滑坡风险量化方法
【专利摘要】本发明涉及滑坡风险量化方法，属于专门适用于特定应用的数据处理的方法技术领域。其解决了现有技术存在的耗时多、量化不合理的缺陷。本发明步骤如下：确定边坡几何模型、土层岩土力学参数、统计参数；生成符合土层参数统计特性的蒙特卡罗抽样样本；边坡确定性分析确定每个蒙特卡罗样本下的滑动区域；失稳趋势判断；确定滑动区域滑入点、滑出点之间归一化高差；每个蒙特卡罗样本值下的风险量化；归一化高差来量化滑坡的风险。本发明综合利用简化Bishop法和Morgenstern?Price法得到的滑动区域进行滑坡风险的初步量化，进而结合滑动区域的滑入点、滑出点之间的高差来量化滑坡风险，结合蒙特卡罗法实现滑坡风险的最终量化。
【专利说明】
滑坡风险量化方法
技术领域
[0001] 本发明设及滑坡风险量化方法，属于专口适用于特定应用的数据处理的方法技术 领域。
【背景技术】
[0002] 我国是地质灾害频发的国家之一，每年因为地质灾害，尤其是滑坡，导致的人员伤 亡、财产损失巨大。因此，滑坡灾害已经成为制约我国经济、社会发展的主要因素之一。滑坡 发生时，一定数量的滑动体沿不同形状的滑动面快速运动，形成势能和动能很大的危险源， 运种危险源会冲跨房屋、桥梁等建筑物，吞没村庄，极具破坏性。譬如，2014年8月28日晚，贵 州省駭南州福泉市道坪镇英坪村小巧组发生山体滑坡，造成至少6人遇难，22人受伤，21人 失去联系，77栋房屋受损;2015年11月13日晚，浙江丽水市莲都区雅溪镇里东村发生一山体 滑坡，山体滑坡导致的塌方量达30余万立方米，造成27户房屋被埋，房屋进水21户。由此可 见，如何提前对潜在的滑坡源进行评估、量化具有非常重要的社会意义。
[0003] 然而，尽管目前滑坡评价的方法已经趋于成熟，工程设计人员可应用强度折减方 法和有限单元法联合进行滑坡的稳定性评价和风险评价，然而，鉴于强度折减有限元方法 的巨大耗时缺陷，目前特别需要一种耗时少的、合理量化、评价滑坡风险的方法。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的在于克服现有技术存在的缺点，寻求一种滑坡风险量化方法，在极 限平衡方法中的简化Bi shop法和Morgenstern-Price法运行的基础上，综合利用两种方法 得到的滑动区域进行滑坡风险的初步量化，进而结合滑动区域的滑入点、滑出点之间的高 差来量化滑坡风险，结合蒙特卡罗法实现滑坡风险的最终量化。
[0005] 本发明是采用W下的技术方案实现的：一种滑坡风险量化方法，包括如下步骤：
[0006] 步骤一:确定边坡几何模型、±层岩±力学参数、统计参数；
[0007] 步骤二:生成符合±层参数统计特性的蒙特卡罗抽样样本；
[000引步骤边坡确定性分析确定每个蒙特卡罗样本下的滑动区域；
[0009]步骤四：每个蒙特卡罗样本下滑动区域的失稳趋势判断；
[0010]步骤五:确定滑动区域滑入点、滑出点之间归一化高差；
[0011] 步骤六:每个蒙特卡罗样本值下风险量化；
[0012] 步骤屯:汇总每个蒙特卡罗样本下滑动区域的面积、失稳趋势W及滑入点、滑出点 之间的归一化高差来量化滑坡的风险。
[0013] 进一步地，步骤一中的±层岩±力学参数是利用现场试验、测量确定边坡的坡度、 坡顶和坡角的延展范围W及边坡±层的构成情况，W及根据室内常规±工试验确定的。
[0014] 进一步地，步骤一中的±层岩±力学参数包括密度P、粘聚力cW及内摩擦角巧的均 值W及相应的变异系数值vp、vc和
[0015] 进一步地，步骤二中的蒙特卡罗抽样样本是根据步骤一确定的±层数目和每种± 层中的岩±力学参数确定总的随机变量个数n，分析各个随机变量之间的相关性并生成相 应的相关系数矩阵T，然后初步确定蒙特卡罗抽样次数N=1000 OO,利用化Olesky分解T生成 下=角矩阵レ将L乘W标准正态随机变量并结合其均值与标准差得到符合随机变量相关性 的样本值。
