水诱发型滑坡排水影响因素与排水孔优化设计研究

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滑坡是我国最普遍且破坏性最大的地质灾害之一,西南地区尤为严重。滑坡的成因复杂,危害性极强,其中降雨及地下水是诱发滑坡发生变形破坏的最主要因素之一,据统计,约45%的滑坡变形失稳是由于降雨诱发所致。研究降雨及地下水作用下滑坡的渗流场演化规律和稳定性演化规律及排水防治工程的优化设计,不仅仅在相关学术研究领域具有一定的理论价值,而且在滑坡排水防治领域具有重要的工程指导意义。本文选取青杠林滑坡作为研究对象,运用有限元软件Geo-Studio对降雨入渗影响滑坡渗流场和稳定性的作用机理进行数值模拟分析,并通过模拟分析滑坡在布设仰斜式排水孔前后的渗流场和稳定性的演化规律,以及各排水孔布设参数对滑坡的渗流场和稳定性演化规律的影响;运用灰色关联理论对排水孔布设参数进行敏感性分析,确定了影响排水孔排水降压效果的主要因素;根据正交设计原理设计了16种排水孔布设方案,并进行模拟计算;基于遗传算法和BP神经网络的基本原理,建立了排水孔设计的优化模型,利用正交试验数据完成了优化模型的训练和检验,进而确定了青杠林滑坡的最优排水孔布设方案;在上述研究基础上,运用加卸载响应比理论,研究在布设仰斜式排水孔条件下滑坡的加卸载响应比参数演化规律,及与滑坡稳定性的关系,探讨了该排水孔最优布设方案对于青杠林滑坡的防治效果。本文的主要研究成果概述如下:(1)滑坡体通过布设排水孔进行排水降压处理和增强滑坡稳定性的效果非常显著;仰斜式排水孔的排水降压效果和影响范围随着孔长的增长而增大,但确定其经济合理的孔长需要综合考虑滑坡地下水位降深范围要求和滑坡的工程地质条件;仰斜式排水孔孔径和仰角变化对其排水降压效果影响甚微,通过改变排水孔孔径和仰角提高滑坡的排水防治效果,既不经济又容易造成负作用,根据本文的研究,推荐青杠林滑坡排水孔孔径取R=0.20m,仰角θ=6°~10°;排水孔埋设高度较低时,容易接触到上涨的地下水,而且与地下水接触时间更长,对滑坡体的排水降压效果和滑坡稳定性提升更为明显,推荐本滑坡排水孔合理埋设高度取H=22m附近;排水孔排数和间距存在一个最优值,较大或较小都不利于滑坡的排水降压和提升稳定性,青杠林滑坡推荐排水孔排数取N=2~3,最佳孔距建议为D=7~9m。(2)以有限元软件Geo-Studio对不同排水孔布设方案条件下滑坡稳定性的模拟计算结果为依据,运用灰色关联理论对排水孔布设参数进行敏感性分析,得到对增强排水孔的排水降压效果和滑坡稳定性的效果占主导作用的因素为:排水孔排数、排水孔长度、排水孔埋设高度、排水孔间距,基于遗传算法和神经网络原理建立了可以优化选择合理排水孔设计方案的进化神经网络计算模型,最终搜索出的最优方案为:排水孔排数N为2排、排水孔长度l为37.75m、排水孔埋设高度H为23m、排水孔间距D为8m。(3)利用加卸载响应比理论,将降雨量与边坡自排水和排水孔排水总量的差值(且为正值时)即周有效降雨量视为加载量R_+,相应引起的监测点位移速率值V_+作为加载响应量;将降雨量与边坡自排水和排水孔排水总量的差值(且为负值时)视为卸载量R_-,相应引起的监测点位移速率值V_-作为卸载响应量,建立适用于带排水孔滑坡的加卸载响应比计算模型。进而系统分析和研究了青杠林滑坡在排水孔作用下的稳定性演化规律,发现该排水孔最优布设方案对于青杠林滑坡的防治效果良好,达到了初始设计要求。
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