一种特高水头下库岸边坡变形机理分析及防控方法与流程

本发明属于库岸边坡变形分析，具体为一种特高水头下库岸边坡变形机理分析及防控方法。

背景技术：

1、库岸边坡的稳定性是水电工程安全的关键因素。特高水头作用下，库岸边坡受到复杂的水力和地质力作用，容易发生变形和失稳，引发滑坡等灾害。现有技术多侧重于单一因素分析，缺乏对库岸边坡整体稳定性的系统评估方法。此外，传统监测手段存在时空分辨率不足，难以实时捕捉边坡动态变化，导致风险预警和防控措施的滞后。

2、现有的库岸边坡监测技术主要包括地质勘探、水文监测和位移测量等。这些方法在获取堆积体体积、滑动方向、水位变化等参数方面发挥着重要作用。然而，这些数据的分析往往依赖经验公式或定性判断，缺乏对变形机理的深入理解。此外，现有方法难以综合考虑地下水位、渗透性等关键水文地质因素，对边坡稳定性的评估存在不确定性。另一方面，研究水库库岸堆积体边坡在蓄水前后的变形特征及其稳定性具有重要意义。唐军峰等学者在“蓄水后库岸堆积体边坡变形特征及其稳定性分析”中基于现场详细的工程地质勘察资料和监测资料，分析了堆积体边坡的结构特征和变形特征，采用离散元数值计算方法，对堆积体边坡在蓄水前后的稳定性进行了计算分析。

3、另外，中国专利cn113627052a公开了一种考虑水力耦合效应的堆石坝流变数值模拟方法，首先开展考虑渗流作用的堆石坝流变实验，然后采用抛物signorini型变分不等式方法模拟堆石坝和地基的非稳定渗流过程。为了克服渗流过程中潜在渗出面的溢出点在自由面迭代步中不稳定，采用带自适应罚heaviside函数的抛物signorini型变分不等式方法消除渗流溢出点的奇异性，并实现对非稳定渗流溢出点和自由面点的准确定位；通过变形场和渗流场，建立变形和渗流耦合控制方程，建立孔隙率的变化与体积应变关系，最后得到考虑水力耦合效应的堆石坝流变数值模拟结果。

4、尽管以上现有技术采用了一些先进的数值模拟技术，被用于边坡稳定性分析，但这些方法通常需要大量的计算资源和专业知识。而且，它们在模拟实际地质条件时可能过于简化，忽略了地质结构的复杂性和水－力耦合效应。此外，现有分析方法往往侧重于边坡的静态稳定性，对动态变化的适应性不足。而且，现有的风险评估方法通常基于历史数据和经验判断，缺乏实时性和预测性。这导致防控措施往往是被动应对，而非主动预防。例如，当监测到边坡出现明显变形时才采取加固措施，而不是在变形初期就进行干预。这种被动式管理增加了工程风险和成本。

技术实现思路

1、本发明的目的是针对现有漂浮基础平台稳性求解不准确、不便捷的问题，提出了一种特高水头下库岸边坡变形机理分析及防控方法，通过综合地质勘探、水文监测、位移测量等技术手段，获取堆积体体积、滑动方向、水位变化等关键参数。利用这些参数，构建了边坡稳定性指数(ssi)、能量函数ππ和水－力耦合方程，形成了一套完整的分析体系。本方法不仅提高了边坡稳定性评估的准确性和实时性，而且通过数值模拟和优化算法，实现了对边坡变形机理的深入理解。此外，本方案还提出了基于评估结果的防控措施，实现了风险管理的主动预防。通过本方案的应用，可以显著提高库岸边坡的安全性和管理效率，为水电工程的可持续发展提供有力支持。

2、为解决上述技术问题，本发明提供了一种特高水头下库岸边坡变形机理分析及防控方法，包括如下步骤：

3、s1、获取边坡堆积体的体积，确定堆积体的滑动方向、正常蓄水位、校核洪水位、死水位和边坡设计倾角；

4、s2、获取堆积体的重量、地下水位引起的浮力、支撑结构提供的垂直支撑力计算法向力系数；

5、s3、基于法向力系数，考虑边坡堆积体的体积、滑动方向、水位变化和边坡设计倾角对边坡稳定性的影响，确定安全系数并进行修正，得到修正安全系数；

6、s4、根据监测得到边坡堆积体的最大位移量、边坡高度、边坡宽度和所述修正安全系数计算边坡稳定性指数；

7、s5、基于弹性能量、渗透能量和边坡稳定性指数的权重构建能量函数；

8、s6、根据所述能量函数建立水－力耦合方程，计算水－力耦合方程的解，进而优化边坡变形和失稳防控方案。

9、作为优选，所述s2包括：

10、对所述边坡堆积体进行取样，通过直接剪切试验获得边坡堆积体材料的内摩擦角，根据所述材料的内摩擦角计算摩擦系数；根据所述堆积体的体积和取样分析计算得到的堆积体材料的单位体积重量计算堆积体的重量，再计算地下水位引起的浮力和支撑结构提供的垂直支撑力；根据所述堆积体的重量、地下水位引起的浮力、支撑结构提供的垂直支撑力计算法向力系数。

