一种基于库水位和位移监测的库岸边坡稳定性测定方法技术

本发明专利技术属于边坡稳定性检测与边坡灾害监测预警技术领域，特别涉及水库型边坡地质灾害的位移与库水位耦合动力预测参数和稳定性检测方法。本发明专利技术根据损伤力学的基本原理，将边坡滑面上的抗滑力及下滑力加载动力参数与边坡位移响应参数进行了有机耦合，并依此提出了测定水库型边坡稳定性的新方法。该方法可有效克服传统极限平衡力学评价法由于确定边坡物理力学参数与边界条件等误差而带来误判或错判，同时又解决了传统位移时序预测方法无法定量描述边坡动力作用机理且无稳定统一失稳判据等问题，并且所采用明确的判据确切表达出边坡在库水位不同阶段的稳定性状态，为边坡预测预报和预警治理提供了有效依据。

【技术实现步骤摘要】
一种基于库水位和位移监测的库岸边坡稳定性测定方法
本专利技术属于边坡稳定性检测与边坡灾害监测预警
，特别涉及水库型边坡地质灾害的位移与库水位耦合动力预测参数和稳定性检测方法。
技术介绍
重大水利工程特定的工程特点与特殊的区域地质环境与水环境条件决定了水库型边坡具有潜在巨大的影响性、破坏性和灾害性。特别近20年来，随着我国经济的高速发展，对水利电力的需求也与日剧增，对此我国已相继开工建设了一系列坝高在200～300m的重大水利工程（小湾水电站，292m；溪洛渡水电站，278m；向家坝水电站，160m；瀑布沟水电站，260m；锦屏水电站，305m；大岗山水电站，260m；拉西瓦水电站，252m）等。上述重大水利工程的建设对保证我国本世纪经济的可持续快速发展将发挥不可替代的作用，特别长江三峡工程规模宏伟是目前世界上最大的水利工程，具有防洪、发电、航运等巨大的综合效益。然而，上述重大水利工程在给我们带来巨大的经济和社会效益的同时，其水环境变化也必会对库区地质环境带来重大改变与影响，甚至可能导致重大库岸边坡地质灾害，有的甚至造成了巨大的人员伤亡和经济损失，甚至工程报废。在我国重大水利工程中，三峡工程应该说是最具有其代表性和典型性。三峡地区地质条件复杂，生态环境脆弱，是以边坡泥石流为主要形式的地质灾害多发区；库区周边人口约1500万，其中高程500m以下的人口近千万，因而规模不大的崩塌、边坡事件也可能涉及人民生命财产安全。因此，从某种意义上说，三峡库区边坡灾害的防治既关系到三峡工程及长江航运的安全，也关系到库区移民安全的千秋大计。随着三峡库区2003年5月开始一期蓄水，特别是自2009年11月三峡工程建成并库水位上升至175m高程之后，由于防洪、发电与航运的需要，在一个水文年内，库水位要在145～175m涨落，水位变动幅度达30m。这种水位变幅高度达30m的水环境变化，在未建库以前约为百年一遇，而水库建成后，30m的水位变幅几乎每年一遇。这频繁的高水位变化和强降雨、大洪水位的骤升和骤降，必然会破坏大气降水、地下水和地表水之间经过长期自然形成的水动力平衡状态，导致原有的地下水运移环境的突变，并形成三峡工程库区特殊的复合水环境动力效应及影响和控制着库区边坡灾害发生的频度与规模，这种前所未有的库水位升降变化所形成的特殊水环境动力效应及可能对库区边坡稳定性所产生的影响及发展趋势更成为国内外水利工程领域关注的焦点。应该指出，上述库水位升降变化动力效应而引发的边坡地质灾害不仅存在于三峡工程库区，而且在我国西南地区及黄河流域等已建成和相继开动建设中的一系列大型乃至巨型水利工程（如金沙江溪洛渡水电站、向家坝水电站、白鹤滩水电站、雅砻江锦屏水电站、澜沧江小湾水电站等）中都将普遍面临上述问题的威胁。所以，该类问题是我国水利水电工程建设与运营中具有普遍性和基础性的问题。