[0016] 进一步地，步骤=中的蒙特卡罗样本下的滑动区域是针对步骤二生成的每一个样 本值，将其视为边坡±层参数的确定性输入值，利用极限平衡方法中的简化Bishop法和 Morgenstern-Price法计算其最小的安全系数W及相应的滑动区域。
[0017] 进一步地，进一步地，步骤S中，简化Bi shop法假定的滑动区域为圆弧型， Mcxrgenstern-Price法假定的滑动区域为任意形状。
[0018] 进一步地，步骤四中，最小简化法Bi shop安全系数FSl和最小Morgenstern-Pr ice 法安全系数Fs2,计算Fs=(Fsi+Fs2)*0.5,判断Fs是否小于1.0,若是，则说明该样本下所得滑 动区域的失稳趋势为失稳;否则，其失稳趋势为未失稳。
[0019] 进一步地，步骤五中，圆弧滑动区域AOB和任意滑动区域C0D，两者求和操作之后得 到综合的滑动区域为C0B，确定C点和D点之间的高差，并用运个高差除W边坡的高度进行归 一化，记为Sh。
[0020] 进一步地，步骤六中，计算综合的滑动区域COB相对应的面积A，失稳趋势P为失稳 的记为1，未失稳的记为0;综合滑动区域COB的归一化高差如，将W上运些因素相乘，得到每 一个样本值下的风险量化值ri = A*p*Sh/N。
[0021] 进一步地，步骤屯中，将每一个样本值下的ri进行汇总得到Eri，即滑坡的风险值 Lr 二乙 Ti。
[0022] 本发明的有益效果是:本发明所述的滑坡风险量化方法，通过在极限平衡方法中 的简化Bishop法和Morgenstern-Pr ice法运行的基础上，综合利用两种方法得到的滑动区 域进行滑坡风险的初步量化，进而结合滑动区域的滑入点、滑出点之间的高差来量化滑坡 风险，结合蒙特卡罗法实现滑坡风险的最终量化，耗时少的、合理量化、评价滑坡风险的方 法。
【附图说明】
[0023] 图1是本发明流程框图。
[0024] 图2是圆弧和非圆弧滑动区域数学模拟示意图。
[0025] 图3是滑动区域求和操作示意图。
[00%]图4是多层边坡示意图。
[0027] 图5是某样本值下滑动区域求和后示意图。
【具体实施方式】
[0028] 下面结合附图对本发明作进一步说明。
[0029] 实施例一；
[0030] 如图1所示，本发明所述的滑坡风险量化方法，包括如下步骤：
[0031 ]步骤一:确定边坡几何模型、±层岩±力学参数、统计参数；
[0032]步骤二:生成符合±层参数统计特性的蒙特卡罗抽样样本；
[0033] 步骤=:边坡确定性分析确定每个蒙特卡罗样本下的滑动区域；
[0034] 步骤四：每个蒙特卡罗样本下滑动区域的失稳趋势判断；
[0035] 步骤五:确定滑动区域滑入点、滑出点之间归一化高差；
[0036] 步骤六:每个蒙特卡罗样本值下风险量化；
[0037] 步骤屯:汇总每个蒙特卡罗样本下滑动区域的面积、失稳趋势W及滑入点、滑出点 之间的归一化高差来量化滑坡的风险。
[003引实施例二：
[0039] 步骤一:利用现场试验、测量确定边坡的坡度、坡顶和坡角的延展范围W及边坡± 层的构成情况。根据室内常规±工试验确定±层的岩±力学参数，譬如密度P、粘聚力cW及 内摩擦角巧的均值W及相应的变异系数值Vp、Vc和哪。
[0040] 步骤二:根据步骤一确定的±层数目和每种±层中的岩±力学参数确定总的随机 变量个数n，分析各个随机变量之间的相关性并生成相应的相关系数矩阵T，然后初步确定 蒙特卡罗抽样次数N=1000 OO,利用化Olesky分解T生成下S角矩阵L将1乘W标准正态随 机变量并结合其均值与标准差得到符合随机变量相关性的样本值；
[0041] 步骤针对步骤二生成的每一个样本值，将其视为边坡±层参数的确定性输入 值，利用极限平衡方法中的简化Bi shop法和Morgenstern-Pr ice法计算其最小的安全系数 W及相应的滑动区域;其中简化Bi shop法假定的滑动区域为圆弧型，Morgens tern-Pri Ce法 假定的滑动区域为任意形状，圆弧和任意形状的滑动区域构建方法如图2所示。由图2可见， 圆弧滑动区域的数学模拟需要=个变量来模拟，即圆弧圆屯、的坐标Xc、ycW及圆弧半径R;任 意滑动区域的数学模拟需要的数学变量个数一般多于3个，对于一般的滑坡稳定分析问题， 任意滑动区域可用15~20个点的直线连接来模拟，由图2可知，W六个点的直线连接为例， 该任意滑动区域的数学模拟需要別、》3、7[3、义(；、7(；、別、70、孔、7￡、耻共计10个变量。对于需要11 个点的直线连接来模拟的任意滑动区域，其数学模拟变量个数为2(n-l);