11、作为优选，所述法向力系数通过下述表达式进行计算：

12、

13、其中，w是堆积体的重量，pb是地下水位引起的浮力，ps是支撑结构提供的支撑力，pv是边坡面上的垂直支撑力。

14、作为优选，所述s3包括：

15、s31、考虑边坡堆积体的体积、滑动方向、水位变化和边坡设计倾角对边坡稳定性的影响，确定一个安全系数；

16、s32、根据正常蓄水位、校核洪水位和死水位所确定的基准水位值和实际监测的水位变化值对安全系数的影响对所述安全系数进行修正，得到修正的安全系数。

17、作为优选，所述确定一个安全系数sf包括：

18、

19、其中，cf是摩擦系数，cn是法向力系数，φ是堆积体材料的内摩擦角，cs是安全裕度，α是边坡的滑动方向与水平方向的夹角，v是堆积体的体积，v0是参考体积，β是体积影响指数。

20、作为优选，所述按照如下式修正安全系数：

21、

22、

23、式中，sf0是修正安全系数，q0是基准水压力，δq是水位变化引起的水压力变化。qmax是水位变化引起的水压力最大预期值。

24、作为优选，所述计算边坡稳定性指数通过下述表达式进行计算：

25、

26、式中，sf0是修正安全系数，dmax表示边坡堆积体的最大位移量，h表示边坡堆积体的边坡高度，b表示边坡堆积体的边坡宽度。

27、作为优选，所述能量函数π通过下述计算公式进行计算：

28、

29、其中，σij是应力张量，εij是应变张量，v是堆积体的体积，p是孔隙水压力，hs是水头，as是边坡面积，δ表示系数，用于调整ssi对总能量函数的影响程度，取值为0-1之间。

30、作为优选，所述s6包括如下步骤：

31、s61、基于连续介质力学原理，确定描述边坡中应力－应变关系和地下水流动的控制方程通过biot的固结理论将水压力与边坡的应力－应变关系进行耦合；其中，利用达西定律或更复杂的渗流模型，同时考虑水头、渗透系数和边界条件描述地下水流动；

32、s62、将所述能量函数引入到耦合方程中，采用数值方法对引入能量函数后的耦合方程进行离散化；

33、s63、分析求解结果，评估边坡的稳定性和变形情况；

34、s64、根据求解结果优化边坡变形和失稳防控方案，并通过与现场监测数据的对比来验证模型的准确性，根据验证结果进行模型调整和迭代优化。

35、本发明的有益效果：

36、1、本方案通过综合地质勘探、水文监测、位移测量等技术手段，获取堆积体体积、滑动方向、水位变化等关键参数。利用这些参数，构建了边坡稳定性指数、能量函数和水－力耦合方程，形成了一套完整的分析体系。本方法不仅提高了边坡稳定性评估的准确性和实时性，而且通过数值模拟和优化算法，实现了对边坡变形机理的深入理解。此外，本方案还提出了基于评估结果的防控措施，实现了风险管理的主动预防。通过本方案的应用，可以显著提高库岸边坡的安全性和管理效率，为水电工程的可持续发展提供有力支持。

37、2、本方案通过将地质勘探、水文监测与材料特性分析相结合，形成了一个全面的库岸边坡稳定性评估体系。通过精确获取堆积体体积、滑动方向、水位变化和边坡倾角等关键参数，我们不仅为后续的稳定性分析奠定了坚实的数据基础，而且通过直接剪切试验获取内摩擦角，进而计算出摩擦系数，这一方法避免了依赖主观经验，提高了评估的准确性和可靠性。此外，法向力系数的计算考虑了地下水位和支撑结构的影响，使得评估结果更加符合实际工程条件。

38、3、本方案通过引入了一个动态的安全系数修正机制。考虑实际监测到的水位变化对安全系数的影响，我们能够更准确地预测和评估边坡在不同水文条件下的稳定性。这一修正机制使得安全系数不再是一个静态的数值，而是一个能够反映实时水文地质条件变化的动态参数，极大地提高了边坡稳定性评估的实用性和准确性。

39、4、本方案通过计算边坡稳定性指数(ssi)，进一步量化了边坡的稳定性状态。ssi的计算综合了最大位移量、边坡高度、宽度以及修正后的安全系数，这一指数提供了一个直观的量化指标来评估边坡的稳定性。通过ssi，工程人员可以快速识别边坡的潜在风险，并据此制定相应的监测和防治措施。

40、5、本方案通过水－力耦合方程的建立，这一方程综合了弹性能量、渗透能量和边坡稳定性指数，为描述库岸边坡在水压力作用下的应力－应变关系和地下水流动提供了科学依据。利用这一方程，可以优化边坡的变形和失稳防控方案，确保工程的安全性和经济性。通过数值模拟和优化算法，工程人员能够在设计阶段预测边坡的响应，实现更加合理的工程设计和施工布局，从而提高工程的整体稳定性和耐久性。