CN110438968A - 基于监测信息的裂隙岩质边坡动态反馈分析与优化设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于监测信息的裂隙岩质边坡动态反馈分析与优化设计方法。本发明的目的是提供一种基于监测信息的裂隙岩质边坡动态反馈分析与优化设计方法，以实现裂隙岩质边坡工程稳定性的定量分析、优化设计和风险预测，提高了工程的安全性和经济性。本发明的技术方案是：一种基于监测信息的裂隙岩质边坡动态反馈分析与优化设计方法，其特征在于：将边坡划分为若干沿边坡由上而下进行的开挖施工步，每个施工步包括边坡开挖施工和支护结构施工；实时监测边坡开挖期间每一个施工步的变形；针对第n个施工步，n≥1，基于现场岩体结构特征调查结果，建立裂隙岩体数值分析模型。本发明适用于水利水电、交通等领域的裂隙岩质边坡处理。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于监测信息的裂隙岩质边坡动态反馈分析与优化设计方法。适用于水利水电、交通等领域的裂隙岩质边坡处理。
背景技术
岩体结构特征对岩质边坡的变形机理和稳定性一般起到控制性作用，但岩体结构特征具有复杂性和不确定性，很难在工程开始前进行量化处理，导致基于工程经验的裂隙岩质边坡支护设计方法具有很大的盲目性，无法考虑具体岩体结构特征对边坡稳定性的影响，从而带来一定的安全风险和工程经济性问题。
基于数值手段的动态反馈分析方法是目前岩质边坡优化设计和风险管控的主要手段之一，利用现场监测信息对岩体力学参数进行反分析，从而指导具体边坡开挖和支护方案的设计，但受到目前的数值分析手段的局限性，数值分析方法多将岩体简化为均质体，而实际上岩体是由岩块和结构面共同组合而成的一个复杂结构体，忽略岩体的结构特征往往会导致数值分析结果与工程实际存在较大差异，使得反馈分析仍处于在定性分析的尴尬局面。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：针对上述存在的问题，提供一种基于监测信息的裂隙岩质边坡动态反馈分析与优化设计方法，以实现裂隙岩质边坡工程稳定性的定量分析、优化设计和风险预测，提高了工程的安全性和经济性。
本发明所采用的技术方案是：一种基于监测信息的裂隙岩质边坡动态反馈分析与优化设计方法，其特征在于：
将边坡划分为若干沿边坡由上而下进行的开挖施工步，每个施工步包括边坡开挖施工和支护结构施工；实时监测边坡开挖期间每一个施工步的变形；
针对第n个施工步，n≥1，基于现场岩体结构特征调查结果，建立裂隙岩体数值分析模型；
根据实时监测获取第n个施工步的边坡变形监测信息结合裂隙岩体数值分析模型反演得到当前施工步控制性结构面的力学参数；
根据反演得到的控制性结构面力学参数进行边坡开挖数值分析，获得边坡开挖变形响应特征和稳定性特征；
根据第n个施工步确定的边坡开挖数值分析模型和控制性结构面的力学参数，进行第n+1个施工步的边坡开挖数值分析，预测第n+1个施工步边坡开挖变形响应特征和稳定性特征；
根据预测得到的第n+1个施工步边坡开挖变形响应特征和稳定性特征，对第n+1个施工步边坡开挖方案和支护方案进行优化设计；
根据优化后的第n+1个施工步边坡开挖方案和支护方案进行第n+1个施工步边坡施工；同时监测获取的第n+1个施工步的边坡变形监测信息与预测得到的第n+1个施工步边坡开挖变形响应特征进行对比分析，调整控制性结构面的力学参数。
所述根据预测得到的第n+1个施工步边坡开挖变形响应特征和稳定性特征，对第n+1个施工步边坡开挖方案和支护方案进行优化设计，包括：
支护参数选取，其设计参数包括：锚索长度L、水平间距a、排距b和预应力P；
支护方案正交设计，对支护方案的4个参数分别取3个水平，采用4因素3水平正交试验表，组成支护方案矩阵[A]；
计算每一种支护方案的费用，得到对应的支护费用矩阵[B]；
