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滑坡災變預測與安全保障新技術

文檔作者：張永興		點擊數：	更新時間： 2025年02月19日
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2008重慶市工程勘察與地質災害防治技術
研討會學術報告
  滑坡災變預測與安全保障新技術
報告人 張 永 興 
2009、1、12   重慶
1、概  論 
2、滑坡災變智能預測
3、支護結構的健康診斷
4、錨固失效對邊坡穩定性的影響
5、邊坡巖土錨固安全性評價指南
提   綱
 1、概    論 
 造 
福
研究意義
支擋結構失穩形成滑坡對城市及基礎設施產生直接威脅
 災

難
研究意義
研究意義
技術路線
滑坡災變預測與安全保障新技術
無支護結構的滑坡預測
支護結構的健康診斷和安全保障技術研究
滑坡災變預測模型研究
滑坡災變判據研究
滑坡災變示范區災變預測
滑坡－支護結構系統損傷診斷理論研究
滑坡－支護結構系統探傷及質量診斷研究
錨固失效對邊坡穩定性的影響分析
邊坡綜合處治技術及其在工程的應用
總結與推廣應用
2、無支護結構的
    滑坡預測
 選擇萬州區吳家灣滑坡為示范區
吳家灣滑坡的穩定性也直接影響到三級臺階上的萬州火車西站場地 
三峽水庫蓄水后滑坡體將有二分之一被庫水淹沒。 
圖1　現場剪切試驗
表1　示范區滑坡力學參數研究成果表
極限平衡法
計算方案（工況）為：
（I）  自重力＋荷載＋暴雨（現狀）；
（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（按庫水0.82m/d，地下水下降0.10m/d計）動水壓力（庫水位從175m降至145m）＋地震力＋荷載。(基本上不可能出現的情況)
  I             II             III            IV            V             VI
吳家灣滑坡隨條件變化其穩定系數的降低曲線

FLAC模擬
有限元模擬
滑坡智能集成預 報 模 型

GIS綜合信息管
理與評價系統
數據信息交換
滑坡計算智能
集成預報方法
滑坡模糊綜合
信息預 報 判 據
地表環境信息
地質環境信息
氣象水文信息
力學特征信息
工程活動信息

滑坡成災機理
數值模擬分析

滑坡集成智能預報模型框架
　ANN法：滑坡災變預測的神經網絡方法
　FIS法：滑坡災變預測的模糊邏輯方法
　AN－FIS法：自適應神經－模糊推理系統 
　GA－ANN法：元胞神經網絡方法
滑坡預報的計算智能方法
預報對象

