滑坡计算参数反演分析的优化算法.doc

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1、滑坡计算参数反演分析及研究 以 引 汉 济 渭 工 程梅 子 集 镇 移 民安 置 点 边 坡 为 例帆，宋文搏王( 陕西省水利电力勘测设计研究院 勘察分院，陕西 咸阳 712000)摘 要: 根据滑坡宏观变形特征确定滑坡稳定性状态，据此建立合理的反演分析模型，采用试验与反演相结合的方法确定斜坡体稳定性分析计算参数，进而实现滑坡稳定性分析与评价。以引汉济渭工程某移民安置点斜坡稳定性研究为例，探讨滑坡计算参数反演分析及稳定性分析与评价。关键词: 滑坡; 稳定性;传递系数法; 反演分析中图分类号:文献标识码:文章编号:P642 22B1671 1211( 2012) 05 0521 04点滑坡2

2、为例，采用实验方法和单参数反演分析方法综合确定滑带土抗剪强度参数，并运用不 平 衡 推 力 传 递系 数 法 ( 剩 余 推 力 法 ) 进 行 稳 定 性 计 算 分 析、用 Bishop 法进行校 核，综合得出该滑坡的稳定性评价结 果，对该移民安置点的建设起到了积极地指导作用。0引言近年来，伴随着中国水利水电事业的快速发展和 城镇化进程的加快，各类移民安置工程大量增加。该类工程中，外围地质环境的稳定性对安置点 的 人 民 生 命财产安全及区域生态环境保护具决定性 主 导 作 用。边坡稳定问题是制约地质环境稳定性的主 要 问 题，也 是危害最大、最为常见的工程地质 问 题。能 否 对 影 响

3、 安置点安全的边坡做出合理的稳定性评价，是 决 定 安 置点能够合理选址、正常兴建及安全运行的关键所在。在滑坡稳定性分 析 与 评 价 中，滑 带 土 的 粘 聚 力 c和内摩擦角 取 值正确与否至关 重 要。目 前 确 定 滑 带土抗剪强度参数 c、 值的方法有三种，实 验、工 程 类比和反演分析。试验方法受试件和实验条件的限 制，实验数据通常 很 离 散，还需进行分析来确定。工程类比法在确定滑 带土的抗剪强度参数时具有很强 的主观性，在确定类比指标 时又受到类比滑坡客观 条件的限制。反演分析根据滑坡的宏观变形状况假 设滑坡的稳定性系 数，再反算滑带土抗剪强度参数， 是滑坡稳 定性计算的逆过

4、程，得到的参数更符合滑 坡的变形情况1。滑带土抗剪强度参数反演分析的方法分为单参数 反演和双参数反演两种。单参数反演假定一个参数已 知的前提下，反算另外一个参数，通常选择对滑坡稳定性影响较敏感的作为未知参数。双参数反演中有两个未知的参数，通常选择两个距主滑动面等距 的 剖 面 建 立极限平衡方程求解。本文以陕西省引汉济渭工程中梅子集镇移民安置1工程概况陕西省引汉济渭工程三河口梅子集镇移民迁建安置点位于宁陕县梅子集镇兰草湾村附近，子午河左岸斜坡上。安置点滑坡位于子午河左岸山前斜坡，相对高差 约 22 0 m，斜坡表面阶梯式农田台坎高度 2 3 m，宽度15 0 45 0 m，开挖坡面平均倾角约

5、45后缘 15 30。斜坡主要由坡洪积的粉质粘土组成，厚 5 13 m。设计将分两个台阶对斜坡开挖平整，台 阶 高 5 9 m，台坎单级坡比 1 0 75 1 1。2011 年 6 月 下 旬，当开挖二级边坡到 532 7 m 时，遇到暴雨下渗，土坡浅层迅速达到饱和状态，坡面形成地表径流，对坡面造成冲刷，且坡体重度增加，下滑力增 大; 随着雨水渗入坡 体内部，土体抗剪强度又因含水率增加而急剧下降; 再 加之坡体开挖造成上部土体失去坡脚受 力 支 撑 点，坡 脚临空，进而导致坡体失稳下滑。斜坡滑塌后缘错落高度 1 2 2 0 m，前缘坡脚水 平位移 5 9 m，滑塌体后缘宽 40 m，前缘宽 2

