土质边坡稳定性系统可靠度分析与风险评价方法及工程应用

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滑坡是我国常见的地质灾害之一,如何定量评价滑坡的可能性及其滑坡风险具有较强的研究意义和工程应用价值。针对岩土工程中土体材料普遍具有的不确定性以及由此导致的土质边坡系统失效模式、滑动面积呈现出的多样性与不确定性等特点,为了有效识别边坡系统失效模式与滑动面积从而高效计算边坡系统的失效概率与量化边坡失稳风险,本文在理论分析、数值模拟与试验数据综合分析的基础上,开展了以下研究内容,得到了以下研究结论:(1)系统深入分析边坡滑动面安全系数之间的相关性,提出基于临界滑动面固定分组的代表性滑动面甄选策略和基于相互独立、完全穷尽原则的动态代表性滑动面甄选策略,结合蒙特卡罗抽样方法,分别构建相应的边坡系统可靠度分析方法,将所提方法应用于三个典型边坡,详细对比不同系统可靠度分析方法的计算精度与计算耗时。研究发现:对于复杂程度较低的边坡系统,其响应可简化至确定性临界滑动面,随着边坡复杂程度的提高,确定性临界滑动面仅能代表边坡系统的部分响应,其余响应源需要通过代表性滑动面的甄选来确定。(2)为了进一步提高基于代表性滑动面的边坡系统可靠度分析方法计算效率,基于甄选的代表性滑动面,逐一构建二次多项式函数响应面替代原来的极限平衡方法模型,发展基于多重响应面法的边坡系统可靠度分析方法,算例分析表明,多重响应面能够很好地模拟边坡系统的复杂极限状态函数,大大提高边坡系统可靠度分析的效率。(3)为提高基于安全系数计算的滑动面相关性量化效率,提出滑动面接近度概念,在滑动面接近度分析的基础上,提出一种基于分段长度的滑动面相关系数计算公式用于度量二维空间变异特性下滑动面之间的相关性。联合基于分段长度的滑动面相关性计算公式与代表性滑动面甄选策略,提出基于分段长度的子集模拟方法进行边坡系统可靠度分析,算例分析证明了所提方法的有效性。研究发现:若波动范围小于边坡宽度或高度时,需要考虑土层参数空间变异对边坡系统失效概率的影响,若忽略这种变异特性,将会得到偏于保守的计算结果。非圆弧滑动面假设下,边坡失效概率要比圆弧滑动面假设下明显提高,最高可达两个数量级。(4)为解决临界滑动面积量化边坡失稳后果存在的问题,在综合分析浙江大学詹良通教授课题组开展的大型边坡模型垮塌试验结果基础上,提出安全系数等于一且滑动面取极大值的边坡滑动面积确定方法,采用光滑粒子流体动力学方法对滑坡全过程进行模拟,并对所提方法进行验证。在验证合理的基础上,编制基于Fortran的实现程序,最后,采用改进滑动面确定方法与蒙特卡罗方法对一典型边坡的滑坡风险进行量化分析。研究发现:所提出的改进滑动面积方法中,滑动面积分布较临界滑动面积方法更宽,非零区间个数维持在20个左右,传统方法非零区间个数维持在10个左右。当不考虑垂直空间变异特性时,临界滑动面积方法非零区间主要集中在临界滑动面积区间,而本文改进滑动面积方法仍然具有较宽泛的分布范围。(5)将本文所提出的基于确定性临界滑动面、基于代表性滑动面的边坡系统可靠度分析方法以及基于改进滑动面积的边坡风险量化方法应用于三山岛新立分矿尾矿坝坝坡稳定性分析及风险量化,通过不同方法之间的对比,建议在坝坡安全评价与灾害治理时,除了安全系数最小滑动面以外,还需重点关注滑动面积大且频次多或者保持相当数量的坝坡滑动面积,以更合理地防治坝坡失稳并有效量化坝坡失稳风险。
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