導(dǎo)語(yǔ)：水利水電工程邊坡穩(wěn)定性探討一文來(lái)源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點(diǎn)，若需要原創(chuàng)文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

摘要：水利水電工程建設(shè)會(huì)受到多種不利地形條件的影響，比如邊坡工程存在一定的難度。基于此，文章結(jié)合水利水電工程的特點(diǎn)，分析了如何采取有效的方法保證邊坡的穩(wěn)定性，并利用ICMP理論提出了測(cè)算邊坡穩(wěn)定性的可靠方法，描述了邊坡區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)的分布方式。借助Bellman-Ford搜索算法能快速分析出邊坡的安全影響因素，可以明確最危險(xiǎn)滑動(dòng)面的特點(diǎn)；同時(shí)，由于新的ICMP圖論應(yīng)用，分析邊坡穩(wěn)定性有了更加可靠的方法。

關(guān)鍵詞：水利水電工程；邊坡穩(wěn)定性；ICMP

在水利工程建設(shè)中，保持邊坡的絕對(duì)穩(wěn)定極其關(guān)鍵，邊坡穩(wěn)定與否是修建工程可否進(jìn)行的重要前提。通常情況下，高邊坡地質(zhì)地形都相當(dāng)復(fù)雜，很多因素都極有可能造成滑坡，如果能快速分析判斷邊坡的穩(wěn)定性，可以為工程提供危險(xiǎn)狀態(tài)的反映并評(píng)估可能發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)為可能發(fā)生的危害進(jìn)行預(yù)測(cè)并采取積極有效的措施[1]。針對(duì)無(wú)網(wǎng)格質(zhì)點(diǎn)法（IndependentCoverMeshlessPar-ticle,ICMP）的單獨(dú)覆蓋，為了有效布置邊坡點(diǎn)，要充分考慮到節(jié)點(diǎn)會(huì)嚴(yán)重影響無(wú)網(wǎng)格精度的可能性，從而突破傳統(tǒng)的有限元模式的瓶頸，借助算例進(jìn)行方法性能的驗(yàn)證，討論ICMP法的應(yīng)變能力表達(dá)、求解方式和邊界條件的推導(dǎo)方式、編制數(shù)值解程序、數(shù)值描述以及彈性問(wèn)題的收斂性等。

1ICMP數(shù)值建模

為了有效應(yīng)用有限元方式解決結(jié)構(gòu)裂紋擴(kuò)展以及網(wǎng)格劃分引發(fā)的網(wǎng)格變化等諸多工程問(wèn)題，結(jié)合水利水電工程的實(shí)際提出基于獨(dú)立矩形的離散節(jié)點(diǎn)求解方法，可以獨(dú)立分析復(fù)雜土方工程受力問(wèn)題。在ICMP方法的應(yīng)用中，針對(duì)節(jié)點(diǎn)覆蓋函數(shù)采用了多項(xiàng)式實(shí)施網(wǎng)格插值的解答，對(duì)于材料受力、斷層特點(diǎn)、節(jié)理分割等相關(guān)因素采用了域數(shù)值積分的表達(dá)方式，針對(duì)二次剖分域可以借助ctm算法實(shí)現(xiàn)。該方式的特點(diǎn)是數(shù)值和計(jì)算操作相對(duì)簡(jiǎn)單，只有很小的計(jì)算成本，完全避免了以上有限元計(jì)算方式的缺陷，利用簡(jiǎn)單的形式構(gòu)建相對(duì)復(fù)雜的分析模型，以二維和三維的形式分析巖土工程，同時(shí)完全具備裂隙擴(kuò)展、危險(xiǎn)性、節(jié)理擴(kuò)展的分析能力[2]。

