滑坡灾变预测与安全保障新技术张永兴+

2008重庆市工程勘察与地质灾害防治技术研讨会学术报告

滑坡灾变预测与安全保障新技术报告人张永兴

2009、1、12重庆1、概论2、滑坡灾变智能预测3、支护结构的健康诊断4、锚固失效对边坡稳定性的影响5、边坡岩土锚固安全性评价指南提纲1、概论

造福研究意义支挡结构失稳形成滑坡对城市及基础设施产生直接威胁

灾

难研究意义研究意义技术路线滑坡灾变预测与安全保障新技术无支护结构的滑坡预测支护结构的健康诊断和安全保障技术研究滑坡灾变预测模型研究滑坡灾变判据研究滑坡灾变示范区灾变预测滑坡－支护结构系统损伤诊断理论研究滑坡－支护结构系统探伤及质量诊断研究锚固失效对边坡稳定性的影响分析边坡综合处治技术及其在工程的应用总结与推广应用2、无支护结构的

滑坡预测

选择万州区吴家湾滑坡为示范区吴家湾滑坡的稳定性也直接影响到三级台阶上的万州火车西站场地三峡水库蓄水后滑坡体将有二分之一被库水淹没。图1现场剪切试验表1示范区滑坡力学参数研究成果表极限平衡法计算方案（工况）为：（I）自重力＋荷载＋暴雨（现状）；（II）自重力（水下）＋荷载＋暴雨＋175m三峡库水位；（III）自重力（水下）＋荷载＋暴雨＋175m水位陡降至145m；（IV）

自重力（水下）＋荷载＋暴雨＋175m水位+地震（V）

自重力＋暴雨＋库水陡降时（按库水0.82m/d，地下水下降0.10m/d计）动水压力（库水位从175m降至145m）＋地震力＋荷载。(基本上不可能出现的情况)IIIIIIIVVVI吴家湾滑坡随条件变化其稳定系数的降低曲线FLAC模拟有限元模拟滑坡智能集成预报模型GIS综合信息管理与评价系统数据信息交换滑坡计算智能集成预报方法滑坡模糊综合信息预报判据地表环境信息地质环境信息气象水文信息力学特征信息工程活动信息滑坡成灾机理数值模拟分析滑坡集成智能预报模型框架

ANN法：滑坡灾变预测的神经网络方法

FIS法：滑坡灾变预测的模糊逻辑方法

AN－FIS法：自适应神经－模糊推理系统

GA－ANN法：元胞神经网络方法滑坡预报的计算智能方法预报对象预报模型预报方法预报判据空间预报线性回归模型统计预测法

聚类分析模型灰色聚类法聚类向量择大人工神经网络模型

ANN法期望输出GIS多因子定量分析模型逐步筛选综合系数法最佳预测因子时间预报斋藤模型经验公式应变速率福囿模型实验拟合公式滑坡速度哈亚稀模型拟合公式滑坡速度位移加速度回归模型监测曲线回归方程外推法位移加速度匀加速条件时间预报模型统计方法位移灰色Verhulst模型灰色统计方法

滑体变形功率模型功能原理位移峰值分形时间预测模型分形理论位移分维值非线性动力学模型反演理论动力学判据Pearl预报模型统计方法位移强度预报运动机理滑速或滑距模型运动机理与运动学结合滑坡敏感度图制图法

地震滑坡危险度图危险度分区GIS滑坡灾害灾情评估系统图形信息一体化

已有滑坡预报方法及判据一览

计算智能预报模型采用的判据

综合信息模糊判据

各灾变因素的权重由系统通过学习或模糊推理自行确定滑坡灾变示范区及其灾变预测吴家湾滑坡灾变的神经网络预测

万州城区具有相似形成条件的22个滑坡作为样本，11个输入变量中，定量指标需要进行归一化，定性指标进行标准化处理，作为输入样本。根据22个滑坡样本的稳定状况，对照滑坡灾变判据，得到相应的22个样本的期望输出评价矩阵，进行网络训练。训练好的神经网络模型，即可进行吴家湾滑坡的稳态识别。滑坡灾变示范区及其灾变预测吴家湾滑坡灾变的神经网络预测神经网络与极限平衡结果对比分析吴家湾滑坡灾变的神经网络预测结果可与极限平衡结果是一致的3、支护结构的健康诊断锚杆杆侧胶结体和围岩共同对锚杆的作用可用沿杆侧分布的弹簧器和阻尼器来等效。把杆侧分为n段，其弹性系数和阻尼系数分别为激励力沿锚杆纵轴线方向，且均布于锚杆顶部。基本力学模型完整锚杆：理想情况，锚杆锚固较好，围岩较均质，可认为沿杆长的弹性系数和阻尼系数为不变的常数。缺陷锚杆：锚杆系统有缺陷的情况，即沿杆长的弹性系数和阻尼系数沿杆长是变化的。滑坡－支护系统低应变动力学理论研究

