计算速度慢而连续介质方法无法反映出滑坡滑动过程及滑体堆积情况的不足，为估计滑坡的灾害范围及灾害防治提供了技术参考。

附图说明

图1为本发明的一种无已知底滑面的滑坡滑动过程模拟方法流程图；

图2为实施例中使用的连续介质滑坡模型；

图3为实施例中对连续介质滑坡模型进行计算后得到的位移云图；其中(a)图为原始位移云图，(b)图为滑体的位移云图；

图4为实施例中利用滑面上点的坐标拟合出的滑面；

图5为实施例中将拟合的滑面导入连续介质滑坡模型中的显示情况；

图6为实施例中结合连续介质和非连续介质构建的滑坡模型；

图7为实施例中构建的滑坡沿滑床在重力作用下向河道滑动的过程图；

图8为实施例中滑坡运动后在滑体在河道的堆积情况图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。

如图1，本发明的一种无已知底滑面的滑坡滑动过程模拟方法，包括如下步骤：

(1)建立连续介质滑坡模型，计算该滑坡模型的稳定性，获得位移云图和应变率云图，分析模型的失稳情况，确定滑面个数和分布情况；

(2)提取连续介质滑坡模型内指定滑面上点的坐标，导出点坐标文件，拟合出相应的滑面，利用该滑面将连续介质滑坡模型分割为滑床和滑体；

本步骤具体包括步骤(2.1)～(2.6)：

(2.1)确定连续介质滑坡模型的大小以及各坐标方向上插值点的间隔；

首先分别将连续介质滑坡模型各坐标方向的最大值和最小值初始化，保证初始化后各坐标方向的最大值小于模型在相应方向的最小值，最小值大于模型在相应方向的最大值；然后对整个模型中的节点进行遍历，依次比较每个节点在各坐标方向上的值与相应最大值和最小值的大小关系，以此为依据对该模型在各坐标方向的最大值和最小值进行更新，进而确定整个模型的大小；最后根据该模型大小及模拟要求分别输入模型在各坐标方向上插值点的个数，确定各坐标方向的插值点间隔。

(2.2)初步确定滑面上点的所在范围；

首先根据步骤(1)获得的位移云图和应变率云图确定滑面的临界位移，然后根据连续介质滑坡模型的大小以及插值点的间隔，按照从模型底部向模型顶部逐一改变X-Y平面内单个插值点Z坐标的顺序，对插值点的位移进行判断，进而确定滑面的所在范围：

在某一X-Y坐标处，当上一插值点的位移小于临界位移而当前插值点的位移大于临界位移，停止在该X-Y坐标处对滑面的搜索，确定此处滑面上点的范围在上一插值点和当前插值点之间，其中，上一插值点的坐标为此处滑面上点的下限，当前插值点的坐标为此处滑面上点的上限；

当上一插值点的位移小于临界位移，而当前插值点的位移超出模型范围时，使用黄金分割法在当前插值点和上一插值点之间搜索模型在当前X-Y坐标的上表面并获得该处的位移，搜索终止条件为Z坐标的变化量小于Z方向插值点间隔的十分之一；若该处位移大于临界位移，则确定滑面上点的范围在上一插值点与此处模型上表面的坐标之间，其中，上一插值点的坐标为此处滑面上点的下限，模型上表面的坐标为此处滑面上点的上限；

当上一插值点的位移小于临界位移并且此处模型上表面的位移仍小于临界位移，则此处无滑动面存在，进行下一X-Y坐标处的搜索。

(2.3)精确搜索滑面上点的所在位置；

初步确定滑面上点的所在范围后，使用二分法反复调整滑面上点所在范围的上下限，逐渐缩小滑面上点的所在范围，当满足停止条件时，停止二分法的计算，滑面上点的坐标为各停止条件的对应值。其中，二分法的停止条件及停止条件对应的滑面上点的坐标为：

a)、当二分法上下限对应的位移差小于容差时，停止计算，此时滑面上点的坐标为该上下限的中心坐标；

b)、当二分法上下限对应的位移之一等于临界位移时，停止计算，此时滑面上点的坐标为等于临界位移的插值点的坐标。

(2.4)依次遍历连续介质滑坡模型中的插值点，获得滑面上全部点的坐标，并导出点坐标文件；

(2.5)利用点坐标文件生成点云，然后利用各滑面的对应点拟合出滑面；

利用点坐标文件生成点云后，可先根据连续介质模型中获得的滑面数量对点云进行适当的拆分合并，然后利用重组后的点拟合出对应的滑面。

(2.6)将生成的滑面导入连续介质滑坡模型，对该模型进行切割，获得滑床和滑体。

在对滑面上点坐标的提取以及使用滑面将模型切割为滑床和滑体的过程中，需要注意以下几点：

a)由于插值点并非模型中的节点，因而模型在插值点处的位移不能用节点位移表示，本方法采用Inverse Distance Weighting法直接对所述连续介质滑坡模型中相应位置处的位移进行提取；

