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室内土工试验原位大剪试验经验值反算值综合取值剖面号状态c(kPa)φ(°)c(kPa)φ(°)c(kPa)φ(°)c(kPa)φ(°)c(kPa)φ(°)18-18’22.1911.8632.512.22151313.110.813.4211.0316-16’天然22.1911.8632.512.22151310.58.512.419.0818-18’15.6112.91141112.610.412.8910.5916-16’饱和15.6112.911411108.210.688.72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)0.60.811.2123456计算工况稳定系数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LiL2L1kiηik22ηknηn1ηk1bηxL0kbQ(t)图3.2损伤锚杆低应变动力响应问题数学力学模型Fig.3.2Mathematical-mechanicalmodelonsmallstraindynamicresponseofdefectanchorbar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,iik激励力沿锚杆纵轴线方向，且均布于锚杆顶部。()Qt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11nmswiijjijQMMlkLKkbηnKmbηiηKi2ηK2Lm1ηK1L1L2lnkbηbk1η1nηknη2k2iηkil1l2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Q1完全失效Q=05115mijjijQLkLK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20.0009720.3310.582ssskEE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对测试所得的杆顶动力响应信号进行小波包分析，得到表征锚杆结构系统的特征向量。将所获得的特征向量作为网络输入对所测的锚杆－围岩结构系统进行识别，得到沿杆长平均5段每段的杆侧刚度因子。根据锚杆几何参数，由各段刚度因子换算各段刚度系数。计算实际锚杆系统的锚固量51/5siiMLk。根据地勘资料获得各类围岩沿锚杆杆侧的分布情况及各类围岩的力学特性。根据拟合公式（7.28）计算对应各类围岩的刚度系数。根据杆侧围岩分布情况计算对应完整锚杆系统的锚固量51wIiiMLK。计算实际锚杆结构系统的锚固度5115mijjijQLkLK。图7.32锚杆锚固质量定量分析步骤开始结束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。应力波传感器价、算质固量评锚杆锚杆统侧系锚杆锚杆智信处理号分析能设参数计入输杆锚收接号信应力波发生器陷缺位杆底、置判别系数度刚布分长度确定、缺陷评价锚计度固输出结果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作者重庆金渝大道白鹤咀隧道右洞出口处K13+550～K13+500段的五根锚杆的锚固质量进行了测试，此段隧道围岩为粉砂泥质结构的砂质泥岩，厚层状构造，属III类围岩。岩块的弹性模量96.78110sEPa，锚杆设计参数为直径22mm的螺纹钢筋，长3m，采用锚固剂进行锚固，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。锚杆2锚杆3锚杆4锚杆5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