完整与损伤锚杆结构系统低应变动力响应理论结构系统无损探伤理论概述

振动诊断的三种方法直接分析法

从具有故障结构的数学模型出发，研究故障引起的响应变化规律。但这种数学模型的建立较为困难的。时序分析法

信号的变化与凝聚，对判别是否有故障特别有效。但由于时序模型中的参数没有明确的物理意义，因此很难判断故障的位置。

参数识别法

直接从测量的输入输出信号识别模态参数或物理参数的变化情况，具有很大的方便性。尽管反问题往往不唯一和不确定，但辅以经验判断，求解结果工程上是认可的，并随着现代智能数学手段的发展和应用，逐渐被人们所接受。滑坡－支护结构系统无损探伤及质量诊断研究锚杆系统损伤位置的诊断

利用小波变换检测锚杆损伤位置的原理

锚杆系统的损伤通常会导致系统的观测信号发生变化，利用小波分解变换检测观测信号的奇异点就可以检测出锚杆损伤位置。滑坡－支护结构系统无损探伤及质量诊断研究

锚杆结构系统的识别所谓锚杆－围岩结构系统识别就是依据已测得的动测信号，提取能表征系统状态的特征向量，再利用系统辨识手段估计系统的物理参数，建立特征向量－物理参数模型，从而达到对系统进行判别、评价的目的。

基于小波包分析的锚杆-围岩结构系统特征向量的提取

滑坡－支护结构系统无损探伤及质量诊断研究

锚固质量的定量分析方法

锚杆－围岩结构系统锚固质量的定量描述

对于全长锚固的锚杆杆锚固系统而言，其锚固质量主要体现在锚杆杆侧胶结体和围岩共同对锚杆作用的等效特征参数的大小。

锚杆锚固度

实际锚杆各段锚固情况

对应锚杆各段完整锚固情况

完全锚固Q=1

有缺陷Q<1完全失效Q=0滑坡－支护结构系统无损探伤及质量诊断研究

完整锚杆结构系统杆侧刚度系数的确定

要确定锚杆的锚固度，需要知道完整锚固状态下杆侧的刚度系数。锚杆锚固结构系统杆侧动刚度系数主要取决于围岩的变形模量（暂且忽略砂浆的影响）完整锚杆结构系统杆侧刚度系数的确定方法

取不同围岩变形模量及对应的围岩密度，进行三维有限元模拟，得到不同的动力曲线，然后通过所建立的神经网络系统识别，得到不同围岩条件下的杆侧刚度因子，再根据根据锚杆设计参数反算刚度系数。不同围岩条件下杆侧刚度系数的拟合曲线

锚固质量的定量分析方法

滑坡－支护结构系统无损探伤及质量诊断研究

锚杆－围岩结构系统锚固质量的定量分析步骤

锚固质量的定量分析方法

滑坡－支护结构系统无损探伤及质量诊断研究

锚杆系统无损探伤智能诊断系统的建立数字模拟模块

信号分析模块

人工智能模块

根据锚杆－围岩结构系统杆顶动测问题的数学解，对锚杆杆顶的低应变动力响应进行了数值模拟。用小波分析方法对信号进行时谱分析，获得损伤位置、锚杆长度，并提取表征锚杆结构系统的特征向量；通过建立的人工神经网络对锚杆－围岩结构系统进行识别，获得杆侧刚度系数的分布情况，并计算锚固度，对锚杆锚固质量进行定量评价。锚杆系统无损探伤智能诊断系统的简图

