滑坡風(fēng)險量化方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及滑坡風(fēng)險量化方法，屬于專門適用于特定應(yīng)用的數(shù)據(jù)處理的方法技術(shù)領(lǐng)域。其解決了現(xiàn)有技術(shù)存在的耗時多、量化不合理的缺陷。本發(fā)明步驟如下：確定邊坡幾何模型、土層巖土力學(xué)參數(shù)、統(tǒng)計參數(shù)；生成符合土層參數(shù)統(tǒng)計特性的蒙特卡羅抽樣樣本；邊坡確定性分析確定每個蒙特卡羅樣本下的滑動區(qū)域；失穩(wěn)趨勢判斷；確定滑動區(qū)域滑入點、滑出點之間歸一化高差；每個蒙特卡羅樣本值下的風(fēng)險量化；歸一化高差來量化滑坡的風(fēng)險。本發(fā)明綜合利用簡化Bishop法和Morgenstern?Price法得到的滑動區(qū)域進(jìn)行滑坡風(fēng)險的初步量化，進(jìn)而結(jié)合滑動區(qū)域的滑入點、滑出點之間的高差來量化滑坡風(fēng)險，結(jié)合蒙特卡羅法實現(xiàn)滑坡風(fēng)險的最終量化。
【專利說明】
滑坡風(fēng)險量化方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明設(shè)及滑坡風(fēng)險量化方法，屬于?？谶m用于特定應(yīng)用的數(shù)據(jù)處理的方法技術(shù) 領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 我國是地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)的國家之一，每年因為地質(zhì)災(zāi)害，尤其是滑坡，導(dǎo)致的人員傷 亡、財產(chǎn)損失巨大。因此，滑坡災(zāi)害已經(jīng)成為制約我國經(jīng)濟(jì)、社會發(fā)展的主要因素之一。滑坡 發(fā)生時，一定數(shù)量的滑動體沿不同形狀的滑動面快速運動，形成勢能和動能很大的危險源， 運種危險源會沖跨房屋、橋梁等建筑物，吞沒村莊，極具破壞性。譬如，2014年8月28日晚，貴 州省駭南州福泉市道坪鎮(zhèn)英坪村小巧組發(fā)生山體滑坡，造成至少6人遇難，22人受傷，21人 失去聯(lián)系，77棟房屋受損;2015年11月13日晚，浙江麗水市蓮都區(qū)雅溪鎮(zhèn)里東村發(fā)生一山體 滑坡，山體滑坡導(dǎo)致的塌方量達(dá)30余萬立方米，造成27戶房屋被埋，房屋進(jìn)水21戶。由此可 見，如何提前對潛在的滑坡源進(jìn)行評估、量化具有非常重要的社會意義。
[0003] 然而，盡管目前滑坡評價的方法已經(jīng)趨于成熟，工程設(shè)計人員可應(yīng)用強度折減方 法和有限單元法聯(lián)合進(jìn)行滑坡的穩(wěn)定性評價和風(fēng)險評價，然而，鑒于強度折減有限元方法 的巨大耗時缺陷，目前特別需要一種耗時少的、合理量化、評價滑坡風(fēng)險的方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)存在的缺點，尋求一種滑坡風(fēng)險量化方法，在極 限平衡方法中的簡化Bi shop法和Morgenstern-Price法運行的基礎(chǔ)上，綜合利用兩種方法 得到的滑動區(qū)域進(jìn)行滑坡風(fēng)險的初步量化，進(jìn)而結(jié)合滑動區(qū)域的滑入點、滑出點之間的高 差來量化滑坡風(fēng)險，結(jié)合蒙特卡羅法實現(xiàn)滑坡風(fēng)險的最終量化。
[0005] 本發(fā)明是采用W下的技術(shù)方案實現(xiàn)的：一種滑坡風(fēng)險量化方法，包括如下步驟：
[0006] 步驟一:確定邊坡幾何模型、±層巖±力學(xué)參數(shù)、統(tǒng)計參數(shù)；
