CN111931369B - 降雨型滑坡稳定性分析及运动距离测算方法、设备及介质 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种降雨型滑坡稳定性分析及运动距离测算方法、设备及介质，获取待预测区域的基础地形、地质参数、降雨强度参数，滑坡点的位置参数；建立刚性块体模型，当边坡安全系数Fs<1时边坡失稳；将判断的已失稳边坡划分边界单元和滑体单元，计算边界单元所受土压力P；选用摩擦型流变基底阻力模型，获得摩阻力T；确定边界单元所受合力F；根据边界单元所受合力F计算滑体、边界单元的速度、位移、高度及土压力系数梯度；将计算得到的边界单元土压力系数梯度、速度、位移、高度代入边界单元所受土压力P，依次迭代计算得到滑坡运动过程中的速度和距离。本发明计算精确，广泛适用于降雨地区的路基、路堑、水利水电及建筑基坑边坡工程。
Description
技术领域
本发明属于地质灾害防治安全技术领域，具体涉及一种降雨型滑坡稳定性分析及运动距离测算方法、设备及介质，广泛适用于降雨型滑坡稳定性分析和运动范围评估。
背景技术
滑坡是一种严重的地质灾害。据统计，我过已受到和可能受到滑坡灾害威胁的地区占全国陆地面积的1/5～1/4，而西南地区发生的滑坡约占全国滑坡次数的一半以上。随着国民经济建设和大型工程的修建，滑坡灾害有逐年增加的趋势。
降雨引起滑坡称为降雨型滑坡，滑坡的发生固然离不开不良的地质条件和岩土体结构条件等内因，但另一方面离不开各种外部应力的作用，引起滑坡的外部应力有很多种，在诸多外部应力中降雨，尤其是大量的降雨或暴雨无疑是触发滑坡的最主要的因素之一。降雨对滑坡的触发作用主要体现在：在降雨过程中，地表水进入岩土体増加了坡体的自重，增大了孔隙水压力，使原本处于极限平衡状态的土体滑动；降雨由地表进入地下，转变成为地下水，浸泡软化滑动面，降低了坡体的抗剪强度；坡体多次的于湿交替变化导致岩土体开裂，产生大量的节理裂隙。研究表明，在具备了滑坡的地势和地质条件时，降雨在很大程度上是滑坡发生的最主要激发因素。
现有滑坡运移距离测算方法多采用经验统计法，该方法较为粗糙、无法准确获得滑坡运移距离。近年来得到较快发展的滑坡力学计算方法，如连续介质模型、条分模型、离散元模型等仍处于研究阶段，其中条分模型具有计算效率高、适用范围广的特点，逐渐被广大工程技术人员所采用，然而，采用条分模型的滑体内部相互作用是当前研究的重难点，这对于滑坡运移距离影响较大。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种降雨型滑坡稳定性分析及运动距离测算方法、设备及介质，能够在降雨地区内根据降雨量的变化对降雨型滑坡的稳定性进行快速评价，对滑坡运动的范围进行测算。
本发明采用以下技术方案：
一种降雨型滑坡稳定性分析及运动距离测算方法，包括以下步骤：
S1、获取待预测区域的基础地形、地质参数、降雨强度参数，滑坡点的位置参数；
S2、根据步骤S1获得的参数建立刚性块体模型，根据降雨强度计算边坡安全系数Fs，确定降雨强度p与边坡安全系数Fs之间的关系，当Fs<1时，边坡失稳；
S3、将步骤S2判断的已失稳边坡划分边界单元和滑体单元，计算边界单元所受土压力P；选用摩擦型流变基底阻力模型，获得摩阻力T；确定边界单元所受合力F；根据边界单元所受合力F计算滑体、边界单元的速度、位移、高度及土压力系数梯度；将计算得到的边界单元土压力系数梯度、速度、位移、高度代入边界单元所受土压力P，依次迭代计算得到滑坡运动过程中的速度和距离。
具体的，步骤S2中，降雨强度p与边坡安全系数Fs之间关系如下：
其中，α为边坡倾角，W为滑体模型重量，γw为水的重度，为内摩擦角，Ks为饱和渗透系数，m＝1-1/n，n为曲线形状参数。
具体的，步骤S3中，边界单元所受土压力P具体为：
其中，为第i边界单元土压力系数梯度；ac为第i边界单元离心加速度；g为重力加速度；Hi为第i边界单元的高度，α为边坡倾角。
具体的，步骤S3中，边界单元基底摩阻力T具体为：
其中，ru为孔隙水压力系数；φ为外摩擦角；
边界单元所受合力F具体为：
F＝γHisinα+P-T
其中，γ为水的重度，Hi为第i边界单元的高度，α为边坡倾角。
具体的，步骤S3中，边界单元速度V为：