預報模型

預報方法

預報判據

空間預報

線性回歸模型

統計預測法

聚類分析模型

灰色聚類法

聚類向量擇大

人工神經網絡模型

ANN法

期望輸出

GIS多因子定量分析模型

逐步篩選綜合系數法

最佳預測因子

時間預報

齋藤模型

經驗公式

應變速率

福囿模型

實驗擬合公式

滑坡速度

哈亞稀模型

擬合公式

滑坡速度

位移加速度回歸模型

監測曲線回歸方程外推法

位移加速度

勻加速條件時間預報模型

統計方法

位移

灰色Verhulst模型

灰色統計方法

滑體變形功率模型

功能原理

位移峰值

分形時間預測模型

分形理論

位移分維值

非線性動力學模型

反演理論

動力學判據

Pearl預報模型

統計方法

位移

強度預報

運動機理滑速或滑距模型

運動機理與運動學結合

滑坡敏感度圖

制圖法

地震滑坡危險度圖

危險度分區

GIS滑坡災害災情評估系統

圖形信息一體化

已有滑坡預報方法及判據一覽
　　計算智能預報模型采用的判據
　　　　　綜合信息模糊判據
                    
　　各災變因素的權重由系統通過學習或模糊推理自行確定
滑坡災變示范區及其災變預測 
吳家灣滑坡災變的神經網絡預測 
    萬州城區具有相似形成條件的22個滑坡作為樣本， 11個輸入變量中，定量指標需要進行歸一化，定性指標進行標準化處理，作為輸入樣本。根據22個滑坡樣本的穩定狀況，對照滑坡災變判據，得到相應的22個樣本的期望輸出評價矩陣，進行網絡訓練。
訓練好的神經網絡模型，即可進行吳家灣滑坡的穩態識別。 
滑坡災變示范區及其災變預測 
吳家灣滑坡災變的神經網絡預測 
神經網絡與極限平衡結果對比分析 
吳家灣滑坡災變的神經網絡預測結果可與極限平衡結果是一致的

3、支護結構的健康診斷

錨桿桿側膠結體和圍巖共同對錨桿的作用可用沿桿側分布的彈簧器和阻尼器來等效。 
把桿側分為n段，其彈性系數和阻尼系數分別為  
激勵力     沿錨桿縱軸線方向，且均布于錨桿頂部。 
基本力學模型
完整錨桿：理想情況，錨桿錨固較好，圍巖較   
                      均質，可認為沿桿長的彈性系數和  
                      阻尼系數 為不變的常數。
缺陷錨桿：錨桿系統有缺陷的情況，即沿桿長   
                     的彈性系數和阻尼系數沿桿長是變 
                     化的。
滑坡－支護系統低應變動力學理論研究 
 完整與損傷錨桿結構系統低應變動力響應理論 
結構系統無損探傷理論概述  
 
振動診斷的三種方法
直接分析法 
從具有故障結構的數學模型出發，研究故障引起的響應變化規律。但這種數學模型的建立較為困難的。 
時序分析法 
信號的變化與凝聚，對判別是否有故障特別有效。但由于時序模型中的參數沒有明確的物理意義，因此很難判斷故障的位置。 
參數識別法 
直接從測量的輸入輸出信號識別模態參數或物理參數的變化情況，具有很大的方便性。盡管反問題往往不唯一和不確定，但輔以經驗判斷，求解結果工程上是認可的，并隨著現代智能數學手段的發展和應用，逐漸被人們所接受。 
滑坡－支護結構系統無損探傷及質量診斷研究 
錨桿系統損傷位置的診斷 
 
利用小波變換檢測錨桿損傷位置的原理 
錨桿系統的損傷通常會導致系統的觀測信號發生變化，利用小波分解變換檢測觀測信號的奇異點就可以檢測出錨桿損傷位置。
滑坡－支護結構系統無損探傷及質量診斷研究 
 
錨桿結構系統的識別
所謂錨桿－圍巖結構系統識別就是依據已測得的動測信號，提取能表征系統狀態的特征向量，再利用系統辨識手段估計系統的物理參數，建立特征向量－物理參數模型，從而達到對系統進行判別、評價的目的。 
基于小波包分析的錨桿-圍巖結構系統特征向量的提取 
滑坡－支護結構系統無損探傷及質量診斷研究 
 
錨固質量的定量分析方法 
錨桿－圍巖結構系統錨固質量的定量描述 
對于全長錨固的錨桿桿錨固系統而言，其錨固質量主要體現在錨桿桿側膠結體和圍巖共同對錨桿作用的等效特征參數的大小。 
錨桿錨固度 
實際錨桿各段錨固情況 
對應錨桿各段完整錨固情況 
完全錨固  Q=1
    有缺陷  Q<1
完全失效  Q=0
滑坡－支護結構系統無損探傷及質量診斷研究 
 
完整錨桿結構系統桿側剛度系數的確定 
要確定錨桿的錨固度，需要知道完整錨固狀態下桿側的剛度系數。
錨桿錨固結構系統桿側動剛度系數主要取決于圍巖的變形模量（暫且忽略砂漿的影響）
完整錨桿結構系統桿側剛度系數的確定方法 
取不同圍巖變形模量及對應的圍巖密度，進行三維有限元模擬，得到不同的動力曲線，然后通過所建立的神經網絡系統識別，得到不同圍巖條件下的桿側剛度因子，再根據根據錨桿設計參數反算剛度系數。 
不同圍巖條件下桿側剛度系數的擬合曲線 
錨固質量的定量分析方法 
滑坡－支護結構系統無損探傷及質量診斷研究 
 