[0007] 步驟二:生成符合±層參數(shù)統(tǒng)計特性的蒙特卡羅抽樣樣本；
[000引步驟邊坡確定性分析確定每個蒙特卡羅樣本下的滑動區(qū)域；
[0009]步驟四：每個蒙特卡羅樣本下滑動區(qū)域的失穩(wěn)趨勢判斷；
[0010]步驟五:確定滑動區(qū)域滑入點、滑出點之間歸一化高差；
[0011] 步驟六:每個蒙特卡羅樣本值下風(fēng)險量化；
[0012] 步驟屯:匯總每個蒙特卡羅樣本下滑動區(qū)域的面積、失穩(wěn)趨勢W及滑入點、滑出點 之間的歸一化高差來量化滑坡的風(fēng)險。
[0013] 進(jìn)一步地，步驟一中的±層巖±力學(xué)參數(shù)是利用現(xiàn)場試驗、測量確定邊坡的坡度、 坡頂和坡角的延展范圍W及邊坡±層的構(gòu)成情況，W及根據(jù)室內(nèi)常規(guī)±工試驗確定的。
[0014] 進(jìn)一步地，步驟一中的±層巖±力學(xué)參數(shù)包括密度P、粘聚力cW及內(nèi)摩擦角巧的均 值W及相應(yīng)的變異系數(shù)值vp、vc和
[0015] 進(jìn)一步地，步驟二中的蒙特卡羅抽樣樣本是根據(jù)步驟一確定的±層數(shù)目和每種± 層中的巖±力學(xué)參數(shù)確定總的隨機變量個數(shù)n，分析各個隨機變量之間的相關(guān)性并生成相 應(yīng)的相關(guān)系數(shù)矩陣T，然后初步確定蒙特卡羅抽樣次數(shù)N=1000 OO,利用化Olesky分解T生成 下=角矩陣レ將L乘W標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)隨機變量并結(jié)合其均值與標(biāo)準(zhǔn)差得到符合隨機變量相關(guān)性 的樣本值。
[0016] 進(jìn)一步地，步驟=中的蒙特卡羅樣本下的滑動區(qū)域是針對步驟二生成的每一個樣 本值，將其視為邊坡±層參數(shù)的確定性輸入值，利用極限平衡方法中的簡化Bishop法和 Morgenstern-Price法計算其最小的安全系數(shù)W及相應(yīng)的滑動區(qū)域。
[0017] 進(jìn)一步地，進(jìn)一步地，步驟S中，簡化Bi shop法假定的滑動區(qū)域為圓弧型， Mcxrgenstern-Price法假定的滑動區(qū)域為任意形狀。
[0018] 進(jìn)一步地，步驟四中，最小簡化法Bi shop安全系數(shù)FSl和最小Morgenstern-Pr ice 法安全系數(shù)Fs2,計算Fs=(Fsi+Fs2)*0.5,判斷Fs是否小于1.0,若是，則說明該樣本下所得滑 動區(qū)域的失穩(wěn)趨勢為失穩(wěn);否則，其失穩(wěn)趨勢為未失穩(wěn)。
[0019] 進(jìn)一步地，步驟五中，圓弧滑動區(qū)域AOB和任意滑動區(qū)域C0D，兩者求和操作之后得 到綜合的滑動區(qū)域為C0B，確定C點和D點之間的高差，并用運個高差除W邊坡的高度進(jìn)行歸 一化，記為Sh。
[0020] 進(jìn)一步地，步驟六中，計算綜合的滑動區(qū)域COB相對應(yīng)的面積A，失穩(wěn)趨勢P為失穩(wěn) 的記為1，未失穩(wěn)的記為0;綜合滑動區(qū)域COB的歸一化高差如，將W上運些因素相乘，得到每 一個樣本值下的風(fēng)險量化值ri = A*p*Sh/N。
[0021] 進(jìn)一步地，步驟屯中，將每一個樣本值下的ri進(jìn)行匯總得到Eri，即滑坡的風(fēng)險值 Lr 二乙 Ti。
[0022] 本發(fā)明的有益效果是:本發(fā)明所述的滑坡風(fēng)險量化方法，通過在極限平衡方法中 的簡化Bishop法和Morgenstern-Pr ice法運行的基礎(chǔ)上，綜合利用兩種方法得到的滑動區(qū) 域進(jìn)行滑坡風(fēng)險的初步量化，進(jìn)而結(jié)合滑動區(qū)域的滑入點、滑出點之間的高差來量化滑坡 風(fēng)險，結(jié)合蒙特卡羅法實現(xiàn)滑坡風(fēng)險的最終量化，耗時少的、合理量化、評價滑坡風(fēng)險的方 法。