6、0 m，坡面 平均倾角前缘约 30，后缘 10 20; 滑塌体后部出现 数条裂 缝，裂 缝 呈 楔 形，一 般 长 3 5 m，裂 宽 10 20 cm，深度 1 2 5 m。前缘剪出口一带，可见有地下 水渗出。法) 、Sarma 法和 Bishop 法等。根据滑坡野外实地勘察，确定了滑坡基本形态特 征及物质组成，该滑坡属堆积层滑坡，主要由坡洪积的 粉质粘土组成，其滑动面为圆弧形。根据斜坡地形地 貌和边界条件绘制滑坡主纵剖面，构建稳定 性 分 析 模 型。由于各种计算方法对不同滑坡体及滑动面类型的 适应性的差异3，本文采用适应于该类滑动面类型的 传递系数法建立反演分析所需极限平衡方 程; 并

7、运 用 传递系数 法 进行稳定性计算分析、用圆弧形滑面的 Bishop 法进行校核。第一条开始逐条向下推求 Pi ，直至求出最后一条的推力 Pn ，Pn 必须为 0，否则要重新假定 Fs ，进行试算。另 外，因为分条之间不能承受拉力，所以任何土条的推力 Pi 如果为负值，此 Pi 不 再 向 下 传 递，而对下一土条取 Pi-1 为 0。3计算参数反演分析3 1反演分析状态的稳定性评估通常反演分析的状态称为临界状态，包 括 坡 面 形态、地下水位、滑带赋存条件和外荷载等因素。在确定 了计算状态时，应该使边坡的临界状态各 因 素 符 合 实际情况。在实际应用中必须考虑滑坡不同发育阶段的变形 性质

8、并详细查勘滑坡前、后缘变形量和地 形 变 化 后 才 能做出正确选择。表 14给出了通常情况下滑坡稳定 系数和变形状态的关系。2 1不平衡推力传递系数法基于极限平衡原理的不平衡推力传递系数法在滑坡的工程实践中应用的最多，也叫 剩 余 推 力 法。其 按折线滑动面将滑动土体分成条块，而假定条 间 力 的 合 力与上一条土条底面平行，如图 1 所示，根据各分条力 平衡 条 件，逐 条 向 下 推 求，直到最后一条土条的 推 力 为零。对于一土条，分别取垂直及平行土条底面方向力 的平衡 ，有如下式( 1) :表 1 滑坡不同发展阶段的稳定系数Table 1 Stability coefficient

9、 of landslide in different development stages稳定性系数 Fs发展阶段变形性质= 0Ni Wi cosi Pi 1 sin( i 1 i )= 0局部变形蠕滑1 05 1 00( 1)Ti + Pi Wi sini Pi 1 cos( i 1 i )微滑1 00 0 95整体变形剧滑 0 903 2滑坡滑动前反演分析模型建立由于工程处滑坡在二级边坡施工开挖基本完成后发生滑塌，反演分析时选用梅子集滑坡滑 动 前 的 坡 体 为实体模型。枯雨季节处于整体 稳 定 状 态，稳 定 系 数 1 05; 连续暴雨期间滑坡堆积体发生变形，地表产生 拉张裂缝，其稳

10、定性降低，并产生滑塌。根据工程地质手册5中 有 关 规 定，假定连降暴雨 工 况 时 该 滑 坡 处于临界状态，其稳定系数采用 0 95。反演分析采用图 1 剩余推力法示意图Fig. 1 Sketch of residual thrust method滑坡的主剖面，并采用饱水状态来拟合连降暴雨工况，同样根据安全系数定义和莫尔库 伦 破 坏 准 则，有如下式( 2) :滑坡滑动前反演分析模型见图 2。3 3影响因子敏感性计算与分析滑坡稳定性影响因子 敏 感 性 分 析，关 于 安 全 系 数ci li + Ni tgi( 2)Ti =FKc 的影响因子有滑体容重 、滑带土粘聚力 c 和内摩擦角

