降雨条件下基于GIS的三维边坡稳定性分析

论文摘要

随着近几年我国的暴雨和洪涝频繁的出现,滑坡灾害在我国总地质灾害中占的比例越来越高。在研究降雨后边坡的稳定性时,如何准确的判断是否会发生滑坡,以及预测滑坡发生的时间、位置、大小,成为国土部门最为关心的问题,也是学者们在研究滑坡机理时最迫切希望能解决的问题。但目前对降雨过程中边坡的稳定性分析多集中在二维层面,忽略降雨过程中边坡的三维效应。为此,本文针对边坡模型的特点,借助地理信息系统建立了一套完整的三维边坡建模方案,并在此模型中考虑了三维极限平衡法和降雨及重分布阶段的雨水入渗模型,再结合搜索最危险滑动面的算法,深入分析雨水入渗对三维边坡的影响。本文的主要工作及成果如下:（1）针对边坡模型的特点,建立了 一套适用性强且理论完整的三维边坡建模方案。此方案以GRASS GIS和Python为主要工具,选择合理的插值理论拟合不同的地质体模型,并使用统一模型管理方法。通过研究不同平台间数据传输的构成,可利用自编译的计算程序完成已建模型与数值模拟软件的耦合,可以数值模拟软件的建模效率和精度。（2）利用Green-Ampt入渗模型及由此拓展而来的Moore双层入渗模型和雨水入渗-重分布模型,建立三维边坡的降雨及重分布阶段雨水入渗模型。此入渗模型程序化后,可以计算任一时间点的边坡湿润锋位置,且保证计算效率。计算结果表明,在降雨过程中,雨水入渗的速度较快,而在停雨后,雨水会在重力和土体基质吸力的双重作用下继续下渗。在停雨四天后,此过程会基本趋于稳定。（3）基于雨水入渗和三维极限平衡法的原理,在Hovland模型和三维Janbu模型中考虑雨水入渗对安全系数计算的影响。研究表明,特定时刻雨水入渗对边坡稳定性产生的影响,可以用潜在滑动面、土层分界面、湿润锋三个关键位置的相对关系表示,并体现在三维极限平衡分析的抗滑力和滑动力计算中。（4）根据三维边坡模型的特点,将滑动面假定位椭球的下表面,并确定在GIS中滑动面的表现形式和几何关系,推导出三维安全系数计算中需要用到的几何参数的求法。（5）借助Monte Carlo法对场地内潜在滑动面进行搜索,以求得降雨及重分布阶段三维边坡的最小安全系数,并通过椭球面的各项参数确定最危险滑动面。计算结果表明,此方法可对地表不规则的三维边坡进行包含雨水入渗的稳定性分析,具有较高的适应性。（6）利用Python语言编写了一系列插件和程序。包括可以在不同平台间进行数据传递的插件,实现xml、dwg、dxf、csv、slope等常用文件格式之间的快速转换;基于径向基函数插值法的基本理论,开发RST径向基函数法建模用插件,并用于三维边坡的建模中;将考虑雨水入渗的三维极限平衡计算模型程序化,在滑动面形式确定的前提下,能根据不同三维极限平衡法求得在特定降雨强度下不同时间点的安全系数;根据三维边坡的滑动面形式,编译一套三维边坡最危险滑动面的搜索算法。

论文目录

• 致谢
• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
•   1.1 引言
•   1.2 三维边坡稳定性分析的国内外研究现状
•     1.2.1 三维边坡的建模方法
•     1.2.2 三维极限平衡法
•     1.2.3 最危险滑动面搜索
•   1.3 边坡降雨入渗模型的国内外研究现状
•     1.3.1 边坡降雨入渗模型
•     1.3.2 Green-Ampt入渗模型
•   1.4 目前研究存在的问题
•   1.5 本文主要研究内容及技术路线
• 2 基于GIS的三维边坡建模方法
•   2.1 引言
•   2.2 方案结构
•     2.2.1 地理信息系统
•     2.2.2 建模方案整体架构
•   2.3 三维建模步骤
•     2.3.1 地表高程及钻孔数据的导入
•     2.3.2 边坡三维模型的建立
•     2.3.3 模型数据的存储与调用
•   2.4 插值理论
•   2.5 模型的初步分析求解及反馈
•     2.5.1 xml模型文件的生成
•     2.5.2 水文信息的导入
•     2.5.3 具体求解
•     2.5.4 计算结果反馈
•   2.6 算例分析
•     2.6.1 边坡地表建模
•     2.6.2 土层建模
•     2.6.3 模型文件导入和计算
•     2.6.4 模型的边坡稳定性分析
•   2.7 本章小结
• 3 降雨及重分布阶段边坡的三维极限平衡计算模型
•   3.1 引言
•   3.2 降雨及重分布阶段雨水入渗模型
•     3.2.1 降雨阶段双层土入渗模型
•     3.2.2 雨水重分布阶段双层土入渗模型
•   3.3 湿润锋及土体含水率的变化对边坡的影响研究
•   3.4 三维极限平衡模型及其在非饱和土中的拓展应用
•     3.4.1 Hovland模型及其在非饱和土中的拓展应用
•     3.4.2 三维Janbu模型及其在非饱和土中的拓展应用
•   3.5 算例分析
•     3.5.1 计算参数
•     3.5.2 双层边坡的渗流分析
•     3.5.3 降雨及重分布阶段的稳定性分析
•   3.6 本章小结
• 4 降雨及重分布阶段三维边坡的最危险滑动面搜索研究
•   4.1 引言
•   4.2 三维边坡及滑动面的表示形式
•     4.2.1 三维边坡模型在GRASS GIS中的表示形式
•     4.2.2 滑动面在GRASS GIS中的表现形式
•   4.3 最危险滑动面的搜索方法
•     4.3.1 单一滑动面的确定方法
•     4.3.2 潜在滑动面的确定方法及参数约束
•   4.4 算例分析
•     4.4.1 场地概况及三维建模
•     4.4.2 计算参数
•     4.4.3 潜在滑动面的参数确定
•     4.4.4 降雨及重分布阶段安全系数的随机模拟研究
•     4.4.5 最危险滑动面的搜索结果
•   4.5 本章小结
• 5 总结与展望
•   5.1 主要成果与结论
•   5.2 进一步研究的建议与展望
• 参考文献

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 林博文

导师: 韩同春

关键词: 边坡稳定分析,雨水入渗,地理信息系统,入渗模型,三维极限平衡法,三维地质模拟

来源: 浙江大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅱ辑

专业: 地质学,建筑科学与工程

单位: 浙江大学

基金: 浙江省自然科学基金(LY18E080006)

分类号: TU43

DOI: 10.27461/d.cnki.gzjdx.2019.002395

总页数: 94

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