【附圖說明】
[0023] 圖1是本發(fā)明流程框圖。
[0024] 圖2是圓弧和非圓弧滑動區(qū)域數(shù)學(xué)模擬示意圖。
[0025] 圖3是滑動區(qū)域求和操作示意圖。
[00%]圖4是多層邊坡示意圖。
[0027] 圖5是某樣本值下滑動區(qū)域求和后示意圖。
【具體實施方式】
[0028] 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
[0029] 實施例一；
[0030] 如圖1所示，本發(fā)明所述的滑坡風(fēng)險量化方法，包括如下步驟：
[0031 ]步驟一:確定邊坡幾何模型、±層巖±力學(xué)參數(shù)、統(tǒng)計參數(shù)；
[0032]步驟二:生成符合±層參數(shù)統(tǒng)計特性的蒙特卡羅抽樣樣本；
[0033] 步驟=:邊坡確定性分析確定每個蒙特卡羅樣本下的滑動區(qū)域；
[0034] 步驟四：每個蒙特卡羅樣本下滑動區(qū)域的失穩(wěn)趨勢判斷；
[0035] 步驟五:確定滑動區(qū)域滑入點、滑出點之間歸一化高差；
[0036] 步驟六:每個蒙特卡羅樣本值下風(fēng)險量化；
[0037] 步驟屯:匯總每個蒙特卡羅樣本下滑動區(qū)域的面積、失穩(wěn)趨勢W及滑入點、滑出點 之間的歸一化高差來量化滑坡的風(fēng)險。
[003引實施例二：
[0039] 步驟一:利用現(xiàn)場試驗、測量確定邊坡的坡度、坡頂和坡角的延展范圍W及邊坡± 層的構(gòu)成情況。根據(jù)室內(nèi)常規(guī)±工試驗確定±層的巖±力學(xué)參數(shù)，譬如密度P、粘聚力cW及 內(nèi)摩擦角巧的均值W及相應(yīng)的變異系數(shù)值Vp、Vc和哪。
[0040] 步驟二:根據(jù)步驟一確定的±層數(shù)目和每種±層中的巖±力學(xué)參數(shù)確定總的隨機 變量個數(shù)n，分析各個隨機變量之間的相關(guān)性并生成相應(yīng)的相關(guān)系數(shù)矩陣T，然后初步確定 蒙特卡羅抽樣次數(shù)N=1000 OO,利用化Olesky分解T生成下S角矩陣L將1乘W標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)隨 機變量并結(jié)合其均值與標(biāo)準(zhǔn)差得到符合隨機變量相關(guān)性的樣本值；
[0041] 步驟針對步驟二生成的每一個樣本值，將其視為邊坡±層參數(shù)的確定性輸入 值，利用極限平衡方法中的簡化Bi shop法和Morgenstern-Pr ice法計算其最小的安全系數(shù) W及相應(yīng)的滑動區(qū)域;其中簡化Bi shop法假定的滑動區(qū)域為圓弧型，Morgens tern-Pri Ce法 假定的滑動區(qū)域為任意形狀，圓弧和任意形狀的滑動區(qū)域構(gòu)建方法如圖2所示。由圖2可見， 圓弧滑動區(qū)域的數(shù)學(xué)模擬需要=個變量來模擬，即圓弧圓屯、的坐標(biāo)Xc、ycW及圓弧半徑R;任 意滑動區(qū)域的數(shù)學(xué)模擬需要的數(shù)學(xué)變量個數(shù)一般多于3個，對于一般的滑坡穩(wěn)定分析問題， 任意滑動區(qū)域可用15~20個點的直線連接來模擬，由圖2可知，W六個點的直線連接為例， 該任意滑動區(qū)域的數(shù)學(xué)模擬需要別、》3、7[3、義(；、7(；、別、70、孔、7￡、恥共計10個變量。對于需要11 個點的直線連接來模擬的任意滑動區(qū)域，其數(shù)學(xué)模擬變量個數(shù)為2(n-l);