11、。各因子对安全系数有多大影响，其 中 敏 感 性 较 大的因子是哪些，这是滑坡稳定性分析和 防 治 工 作 中非常重要的依据。根据极限平衡一般公式推出安全 系 数 Kc 的 如 下s联合解式( 1) 和( 2) ，消除Ti 和Ni 得到如下计算式:Pi = Wi sini (ci li + Wi cosi tgi) + P 1 i( 3)iFs式中 i 称为传递系数，以下式表示:试验统计成果乘 以 0 75，c = 14 0 kPa，内 摩 擦 角 采 用反演值。表 3 剩余推力法反演结果Table 3 Residual results of residual thrust method /

12、( )5 07 09 011 013 015 017 019 05 07 09 011 013 015 017 019 021 023 00 2830 3380 3950 4520 5100 5690 6290 6900 7530 8180 3400 3960 4520 5100 5670 6260 6860 7480 8100 8750 3980 4540 5100 5670 6250 6840 7440 8050 8680 9320 4560 5120 5680 6250 6820 7410 8010 8620 9250 9900 5140 5690 6250 6820 7400 7990

13、 8590 9200 9831 0470 5720 6270 6830 7400 7980 8560 9160 9771 0401 1040 6290 6850 7410 7980 8550 9140 9741 0351 0981 1620 6870 7430 7990 8560 9130 9721 0321 0931 1551 220图 2滑坡滑动前的反演模型Fig. 2 Inversion model of landslide before slipping公式:cli + ( Wi cosi Ui ) tanKc =W sini i分别将 Kc 对 、c、 求偏导数:K ctgUi cL

14、= 1 ( 5) 25 0 0 884 0 941 0 999 1 056 1 113 1 171 1 228 1 286 2b h sini i iK c L C = W sin( 6)i iK c ( Wi cosi Ui )=sec2 ( 7)Wi sini根据上式，计算滑坡 Kc 对 、c、 求偏导数值 ( 见表 2) 。表 2 Kc 对各影响因子的敏感度综合表Table 2 Kc on the the sensitivity of impact factor / ( kNm 3 )影响因子c / kPa / ( )敏感度0 0020 0290 903图 3 滑坡参数反演成果图 Kc

15、- c( Kc = 0 95) 关系曲线Fig. 3 Cohesion-internal friction angle relation curve由表 2 可见，各因子中滑体容重 对 滑 坡 的 安 全系数 Kc 影响最小，滑带土粘聚力 c 次之，内摩擦角 影响较大。3 4滑坡滑带参数反演及力学参数的确定滑坡体稳定分析的物理性指标采用了前期勘察资料的统计成果，天然重度 = 19 4 kN / m3 、浮容重 =根据反演分析计算获得的该滑坡参数反演成果图Kc - c 关系曲线( 图 3) 确定滑动面抗剪强度指标: c =14 0 kPa; = 19 0。4现状边坡稳定性分析与评价10 03 k

16、N / m3 、饱和容重 = 19 83 kN / m3 。试验统4 1边坡工程安全等级标准抗滑稳定安全系数是确定 滑坡稳定性的重要指 sat计的饱和抗剪强度参数为 c = 18 7 kPa; = 21 3。本次滑坡稳定计算采用传递系数法建立反演分析所需的极限平衡方程。通过不同抗剪强度 c、 值对滑 坡安全系数 Kc 进行迭代计算，并通过计算获得的安全 系数 Kc 分析确定滑带土力学参数。根据上述模型得 到的参数反演成果见表 3; 参数反演的结果形成的 Kc - - c( Kc = 0 95) 关系曲线见图 3。标。由于滑坡体物质组成的复杂 性、自然条件的差异 性、以及人们揭示深度和分析方法的