2最短路徑算法

2.1圖論與邊坡問(wèn)題

一般而言，在低應(yīng)力條件下水利水電工程順結(jié)構(gòu)面存在巖體邊坡失穩(wěn)的風(fēng)險(xiǎn)，天然巖體的結(jié)構(gòu)具有一定的復(fù)雜性，受地質(zhì)成因的影響，受力存在復(fù)雜的組合關(guān)系，在各個(gè)結(jié)構(gòu)面的空間展布存在特異性，通常難以準(zhǔn)確描述滑移面的實(shí)際形狀。因此，常借助土質(zhì)邊坡分析研究碎裂結(jié)構(gòu)巖質(zhì)問(wèn)題，借助折線或利用圓弧滑動(dòng)面確定搜索方式，此方法的應(yīng)用可以較為準(zhǔn)確地判定結(jié)構(gòu)面的組合關(guān)系，對(duì)于結(jié)構(gòu)面的單一分布特點(diǎn)實(shí)施研究。傳統(tǒng)模式下的簡(jiǎn)單的巖質(zhì)邊坡分析難以有效解決復(fù)雜結(jié)構(gòu)面的各種組合關(guān)系問(wèn)題，需要采用多段折線對(duì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)面加以描述。折線段數(shù)目在增加的同時(shí)會(huì)導(dǎo)致目標(biāo)函數(shù)的自由度同步增加，搜索算法的計(jì)算難以保證理想的結(jié)果。針對(duì)巖質(zhì)邊坡中的下臥基巖結(jié)構(gòu)，要研究其上覆土層的實(shí)際狀態(tài)，可以采用分段圓弧的方式，也可以采用多段折線組合的方式將滑動(dòng)面拆分，盡可能采用不需要提前假定滑移面的處理方式。文章根據(jù)圖論向加權(quán)圖，通過(guò)Bellman-Ford確定最短路徑，作為一類有效的Bellman-Ford算法，該方法早已經(jīng)在運(yùn)籌學(xué)、控制論等領(lǐng)域得以有效應(yīng)用。比起以上傳統(tǒng)的搜索法，利用圖論最短路徑計(jì)算不用進(jìn)行滑移面形狀的假定，其破壞規(guī)則的采用必須按照巖土材料具體特性進(jìn)行。圖論研究作為最為經(jīng)典的算法，其特點(diǎn)就是解決了最短路徑的計(jì)算問(wèn)題，可以快速找出兩點(diǎn)之間最短的距離，路徑最優(yōu)算法的應(yīng)用解決了許多工程問(wèn)題。針對(duì)邊坡問(wèn)題，可以利用圖論中最短路徑的求解方法，構(gòu)造出方向加權(quán)圖原點(diǎn)：針對(duì)點(diǎn)與邊，所探索的最短路徑是邊坡失穩(wěn)時(shí)的臨界滑動(dòng)面[3]。

2.2基于無(wú)網(wǎng)格模型的有向圖構(gòu)造

可以把圖的點(diǎn)直接應(yīng)用在無(wú)網(wǎng)格中，將無(wú)網(wǎng)格結(jié)點(diǎn)直接作為圖的點(diǎn)，而圖的邊會(huì)以連線的方式連接結(jié)點(diǎn)與其鄰結(jié)點(diǎn)。ICMP結(jié)點(diǎn)路徑構(gòu)造示意圖如圖1所示，域內(nèi)某結(jié)點(diǎn)I的鄰結(jié)點(diǎn)為到點(diǎn)I的距離小于其影響半徑r的結(jié)點(diǎn)，連接該結(jié)點(diǎn)和相鄰結(jié)點(diǎn)，形成繞結(jié)點(diǎn)I的邊，如果鄰接節(jié)點(diǎn)總數(shù)為n，則在節(jié)點(diǎn)I的周圍形成n條有向邊。