其中，Vi、Vi'为第i边界单元新、旧速度；Δt为计算时间步长，Hi为第i边界单元的高度，γ为水的重度，F为边界单元所受合力。
具体的，步骤S3中，边界、滑体单元位移S、s为：
其中，Si、Si'为第i边界单元新、旧位移；Si、Si+1为第i、i+1边界单元位移；sj为第j滑体单元位移，Vi、Vi'为第i边界单元新、旧速度。
具体的，步骤S3中，滑体、边界单元的高度h、H为：
其中，Dj为第j滑体单元体积，hj为第j滑体单元的高度，Si为第i边界单元新位移，Hi为第i边界单元的高度。
具体的，步骤S3中，第i边界单元土压力系数梯度为：
其中，kj为第j滑体单元的新土压力系数，hj为第j滑体单元的高度，Hi为第i边界单元的高度，sj为第j滑体单元位移，Si为第i边界单元新位移。
本发明的另一个技术方案是，一种计算设备，包括：
一个或多个处理器、存储器及一个或多个程序，其中一个或多个程序存储在所述存储器中并被配置为所述一个或多个处理器执行，所述一个或多个程序包括用于执行所述的方法中的任一方法的指令。
本发明的另一个技术方案是，一种存储一个或多个程序的计算机可读存储介质，所述一个或多个程序包括指令，所述指令当由计算设备执行时，使得所述计算设备执行所述的方法中的任一方法。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
本发明一种降雨型滑坡稳定性分析及运动距离测算方法，将降雨强度p代入计算得到降雨下边坡稳定性系数，根据稳定性系数值来判断边坡是否失稳，能够根据降雨量的变化对降雨型滑坡的稳定性进行快速评价，对滑坡运动的范围进行测算，其计算方法较为简洁、明了，预测得到滑坡运动距离更为精确。
进一步的，边坡稳定性系数Fs<1时，边坡失稳，滑坡体可分为多个边界单元及条块单元，
边界单元受后部条块单元推动，计算边界单元所受土压力P。
进一步的，选用摩擦型模型计算边界单元基底阻力T，以便进行下一步边界单元合力计算，结合边界单元所受土压力P、基底阻力T，计算边界单元所受合力F，以便下一步计算边界单元运动速度V。
进一步的，根据边界单元合力F计算得到其运动速度V，以便下一步计算边界及滑体单元位移S、s。
进一步的，根据边界单元运动速度V计算得到边界及滑体单元位移S、s，以便下一步计算边界及滑体单元高度h、H，根据边界及滑体单元位移计算边界及滑体单元高度h、H，为下一步计算边界单元土压力系数梯度做准备。
进一步的，根据边界及滑体单元的位移及高度，计算滑体单元土压力系数k及边界单元土压力系数梯度将计算得到的土压力系数梯度、边界单元速度及边界单元高度带入权利1中的公式计算下一时步边界单元所受土压力P。
综上所述，本发明方法广泛适用于降雨地区的路基、路堑、水利水电及建筑基坑边坡工程，能够快速计算边坡稳定性及失稳后滑坡运动距离，简洁明了，能够被广大工程人员理解运用。同时，计算精确，对于降雨地区边坡施工、滑坡灾害治理及边坡防灾减灾工作的开展具有十分重要的现实意义。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明流程示意图；
图2为降雨型滑坡稳定性分析计算流程示意图；
图3为滑坡运动距离计算流程示意图；
图4为边坡降雨入渗计算简图；
图5为降雨型滑坡稳定性分析的块体受力计算简图；
图6为运动距离测算分析的边界、滑体单元计算模型图；
图7为图6中边界、滑体单元刚度计算示意图；
图8为实例中滑坡运动距离计算中滑坡运动示意图；
图9为实例中滑坡运动距离计算中滑坡运动示意图。
具体实施方式
请参阅图1，本发明一种降雨型滑坡稳定性分析及运动距离测算方法，包括边坡稳定性计算及滑坡运动距离计算，包括以下步骤：
S1、获取待预测区域的基础地形、地质参数、降雨强度参数，滑坡点的位置参数；
通过获取待预测区域的基础地形、地质参数、降雨强度参数，滑坡点的位置参数建立刚性块体模型，根据降雨强度计算稳定系数判断边坡是否失稳，当边坡失稳后对已失稳的滑坡划分边界单元和滑体单元，计算滑坡运动过程中的速度和距离。
S2、建立刚性块体模型，根据降雨强度计算稳定系数，当Fs<1时，滑坡失稳，请参阅图2，具体包括：
S201、建立刚性块体模型；
刚性块体模型，即将边坡简化为一个块体，不考虑其变形特性。
S202、计算降雨工况下滑坡模型的力平衡公式，请参阅图5，具体计算如下：