[0042] 步驟四：針對步驟S計算得到的最小簡化法Bi shop安全系數(shù)Fsi和最小 Morgenstern-Price法安全系數(shù)Fs2，計算Fs= (Fsi+Fs2)*0.5，判斷FS是否小于1.0，若是，則 說明該樣本下所得滑動區(qū)域的失穩(wěn)趨勢為失穩(wěn);否則，其失穩(wěn)趨勢為未失穩(wěn)；
[0043] 步驟五:將該樣本值下，簡化Bishop法和Morgenstern-Price法所得最小安全系數(shù) 上對應(yīng)的滑動區(qū)域進(jìn)行求和操作，得到該樣本值下的綜合滑動區(qū)域，具體求和操作示意圖 如圖3所示。由圖3可知，圓弧滑動區(qū)域AOB和任意滑動區(qū)域C0D，兩者求和操作之后得到綜合 的滑動區(qū)域為C0B，確定C點和D點之間的高差，并用運個高差除W邊坡的高度進(jìn)行歸一化， 記為Sh;
[0044] 步驟六:在每一個樣本值下，計算綜合的滑動區(qū)域COB相對應(yīng)的面積A，失穩(wěn)趨勢P 為失穩(wěn)的記為1，未失穩(wěn)的記為0;綜合滑動區(qū)域COB的歸一化高差Sh，將W上運些因素相乘， 得到每一個樣本值下的風(fēng)險量化值ri = A*p*Sh/N。
[0045] 步驟屯:將每一個樣本值下的ri進(jìn)行匯總得到Eri，即滑坡的風(fēng)險值以二乙^。
[0046] 實施例
[0047] 下面結(jié)合圖4、5進(jìn)行實例說明。圖4所示的某多層粘性±邊坡，本發(fā)明實現(xiàn)滑坡風(fēng) 險量化的過程如下：
[004引步驟一:邊坡剖面W及巖±力學(xué)參數(shù)確定：
[0049] 經(jīng)現(xiàn)場試驗與測量后確定:該邊坡有=個±層，均為粘性±層，=個±層的厚度均 為4.5米，坡高6米，具體幾何剖面尺寸如圖4所示。巖±力學(xué)參數(shù)方面:=層±的容重均為 18kN/m3,并且在滑坡風(fēng)險量化過程中不考慮其隨機變異性。靜力觸探試驗測得粘性±的不 排水剪切強度均值自上而下分別為：18kPa、20k化和25kPa，相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)差為5.4kPa、4. Ok化 和7.5k化。
[0050] 步驟二:蒙特卡羅抽樣樣本的生成：
[0051] 由步驟一知道，僅僅考慮=個±層的不排水剪切強度作為隨機變量，隨機變量總 個數(shù)n = 3，并且每個±層的不排水剪切強度互不相關(guān)，即相關(guān)系數(shù)矩陣：
[0化2]
[0053] 上式中的相關(guān)系數(shù)矩陣為單位矩陣，因此經(jīng)過化Olesky分解之后的下=角矩陣仍 然為一單位矩陣，所W在本例中可W直接利用：
[0054] EXC化中的 NORMINV (RAND O ,18.0,5.4)，NORMI W( RAND 0,20.0，4.0 )，NORM INV (RAND()，25.0，7.5)生成N= 100000個蒙特卡羅抽樣樣本值，記為Si= (Suii，Sui2，Sui3)，其中 i = l，2，...，N。
[0055] 步驟=:每個蒙特卡羅樣本值下的邊坡穩(wěn)定確定性分析：
[0056] W蒙特卡羅抽樣樣本值Si為例，分別將Suil，Sui2，Sui3視為第一、第二、第；層±的 不排水剪切強度值，結(jié)合圖4所示的邊坡幾何剖面來進(jìn)行確定性分析。假定邊坡的滑動區(qū)域 為圓弧和任意形狀(采用15個點的直線連接來模擬，可結(jié)合圖3進(jìn)行），分別利用簡化Bishop 法和Mo巧enstern-Price法來捜索相應(yīng)于圓弧滑動面和任意滑動面的最小安全系數(shù)W及滑 動區(qū)域。
[0057] 步驟四：每個蒙特卡羅樣本值下失穩(wěn)趨勢判斷：
