CN114216831A - 一种联合中性点计算及有限元模拟的滑坡稳定性辨识方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种联合中性点计算及有限元模拟的滑坡稳定性辨识方法，包括采用中性点计算方法确定陡缓型基覆面滑坡中的较陡段基覆面和较缓段基覆面的分界面；基于此，分别计算库水波动范围处于较陡段基覆面和较缓段基覆面时，渗透力和浮托力单因素作用下滑坡稳定性识别；引入无量纲参数(滑体渗透系数k/库水波动速度v)并采用有限元数值模拟方法，辨识渗透力和浮托力耦合因素作用下库水波动范围处于较陡段基覆面和较缓段基覆面时的滑坡稳定性。本发明通过两种方法的联合使用不仅实现了较陡段基覆面和较缓段基覆面分界面的精准定位，同时还揭示了渗透力和浮托力单因素和耦合因素作用下的滑坡稳定性变化规律。
Description
技术领域
本发明涉及地质工程中的滑坡稳定性计算和数值仿真技术领域，具体是一种联合中性点计算及有限元模拟的滑坡稳定性辨识方法。
背景技术
水库滑坡可引起巨大的风暴潮和其他灾难性后果，引起广泛关注。2003年，三峡水库被首次蓄水后不久就导致了千将坪滑坡的发生，导致22艘渔船倾覆，24人丧生。为确保水库安全，已投入15亿美元加固三峡水库堤岸。然而，由于加固结构造价高、施工难度大，许多大型水库滑坡尚未得到治理。许多山体仍处于持续变形状态，例如，目前在黄土坡和白水河滑坡处记录到的累计监测位移达数米。
陡缓型基覆面滑坡是库区滑坡中较为普遍的一个类型。陡缓型基覆面滑坡中存在较陡基覆面和较缓基覆面，如何辨别较陡基覆面和较缓基覆面的分界面以及库水作用在分界面两侧是否会导致陡缓段基覆面的稳定性产生差异亟需探明。库水位波动对斜坡稳定性的影响是变化的，是不确定的，而导致这种现象的最主要是原因是库水波动所产生的浮托作用和渗流作用对斜坡稳定性影响主控情况不明。
因此，为解决上述问题，本发明提出了一种综合发挥模拟分析及稳定性计算分析的优势的滑坡稳定性识别方法。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明拟解决技术问题是，提供了一种联合中性点计算及有限元模拟的滑坡稳定性辨识方法，其根本特点在于：采用中性点计算方法确定陡缓型基覆面滑坡中的较陡段基覆面和较缓段基覆面的分界面，并进一步获得考虑渗透力和浮托力单因素情况下，库水作用于分界面两侧时的滑坡稳定性特点；由于单因素影响下的滑坡稳定性变化规律存在差异，因此引入无量纲参数(滑体渗透系数k/库水波动速度v)并采用有限元数值模拟方法，辨识渗透力和浮托力耦合因素作用下库水波动范围处于分界面两侧时的滑坡稳定性，即探明渗透力和浮托力对滑坡稳定性的主控程度。本发明提供的一种联合中性点计算及有限元模拟的滑坡稳定性辨识方法，思路清楚，技术成熟，充分结合了数值模拟技术及理论分析计算的优点，适用于所有水动力影响下的陡缓型界面滑坡稳定性分析，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：一种联合中性点计算及有限元模拟的滑坡稳定性辨识方法，该方法包括以下内容：
计算库水引起滑坡稳定性突变的中性点，确定较陡段基覆面和较缓段基覆面的分界面；
获得考虑渗透力和浮托力单因素情况下，库水作用于分界面两侧时的渗透力和浮拖力对滑坡稳定性的影响规律；
