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滑坡灾变预测与安全保障新技术

文档作者：张永兴		点击数：	更新时间： 2025年02月19日
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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)
  I             II             III            IV            V             VI
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=24.92 kN/m3，滑带倾角35o
室内模型试验研究
备注：41
试验装置
测点位置图
备注：42
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

备注：43
试件	失效原因	失效前(kN)	失效后(kN)	卸荷率(%)
1-2	单锚端头	45	34	24
1-2	群锚端头	45	25	44
1-2	群锚断裂	85	35	59
1-3	1根锚断裂	105	90	14
1-3	2根锚断裂	105	85	19
1-3	3根锚断裂	105	80	24
1-3	群锚（4根）断裂	105	68	35
2-1	群锚端头	112	98	12
3-1	1根锚断裂
2根锚断裂，2根锚头松弛	100
120	78
78	22
35
3-2	群锚端头	111	100	10
3-3	1根锚断裂
1根锚断裂，3根锚头松弛	110
114	93
100	15
12
3-4	3根锚头松弛，1根锚断裂	105	42	60
4-1	群锚端头	104	86	17
5-1	从浆筋界面处脱出	110	90	18
5-2	从浆筋界面处脱出	120	103	14
5-3	从浆筋界面处脱出	80	64	20
锚索失效后坡体承载能力变化
备注：44
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
备注：45
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	2D Solid	2D-Planar	569	坡高10m		
上滑体	2D Solid	2D-Planar	202	坡角45°		
锚索	Truss	Rebar	62	索长8.1m	倾角10°	截面积0.01 m2
备注：46
47
Nov, 2008
Chongqing University, Chongqing Communications Research &amp;amp; Design Institute
沿锚索长度方向的轴力分布
接触反力
备注：47
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
备注：48
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	检测与评价结果	检测与评价结果
锚极限承载力	测试值≥设计值	0.5倍设计值≤测试值2

锚长安全性	
不合格	
合格	
优良
锚长评价
项目名称	检测与评价结果	检测与评价结果	检测与评价结果	检测与评价结果

灌浆饱满度	
≤70%	
70%~80%	
80%~90%	
>90%

灌浆饱满度
安全性	不合格	合格	良	优
灌浆饱满度评价
备注：50
项目名称	检测与评价结果	检测与评价结果	检测与评价结果	检测与评价结果
预应力损失率	≤10%	10%~20%	20%~30%	>30%
预应力损失率
安全性	优	良	合格	不合格
预应力超载率	≤20%	20%~50%	50%~100%	>100%
预应力超载率
安全性	优	良	合格	不合格
预应力评价
项目名称	估算与评价结果	估算与评价结果	估算与评价结果
剩余寿命	≤2年	2年~50年	>50年
腐蚀	严重腐蚀	中度腐蚀、轻微腐蚀	基本无腐蚀
腐蚀安全性	不合格	合格	优
 腐蚀评价
备注：51

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