2.3邊的權(quán)值定義

從起點(diǎn)到終點(diǎn)假設(shè)可能的路徑為N條，由m條邊構(gòu)成的每條路徑中的某條安全系數(shù)為根據(jù)公式（3）能夠?qū)η蠼膺吰掳踩禂?shù)實(shí)施有效轉(zhuǎn)化，以變化為最小的邊和最小的權(quán)重和。針對(duì)邊坡穩(wěn)定安全性的分析有多種方式，如基于強(qiáng)度儲(chǔ)備的安全系數(shù)、過(guò)載儲(chǔ)備的安全系數(shù)等，當(dāng)前形成一致的看法是保證安全系數(shù)定義的可靠性，明確物理定義的要點(diǎn)，可以將強(qiáng)度折減以及強(qiáng)度儲(chǔ)備作為基礎(chǔ)。文章討論的是邊坡穩(wěn)定中應(yīng)用ICMP和圖論方法的效果，因此利用了公式（1）的定義模式，完全不用反復(fù)計(jì)算數(shù)值的抗滑力與下滑力的定義，就能夠及時(shí)有效地取得適應(yīng)性良好的邊坡安全系數(shù)，完全可以忽略規(guī)避強(qiáng)度折減法遭遇的障礙。另外，也可以通過(guò)強(qiáng)度折減法進(jìn)一步引入分析邊坡穩(wěn)定性。

2.4算法的實(shí)現(xiàn)

有向權(quán)圖要保證完整性，需要提前定義起點(diǎn)與終點(diǎn)的特異性。定義出搜索點(diǎn)，連接各個(gè)滑動(dòng)面的起始點(diǎn)，確定范圍，連接所有終止點(diǎn)覆蓋的區(qū)域。虛擬起點(diǎn)與終點(diǎn)的應(yīng)用，可以保證有向圖結(jié)構(gòu)的完整性。針對(duì)虛擬起點(diǎn)和終點(diǎn)，計(jì)算其邊權(quán)值是關(guān)鍵。針對(duì)結(jié)構(gòu)的計(jì)算，采用Bellman-Ford用于確定最短路徑，最短路徑的確定是解決邊坡失穩(wěn)的臨界與必要條件，安全系數(shù)F的準(zhǔn)確計(jì)算是核心。由于是未知量，計(jì)算的過(guò)程中設(shè)定儲(chǔ)值F=1.0，利用公式（3）確定邊權(quán)值，構(gòu)建出加權(quán)圖。針對(duì)最短路徑的確定，再次計(jì)算安全系數(shù)F，對(duì)比F與F'，如果不超過(guò)收斂誤差，就可以退出計(jì)算，否則令F=F'重新計(jì)算。

3算例驗(yàn)證與分析

某一水利水電工程中邊坡為巖體邊坡，其高度為40m，節(jié)理單一非貫通，傾斜角為45°，設(shè)定80%的節(jié)理穿透率，坡腳、節(jié)理起始點(diǎn)的距離是5m，邊坡幾何模型如圖2所示，可以看出其特點(diǎn)。如表1所示，表明了材料的力學(xué)參數(shù)。節(jié)理邊坡模型采用了無(wú)網(wǎng)格模式，應(yīng)力梯度在節(jié)理周圍大量存在，周邊節(jié)點(diǎn)加密。對(duì)滑移面進(jìn)行計(jì)算，顯示1.48的安全系數(shù)。壓應(yīng)力對(duì)整個(gè)邊坡產(chǎn)生影響，拉應(yīng)力分布于坡肩處以及近巖橋尖端處，剪應(yīng)力因此集中于巖橋周邊，可以表明ICMP法能表現(xiàn)結(jié)構(gòu)面的應(yīng)力場(chǎng)特點(diǎn)與位移場(chǎng)的變化。

4結(jié)論

文章利用應(yīng)力場(chǎng)構(gòu)造有向圖和ICMP節(jié)點(diǎn)拓?fù)鋽?shù)據(jù)，基于ICMP模型等價(jià)分析了邊坡穩(wěn)定性圖論問(wèn)題，對(duì)最短搜索路徑程序進(jìn)行編制，在不假定滑動(dòng)面形狀的情況下確定了最危險(xiǎn)滑動(dòng)面和最小安全邊坡系數(shù)，也不用二次迭代計(jì)算，完全彌補(bǔ)了有限元強(qiáng)度折減法和極限平衡法的缺陷，可以視作是應(yīng)用范圍更廣泛的搜索滑裂面的算法，特別對(duì)復(fù)雜巖體邊坡穩(wěn)定性的分析更有效果。文章的算例對(duì)該方式的正確性和合理性進(jìn)行了確定。

參考文獻(xiàn)：

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作者：萬(wàn)克誠(chéng) 單位：中國(guó)電建集團(tuán)西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司