17、差异等原因，国内 没有统一的滑坡治理工程国家标准。但相关行业已有 相应的规定。本滑坡治理工程，根据其稳定性对安置点场地的 影响，参照已有工程经验，确定该滑坡为三级边坡，治方法之间的差别符合一般规律。为 保 证 结 果 更 为 可靠，这里选 Bishop 法结果。根据安置点边坡稳定安全系数，综合分析表明在天然( 基本饱和) 工况下，滑坡体属欠稳定状态; 度地震荷载( 饱和 + 度地震) 工况下，滑坡体处不稳定状态。面如图 4。5结语滑坡稳定性计算参数反演的前提是要对具有相同或相似地质环境及地质条件的斜坡体，首 先 应 进 行 合理的稳定性宏观地质分析与判断，从而建 立 合 理 的 反 演分析模型

18、; 最后采用实验与反演相结合 的 方 法 确 定 斜坡体稳定性分析计算参数比较合理。滑坡稳定性计算成果表明梅子集移民迁建安置点 斜坡稳定性较差，处于不安全状态，必须对滑坡进行适 当处理。建议回填滑坡体表面裂 缝，滑坡体前缘修建 挡墙，并做好坡面排水，防止地表水和雨水大量入渗滑 坡体。希望通过对本案例的研究 探 讨，在 全 国 水 利 事 业快速发展，移民迁建安置工程建设中，避免因为人工 随意开挖而不及时保护形成较大的地质灾害。图 4 梅子集滑坡稳定性计算分条剖面Fig. 4 Profile of stability calculation of Meiziji landslide斜坡稳定性计算

19、分析采用的物理力学指标: 天 然重度 = 19 4 kN / m3 、浮容重 = 10 03 kN / m3 、饱和3容重 sat = 19 83 kN / m 。滑带土抗剪强度指标: c =14 0 kPa; = 19 0; 地 震 动 参 数: 区域内地震动峰值 加速度为 0 05 g，特征周期为 0 45 s，地震基本烈度为度。运用不平衡推力传递系数法 ( 剩 余 推 力 法) 进 行 稳定性评价，用 Bishop 法进行校核。考虑现阶段天然 状态( 基本饱和状态) 和地震荷载作用( 饱和 + 度地 震) 时的两种工况。稳定性计算成果见表 4。参考文献:1李瑞有，甘孝清 滑坡体力学参数分

20、析研究J 长江科学院院报，2005，22( 6) : 44 48王帆 宁陕 县 梅 子 集镇移民安置点滑坡体稳定性分析计算说明 R 西安: 陕西省水利电力勘测设计研究院，2011卢廷浩 土力学M 南京: 河海大学出版社，2005DZT02182006，滑坡防治工程勘查规范S工程地质手册编写组 工程 地 质 手 册S 北 京: 中国建筑工业出 版社，1982DLT53532006，水利水电工程边坡设计规范S潘家铮 建筑物的抗滑稳定和滑坡分析M 北京: 水利电力出版社，1980( 责任编辑: 李 雯)2345表 4 斜坡稳定性计算成果表Table 4 Calculation results of

21、slope stability 计算方法天然工况地震荷载67传递系数法Bishop 法1 181 120 990 97Back Analysis and Research on Landslides Calculation ParametersWANG Fan，SONG Wenbo( Shaanxi Province Institute of Water Resources and Electric Power Investigation and Design，Xianyang，Shaanxi 712000)Abstract: The stability state of the landsl

22、ide was determined by its deformation characteristic，according which a reasonable back analysis model could been set up，the calculation parameters for slope stability analysis was determined by testing and back analyzing，then the landslide stability analysis and evaluation can be realized In the paper take the slope stability research of a resettlement as an example，the landslide back analysis on calculation parameters and the stability analysis and evaluation were been discussedKey words: landslide; stability; transfer coefficient method; back analysis