[005引步驟S中簡化Bi shop法得到的最小安全系數(shù)為Fsi ,Morgenstern-Pr ice法得到的 最小安全系數(shù)為Fs2，計算其平均值Fs = (Fsi+Fs2 )*0.5，譬如在Si樣本值下，F(xiàn)si = 0.9，F(xiàn)s2 = 0.8,則Fs = O.85。因為Fs小于1，所W該樣本值下邊坡的失穩(wěn)趨勢為失穩(wěn)(P = I);若Fs大于1， 則該樣本值下邊坡的失穩(wěn)趨勢未失穩(wěn)(P = O)。
[0059] 步驟五:每個蒙特卡羅樣本值下滑動區(qū)域求和與歸一化高差的確定：
[0060] 根據(jù)圖3所示的滑動區(qū)域求和操作，得到樣本值Si下綜合滑動區(qū)域如圖5所示，該 綜合滑動區(qū)域的面積A = 284m2,滑入點和滑出點之間的高差為6米，坡高同樣為6米，因此， 該樣本值下得到的綜合滑動區(qū)域歸一化高差Sh=I.0。
[0061 ]步驟六:每個蒙特卡羅樣本值下風(fēng)險量化：
[0062] 根據(jù)每個樣本值下的風(fēng)險量化公式得到樣本值Si下的風(fēng)險為：
[0063] ri = A*p*Sh/N=284*l*l/100000 = 0.00284。
[0064] 步驟屯:滑坡風(fēng)險最終量化：
[0065] 將N=1000 OO個抽樣樣本值分別進(jìn)行步驟=~步驟六的計算，匯總每個樣本值下 量化的風(fēng)險值ri得到最終的滑坡風(fēng)險k。表1給出了 100000次計算過程中得到的綜合滑動區(qū) 域面積，失穩(wěn)趨勢，歸一化高差等數(shù)據(jù)。由于失穩(wěn)趨勢P = O時，量化的風(fēng)險為0,因此表1中僅 僅給出了失穩(wěn)趨勢P=I時的數(shù)據(jù)匯總，將第四列風(fēng)險進(jìn)行匯總后得到的滑坡風(fēng)險最終為 39.55m^〇
[0066] 表1各風(fēng)險量化因素數(shù)據(jù)匯總(N=1000 OO)
[0067]
[0068] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，根據(jù)圓弧和任意滑動區(qū)域進(jìn)行綜合求和操作，并基于綜 合后的安全系數(shù)來判斷滑動區(qū)域的失穩(wěn)趨勢，滑坡風(fēng)險量化過程中考慮了滑動區(qū)域歸一化 高差的影響，在極限平衡方法的框架之內(nèi)提出了快速量化滑坡風(fēng)險的方法。
[0069] 當(dāng)然，上述內(nèi)容僅為本發(fā)明的較佳實施例，不能被認(rèn)為用于限定對本發(fā)明的實施 例范圍。本發(fā)明也并不僅限于上述舉例，本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員在本發(fā)明的實質(zhì)范圍 內(nèi)所做出的均等變化與改進(jìn)等，均應(yīng)歸屬于本發(fā)明的專利涵蓋范圍內(nèi)。
【主權(quán)項】
1. 一種滑坡風(fēng)險量化方法，其特征在于:包括如下步驟： 步驟一:確定邊坡幾何模型、土層巖土力學(xué)參數(shù)、統(tǒng)計參數(shù)； 步驟二:生成符合土層參數(shù)統(tǒng)計特性的蒙特卡羅抽樣樣本； 步驟三:邊坡確定性分析確定每個蒙特卡羅樣本下的滑動區(qū)域； 步驟四：每個蒙特卡羅樣本下滑動區(qū)域的失穩(wěn)趨勢判斷； 步驟五:確定滑動區(qū)域滑入點、滑出點之間歸一化高差； 步驟六:每個蒙特卡羅樣本值下風(fēng)險量化； 步驟七:匯總每個蒙特卡羅樣本下滑動區(qū)域的面積、失穩(wěn)趨勢以及滑入點、滑出點之間 的歸一化高差來量化滑坡的風(fēng)險。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的滑坡風(fēng)險量化方法，其特征在于:步驟一中的土層巖土力學(xué)參 數(shù)是利用現(xiàn)場試驗、測量確定邊坡的坡度、坡頂和坡角的延展范圍以及邊坡土層的構(gòu)成情 況，以及根據(jù)室內(nèi)常規(guī)土工試驗確定的。