裂隙岩体边坡稳定性分析，采用第n个施工步反演得到的控制性结构面的等效抗剪强度参数，计算每种支护方案对应的边坡安全系数，得到对应的安全系数矩阵[Fs]；
边坡安全系数与支护方案的回归分析，采用最小二乘法，建立边坡安全系数与支护方案的回归函数：Fs＝f(L,a,b,P)；
边坡支护费用与支护方案的回归分析，采用最小二乘法，建立边坡支护费用与支护方案的回归函数：B＝f(L,a,b,P)；
以支护费用为优化目标，以边坡安全系数为约束条件，建立下一步边坡施工支护优化设计模型：
Min[B]＝Min[f(L,a,b,P)]，
Fs＝f(L,a,b,P)≥Fs0，Fs0为规范要求的边坡最小安全系数；
求解优化设计模型函数，得到下一步边坡施工最优设计参数L＇，a＇，b＇，P＇。
所述实时监测边坡开挖期间每一个施工步的变形包括预埋于边坡坡顶的变形监测点。
控制性结构面的力学参数包括黏聚力和内摩擦角。
本发明的有益效果是：本发明通过岩体结构调查建立复核工程实际的裂隙岩体数值分析模型，并根据监测信息反演得到控制性结构面的力学参数，在此基础上对边坡分步开挖变形响应特征和稳定性进行分析预测，解决现有依靠工程经验的裂隙岩质边坡支护设计方法的盲目性，实现裂隙岩质边坡工程稳定性的定量分析、优化设计和风险预测，提高了工程的安全性和经济性。
附图说明
图1为实施例中边坡上开挖施工步示意图。
图2为实施例中边坡监测点实测位移曲线随施工步变化示意图。
具体实施方式
本实施例为一种基于监测信息的裂隙岩质边坡动态反馈分析与优化设计方法，包括以下步骤：
划分边坡开挖支护施工步。根据边坡规模和施工组织设计，将边坡划分为若干施工步，参见附图1，每级边坡高度在20～30m，每个施工步均包括开挖施工和支护结构9施工。本实施案例将边坡划分为①、②、③、④、⑤、⑥共6个施工步。
边坡变形监测布置。在边坡典型高程布置多个位移监测点，一般在控制性结构面两侧均需布置至少一个监测点，以了解结构面两侧岩体非连续变形特征。本实施案例共布置了5个变形监测点7，边坡开挖施工过程中对各监测点位移进行监测。
针对第n个施工步，n≥1，基于现场岩体结构特征调查结果，建立裂隙岩体数值分析模型。岩体结构特征调查及数值分析模型建立。采用现场踏勘、地质钻孔等手段获得边坡控制性结构面的产状和空间分布特征，然后在UDEC中建立代表性的裂隙岩质边坡数值分析模型。本实施案例中边坡主要发育两组结构面，一组缓倾坡外，一组陡倾坡外。
根据实时监测获取第n个施工步的边坡变形监测信息结合裂隙岩体数值分析模型反演得到当前施工步控制性结构面的力学参数(包括黏聚力和内摩擦角)。
当前施工步边坡稳定性分析。采用反演得到的控制性结构面8等效抗剪强度参数，对当前施工步边坡进行仿真分析，得到当前施工步边坡的开挖变形响应曲线和稳定特征，见附图2。
根据第n个施工步确定的边坡开挖数值分析模型和控制性结构面的力学参数，进行第n+1个施工步的边坡开挖数值分析，预测第n+1个施工步边坡开挖变形响应特征和稳定性特征。下一开挖施工步边坡稳定性预测及开挖、支护方案优化设计，采用反演得到的控制性结构面等效抗剪强度参数，进行下一步边坡开挖变形响应特征和稳定性预测分析，指导边坡开挖、支护方案优化设计。
本实施例中优化设计步骤如下：
支护参数选取。本发明采用的支护方案为预应力锚索支护，其设计参数包括：锚索长度L、水平间距a、排距b和预应力P；
支护方案正交设计。对支护方案的4个参数分别取3个水平，采用4因素3水平正交试验表，组成支护方案矩阵[A]；
计算每一种支护方案的费用，得到对应的支护费用矩阵[B]；
裂隙岩体边坡稳定性分析，采用第n个施工步反演得到的控制性结构面等效抗剪强度参数，计算每种支护方案对应的边坡安全系数，得到对应的安全系数矩阵[Fs]；
边坡安全系数与支护方案的回归分析。采用最小二乘法，建立边坡安全系数与支护方案的回归函数：Fs＝f(L,a,b,P)；
