边坡可靠性耦合分析方法及其应用.pdf

第3 1 卷第1 期人民黄河V 0 1 3 1 N o 12 0 0 9 年1 月Y E L L O WR I V E RJ a n 2 0 0 9【水利水电工程】边坡可靠性耦合分析方法及其应用何朋朋1，姚磊华1，宋士琨2，周平根3(1 中国地质大学工程技术学院，北京1 0 0 0 8 3；2 中化地质矿山总局规划处，北京1 0 0 0 1 1；3 中国地质环境监测院，北京1 0 0 0 8 1)摘要：在建立耦合模型之初对随机性较强的参数进行了敏感性分析，达到了简化边坡可靠性耦舍分析模型的目的。在保证计算耪度的条停下，推导了模拟次数的计算公式。利用勘测资料及岩土样测试数据对四川省雅安市峡口滑坡进行了不同外力条件组合下的可靠性分析，相对于单纯计算边坡安全系数来说，可靠性分析在得出中值安全系数的同时也能得出安全系数的分布情况，计算结果更为科学、精确。计算证明，耦合极限平衡法与M o n t e C a r l o 法的边坡可靠性分析方法，是一种从不确定角度更科学分析边坡稳定性的方法。关键词：耦合分析；安全系数；边坡稳定性；极限平衡；M o n t e C a r l o；峡口滑坡中图分类号：T V 8 6 1文献标识码：A文章编号：1 0 0 0 1 3 7 9(2 0 0 9)0 1-0 0 9 6-0 3边坡稳定性分析的传统方法是极限平衡法，它建立在确定性概念之上，应用时间长、范围广。但这种方法最大的缺点是没有考虑边坡系统的不确定性，计算得到的安全系数足一个由确定的信息得到的定值，因此不能完全确切地表征边坡可靠性。经验丰富的专家无论是在评价还是在设计时，均采用保守取值的做法，以此来掩盖凶边坡系统不确定性而产生边坡破坏的不可知性。自2 0 世纪9 0 年代以来，建立在不确性概念上的可靠度理论分析方法开始被引入到边坡稳定性的研究中旧-3 。1 随机因素对可靠性指标的敏感性分析影响边坡稳定的诸多随机因素在数值计算方面表现为计算模型参数的变异性。这些参数包括岩土体剪切强度指标(黏聚力和内摩擦角)、岩土体容重、外加荷载、地震力、水压力(静水压力和动水压力)等。当考虑所有因素对边坡稳定性的影响时，数据采集将非常困难，计算模型和计算步骤也将变得非常复杂，计算量非常大，因此需要分析这些参数对可靠性指标的影响程度，即进行敏感性分析。研究中暂不考虑外加荷载、地震力以及水压力的随机性，只考虑岩土体强度参数和岩土体容重对可靠性指标届的影响。为了简单而方便地进行评价，下面以文献 4 中某露天矿排土场边坡为例，基于瑞典条分法来分析这种影响。设极限状态函数为弘；(似A c 州i t a 嗽+螂c i b i)一荟7 M s i n(1)式中：为边坡体的容重；e i 为坡体黏聚力；9；为坡体内摩擦角；九。为条块高度；6；为条块宽度；i v；为条块i 的滑面倾角。部分参数的取值见表l。按照可靠性理论，可靠性指标为届=,t z t r z(2)式中：化为Z 的均值；o r。为Z 的标准差。表1部分计算参数统计结果定义敏感性系数为手：掣：必土掣业(3)缸缸7Z、砖、q 2 取某一较小邻域内的值代入式(3)计算，得到敏感性系数，见表2。表2 参数的方差对可靠性指标的影响由表2 可以看出，盯；和蠢一定时，q 2 由小变大，卢变化不大，其敏感性系数亭维持在个位数变化；当盯：和盯；一定时，砖由小变大。卢变小，且变化明显，f 数值较大；当矿，2 和一一定时，收稿日期：2 0 0 8-0 9-0 2基金项目：中国地质调查局地质调查子项目(2 0 0 3 1 6 0 0 0 0 3 5)。作者简介：何朋朋(1 9 8 l 一)，男。陕西乾县人，博士研完生，主要从事地质灾害预洲预警、防治以及岩土工程数值模拟等方面的研究工作。E m a i l：p e n g)e n g h e h o t m a i l c o l n 万方数据第1 期何朋朋等：边坡可靠性耦合分析方法及其应用9 7 口：由小变大时，p 逐渐变小，此时f 和以由小变大时处于同二数量级。因此，边坡滑裂面剪切强度指标对边坡可靠度影响较为明显，宜将其作为随机变量处理；边坡岩土体容重的随机变化对边坡可靠度的影响相对较弱，在该研究中，将其列为确定量来对待。