以确定的分界面建立陡缓型基覆面滑坡有限元数值模型，在数值模型中考察滑体渗透系数k/库水波动速度v这一无量纲参数的变化对陡缓型基覆面滑坡稳定性的影响，辨识出渗透力和浮托力耦合因素作用下库水波动范围处于分界面两侧时的滑坡稳定性，即探明渗透力和浮托力对滑坡稳定性的主控程度。
所述有限元数值模型建立采用的软件为Geo-slope、ANSYS、ABAQUS、Geo-studio或ADINA，无量纲参数的变化范围为0.001～1000。
考察滑体渗透系数k/库水波动速度v这一无量纲参数的变化是指，无量纲参数按照数值增大的方式依次设置。
探明渗透力和浮托力对滑坡稳定性的主控程度的过程是：
在有限元数值模型中确定分界面；
在有限元数值模型中输入待研究滑坡的滑体、陡缓型界面、基岩的物理力学参数；
进行有限元数值模型初始化和应力平衡设置；
设定库水波动范围，根据库水波动情况确定库水波动下的位置工况，库水在较缓段基覆面波动为工况1，库水在较陡段基覆面波动为工况2；
在相应工况下，考察无量纲参数的变化对陡缓型基覆面滑坡稳定性的影响规律，确定出在渗透力和浮托力耦合作用下的当前工况对滑坡稳定性的起主控作用的作用力。
对于工况1，随着无量纲参数的增大，渗透力对滑坡稳定性的主导作用逐渐减弱，浮托力对滑坡稳定性的影响则逐渐增强；对于工况2，随着无量纲参数的增大，滑坡稳定性由渗透力主控过渡至渗透力与浮托力相互抵消。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明突出的实质性特点是：提出了分界面确定的方法，创造性的使用中性点理论计算得出库水位于分界面两侧的情况下浮托力和渗透力单因素影响下的滑坡稳定性变化规律；为了确定何种单因素是控制滑坡稳定性的主要因素，引入了无量纲参数，采用数值模拟方法识别在渗透率力和浮托力共同作用下滑坡的稳定性变化特征，即耦合因素作用下的滑坡稳定性是由哪个因素控制。
本发明的显著进步是：
1、本发明滑坡稳定性辨识方法适用范围较广，适用于所有水动力影响下的陡缓型界面滑坡稳定性分析，方法简单，易于理解和计算；
2、创造性的提出了分界面的确定方式，界定库水作用于分界面两侧时渗透力和浮托力单因素影响下的滑坡稳定性变化规律，跳出常规滑坡稳定性计算时将滑面整体纳入的方法，为陡缓型基覆面滑坡稳定性识别提供了新的思路；
3、综合发挥了有限元数值模拟方法及稳定性理论分析优点，创新性地引入了无量纲参数(滑体渗透系数k/库水波动速度v)，进一步揭示了无量纲参数影响下的渗透力和浮托力对滑坡稳定性的主控程度，为地质灾害风险控制提供了重要的科学思想。
附图说明
图1为本发明一种联合中性点计算及有限元模拟的滑坡稳定性辨识方法流程图；
图2为三峡库区某陡缓型基覆面滑坡地质剖面图；
图3为采用Geostudio有限元软件建立的三峡库区某陡缓型基覆面滑坡数值模型；
图4为滑体的水-土特征参数变化图；
图5为基覆面的水-土特征参数变化图；
图6为数值模型中一个水文年内库水为变化特征图；
图7为库水作用于较缓段基覆面时(工况1)，无量纲常数的变化引起渗透力与浮托力对滑坡稳定性的主控变化；
图8为库水作用于较陡段基覆面时(工况2)，无量纲常数的变化引起渗透力与浮托力对滑坡稳定性的主控变化；
表1为考虑渗透力和浮托力单因素影响下的陡缓型滑坡稳定性变化规律；