边坡支护费用与支护方案的回归分析，采用最小二乘法，建立边坡支护费用与支护方案的回归函数：B＝f(L,a,b,P)；
以支护费用为优化目标，以边坡安全系数为约束条件，建立下一步边坡施工支护优化设计模型：
Min[B]＝Min[f(L,a,b,P)]
Fs＝f(L,a,b,P)≥Fs0(Fs0为规范要求的边坡最小安全系数)；
求解优化设计模型函数，得到下一步边坡施工最优设计参数L＇，a＇，b＇，P＇，并预测该支护方案下边坡下一步施工的变形响应特征。
根据优化后的支护方案进行下一步边坡开挖施工，同时做好边坡变形监测数据采集，将实测变形数据与数值分析预测边坡变形特征进行对比分析，进一步调整控制性结构面力学参数取值，并进行下一步边坡施工优化设计，以此类推，直至完成整个边坡的开挖施工。
Claims (4)
1.一种基于监测信息的裂隙岩质边坡动态反馈分析与优化设计方法，其特征在于：
将边坡划分为若干沿边坡由上而下进行的开挖施工步，每个施工步包括边坡开挖施工和支护结构(9)施工；实时监测边坡开挖期间每一个施工步的变形；
针对第n个施工步，n≥1，基于当前施工步的现场岩体结构特征调查结果，建立裂隙岩体数值分析模型；
根据实时监测获取第n个施工步的边坡变形监测信息结合裂隙岩体数值分析模型反演得到当前施工步控制性结构面(8)的力学参数；
根据反演得到的控制性结构面(8)力学参数进行边坡开挖数值分析，获得边坡开挖变形响应特征和稳定性特征；
根据第n个施工步确定的边坡开挖数值分析模型和控制性结构面(8)的力学参数，进行第n+1个施工步的边坡开挖数值分析，预测第n+1个施工步边坡开挖变形响应特征和稳定性特征；
根据预测得到的第n+1个施工步边坡开挖变形响应特征和稳定性特征，对第n+1个施工步边坡开挖方案和支护方案进行优化设计；
根据优化后的第n+1个施工步边坡开挖方案和支护方案进行第n+1个施工步边坡施工；同时监测获取第n+1个施工步的边坡变形监测信息，并与预测得到的第n+1个施工步边坡开挖变形响应特征进行对比分析，若两者不一致，则进一步反演调整控制性结构面(8)的力学参数。
2.根据权利要求1所述的基于监测信息的裂隙岩质边坡动态反馈分析与优化设计方法，其特征在于：所述根据预测得到的第n+1个施工步边坡开挖变形响应特征和稳定性特征，对第n+1个施工步边坡开挖方案和支护方案进行优化设计，包括：
支护参数选取，其设计参数包括：锚索长度L、水平间距a、排距b和预应力P；
支护方案正交设计，对支护方案的4个参数分别取3个水平，采用4因素3水平正交试验表，组成支护方案矩阵[A]；
计算每一种支护方案的费用，得到对应的支护费用矩阵[B]；
裂隙岩体边坡稳定性分析，采用第n个施工步反演得到的控制性结构面(8)的等效抗剪强度参数，计算每种支护方案对应的边坡安全系数，得到对应的安全系数矩阵[Fs]；
边坡安全系数与支护方案的回归分析，采用最小二乘法，建立边坡安全系数与支护方案的回归函数：Fs＝f(L,a,b,P)；
边坡支护费用与支护方案的回归分析，采用最小二乘法，建立边坡支护费用与支护方案的回归函数：B＝f(L,a,b,P)；
以支护费用为优化目标，以边坡安全系数为约束条件，建立下一步边坡施工支护优化设计模型：
Min[B]＝Min[f(L,a,b,P)]，
Fs＝f(L,a,b,P)≥Fs0，Fs0为规范要求的边坡最小安全系数；
求解优化设计模型函数，得到下一步边坡施工最优设计参数L＇，a＇，b＇，P＇。
3.根据权利要求1所述的基于监测信息的裂隙岩质边坡动态反馈分析与优化设计方法，其特征在于：所述实时监测边坡开挖期间每一个施工步的变形包括预埋于边坡坡顶的变形监测点(7)。
4.根据权利要求1所述的基于监测信息的裂隙岩质边坡动态反馈分析与优化设计方法，其特征在于：控制性结构面(8)的力学参数包括黏聚力和内摩擦角。
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