滑坡灾变过程时空预测理论模型及应用

摘要

重庆地区是滑坡地质灾害多发区,滑坡每年给该地区造成巨大的经济损失和重大的人员伤亡。随着社会经济的不断发展,滑坡作为一种地质灾害,其严重的危害性已经给当地居民的生活造成了极大的影响。尽管对滑坡时空预测理论模型的研究工作已经取得了巨大成就,人类目前对滑坡物理性质的复杂性及力学性质的非线性本质的认识仍存在不足,因此有必要对滑坡的演化规律进行深入研究。在国家科技攻关计划“西部开发科技行动”重大项目(编号:2004BA091A02)的资助下,本文建立了单滑面滑坡三维稳定性分析模型、多滑面滑坡三维稳定性分析模型和滑坡失稳时间预测模型,同时还对滑落体和崩落体的运动规律进行了探讨。主要研究工作为:①基于滑面正应力的假定,建立了单滑面滑坡三维稳定性分析模型。该模型能够满足所有方向的力和力矩平衡,避免了迭代运算,直接得到了安全系数的显式计算公式,便于工程应用。另外,基于塑性极限分析上限法,采用与Mohr-Coulomb准则相关联的流动法则,建立了多滑面滑坡三维稳定性分析模型,得到了考虑滑面之间相互作用的安全系数求解公式。②根据滑面介质流变特性利用尖点突变模型和滑坡位移实测资料,建立了滑坡的时间预测模型。根据尖点突变理论的分叉集方程,得到了滑坡突滑时间的计算公式,同时根据能量转化原理,导出了滑体突滑初速度的计算公式。③考虑到滑落体滑动过程的速度和变形的不均匀性、变形能的积累与释放以及滑体与滑床的摩擦等,建立了滑落体运动的弹簧滑块模型,该模型通过数值计算的方法可以计算滑落体滑动全过程的变形。考虑落石形状对落石运动轨迹的影响,将落石近似成椭圆形。利用接触力学弹塑性碰撞理论,推导了考虑了落石与地面碰撞弹塑性变形的恢复系数计算公式。④基于Matlab编制了滑坡时空预测理论模型应用程序(TSPMV1.0)。利用该程序分析了重庆市南岸区向家山滑坡的三维稳定性及失稳时间,与常规方法的对比分析表明了本方法的可行性和合理性。

目录

摘要

ABSTRACT

图表目录

1 绪论

1.1 研究目的及意义

1.1.1 研究目的

1.1.2 本研究的学术和使用意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 滑坡稳定性分析力学模型研究现状

1.2.2 滑坡失稳时间预测模型研究现状

1.2.3 边坡崩滑失稳运动规律研究现状

1.2.4 本研究领域存在的一些尚未解决的问题

1.3 本文的研究内容和技术路线

1.3.1 主要研究内容

1.3.2 技术路线

1.4 本文的主要创新点

2 滑坡三维稳定性分析模型研究

2.1 引言

2.2 单滑面滑坡三维稳定性分析

2.2.1 几何模型

2.2.2 潜在滑移方向计算

2.2.3 安全系数计算

2.2.4 对称边坡安全系数求解

2.3 多滑面滑坡三维稳定性分析模型

2.3.1 几何模型

2.3.2 机动许可的速度场

2.3.3 外力功率和内能耗散

2.3.4 安全系数求解

2.4 算例与分析

2.5 本章小结

3 滑坡失稳时间预测模型研究

3.1 引言

3.1.1 滑坡渐进破坏特征

3.1.2 突变理论简介

3.2 滑坡失稳时间预测的尖点突变模型

3.2.1 滑带土的本构关系

3.2.2 力学模型

3.2.3 滑坡失稳时间预测

3.3 滑坡突滑初速度计算

3.4 本章小结

4 边坡滑落体与崩落体运动规律探讨

4.1 引言

4.2 滑落体运动轨迹计算

4.2.1 滑落体运动的弹簧滑块模型

4.2.2 初始条间力及初始加速度

4.2.3 滑块运动过程分析

4.2.4 计算步骤

4.3 崩落体运动轨迹计算

4.3.1 自由落体阶段

4.3.2 碰撞过程

4.3.3 斜抛运动阶段

4.3.4 滑动阶段

4.3.5 滚动阶段

4.4 算例与分析

4.5 本章小结

5 计算程序及其应用

5.1 引言

5.2 滑坡时空预测理论模型应用程序介绍及计算流程

5.2.1 Matlab 简介

5.2.2 程序主要功能

5.3 程序应用——以重庆市南岸区向家山滑坡为例

5.3.1 自然条件

5.3.2 工程地质条件

5.3.3 水文地质条件

5.3.4 滑体结构及岩性特性

5.3.5 向家山滑坡三维稳定性分析

5.3.6 向家山滑坡失稳时间预测

5.4 本章小结

6 结论与展望

6.1 主要结论

6.2 后续研究工作及展望

致谢

参考文献

附录

A 作者在攻读学位期间发表的论文目录

B 作者在攻读学位期间参加的科研项目