2 边坡可靠性耦合分析方法2 1M o n t e C a d o 法对于一般的边坡稳定性问题，根据岩土体结构、破坏机理和受力状况，利用边玻安全系数的计算公式可建立如下极限状态函数：K=F(髫l，菇2，算。)(4)式中：茗，、X 2、茗。分别为容重、黏聚力、摩擦系数、孔隙水压力、荷载强度、降雨强度等随机变量，它们具有一定的分布规律(大多服从正态分布或对数正态分布)。通过统计得出各随机变量的均值和方差，并在此基础上用产生随机数的办法获得新的随机样本。对于每一组样本，代人极限状态函数求解得出一个安全系数。如此重复，直至达到预期精度的充分次数，就可得到，v 个相对独立安全系数样本值。记K 1 的次数为肘，则斜坡的破坏概率(也称失效概率)为P f；等(5)按照失效概率的大小，将边坡失稳破坏的可能性分为5 个等级(见表3)。表3 边坡稳定性等级稳定性等级IV失效概率 9 0 6 0-9 0 3 0 一6 0 5 一3 0 岛，则继续增加值直到占岛，若此时求得的川即为随机数个数的允许值。若在模拟很多次后绝对误差总是大于误差限，即占 s。，在每次模拟结果非常接近的情况下(安全系数和失效概率等已经出现收敛)，可用下式估算误差限以内的随机模拟次数：鱼!叫业(8)3 峡口滑坡可靠性分析四川省雅安市雨城区峡口滑坡位于四川盆地西部，处在四川盆地与青藏高原的过渡带上。区内以中低山地形为主，岩性以侏罗系和白垩系泥岩、砂岩和砾岩为主。第四系沿河谷和山间盆地分布。根据勘察，峡口滑坡位于古滑坡堆积体上，滑面为堆积体和基岩的接合面，其条分情况见图1。豳1 实测边坡条分情况在综合考虑水平地震力和水压力影响的情况下，耦合不平衡推力法及M o n t e C a r l o 法，对峡口滑坡进行可靠性分析。根据敏感性计算结果，分析中将滑动面的内摩擦角和黏聚力作为随机变量，并设其相互独立。3 1 计算参数的选取从室内测试数据获取计算参数时，参数的平均值和标准差按下式计算”J：1np=上五(9)p2 一上，J(1 0)对于变异性参数要统计出其分布规律，并按分布规律产生若干随机数进行随机分析。计算水平地震力时，水平地震力影响系数宜按照地震烈度为度、基本地震加速度为0 3 0 9 的多遇地震类型取值归1。统计得到滑体黏聚力、内摩擦角均值分别为1 8 0 8k P a、2 0 4 5 0，标准差分别为7 1 7k P a、5 3 0。水平地震力影响系数取0 1 2，滑体孔隙度取3 5 1 9，滑体天然容重取2 0 1 5k N m 3，滑体饱和容重取2 2 3 2k N m 3。3 2 边坡可靠性分析3 2 1中值安全系数计算综合考虑地震和水影响，利用编制的程序计算中值安全系 万方数据9 8 人民黄河2 0 0 9 盔数K=0 9 2，剩余推力为一0 0 3 7k N；不考虑静水压力和地震影响时的中值安全系数K=1 3 7，剩余推力为一0 1 1 6k N；仅考虑静水压力和动水压力时中值安全系数K=0 9 5，剩余推力为0 2 2 7k N；仅考虑地震力作用影响时K=1 3 2，剩余推力为0 1 5 5k N。可见，水的影响对该边坡的破坏失稳是至关重要的。3 2 2 可靠性分析结果对该边坡分4 种工况进行了可靠性分析，计算结果见表4，相应的安全系数分布频率直方图见图2。表4 边坡可靠性计算结果零、簖鞋冰、瓣蜒广!厂卜_ 1安全系数范围誉薹配；r 一L Lb 尘o l、n b 莎p 矿P。矿o Q Q、安全系数范围安全系数范围(c J 工况安全系数范围(d)工况匿2 安全系数概率分布3 2 3 计算结果分析在进行边坡可靠性分析中，当综合考虑水和地震影响时，该滑坡的失效概率较大，属于高危险边坡。当不考虑水和地震影响时，尤其是水的影响时，滑坡的失效概率较小，即可靠度较高，属于低危险边坡，这与现场监测结果相矛盾，再次说明水的影响至关重要。同时对比安全系数概率分布图可以发现，当不考虑诱发因素时安全系数分布曲线发生右移，安全系数变大，较大的安全系数与边坡的实际状态相矛盾。因此，在进行边坡可靠性分析时，必须考虑水与地震这两个至关重要的诱发因素。4 结语(1)对影响边坡稳定的主要随机因素进行了敏感性分析，潜在破裂面的抗剪强度指标对边坡稳定性的影响较大，岩土体容重的影响相对较小。(2)建立了将边坡岩土体的剪切强度指标作为随机变量的耦合模型；推导了在保证计算精度条件下随机模拟次数的计算公式，相同精度条件下，不同工况模拟次数不同。