图中，1、杂填土；2、分界面；3、碎石土；4、陡缓型基覆面；5、泥岩；6、砂岩；7、无量纲参数为0.001；8、无量纲参数为0.01；9、无量纲参数为0.1；10、无量纲参数为1；11、无量纲参数为10；12、无量纲参数为100；13、无量纲参数为1000。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明做进一步说明。具体实施例仅用于进一步详细说明本发明，不限制本申请的保护范围。
本发明提供了一种联合中性点计算及有限元模拟的滑坡稳定性辨识方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤1：确定较陡段基覆面和较缓段基覆面的分界面，所采用的具体公式如下：
(a)根据条分法理论获得库水影响下单位滑体条块所受渗透力(F渗透力)和浮托力(F浮托力)；
(b)将初始安全系数(Fos初始)定义为抗滑力(F下滑)与下滑力(F抗滑)之比：
当且仅当渗透力(F渗透力)被考虑时，获得单位条块的安全系数(Fos渗透力)：
(c)浮托力影响滑体有效重度，因此滑体有效重度变化量下的滑坡安全系数为(Fos浮托力)：
当且仅当浮托力(F浮托力)被考虑时，假设由浮托力的作用而导致单位条块上的有效重度变化量为G，G引起滑动面上的抗滑力和下滑力的变化量分别是ΔF抗滑和ΔF下滑。因此，由有效重度变化量(G)而引起的滑坡安全系数(Fos浮托力)计算公式为：
式3)中θ表示基覆面倾角，φ表示基覆面内摩擦角
故，ΔFos浮托力＝Fos浮托力-Fos初始 (4)
将式1)和式3)代入式4)联合可得：
由公式5)可知，当
也就是ΔFos浮托力＝0，即
有效重度变化量G对滑坡的稳定性不产生影响，即中性点(由库水引起的突变点)。中性点所对应的θ即为较陡段基覆面和较缓段基覆面的分界面。
步骤2：渗透力和浮托力单因素影响下的陡缓型基覆面滑坡稳定性计算分析如下：
陡缓型滑坡稳定性影响主要可分为两个阶段：蓄水阶段和降水阶段。蓄水阶段会使得斜坡材料饱和并降低其有效应力，进而降低堆积体稳定性，此影响可归结为浮托作用而造成的坡体稳定性下降。实际上，蓄水过程中所产生的指向坡内的渗透压却又能够提高坡体稳定性。相反，当库水位处于下降阶段时，指向坡体外部的渗流力以及去扶壁效应在坡脚处会相当明显，此类影响可归结为库水位下降引发的渗透压或者动水压力指向坡体外部，进而降低坡体稳定性。然而，库水位下降会使得前缘被淹没的坡体部分减少，降低滑体含水量，滑体材料强度会产生不同程度的恢复，从而提高其稳定性。下面考虑渗透力和浮托力单因素影响下的滑坡稳定性规律：
(a)根据公式2)可知：库水位下降使得渗透力的方向与下滑力的方向相同(指向坡外，为正)，因此库水位下降会降低堆积体稳定性；当库区蓄水时，渗透力的方向与下滑力的方向相反(指向坡内，为负)，故库水位上升会增加堆积体稳定性，即渗透力的方向用公式(6)表示，
因此，库水下降而引起的渗透力会降低斜坡稳定性，库水上升而引起的渗透力会增加斜坡稳定性；
(b)根据公式5)：当斜坡滑体有效重度变化量G>0且
时，即库水下降且库水下降段的影响范围为较缓段基覆面，库水下降所导致的浮托力会提高斜坡稳定性。当斜坡滑体有效重度变化量G<0且
时，即库水上升且库水上升段的影响范围为较缓段基覆面，库水上升所导致的浮托力会降低斜坡稳定性。
(c)当滑体有效重度变化量G>0且
时，即库水下降且库水下降段的影响范围为较陡段基覆面，库水下降所导致的浮托力会降低斜坡稳定性。当斜坡滑体有效重度变化量G<0且
