滑坡災(zāi)變預(yù)測(cè)與安全保障新技術(shù)(張永興 )

1、2008重慶市工程勘察與地質(zhì)災(zāi)害防治技術(shù)研討會(huì)學(xué)術(shù)報(bào)告,滑坡災(zāi)變預(yù)測(cè)與安全保障新技術(shù),報(bào)告人 張 永 興,2009、1、12 重慶,1、概 論 2、滑坡災(zāi)變智能預(yù)測(cè)3、支護(hù)結(jié)構(gòu)的健康診斷4、錨固失效對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響5、邊坡巖土錨固安全性評(píng)價(jià)指南,提 綱,1、概 論,造 福,,研究意義,支擋結(jié)構(gòu)失穩(wěn)形成滑坡對(duì)城市及基礎(chǔ)設(shè)施產(chǎn)生直接威脅,災(zāi) 難,,研究意義,,研究意義,,技術(shù)路線,滑坡災(zāi)變預(yù)測(cè)與安全保障新

2、技術(shù),無支護(hù)結(jié)構(gòu)的滑坡預(yù)測(cè),支護(hù)結(jié)構(gòu)的健康診斷和安全保障技術(shù)研究,滑坡災(zāi)變預(yù)測(cè)模型研究,滑坡災(zāi)變判據(jù)研究,滑坡災(zāi)變示范區(qū)災(zāi)變預(yù)測(cè),滑坡－支護(hù)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)損傷診斷理論研究,滑坡－支護(hù)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)探傷及質(zhì)量診斷研究,錨固失效對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響分析,邊坡綜合處治技術(shù)及其在工程的應(yīng)用,,,,,,,,,,總結(jié)與推廣應(yīng)用,,,2、無支護(hù)結(jié)構(gòu)的 滑坡預(yù)測(cè),選擇萬州區(qū)吳家灣滑坡為示范區(qū),吳家灣滑坡的穩(wěn)定性也直接影響到三級(jí)臺(tái)階上的萬州火車西站場(chǎng)地,,,三

3、峽水庫蓄水后滑坡體將有二分之一被庫水淹沒。,圖1　現(xiàn)場(chǎng)剪切試驗(yàn),表1　示范區(qū)滑坡力學(xué)參數(shù)研究成果表,極限平衡法,計(jì)算方案（工況）為：（I） 自重力＋荷載＋暴雨（現(xiàn)狀）；（II）自重力（水下）＋荷載＋暴雨＋175m三峽庫水位；（III）自重力（水下）＋荷載＋暴雨＋175m水位陡降至145m；（IV） 自重力（水下）＋荷載＋暴雨＋175m水位+地震（V） 自重力＋暴雨＋庫水陡降時(shí)（按庫水0.82m/d，地下水

4、下降0.10m/d計(jì)）動(dòng)水壓力（庫水位從175m降至145m）＋地震力＋荷載。(基本上不可能出現(xiàn)的情況),I II III IV V VI,吳家灣滑坡隨條件變化其穩(wěn)定系數(shù)的降低曲線,FLAC模擬,有限元模擬,滑坡集成智能預(yù)報(bào)模型框架,ANN法：滑坡災(zāi)變預(yù)測(cè)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法　FIS法：滑坡災(zāi)變預(yù)測(cè)的模糊邏輯方法　AN－FI

5、S法：自適應(yīng)神經(jīng)－模糊推理系統(tǒng) 　GA－ANN法：元胞神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法,滑坡預(yù)報(bào)的計(jì)算智能方法,已有滑坡預(yù)報(bào)方法及判據(jù)一覽,計(jì)算智能預(yù)報(bào)模型采用的判據(jù),綜合信息模糊判據(jù),,各災(zāi)變因素的權(quán)重由系統(tǒng)通過學(xué)習(xí)或模糊推理自行確定,,,,,,,滑坡災(zāi)變示范區(qū)及其災(zāi)變預(yù)測(cè),,吳家灣滑坡災(zāi)變的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè),萬州城區(qū)具有相似形成條件的22個(gè)滑坡作為樣本， 11個(gè)輸入變量中，定量指標(biāo)需要進(jìn)行歸一化，定性指標(biāo)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，作為輸入樣本。根據(jù)22個(gè)滑坡樣本的

6、穩(wěn)定狀況，對(duì)照滑坡災(zāi)變判據(jù)，得到相應(yīng)的22個(gè)樣本的期望輸出評(píng)價(jià)矩陣，進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練。,訓(xùn)練好的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，即可進(jìn)行吳家灣滑坡的穩(wěn)態(tài)識(shí)別。,,,滑坡災(zāi)變示范區(qū)及其災(zāi)變預(yù)測(cè),,吳家灣滑坡災(zāi)變的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè),神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與極限平衡結(jié)果對(duì)比分析,吳家灣滑坡災(zāi)變的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)結(jié)果可與極限平衡結(jié)果是一致的,3、支護(hù)結(jié)構(gòu)的健康診斷,錨桿桿側(cè)膠結(jié)體和圍巖共同對(duì)錨桿的作用可用沿桿側(cè)分布的彈簧器和阻尼器來等效。,把桿側(cè)分為n段，其彈性系數(shù)和阻尼系數(shù)分別為,激勵(lì)