錨桿－圍巖結構系統錨固質量的定量分析步驟 
錨固質量的定量分析方法 
滑坡－支護結構系統無損探傷及質量診斷研究 
 
錨桿系統無損探傷智能診斷系統的建立
數字模擬模塊 
信號分析模塊 
人工智能模塊 
根據錨桿－圍巖結構系統桿頂動測問題的數學解，對錨桿桿頂的低應變動力響應進行了數值模擬。 
用小波分析方法對信號進行時譜分析，獲得損傷位置、錨桿長度，并提取表征錨桿結構系統的特征向量； 
通過建立的人工神經網絡對錨桿－圍巖結構系統進行識別，獲得桿側剛度系數的分布情況，并計算錨固度，對錨桿錨固質量進行定量評價。 
錨桿系統無損
探傷智能診斷
系統的簡圖 
滑坡－支護結構系統無損探傷及質量診斷研究

工程應用

根據對所測五根錨桿反射波形進行本章所述的方法進行結構識別，得到沿桿長的剛度系數，并計算得到相應的錨固度。
       所測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完整錨桿錨固質量的2/3以上。  
現場測試波形。
滑坡－支護結構系統無損探傷及質量診斷研究 
4、錨固失效對邊坡穩定性
    的影響 
室內相似模型試驗
單錨失效位置變化、錨力變化對群錨的影響
不同位置單錨、群錨失效對邊坡穩定性的影響
坡面設置格子梁對錨索張力及邊坡穩定性的影響
不同錨固方式及無錨試件的比較
有限元數值模擬
預應力錨索支護下的坡體應力、應變特征
錨索受力特征
錨索失效后其它錨的荷載重分布規律
主要研究內容
錨固失效對邊坡穩定性的影響 
    本部分以實體工程作為研究對象，采用室內模型試驗，研究不加錨邊坡破壞面形態；錨失效位置變化、不同位置錨力變化、不同邊坡巖土體變化、邊坡破壞形態變化等因素對錨固邊坡失穩形態及機理的影響。
工點1 云南保龍高速路邊坡 
實體工程工點 
錨固失效對邊坡穩定性的影響 
工點2 向家坡邊坡 
實體工程工點 
邊坡巖體
中等風化砂巖，裂隙較小，可視為均質巖體，巖體單軸抗壓強度σp=22.88MPa，彈性模量Eo=10~20GPa，泊松比μ=0.15~0.34，重度γ=24.42kN/m3，c=2.15MPa，φ=39.96°坡角63°
錨索
鋼絞線彈性模量Ep=180GPa，抗拉強度 1860MPa，鎖定荷載（預拉荷載）960kN，鎖定拉應力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
室內模型試驗研究
備注：41
試驗裝置
測點位置圖
備注：42
試驗方案
無錨與有錨對比實驗
坡面設置格子梁對錨索張力及邊坡穩定性的影響（同一試件）
坡面設置格子梁對錨索張力及邊坡穩定性的影響（不同試件，不同大小的錨索預應力）
錨索無粘結試件的對比試驗
錨索錨固端解除約束的對比試驗