时，即库水上升且库水上升段的影响范围为较陡段基覆面，库水上升所导致的浮托力会增加斜坡稳定性。浮托力和渗透力对斜坡稳定性的影响规律基本一致，说明当库水波动范围为较陡段基覆面时，库水上升会增加斜坡稳定性，反之则降低斜坡稳定性。
浮托力单因素对滑坡稳定性影响规律即
步骤3：引入无量纲参数，无量纲参数为滑体渗透系数k/库水波动速度v，其中滑体渗透系数和库水波动速度的单位均为m/天，浮托力和渗透力都与渗透系数相关，因此不同的无量纲参数，反应了不同的浮托力和渗透力，同时考虑了库水影响。本实施例中可设置无量纲参数的取值范围为0.001-1000，进行数值模拟时的具体取值为：0.001、0.01、0.1、1、10、100和1000；采用Geo-slope软件建立滑坡有限元数值模型。
步骤4：以确定的分界面建立陡缓型基覆面滑坡有限元数值模型，在数值模型中考察滑体渗透系数k/库水波动速度v这一无量纲参数的变化对陡缓型基覆面滑坡稳定性的影响，辨识出渗透力和浮托力耦合因素作用下库水波动范围处于分界面两侧时的滑坡稳定性，也就是渗透力和浮托力耦合因素作用下的陡缓型基覆面滑坡稳定性变化规律，即探明渗透力和浮托力对滑坡稳定性的主控程度。
具体步骤如下：
(a)建立陡缓段基覆面滑坡有限元数值模型、按照步骤1在有限元数值模型中确定分界面；
(b)设定待研究滑坡的滑体、陡缓型界面、基岩的物理力学参数；
(c)进行有限元数值模型初始化和应力平衡设置；
(d)设定库水波动范围(波动范围是指库水波动的位置是处于较陡段基覆面还是较缓段基覆面)所对应的陡缓段基覆面的位置工况(位置工况指库水所波动的位置对应于较缓段基覆面设为工况1，库水所波动的位置对应于较陡段基覆面设为工况2)，设定无量纲参数的大小；
(e)计算分析不同位置工况下，无量纲参数的变化对陡缓型基覆面滑坡稳定性的影响规律，即掌握渗透力和浮托力对滑坡稳定性的主控性。稳定性的辨识的结果是确定耦合因素作用下滑坡稳定性是由何种因素主控。
本发明通过步骤1获得分界面，即区分滑坡较陡段基覆面和较缓段基覆面；根据步骤1所获得的结果，在步骤2中，分析库水波动位于滑坡较陡段基覆面和较缓段基覆面时，渗透力和浮托力单因素影响下的滑坡稳定性变化规律；由于库水波动所产生的浮托作用和渗流作用对斜坡稳定性影响主控情况不明，因此库水位波动对陡缓型基覆面滑坡的稳定性影响是不确定的(严格来说是有差异，或者是相反的)。为了确定陡缓型基覆面滑坡的稳定性是由何种因素控制，因此采用数值模拟方法并引入了无量纲参数，解决渗透力和浮托力耦合因素作用下的陡缓型基覆面滑坡稳定性变化。
实施例1
根据图1所显示的本发明的相关流程，以三峡库区某陡缓型基覆面滑坡为研究实例，其地质剖面图如图2所示，滑坡高程为343m，纵向长度为574m，基覆面内摩擦角
基覆面的倾角变化为0°～23°。假设滑坡处于极限平衡状态，即Fos初始＝1。将
和Fos初始＝1代入公式
中，可得较陡缓基覆面和较缓段基覆面的分界面倾角为θ＝10.11°，即当基覆面倾角θ>10.11°则为较陡段基覆面，当基覆面倾角θ<10.11°则为较缓段基覆面。
在步骤2中，根据公式2)和公式4)获得渗透力单因素下的陡缓型基覆面滑坡稳定性变化与库水作用的分界面两侧位置无关，而与库水运营阶段有关(库水运营阶段是指库水下降或上升)；根据公式3)和公式5)获得浮托力单因素下的陡缓型基覆面滑坡稳定性变化规律不仅与库水运营阶段有关，还与库水作用的分界面两侧位置(即是较陡段基覆面还是较缓段基覆面)有关。具体见表1；
