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边坡变形与稳定性演化预测预警方法研究

李聪  
【摘要】:采用工程类比、监测反馈以及数值计算相结合的研究手段,并引入了人工智能计算、现代数学理论以及非线性科学理论,对边坡的预测预警技术展开了深入研究。为了研究边坡的预测预警技术,将边坡稳定性分为强稳定、弱稳定、不稳定三类。针对未失稳边坡(包括强稳定和弱稳定),基于滑坡数据库开发了边坡实例推理系统,采用边坡实例推理系统和有关研究成果,提出了边坡稳定性综合预警指标;该预警指标体系包括位移速率指标、应力增长速率指标、位移矢量角、宏观指标等。基于监测信息提出了考虑变形机制的边坡预测模型,采用该模型可以对边坡的变形进行动态预测,结合边坡预警指标可以实现边坡稳定性预测和预警。针对已失稳边坡(不稳定),基于条分法提出了边坡演化动力学预测模型,该模型可以模拟滑坡启动到破坏的运动全过程,并预测边坡失稳后的滑动速度和危害范围。结合工程实例,给出了锦屏一级水电站左岸坝肩岩石高边坡预警判据,分析整理其监测资料,判别该边坡目前所处的变形阶段,并对其发展趋势进行预测。本文的主要研究内容和成果概述如下: (1)为研究滑坡预警预报指标,建立了31个典型岩质滑坡组成的滑坡数据库,基于滑坡数据库、工程类比和模糊综合评判方法开发了滑坡实例推理系统。以锦屏一级水电站为例,通过计算找到了滑坡数据库中与锦屏一级水电站左岸边坡最为相似的5个滑坡实例;深入分析类似边坡变形破坏过程,分4个阶段给出了锦屏一级水电站左岸边坡预警判据建议值;并建立边坡预警判据修正的模糊综合评判模型,修正相似边坡预警判据,给出锦屏一级水电站左岸边坡进入加速变形阶段的位移速率阀值的精确区间为1.0~1.2mm/d。 (2)选择开挖卸荷、爆破振动、岩体流变以及降雨作为影响边坡施工期变形的四个主要因素,深入分析不同影响因素对边坡变形的作用机制,结合边坡位移实测资料,建立了考虑变形机制的边坡稳定预测模型。该模型可体现各影响因素对边坡变形的作用和相关程度,更加科学合理的解释边坡变形产生的力学机制。并提出了锦屏一级电站左岸边坡的多种预警指标,整理分析监测资料,对边坡的发展趋势进行了判别。 (3)将单状态变量摩擦定律拓展到双状态变量摩擦定律,采用3个一阶非线性常微分方程来描述边坡系统,分析了基于状态变量摩擦定律边坡演化分岔模型,并系统地对边坡演化过程及演化机理进行了理论研究。根据这一系列研究结果,对边坡工程的非线性演化机制进行系统的解释,并提供了新的失稳判据。 (4)在传统条分法的基础上,考虑降雨引起地下水位变化,采用太沙基—维固结理论描述超孔隙水压力消散,基于条块连续变形假定,提出了一种新的边坡演化动力学预测模型。该模型认为滑体内部的速度和变形具有不均匀性,条块变形引起条间力变化,结合牛顿运动定律进行滑坡动力学分析,可以模拟滑坡运动的全过程,并预测滑坡的最大滑速和滑程。


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