3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的滑坡風(fēng)險量化方法，其特征在于:步驟一中的土層巖土力 學(xué)參數(shù)包括密度P、粘聚力c以及內(nèi)摩擦角Φ的均值以及相應(yīng)的變異系數(shù)值v P、v。和、。4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的滑坡風(fēng)險量化方法，其特征在于:步驟二中的蒙特卡羅抽樣樣 本是根據(jù)步驟一確定的土層數(shù)目和每種土層中的巖土力學(xué)參數(shù)確定總的隨機變量個數(shù)n， 分析各個隨機變量之間的相關(guān)性并生成相應(yīng)的相關(guān)系數(shù)矩陣T，然后初步確定蒙特卡羅抽 樣次數(shù)N= 100000,分解T生成下三角矩陣L;將L乘以標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)隨機變量并結(jié)合其均值與標(biāo) 準(zhǔn)差得到符合隨機變量相關(guān)性的樣本值。5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的滑坡風(fēng)險量化方法，其特征在于:步驟三中的蒙特卡羅樣本下 的滑動區(qū)域是針對步驟二生成的每一個樣本值，將其視為邊坡土層參數(shù)的確定性輸入值， 利用極限平衡方法中的簡化Bishop法和Morgenstern-Price法計算其最小的安全系數(shù)以及 相應(yīng)的滑動區(qū)域。6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的滑坡風(fēng)險量化方法，其特征在于：步驟三中，簡化Bishop法假 定的滑動區(qū)域為圓弧型，Morgenstern-Price法假定的滑動區(qū)域為任意形狀。7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的滑坡風(fēng)險量化方法，其特征在于：步驟四中，最小簡化法 1^11(^安全系數(shù)？51和最小]/[〇找61^61'11-?1'；!^法安全系數(shù)？52，計算？5=(?51+?52)*0.5，判 斷Fs是否小于1.0,若是，則說明該樣本下所得滑動區(qū)域的失穩(wěn)趨勢為失穩(wěn);否則，其失穩(wěn)趨 勢為未失穩(wěn)。8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的滑坡風(fēng)險量化方法，其特征在于：步驟五中，圓弧滑動區(qū)域和 任意滑動區(qū)域，兩者求和操作之后得到綜合的滑動區(qū)域，確定之間的高差，并用這個高差除 以邊坡的高度進(jìn)行歸一化，記為心。9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的滑坡風(fēng)險量化方法，其特征在于：步驟六中，計算綜合的滑動 區(qū)域相對應(yīng)的面積，失穩(wěn)趨勢P為失穩(wěn)的記為1，未失穩(wěn)的記為0;綜合滑動區(qū)域的歸一化高 差3h，將以上這些因素相乘，得到每一個樣本值下的風(fēng)險量化值ri=A*p*5 h/N。10. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的滑坡風(fēng)險量化方法，其特征在于:步驟七中，將每一個樣本值 下的ri進(jìn)行匯總得到Ση，即滑坡的風(fēng)險值Lr= Ση。
【文檔編號】G06F17/50GK105956317SQ201610330203
【公開日】2016年9月21日
【申請日】2016年5月18日
【發(fā)明人】李亮, 褚雪松
【申請人】青島理工大學(xué)