表1
步骤3中在Geo-slope仿真软件中建立Geo-slope数值模型如图3所示，并且将无量纲参数(滑体渗透系数k/库水波动速度v)的取值设定为：0.001、0.01、0.1、1、10、100和1000；
步骤4渗透力和浮托力耦合因素作用下的陡缓型基覆面滑坡稳定性变化规律模拟分析步骤主要包括如下：
(a)陡缓段基覆面滑坡数值模型建立以及分界面确定：根据步骤1中获得的分界面倾角为θ＝10.11°进行确定；
(b)滑体、陡缓型界面、基岩物理力学参数设定：本次模拟中的相关力学参数设置如下：
·滑体的物理力学参数设置为：γ＝20.8KN/m3、c＝25.22kPa和
·基覆面物理力学参数设置为：γ＝19.5KN/m3、c＝17.28kPa和
·基岩为不透水且稳定材料；
(c)数值模型初始化和应力平衡：主要包括如下步骤：
1)划分Geo-slope软件中的渗流模块中的数值模型的网格，分别输入滑体和基覆面的土-水特征参数(如图4和图5所示，包括体积含水量和基质吸力的关系)并设定水头/流量边界条件；
2)分别采用瞬态(图6)和稳态条件(175m库水位)计算得出数值模型在不同时刻的渗流场分布情况；
3)沿用渗流模块中所建立的数值模型且在边坡稳定性模块中输入所设定的材料物理力学参数以及指定滑面位置；
4)将渗流模块中同步求解得到的数值模型渗流场的所有节点水头信息传递给边坡稳定性模块进行稳定性计算；
至此完成数值模型初始化和应力平衡处理。
(d)设定库水波动范围所对应的陡缓段基覆面的位置工况，设定无量纲参数的大小：库水在较缓段基覆面波动为工况1，库水在较陡段基覆面波动为工况2，无量纲参数的设定与步骤3保持一致；
(e)在数值模型中计算分析不同位置工况下，无量纲参数的变化对陡缓型基覆面滑坡稳定性的影响规律；即掌握渗透力和浮托力对滑坡稳定性的主控性。相关模拟结果见图7和图8。
根据图7可知：对于工况1，当无量纲参数较小时，数值模拟结果表明滑坡安全系数与库水位升降呈正相关，即当水位上升时，斜坡安全系数增加，反之，安全系数下降。也就是说当无量纲参数较小时，渗透力对滑坡安全系数变化占主导作用。当无量纲参数较大时，数值模拟结果表明滑坡安全系数(稳定性系数)与库水位升降呈负相关，即当水位上升时，斜坡安全系数下降，反之，安全系数上升。也就是说，随着无量纲参数的增大，渗透力对滑坡稳定性的主导作用逐渐减弱，浮托力对滑坡稳定性的影响则逐渐增强。
根据图8可知，对于工况2，滑坡安全系数与库水升降的关系则从正相关发展至相关性不明显。也就是说随着无量纲参数的增大，滑坡稳定性由渗透力主控过渡至渗透力与浮托力相互抵消(库水波动对滑坡稳定性影响不明显)。
本发明未述及之处适用于现有技术。
Claims (7)
1.一种联合中性点计算及有限元模拟的滑坡稳定性辨识方法，其特征在于，该方法包括以下内容：
计算库水引起滑坡稳定性突变的中性点，确定较陡段基覆面和较缓段基覆面的分界面；
获得考虑渗透力和浮托力单因素情况下，库水作用于分界面两侧时的渗透力和浮拖力对滑坡稳定性的影响规律；
以确定的分界面建立陡缓型基覆面滑坡有限元数值模型，在数值模型中考察滑体渗透系数k/库水波动速度v这一无量纲参数的变化对陡缓型基覆面滑坡稳定性的影响，辨识出渗透力和浮托力耦合因素作用下库水波动范围处于分界面两侧时的滑坡稳定性，即探明渗透力和浮托力对滑坡稳定性的主控程度。
2.根据权利要求1所述的滑坡稳定性辨识方法，其特征在于，所述分界面的确定过程是是：