b)由于插值点的个数随模拟精度的需求有所变化，使用Map作为转存工具，避免了Array在使用时需要预先定义自身大小的不足，使滑面上的点顺利转存；

c)从点坐标文件中得到的点云为一个组，需要根据(1)中获得的滑面数量对点云进行适当的拆分合并。

(3)分别使用连续介质和非连续介质模拟滑床和滑体，得到连续—非连续介质滑坡模型；

(3.1)分别对滑床和滑体进行网格划分，并导出模型文件；其中，滑床作为基岩，不需要对其运动状态进行模拟，网格可以较粗糙；滑体作为主要研究对象，需要精确模拟研究其运动情况，网格需较细腻。

(3.2)根据该模型文件，分别使用连续介质和非连续介质模拟滑床和滑体，建立连续—非连续介质滑坡模型；具体而言，先利用获得的模型文件建立非连续介质滑坡模型，然后保持滑体为非连续介质，同时将滑床内部的节理进行粘合，使滑床成为连续介质，从而可得到结合连续介质和非连续介质的滑坡模型。

(4)对连续—非连续介质滑坡模型进行参数赋值以及设置边界条件等工作后，进行数值计算，确定其滑动过程和滑体的堆积情况。

实施例

以某河道的滑坡模拟研究为例，对本发明的无已知底滑面的滑坡滑动过程模拟方法进行示例。

1、建立连续介质滑坡模型，如图2。

2、对该连续介质滑坡模型的稳定性进行分析，根据模型的剪切变形云图及位移云图，确定滑面的临界位移，模型的位移云图如图3。

3、利用所编制的程序提取滑面上点的坐标，生成点云，结合滑面的实际情况利用各滑面相应的点对滑面进行拟合，本例拟合出的滑面如图4，滑面在连续介质滑坡模型中的显示情况如图5。

4、利用拟合的滑面将连续介质滑坡模型分割为滑体和滑床，分别对滑床和滑体进行网格划分，其中滑床网格较粗糙而滑体网格较细腻，然后导出模型文件。使用该模型文件建立非连续介质滑坡模型，将滑床内部的节理进行粘合，使其成为连续介质，同时保持滑体为非连续介质，建立结合连续介质和非连续介质的滑坡模型，如图6。

6、对连续-非连续介质滑坡模型进行参数赋值以及设置边界条件等工作后，进行数值计算，获得滑坡的滑动过程及滑体的堆积情况分别如图7和图8。

7、从本例滑坡的滑动过程和滑体的堆积情况可以看出：滑体沿滑床在重力作用下向河道滑动，并在河道堆积。最终形成的堆积体平均高度约为258m，最矮处的高度约为192m。

Claims (10)

1.一种无已知底滑面的滑坡滑动过程模拟方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)建立连续介质滑坡模型，计算该滑坡模型的稳定性，获得位移云图和应变率云图，分析模型的失稳情况，确定滑面个数和分布情况；