備注：43
試件	失效原因	失效前(kN)	失效后(kN)	卸荷率(%)
1-2	單錨端頭	45	34	24
1-2	群錨端頭	45	25	44
1-2	群錨斷裂	85	35	59
1-3	1根錨斷裂	105	90	14
1-3	2根錨斷裂	105	85	19
1-3	3根錨斷裂	105	80	24
1-3	群錨（4根）斷裂	105	68	35
2-1	群錨端頭	112	98	12
3-1	1根錨斷裂
2根錨斷裂，2根錨頭松弛	100
120	78
78	22
35
3-2	群錨端頭	111	100	10
3-3	1根錨斷裂
1根錨斷裂，3根錨頭松弛	110
114	93
100	15
12
3-4	3根錨頭松弛，1根錨斷裂	105	42	60
4-1	群錨端頭	104	86	17
5-1	從漿筋界面處脫出	110	90	18
5-2	從漿筋界面處脫出	120	103	14
5-3	從漿筋界面處脫出	80	64	20
錨索失效后坡體承載能力變化
備注：44
邊坡位移和錨索張力的大小與結構面的特征密切相關，若結構面較光滑，則錨索承擔的下滑力較大，某根錨失效后其它錨間的荷載轉移明顯，對邊坡穩定性的影響較大，如試件1-2、1-3、3-1。
若結構面有一定的粗糙度，則結構面承擔的下滑力較大，單錨失效后群錨間的荷載轉移不明顯，錨失效對邊坡穩定性的影響也不大，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，調動更大范圍巖土體發揮自承能力，某根錨索張力損失后，其承擔的荷載轉移至格子梁，只要該三維體系能維持，錨失效對邊坡穩定性影響不會太顯著，如試件3-2、3-3。
群錨中一旦錨索接連失效導致三維抗力體系變為二維體系，邊坡穩定性將急劇降低，如試件3-4。
若錨固端約束失效引發錨索滑脫，則錨索張力和邊坡承載力將降低，端錨應力損失和坡面格子梁對穩定性的影響甚微，如試件5-1~5-3。
錨索最終能提供的錨固力與其初始預應力的大小關系不大，且應與格子梁結構強度相匹配。
根據坡面約束情況的不同，邊坡承載能力由大到小為：坡面設格子梁，縱粱，橫粱，無粱。
模型試驗主要結論
備注：45
錨索失效對邊坡穩定性影響的
有限元分析
	單元類型	組	單元數	幾何尺寸		
下滑體	2D Solid	2D-Planar	569	坡高10m		
上滑體	2D Solid	2D-Planar	202	坡角45°		
錨索	Truss	Rebar	62	索長8.1m	傾角10°	截面積0.01 m2
備注：46
47
Nov, 2008
Chongqing University, Chongqing Communications Research &amp;amp; Design Institute
沿錨索長度方向的軸力分布
接觸反力
備注：47
安全系數
上排索失效
上、中排索失效
邊坡安全系數隨預應力損失和各種形式的錨失效呈加速下降的趨勢，與試件1-3和試件3-4的實驗結果一致
備注：48
錨極限承載力評價
5. 邊坡巖土錨固安全性評價指南
項目名稱	檢測與評價結果	檢測與評價結果	檢測與評價結果
錨極限承載力	測試值≥設計值	0.5倍設計值≤測試值2

錨長安全性	
不合格	
合格	
優良
錨長評價
項目名稱	檢測與評價結果	檢測與評價結果	檢測與評價結果	檢測與評價結果

灌漿飽滿度	
≤70%	
70%~80%	
80%~90%	
>90%

灌漿飽滿度
安全性	不合格	合格	良	優
灌漿飽滿度評價
備注：50
項目名稱	檢測與評價結果	檢測與評價結果	檢測與評價結果	檢測與評價結果
預應力損失率	≤10%	10%~20%	20%~30%	>30%
預應力損失率
安全性	優	良	合格	不合格
預應力超載率	≤20%	20%~50%	50%~100%	>100%
預應力超載率
安全性	優	良	合格	不合格
預應力評價
項目名稱	估算與評價結果	估算與評價結果	估算與評價結果
剩余壽命	≤2年	2年~50年	>50年
腐蝕	嚴重腐蝕	中度腐蝕、輕微腐蝕	基本無腐蝕
腐蝕安全性	不合格	合格	優
 腐蝕評價
備注：51

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