其中，Pw为孔隙水压力；W为滑体模型重量；为内摩擦角；α为边坡倾角。
土体水力学特性
Van Genuchten关于土-水特征曲线的函数为：
其中，θ为体积含水率(％)；h为压力水头(m)；|hw|为h的绝对值；θs为饱和含水率(％)；θr为残余含水率(％)；β和n为曲线形状参数，且n>1，β的单位是(m-1)；m＝1-1/n。
相应的水力传导方程的函数表达式为：
其中，K为渗透系数(m/s)；Ks为饱和渗透系数(m/s)。
根据假定，假设传导区含水率均匀分布，其计算模型如图4所示；图中x*、y*分别为平行与垂直坡面的坐标方向；θw为降雨入渗情况下传导区土体的体积含水率；θi为边坡的初始体积含水率。
设坡面上z*向的入渗率为i，并假定坡面为参考面，根据达西定律可得
其中，θw为降雨入渗情况下传导区土体的体积含水率；θi为边坡的初始体积含水率；
hw为含水率θw对应的压力水头；z为竖直坐标方向；z*为垂直坡面的坐标方向。
根据坐标变换可得
z＝x*sinα+z*cosα
联合可得
坡面入渗率由两部分组成，一部分由重力梯度所引起，另一部分由水压梯度所引起。
由于降雨强度小于饱和渗透系数，因此，不会出现坡面积水，则坡面上z*方向的入渗率为i＝pcosα
联立可得
求得湿润锋以上土体的压力水头hw，进一步求得此时的孔隙水压力为：
pw＝γwhw
联立得到降雨强度p与孔隙水压力Pw之间关系：
根据边坡安全系数Fs为：
联立得到降雨强度p与边坡安全系数Fs之间关系，通过降雨强度判断边坡是否处于失稳状态，计算公式如下：
其中，γw为水的重度。
S3、对已失稳的滑坡划分边界单元和滑体单元，计算滑坡运动过程中的速度和距离，请参阅图3，具体包括：
S301、将块体滑坡模型划分成边界单元和滑体单元，其中，边界单元为无厚度单元；
S302、按下式计算边界单元所受土压力P；
其中，为第i边界单元土压力系数梯度，与切向应变增量Δε相关，见步骤S308；ac为第i边界单元离心加速度，计算公式/>取决于单元速度vi及滑动路径R的垂直曲率半径；g为重力加速度，取g＝9.8m/s2；Hi为第i边界单元的高度；
S303、选用摩擦型流变基底阻力模型，获得摩阻力T；
其中，ru为孔隙水压力系数；φ为摩擦角，与滑体基底层下部岩土材料相关。
S304、计算边界单元所受合力F；
F＝γHisinα+P-T
S305、计算边界单元速度V；
其中，Vi、Vi'为第i边界单元新、旧速度；Δt为计算时间步长；
S306、计算边界、滑体单元位移S、s；
其中，Si、Si'为第i边界单元新、旧位移；Si、Si+1为第i、i+1边界单元位移；sj为第j滑体单元位移；
S307、计算滑体、边界单元的高度h、H；
其中，Dj为第j滑体单元体积。
S308、请参阅图6和图7计算滑体单元土压力系数k及边界单元土压力系数梯度
S3081、计算滑体单元切向应变增量Δε，如下式：
S3082、运用计算机对滑体单元主、被动土压力系数ka、kp计算如下：
其中，δ为第j边界单元底部摩擦角；
S3083、计算刚度系数Sc；
当Δεj＜0时，即压缩状态，Sc＝(ka－kp)/0.05；
当Δεj≥0时，即卸载状态，Sc＝(ka－kp)/0.025。
S3084、计算第j滑体单元土压力系数k为：
kj＝k'j+ksΔεj
其中，kj、kj'为第j滑体单元的新、旧土压力系数；
S3085、计算第i边界单元土压力系数梯度
将计算得到的土压力系数梯度边界单元速度V及边界单元高度H代入步骤S301计算边界单元所受土压力P。
将相关参数更新后，代入步骤S302，依次迭代计算得到滑坡运动过程中的速度和距离，当迭代计算至各边界单元速度为0时，滑坡运动停止，将此时各边界及滑体单元位移相加得到滑坡总运动距离。
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中的描述和所示的本发明实施例的组件可以通过各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例