7、力 沿錨桿縱軸線方向，且均布于錨桿頂部。,基本力學(xué)模型,完整錨桿：理想情況，錨桿錨固較好，圍巖較 均質(zhì)，可認(rèn)為沿桿長的彈性系數(shù)和 阻尼系數(shù) 為不變的常數(shù)。缺陷錨桿：錨桿系統(tǒng)有缺陷的情況，即沿桿長 的彈性系數(shù)和阻尼系數(shù)沿桿長是變 化的。,,滑

8、坡－支護(hù)系統(tǒng)低應(yīng)變動(dòng)力學(xué)理論研究,完整與損傷錨桿結(jié)構(gòu)系統(tǒng)低應(yīng)變動(dòng)力響應(yīng)理論,結(jié)構(gòu)系統(tǒng)無損探傷理論概述,,振動(dòng)診斷的三種方法,參數(shù)識(shí)別法,直接從測(cè)量的輸入輸出信號(hào)識(shí)別模態(tài)參數(shù)或物理參數(shù)的變化情況，具有很大的方便性。盡管反問題往往不唯一和不確定，但輔以經(jīng)驗(yàn)判斷，求解結(jié)果工程上是認(rèn)可的，并隨著現(xiàn)代智能數(shù)學(xué)手段的發(fā)展和應(yīng)用，逐漸被人們所接受。,,滑坡－支護(hù)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)無損探傷及質(zhì)量診斷研究,錨桿系統(tǒng)損傷位置的診斷,,利用小波變換檢測(cè)錨桿損傷位置的原

9、理,錨桿系統(tǒng)的損傷通常會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)的觀測(cè)信號(hào)發(fā)生變化，利用小波分解變換檢測(cè)觀測(cè)信號(hào)的奇異點(diǎn)就可以檢測(cè)出錨桿損傷位置。,,滑坡－支護(hù)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)無損探傷及質(zhì)量診斷研究,,錨桿結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的識(shí)別,所謂錨桿－圍巖結(jié)構(gòu)系統(tǒng)識(shí)別就是依據(jù)已測(cè)得的動(dòng)測(cè)信號(hào)，提取能表征系統(tǒng)狀態(tài)的特征向量，再利用系統(tǒng)辨識(shí)手段估計(jì)系統(tǒng)的物理參數(shù)，建立特征向量－物理參數(shù)模型，從而達(dá)到對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行判別、評(píng)價(jià)的目的。,基于小波包分析的錨桿-圍巖結(jié)構(gòu)系統(tǒng)特征向量的提取,,滑坡－支護(hù)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)無

10、損探傷及質(zhì)量診斷研究,,錨固質(zhì)量的定量分析方法,錨桿－圍巖結(jié)構(gòu)系統(tǒng)錨固質(zhì)量的定量描述,對(duì)于全長錨固的錨桿桿錨固系統(tǒng)而言，其錨固質(zhì)量主要體現(xiàn)在錨桿桿側(cè)膠結(jié)體和圍巖共同對(duì)錨桿作用的等效特征參數(shù)的大小。,,錨桿錨固度,完全錨固 Q=1 有缺陷 Q<1完全失效 Q=0,,,滑坡－支護(hù)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)無損探傷及質(zhì)量診斷研究,,,不同圍巖條件下桿側(cè)剛度系數(shù)的擬合曲線,,錨固質(zhì)量的定量分析方法,,滑坡－支護(hù)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)無損探傷及質(zhì)量診斷研究

11、,,,,錨桿－圍巖結(jié)構(gòu)系統(tǒng)錨固質(zhì)量的定量分析步驟,錨固質(zhì)量的定量分析方法,,滑坡－支護(hù)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)無損探傷及質(zhì)量診斷研究,,,,錨桿系統(tǒng)無損探傷智能診斷系統(tǒng)的建立,數(shù)字模擬模塊,信號(hào)分析模塊,人工智能模塊,根據(jù)錨桿－圍巖結(jié)構(gòu)系統(tǒng)桿頂動(dòng)測(cè)問題的數(shù)學(xué)解，對(duì)錨桿桿頂?shù)牡蛻?yīng)變動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行了數(shù)值模擬。,用小波分析方法對(duì)信號(hào)進(jìn)行時(shí)譜分析，獲得損傷位置、錨桿長度，并提取表征錨桿結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的特征向量；,通過建立的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)錨桿－圍巖結(jié)構(gòu)系統(tǒng)進(jìn)行識(shí)別，獲得