(a)根据条分法理论获得库水影响下单位滑体条块所受渗透力F渗透力和浮托力F浮托力；
(b)将初始安全系数Fos初始定义为抗滑力F下滑与下滑力F抗滑之比：
当且仅当渗透力F渗透力被考虑时，获得单位条块的安全系数Fos渗透力：
(c)当且仅当浮托力F浮托力被考虑时，假设由浮托力的作用而导致单位条块上的有效重度变化量为G，G引起滑动面上的抗滑力和下滑力的变化量分别是ΔF抗滑和ΔF下滑；因此，由有效重度变化量G而引起的滑坡安全系数Fos浮托力的计算公式为公式(3)：
式3)中θ表示基覆面倾角，φ表示基覆面内摩擦角；
故，ΔFos浮托力＝Fos浮托力-Fos初始 (4)
将式1)和式3)代入式4)联合得：
由公式5)，当
也就是ΔFos浮托力＝0，即
有效重度变化量G对滑坡的稳定性不产生影响，即中性点；
中性点所对应的θ即为较陡段基覆面和较缓段基覆面的分界面。
3.根据权利要求1所述的滑坡稳定性辨识方法，其特征在于，获得考虑渗透力和浮托力单因素情况下，库水作用于分界面两侧时的渗透力和浮拖力对滑坡稳定性的影响规律的具体过程是：
(a)当且仅当渗透力被考虑时，根据渗透力F渗透力的符号特征判断库水上升和库水下降分别作用于较陡段基覆面和较缓段基覆面时，滑坡稳定性的变化规律为；
库水下降而引起的渗透力会降低斜坡稳定性，库水上升而引起的渗透力会增加斜坡稳定性；
(b)当且仅当浮托力被考虑时，库水上升和库水下降分别作用于较陡段基覆面和较缓段基覆面时，滑坡稳定性影响规律；
库水下降且库水下降段的影响范围为较缓段基覆面，库水下降所导致的浮托力会提高斜坡稳定性；
库水上升且库水上升段的影响范围为较缓段基覆面，库水上升所导致的浮托力会降低斜坡稳定性；
库水下降且库水下降段的影响范围为较陡段基覆面，库水下降所导致的浮托力会降低斜坡稳定性；
库水上升且库水上升段的影响范围为较陡段基覆面，库水上升所导致的浮托力会增加斜坡稳定性。
4.根据权利要求1所述的滑坡稳定性辨识方法，其特征在于，所述有限元数值模型建立采用的软件为Geo-slope、ANSYS、ABAQUS、Geo-studio或ADINA，无量纲参数的变化范围为0.001～1000。
5.根据权利要求1所述的滑坡稳定性辨识方法，其特征在于，考察滑体渗透系数k/库水波动速度v这一无量纲参数的变化是指，无量纲参数按照数值增大的方式依次设置。
6.根据权利要求1所述的滑坡稳定性辨识方法，其特征在于，探明渗透力和浮托力对滑坡稳定性的主控程度的过程是：
在有限元数值模型中确定分界面；
在有限元数值模型中输入待研究滑坡的滑体、陡缓型界面、基岩的物理力学参数；
进行有限元数值模型初始化和应力平衡设置；
设定库水波动范围，根据库水波动情况确定库水波动下的位置工况，库水在较缓段基覆面波动为工况1，库水在较陡段基覆面波动为工况2；
在相应工况下，考察无量纲参数的变化对陡缓型基覆面滑坡稳定性的影响规律，确定出在渗透力和浮托力耦合作用下的当前工况对滑坡稳定性的起主控作用的作用力。
7.根据权利要求6所述的滑坡稳定性辨识方法，其特征在于，对于工况1，随着无量纲参数的增大，渗透力对滑坡稳定性的主导作用逐渐减弱，浮托力对滑坡稳定性的影响则逐渐增强；对于工况2，随着无量纲参数的增大，滑坡稳定性由渗透力主控过渡至渗透力与浮托力相互抵消。
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