(2)提取所述连续介质滑坡模型内指定滑面上点的坐标，导出点坐标文件，并拟合出相应的滑面，利用该滑面将连续介质滑坡模型分割为滑床和滑体；

(3)分别使用连续介质和非连续介质模拟滑床和滑体，得到连续—非连续介质滑坡模型；

(4)对连续—非连续介质滑坡模型进行数值计算，确定其滑动过程和滑体的堆积情况。

2.根据权利要求1所述的无已知底滑面的滑坡滑动过程模拟方法，其特征在于，所述步骤(2)具体包括下述步骤：

(2.1)确定所述连续介质滑坡模型的大小以及各坐标方向插值点的间隔；

(2.2)初步确定所述滑面上点的所在范围；

(2.3)精确搜索所述滑面上点的所在位置；

(2.4)依次遍历连续介质滑坡模型中的插值点，获得滑面上全部点的坐标，并导出点坐标文件；

(2.5)利用点坐标文件生成点云，然后利用各滑面的对应点拟合出滑面；

(2.6)将生成的滑面导入连续介质滑坡模型，对该模型进行切割，获得滑床和滑体。

3.根据权利要求2所述的无已知底滑面的滑坡滑动过程模拟方法，其特征在于，步骤(2.1)中，所述连续介质滑坡模型的大小及各坐标方向上插值点间隔的确定方法为：首先分别将连续介质滑坡模型各坐标方向的最大值和最小值初始化，保证初始化后各坐标方向的最大值小于模型在相应方向的最小值，最小值大于模型在相应方向的最大值；然后对整个模型中的节点进行遍历，依次比较每个节点在各坐标方向上的值与相应最大值和最小值的大小关系，以此为依据对该模型在各坐标方向的最大值和最小值进行更新，进而确定整个模型的大小；最后根据该模型大小及模拟要求分别输入模型在各坐标方向上插值点的个数，确定各坐标方向的插值点间隔。

4.根据权利要求2所述的无已知底滑面的滑坡滑动过程模拟方法，其特征在于，步骤(2.2)中，所述初步确定滑面上点所在范围的方法为：首先根据步骤(1)获得的位移云图和应变率云图确定滑面的临界位移，然后根据所述连续介质滑坡模型的大小以及插值点的间隔，按照从模型底部向模型顶部逐一改变X-Y平面内单个插值点Z坐标的顺序，对插值点的位移进行判断，进而确定滑面的所在范围：在某一X-Y坐标处，当上一插值点的位移小于临界位移而当前插值点的位移大于临界位移，停止在该X-Y坐标处对滑面的搜索，确定此处滑面上点的范围在上一插值点和当前插值点之间，其中，上一插值点的坐标为此处滑面上点的下限，当前插值点的坐标为此处滑面上点的上限；当上一插值点的位移小于临界位移，而当前插值点的位移超出模型范围时，使用黄金分割法在当前插值点和上一插值点之间搜索模型在当前X-Y坐标的上表面并获得该处的位移，搜索终止条件为Z坐标的变化量小于Z方向插值点间隔的十分之一，若该处位移大于临界位移，则确定滑面上点的范围在上一插值点与此处模型上表面的坐标之间，其中，上一插值点的坐标为此处滑面上点的下限，模型上表面的坐标为此处滑面上点的上限；当上一插值点的位移小于临界位移并且此处模型上表面的位移仍小于临界位移，则此处无滑动面存在，进行下一X-Y坐标处的搜索。

5.根据权利要求4所述的无已知底滑面的滑坡滑动过程模拟方法，其特征在于，步骤(2.3)中，所述精确搜索滑面上点所在位置的方法为：使用二分法反复调整滑面上点所在范围的上下限，逐渐缩小滑面上点的所在范围，当满足停止条件时，停止二分法的计算，滑面上点的坐标为各停止条件的对应值。

6.根据权利要求5所述的无已知底滑面的滑坡滑动过程模拟方法，其特征在于，所述二分法的停止条件及停止条件对应的滑面上点的坐标为：

a)、当二分法上下限对应的位移差小于容差时，停止计算，此时滑面上点的坐标为该上下限的中心坐标；

b)、当二分法上下限对应的位移之一等于临界位移时，停止计算，此时滑面上点的坐标为等于临界位移的插值点的坐标。

7.根据权利要求4或6所述的无已知底滑面的滑坡滑动过程模拟方法，其特征在于，所述插值点的位移确定方法为：采用Inverse Distance Weighting法直接对所述连续介质滑坡模型中相应位置的位移进行提取。

8.根据权利要求2所述的无已知底滑面的滑坡滑动过程模拟方法，其特征在于，步骤(2.5)中，利用点坐标文件生成点云后，根据连续介质模型中获得的滑面分布和数量对点云进行拆分合并，最后利用重组后的点拟合出对应的滑面。

9.根据权利要求1所述的无已知底滑面的滑坡滑动过程模拟方法，其特征在于，步骤(3)中，所述连续—非连续介质滑坡模型根据如下步骤建立：

(3.1)对所述滑床和滑体分别进行网格划分，得到对应的模型文件；

(3.2)利用该模型文件，分别使用连续介质和非连续介质模拟滑床和滑体，建立连续—非连续介质滑坡模型。

10.根据权利要求9所述的无已知底滑面的滑坡滑动过程模拟方法，其特征在于，步骤(3.2)中，先利用模型文件建立非连续介质滑坡模型，然后保持滑体为非连续介质，同时将滑床内部的节理进行粘合，使滑床成为连续介质。