12、桿側(cè)剛度系數(shù)的分布情況，并計(jì)算錨固度，對(duì)錨桿錨固質(zhì)量進(jìn)行定量評(píng)價(jià)。,錨桿系統(tǒng)無損探傷智能診斷系統(tǒng)的簡圖,,滑坡－支護(hù)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)無損探傷及質(zhì)量診斷研究,,工程應(yīng)用,,,根據(jù)對(duì)所測(cè)五根錨桿反射波形進(jìn)行本章所述的方法進(jìn)行結(jié)構(gòu)識(shí)別，得到沿桿長的剛度系數(shù)，并計(jì)算得到相應(yīng)的錨固度。 所測(cè)五根錨桿得錨固度在78.5%～88.4%之間，說明錨桿的錨固程度是相應(yīng)完整錨桿錨固質(zhì)量的2/3以上。,現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試波形。,,滑坡－支護(hù)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)無損探傷及

13、質(zhì)量診斷研究,,4、錨固失效對(duì)邊坡穩(wěn)定性 的影響,室內(nèi)相似模型試驗(yàn)單錨失效位置變化、錨力變化對(duì)群錨的影響不同位置單錨、群錨失效對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響坡面設(shè)置格子梁對(duì)錨索張力及邊坡穩(wěn)定性的影響不同錨固方式及無錨試件的比較有限元數(shù)值模擬預(yù)應(yīng)力錨索支護(hù)下的坡體應(yīng)力、應(yīng)變特征錨索受力特征錨索失效后其它錨的荷載重分布規(guī)律,主要研究內(nèi)容,,錨固失效對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響,,,,,,,本部分以實(shí)體工程作為研究對(duì)象，采用室內(nèi)模型試驗(yàn)，研

14、究不加錨邊坡破壞面形態(tài)；錨失效位置變化、不同位置錨力變化、不同邊坡巖土體變化、邊坡破壞形態(tài)變化等因素對(duì)錨固邊坡失穩(wěn)形態(tài)及機(jī)理的影響。,工點(diǎn)1 云南保龍高速路邊坡,實(shí)體工程工點(diǎn),,錨固失效對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響,,,,,,,工點(diǎn)2 向家坡邊坡,實(shí)體工程工點(diǎn),邊坡巖體中等風(fēng)化砂巖，裂隙較小，可視為均質(zhì)巖體，巖體單軸抗壓強(qiáng)度σp=22.88MPa，彈性模量Eo=10~20GPa，泊松比μ=0.15~0.34，重度γ=24.42kN/m3

15、，c=2.15MPa，φ=39.96°坡角63°錨索鋼絞線彈性模量Ep=180GPa，抗拉強(qiáng)度 1860MPa，鎖定荷載（預(yù)拉荷載）960kN，鎖定拉應(yīng)力σ=873MPa 中層滑帶c=55kPa，φ=26.0o，塊石土重度γ=24.92 kN/m3，滑帶傾角35o,室內(nèi)模型試驗(yàn)研究,試驗(yàn)裝置,測(cè)點(diǎn)位置圖,,試驗(yàn)方案,無錨與有錨對(duì)比實(shí)驗(yàn)坡面設(shè)置格子梁對(duì)錨索張力及邊坡穩(wěn)定性的影響（同一試件）坡面設(shè)置格子梁

16、對(duì)錨索張力及邊坡穩(wěn)定性的影響（不同試件，不同大小的錨索預(yù)應(yīng)力）錨索無粘結(jié)試件的對(duì)比試驗(yàn)錨索錨固端解除約束的對(duì)比試驗(yàn),錨索失效后坡體承載能力變化,邊坡位移和錨索張力的大小與結(jié)構(gòu)面的特征密切相關(guān)，若結(jié)構(gòu)面較光滑，則錨索承擔(dān)的下滑力較大，某根錨失效后其它錨間的荷載轉(zhuǎn)移明顯，對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響較大，如試件1-2、1-3、3-1。若結(jié)構(gòu)面有一定的粗糙度，則結(jié)構(gòu)面承擔(dān)的下滑力較大，單錨失效后群錨間的荷載轉(zhuǎn)移不明顯，錨失效對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響也不

17、大，如試件2-1。坡面施加格子梁后，格子梁與群錨形成空間承載體系，調(diào)動(dòng)更大范圍巖土體發(fā)揮自承能力，某根錨索張力損失后，其承擔(dān)的荷載轉(zhuǎn)移至格子梁，只要該三維體系能維持，錨失效對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響不會(huì)太顯著，如試件3-2、3-3。群錨中一旦錨索接連失效導(dǎo)致三維抗力體系變?yōu)槎S體系，邊坡穩(wěn)定性將急劇降低，如試件3-4。若錨固端約束失效引發(fā)錨索滑脫，則錨索張力和邊坡承載力將降低，端錨應(yīng)力損失和坡面格子梁對(duì)穩(wěn)定性的影響甚微，如試件5-1~5-3

18、。錨索最終能提供的錨固力與其初始預(yù)應(yīng)力的大小關(guān)系不大，且應(yīng)與格子梁結(jié)構(gòu)強(qiáng)度相匹配。根據(jù)坡面約束情況的不同，邊坡承載能力由大到小為：坡面設(shè)格子梁，縱粱，橫粱，無粱。,模型試驗(yàn)主要結(jié)論,錨索失效對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響的有限元分析,47,Nov, 2008,Chongqing University, Chongqing Communications Research & Design Institute,沿錨索長度方向的軸力分布,接觸