因此，研究和建立水利工程库区水位升降变化动力效应条件下其库岸边坡灾变预测方法，不仅对三峡工程库区边坡，而且对类似水环境条件大型水利工程库区边坡的科学预测与防治将具有十分重要的理论意义价值和现实应用价值。在水诱发边坡各种预测方法与评价模型研究中，水对边坡稳定性的影响目前主要采用方法可化分为三类：一是根据渗流计算，确定土体的孔隙水压力分布，并应用极限平衡法的条分方法；二是考虑残余强度的方法，通过对土体抗剪峰值强度的折减来反映降雨作用的影响程度；三是基于大气降雨和地下水位的观测，研究降雨量、降雨强度及地下水作用规律与边坡灾害发生在时间上的对应关系，建立边坡灾害与降雨地下水的时空统计关系，以达到预测预报的目的。这不同研究途径各有侧重，同时也各有局限。前者强调的是水在边坡灾害形成中的作用机理与动因研究，后者则强调了边坡灾害受水环境触发因素影响的统计和相关规律的研究。然而，在重大灾变边坡的监测预警与防治工程实践中，人们不得不承认，极限平衡力学方法只引入静力平衡条件和材料剪切破坏的“摩尔-库仑”准则，回避了变形协调关系以及相应的本构关系，而且所建立的模型和参数是无时间参数的静态评价模型，所以，该类方法建模的局限给重大复杂边界和动力条件边坡的准确动态监测预警与评价常常会带来极大的困难；而传统位移监测预警方法是以监测位移和位移速率及其随时间变化作为边坡是否稳定和稳定程度的判识标准与依据，但是，位移和位移速率时序关系只能反映边坡变形随时间的变化规律，而根本反映不了决定边坡变形与稳定性的综合下滑动力的大小与变化，所以上述位移预测参数及其变化与边坡稳定性状态及演化规律并不存在确定性的一一对应关系。由于该类方法与模型反映不了边坡的动力大小与变化，这就决定了该类预测模型一般只能解释边坡的变形位移过程与规律，而解释不了引起边坡变形与失稳的形成机理与力学动因，且没有稳定统一的失稳判据，因此，这也决定了在运用该类方法对重大水利工程复杂水环境动力诱发重大灾变边坡预测预报与防治中必然受到极大的影响与局限，特别对其位移时序曲线受水动力因素和环境因素等的作用呈现出多期加速阶梯状振荡型变化的边坡，要完成其准确预测预报与监测预警将存在极大的困难。刘汉东和王思敬（2001）认为，由于边坡位移时间序列分析所得规律不是基于机理，因此，对其预测结果难以做出直接分析；美国学者B.Temel和Mualla（2005）指出，统计位移预测模型并没有涉及边坡力学特征及变形机理，因此，其预测结果常常带有很大的或然性。鉴于上述现状，本专利技术根据弹塑性力学和损伤力学的基本原理，并基于库水位升降变化动力特点和边坡位移与库水动力变化耦合作用规律，建立了该类边坡稳定性与其耦合作用规律的定量关系，以此为基础提出了一种利用库水位与边坡位移实时监测的耦合预测参数与检测评价方法。该边坡稳定性测定方法改变了传统位移时序预测法仅仅依据边坡位移或位移速率作为监测和预测边坡稳定性的思路，不仅可克服静态极限力学评价法无法检测和分析边坡稳定性随时间的变化规律的局限，同时又可克服传统位移时序预测方法无法检测和分析边坡形成机理与动因的弊端。上述特点均体现了该方法在边坡地质灾害监测预警与防治中具有重要的工程应用价值。
技术实现思路