(3)利用耦合极限平衡与M o n t e C a r l o 的边坡可靠性分析模型对峡口滑坡进行了不同工况下的可靠性分析，得到中值安全系数的同时获得了安全系数的分布。分析表明，该耦合分析方法具有计算简便、结果精确的优点，是一种从不确定角度更科学分析边坡稳定性的方法。参考文献：1 谭晓慧边坡稳定可靠度分析方法的探讨 J ，重庆大学学报，2 0 0 1，2 4(6)：4 0 4 4 2 罗文强，龚珏，晏同珍函数连分式渐近法在斜坡稳定性概率评价中的应用 J 岩石力学与工程学报，2 0 0 1，2 0(6)：8 2 2 8 2 5 3 汪敏，刘东燕滑坡灾害风险分析中的易损性及破坏损失评价研究 J 工程勘察，2 0 0 1(3)：7 1 2。4 祝玉学边坡可靠性分析 M 北京：冶金工业出版社，1 9 9 3 5 Y a n gHH u a n g 土坡稳定分析 M 北京：清华大学出版社，1 9 8 8 6 陈祖煜土质边坡稳定分析一原理、方法、程序 M 北京：中国水利水电出版社，2 0 0 3 7 钱家欢，殷宗泽土工原理与计算 M 北京：中国水利水电出版社，1 9 9 6 8 中华人民共和国建设部，国家质量监督检验检疫总局G B 5 0 0 0 7-2 0 0 2 建筑地基基础设计规范 S 北京：巾国建筑工业出版社，2 0 0 2 9 中华人民共和国建设部，国家质量监督检验检疫总局G B 5 0 0 1 1-2 0 0 1 建筑抗震设计规范 S 北京：中国建筑工业出版社。2 0 0 1【责任编辑张华岩】粤每s 辛$宰=嘞毒榻：嘞s 张 粤竿嘞：嘞s 希粤 嘞e 峰：(上接第9 5 页)5 结语通过对呼和浩特抽水蓄能电站泄洪排沙洞进口消涡措施的试验研究，得到以下认识。(1)进口前伸、胸墙后倾的进水口体形容易产生较强旋涡，将胸墙通过进口以上与垂直方向3 0 0 左右的坡面向上游悬出一定的距离，可以有效削减旋涡，但悬出过多会给结构设计带来困难。(2)垂直隔板可以减弱进E l 前的旋涡，但仍难以消除吸气旋涡。在垂直隔板的下部加设水平隔板，阻挡相邻隔板之间水体的向下流动，进入垂直隔板之间的表面回旋水流受边壁的阻力而逐渐减弱，避免了吸气旋涡的形成。(3)垂直隔板应具有一定的长度，使表面回旋水流能完全进入相邻隔板之间，进水塔上游匝的回缩可减小垂直隔板的悬出量。参考文献：1 邹敬民，高树华，于艳丽，等进水口防涡措施研究 J 水动力学研究与进展，2 0 0 0 1 5(4)：4 6 3 4 6 6 2 陆佑楣，潘家铮抽水蓄能电站 M】北京：水利电力出版社，1 9 9 2 3 马振海底孔前伸进水口消涡措施试验研究 J 水利水电技术，2 0 0 4。3 5(1 1)：8 1 8 3 4 施祖辉，陈青生，周春天消涡粱在抽水蓄能电站进水口中的应用 J 红水河，2 0 0 5，2 4(4)：1 6 1 9【责任编辑张华岩】万方数据边坡可靠性耦合分析方法及其应用边坡可靠性耦合分析方法及其应用作者：何朋朋，姚磊华，宋士琨，周平根作者单位：何朋朋,姚磊华(中国地质大学,工程技术学院,北京,100083)，宋士琨(中化地质矿山总局规划处,北京,100011)，周平根(中国地质环境监测院,北京,100081)刊名：人民黄河英文刊名：YELLOW RIVER年，卷(期)：2009,31(1)参考文献(9条)参考文献(9条)1.中华人民共和国建设部;国家质量监督检验检疫总局 GB50011-2001.建筑抗震设计规范 20012.中华人民共和国建设部;国家质量监督检验检疫总局 GB50007-2002.建筑地基基础设计规范 20023.钱家欢;殷宗泽 土工原理与计算 19964.陈祖煜 土质边坡稳定分析-原理、方法、程序 20035.Yang H Huang 土坡稳定分析 19886.祝玉学 边坡可靠性分析 19937.汪敏;刘东燕 滑坡灾害风险分析中的易损性及破坏损失评价研究期刊论文-工程勘察 2001(03)8.罗文强;龚珏;晏同珍 函数连分式渐近法在斜坡稳定性概率评价中的应用期刊论文-岩石力学与工程学报2001(06)9.谭晓慧 边坡稳定可靠度分析方法的探讨期刊论文-重庆大学学报(自然科学版)2001(06)引证文献(1条)引证文献(1条)1.马平.冯永.钱海涛.孙强 滑坡预报研究综述期刊论文-人民黄河 2011(9)本文链接：http:/