本发明一种降雨型滑坡稳定性分析及运动距离测算方法，选取某降雨型滑坡，测定滑体的密度、坡度、内摩擦角、降雨强度、含水量等参数；将边坡简化为块体计算模型，计算降雨状态下滑体的安全系数，计算对应于降雨强度p的边坡安全系数Fs，当Fs<1时，将滑坡体划分为边界单元及滑体单元，计算边界单元受到土压力及摩阻力，进而确定边界单元所受合力；根据边界单元所受合力计算滑体、边界单元的速度、位移、高度及土压力系数梯度等；将计算得到的边界单元土压力系数梯度、速度、高度代入下一时步骤边界单元土压力计算公式，依次迭代计算。
本发明已在滑坡动力学软件中实现，某边坡高度55m，降雨强度678mm，软件模拟滑体长度33.4m，如图8所示，共划分为32段滑体单元，33段边界单元，从平均坡角33°边坡由上而下滑动，内摩擦角10°，滑块底部摩擦角20°，边坡滑行状态如图8和图9所示，边坡滑动水平距离约54.1m，图8为滑坡运动发生前滑体示意图，原图中深色区域为滑坡体；图9为滑坡运动结束后滑体示意图，原图中深色区域为滑坡体。
综上所述，本发明一种降雨型滑坡稳定性分析及运动距离测算方法，通过边坡坡度、降雨强度等参数，计算降雨状态下滑体的安全系数，当边坡安全系数小于1时，计算失稳后滑体运动距离。本发明专利相比于其他降雨型滑坡稳定性分析方法更为简洁、明了，计算得到滑坡运动距离相比其他方法也更为精确。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种降雨型滑坡稳定性分析及运动距离测算方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、获取待预测区域的基础地形、地质参数、降雨强度参数，滑坡点的位置参数；
S2、根据步骤S1获得的参数建立刚性块体模型，根据降雨强度计算边坡安全系数Fs，确定降雨强度p与边坡安全系数Fs之间的关系，当Fs<1时，边坡失稳；刚性块体模型，即将边坡简化为一个块体，不考虑其变形特性，降雨强度p与边坡安全系数Fs之间关系如下：
其中，α为边坡倾角，W为滑体模型重量，γw为水的重度，为内摩擦角，Ks为饱和渗透系数，m＝1-1/n，n为曲线形状参数；
S3、将步骤S2判断的已失稳边坡划分边界单元和滑体单元，计算边界单元所受土压力P；选用摩擦型流变基底阻力模型，获得摩阻力T；确定边界单元所受合力F；根据边界单元所受合力F计算滑体、边界单元的速度、位移、高度及土压力系数梯度；将计算得到的边界单元土压力系数梯度、速度、位移、高度代入边界单元所受土压力P，依次迭代计算得到滑坡运动过程中的速度和距离；
边界单元所受土压力P具体为：
其中，为第i边界单元土压力系数梯度；ac为第i边界单元离心加速度；g为重力加速度；Hi为第i边界单元的高度，α为边坡倾角；
边界单元速度V为：
其中，Vi、Vi'为第i边界单元新、旧速度；Δt为计算时间步长，Hi为第i边界单元的高度，γ为水的重度，F为边界单元所受合力；
边界、滑体单元位移S、s为：
其中，Si、Si'为第i边界单元新、旧位移；Si、Si+1为第i、i+1边界单元位移；sj为第j滑体单元位移，Vi、Vi'为第i边界单元新、旧速度；
滑体、边界单元的高度h、H为：
其中，Dj为第j滑体单元体积，hj为第j滑体单元的高度，Si为第i边界单元新位移，Hi为第i边界单元的高度；
第i边界单元土压力系数梯度为：
其中，kj为第j滑体单元的新土压力系数，hj为第j滑体单元的高度，Hi为第i边界单元的高度，sj为第j滑体单元位移，Si为第i边界单元新位移。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S3中，选用摩擦型流变基底阻力模型，边界单元的摩阻力T计算如下：
其中，ru为孔隙水压力系数；φ为外摩擦角；
边界单元所受合力F具体为：
F＝γHi sinα+P-T
其中，γ为水的重度，Hi为第i边界单元的高度，α为边坡倾角。
3.一种计算设备，其特征在于，包括：
一个或多个处理器、存储器及一个或多个程序，其中一个或多个程序存储在所述存储器中并被配置为所述一个或多个处理器执行，所述一个或多个程序包括用于执行根据权利要求1或2所述的方法中的任一方法的指令。
4.一种存储一个或多个程序的计算机可读存储介质，其特征在于，所述一个或多个程序包括指令，所述指令当由计算设备执行时，使得所述计算设备执行根据权利要求1或2所述的方法中的任一方法。
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