本专利技术根据弹塑性力学和损伤力学的基本原理，并基于库水位升降变化动力特点和边坡位移与库水动力变化耦合作用规律，建立了该类边坡稳定性与其耦合作用规律的定量关系，以此为基础提出了一种利用库水位与边坡位移实时监测的耦合预测参数与检测评价方法。其具体专利技术思路是运用该类边坡库水位的下降引起的饱水坡体在滑面上的下滑力增量及抗滑力变化作为边坡的加载动力因素与参数，将边坡相应的位移或位移速率变化作为滑体对于外动力的响应参数，即当边坡的下滑力增大或抗滑力减小时看作是对边坡的动力加载过程，其下滑力和抗滑力的变化量之和作为边坡的加载动力量参数，其边坡相应位移或位移速率变化值作为边坡的加载动力响应参数。以边坡的加载动力参数和位移响应参数为依据，确定边坡动力增载模量响应比参数和评价模型；根据损伤力学的基本原理，确定以动力增载模量响应比为基本参数的边坡损伤变量参数（D），并以边坡损伤变量参数（D）为依据确定边坡安全系数以及边坡动力增载模量响应比稳定性预警判据。以边坡的位移—库水位动力增载模量响应比作为该类边坡稳定性的位移动力评价参数和边坡动力增载模量响应比稳定性本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于库水位和位移监测的库岸边坡稳定性测定方法，主要包括以下步骤：第一步：库水位与边坡位移监测点及基准点的选取；第二步：监测设备的布置与安装；第三步：边坡位移与库水位实时监测及实时监测数据处理；第四步：边坡库水位动力增载参数及动力增载序列的确定；第五步：边坡动力增载位移响应参数及位移响应序列的确定；第六步：边坡动力增载位移响应率参数及位移响应率序列的确定；第七步：边坡动力增载位移响应比参数及位移增载响应比序列的确定；第八步：边坡动力增载模量响应比与安全临界动力增载模量响应比判据的确定；第九步：运用边坡动力增载模量响应比对库岸边坡稳定性进行测定与评价；其中，第四步，边坡库水位动力增载参数及动力增载序列的确定方法为：将一定量的库水位变化所引起的饱水坡体在滑面上的下滑力增量及抗滑力变化作为边坡的加载动力因素与参数，对于某一特定边坡，每一年内，由库水位下降引起的对坡体的动力增载相等，用ΔPi表示，其表达式如下：所以，可建立边坡库水位动力增载序列为：其中，h2表示最终浸润线b至初始浸润线a的垂直高度；h3表示最低库水位hb至最终浸润线b的垂直高度；γ为天然重度，γsat为饱和重度,γ'为浮重度θ为滑面倾角，为坡体内摩擦角；Pbi表示第i年份库水位在hb时，坡体受到的下滑动力；Pai表示第i年份库水位在ha时，坡体受到的下滑动力；第五步：边坡动力增载位移响应参数及位移响应序列的确定方法为：在库水位由hai下降到hbi所引起的饱水坡体位移响应为，库水位从hai降至hbi时对应的饱水坡体位移量的差值，用ΔSi表示，其位移序列为：ΔSi＝Sbi-Sai，(3)其中，i表示第i监测年份；Sbi、Sai分别表示第i年库水位hb、ha时对应的饱水坡体的位移量；其中Sbi、Sai都可由第三步的监测数据确定；第六步：边坡动力增载位移响应率参数及位移响应率序列的确定方法为：根据饱水坡体在滑面上下滑力及抗滑力的变化及由此引起坡体位移量或位移速率的变化量，可确定任意单位统计分析周期内坡体由库水位动力变化引起的边坡位移响应率，即单位动力增载变化所引起的边坡位移量或位移速率的变化量，即其中，Yi为第i年由库水位下降引起的边坡动力增载位移响应率；ΔPi、ΔSi与第五步参数意义相同；第七步，边坡动力增载位移响应比参数及位移增载响应比序列的确定方法为：将坡体任意单位统计分析周期从第二周期算起的动力增载位移响应率与相邻前一单位统计分析周期的动力增载位移响应率之比定义为边坡动力增载位移响应比，用ηi表示，则ηi＝Yi/Yi-1，(5)ηi表示第i年由库水位下降引起的坡体动力增载位移响应比，Yi表示第i年由库水位下降引起的坡体动力增载位移响应率；Yi-1表示相邻前一年即第i-1年由库水位下降引起...

【专利技术属性】
技术研发人员：贺可强，陈洪翠，贺小曼，刘晓红，
申请(专利权)人：青岛理工大学，
类型：发明
国别省市：