滑坡－支护结构系统无损探伤及质量诊断研究

工程应用根据对所测五根锚杆反射波形进行本章所述的方法进行结构识别，得到沿杆长的刚度系数，并计算得到相应的锚固度。

所测五根锚杆得锚固度在78.5%～88.4%之间，说明锚杆的锚固程度是相应完整锚杆锚固质量的2/3以上。现场测试波形。滑坡－支护结构系统无损探伤及质量诊断研究4、锚固失效对边坡稳定性的影响室内相似模型试验单锚失效位置变化、锚力变化对群锚的影响不同位置单锚、群锚失效对边坡稳定性的影响坡面设置格子梁对锚索张力及边坡稳定性的影响不同锚固方式及无锚试件的比较有限元数值模拟预应力锚索支护下的坡体应力、应变特征锚索受力特征锚索失效后其它锚的荷载重分布规律主要研究内容锚固失效对边坡稳定性的影响本部分以实体工程作为研究对象，采用室内模型试验，研究不加锚边坡破坏面形态；锚失效位置变化、不同位置锚力变化、不同边坡岩土体变化、边坡破坏形态变化等因素对锚固边坡失稳形态及机理的影响。工点1云南保龙高速路边坡实体工程工点锚固失效对边坡稳定性的影响工点2向家坡边坡实体工程工点边坡岩体中等风化砂岩，裂隙较小，可视为均质岩体，

岩体单轴抗压强度σp=22.88MPa，

弹性模量Eo=10~20GPa，

泊松比μ=0.15~0.34，

重度γ=24.42kN/m3，

c=2.15MPa，φ=39.96°

坡角63°锚索钢绞线弹性模量Ep=180GPa，抗拉强度1860MPa，锁定荷载（预拉荷载）960kN，锁定拉应力σ=873MPa

中层滑带c=55kPa，φ=26.0o，块石土重度γ=24.92kN/m3，滑带倾角35o室内模型试验研究试验装置测点位置图试验方案无锚与有锚对比实验坡面设置格子梁对锚索张力及边坡稳定性的影响（同一试件）坡面设置格子梁对锚索张力及边坡稳定性的影响（不同试件，不同大小的锚索预应力）锚索无粘结试件的对比试验锚索锚固端解除约束的对比试验试件失效原因失效前(kN)失效后(kN)卸荷率(%)1-2单锚端头453424群锚端头452544群锚断裂8535591-31根锚断裂10590142根锚断裂10585193根锚断裂1058024群锚（4根）断裂10568352-1群锚端头11298123-11根锚断裂2根锚断裂，2根锚头松弛100120787822353-2群锚端头111100103-31根锚断裂1根锚断裂，3根锚头松弛1101149310015123-43根锚头松弛，1根锚断裂10542604-1群锚端头10486175-1从浆筋界面处脱出11090185-2从浆筋界面处脱出120103145-3从浆筋界面处脱出806420锚索失效后坡体承载能力变化边坡位移和锚索张力的大小与结构面的特征密切相关，若结构面较光滑，则锚索承担的下滑力较大，某根锚失效后其它锚间的荷载转移明显，对边坡稳定性的影响较大，如试件1-2、1-3、3-1。若结构面有一定的粗糙度，则结构面承担的下滑力较大，单锚失效后群锚间的荷载转移不明显，锚失效对边坡稳定性的影响也不大，如试件2-1。坡面施加格子梁后，格子梁与群锚形成空间承载体系，调动更大范围岩土体发挥自承能力，某根锚索张力损失后，其承担的荷载转移至格子梁，只要该三维体系能维持，锚失效对边坡稳定性影响不会太显著，如试件3-2、3-3。群锚中一旦锚索接连失效导致三维抗力体系变为二维体系，边坡稳定性将急剧降低，如试件3-4。若锚固端约束失效引发锚索滑脱，则锚索张力和边坡承载力将降低，端锚应力损失和坡面格子梁对稳定性的影响甚微，如试件5-1~5-3。锚索最终能提供的锚固力与其初始预应力的大小关系不大，且应与格子梁结构强度相匹配。根据坡面约束情况的不同，边坡承载能力由大到小为：坡面设格子梁，纵粱，横粱，无粱。模型试验主要结论锚索失效对边坡稳定性影响的有限元分析单元类型组单元数几何尺寸下滑体2DSolid2D-Planar569坡高10m上滑体2DSolid2D-Planar202坡角45°锚索TrussRebar62索长8.1m倾角10°截面积0.01m247Nov,2008ChongqingUniversity,ChongqingCommunicationsResearch&DesignInstitute沿锚索长度方向的轴力分布接触反力安全系数上排索失效上、中排索失效边坡安全系数随预应力损失和各种形式的锚失效呈加速下降的趋势，与试件1-3和试件3-4的实验结果一致锚极限承载力评价5.边坡岩土锚固安全性评价指南项目名称检测与评价结果