[0042] 步骤四：针对步骤S计算得到的最小简化法Bi shop安全系数Fsi和最小 Morgenstern-Price法安全系数Fs2，计算Fs= (Fsi+Fs2)*0.5，判断FS是否小于1.0，若是，则 说明该样本下所得滑动区域的失稳趋势为失稳;否则，其失稳趋势为未失稳；
[0043] 步骤五:将该样本值下，简化Bishop法和Morgenstern-Price法所得最小安全系数 上对应的滑动区域进行求和操作，得到该样本值下的综合滑动区域，具体求和操作示意图 如图3所示。由图3可知，圆弧滑动区域AOB和任意滑动区域C0D，两者求和操作之后得到综合 的滑动区域为C0B，确定C点和D点之间的高差，并用运个高差除W边坡的高度进行归一化， 记为Sh;
[0044] 步骤六:在每一个样本值下，计算综合的滑动区域COB相对应的面积A，失稳趋势P 为失稳的记为1，未失稳的记为0;综合滑动区域COB的归一化高差Sh，将W上运些因素相乘， 得到每一个样本值下的风险量化值ri = A*p*Sh/N。
[0045] 步骤屯:将每一个样本值下的ri进行汇总得到Eri，即滑坡的风险值以二乙^。
[0046] 实施例
[0047] 下面结合图4、5进行实例说明。图4所示的某多层粘性±边坡，本发明实现滑坡风 险量化的过程如下：
[004引步骤一:边坡剖面W及岩±力学参数确定：
[0049] 经现场试验与测量后确定:该边坡有=个±层，均为粘性±层，=个±层的厚度均 为4.5米，坡高6米，具体几何剖面尺寸如图4所示。岩±力学参数方面:=层±的容重均为 18kN/m3,并且在滑坡风险量化过程中不考虑其随机变异性。静力触探试验测得粘性±的不 排水剪切强度均值自上而下分别为：18kPa、20k化和25kPa，相应的标准差为5.4kPa、4. Ok化 和7.5k化。
[0050] 步骤二:蒙特卡罗抽样样本的生成：
[0051] 由步骤一知道，仅仅考虑=个±层的不排水剪切强度作为随机变量，随机变量总 个数n = 3，并且每个±层的不排水剪切强度互不相关，即相关系数矩阵：
[0化2]
[0053] 上式中的相关系数矩阵为单位矩阵，因此经过化Olesky分解之后的下=角矩阵仍 然为一单位矩阵，所W在本例中可W直接利用：
[0054] EXC化中的 NORMINV (RAND O ,18.0,5.4)，NORMI W( RAND 0,20.0，4.0 )，NORM INV (RAND()，25.0，7.5)生成N= 100000个蒙特卡罗抽样样本值，记为Si= (Suii，Sui2，Sui3)，其中 i = l，2，...，N。
[0055] 步骤=:每个蒙特卡罗样本值下的边坡稳定确定性分析：
[0056] W蒙特卡罗抽样样本值Si为例，分别将Suil，Sui2，Sui3视为第一、第二、第；层±的 不排水剪切强度值，结合图4所示的边坡几何剖面来进行确定性分析。假定边坡的滑动区域 为圆弧和任意形状(采用15个点的直线连接来模拟，可结合图3进行），分别利用简化Bishop 法和Mo巧enstern-Price法来捜索相应于圆弧滑动面和任意滑动面的最小安全系数W及滑 动区域。
[0057] 步骤四：每个蒙特卡罗样本值下失稳趋势判断：
[005引步骤S中简化Bi shop法得到的最小安全系数为Fsi ,Morgenstern-Pr ice法得到的 最小安全系数为Fs2，计算其平均值Fs = (Fsi+Fs2 )*0.5，譬如在Si样本值下，Fsi = 0.9，Fs2 = 0.8,则Fs = O.85。因为Fs小于1，所W该样本值下边坡的失稳趋势为失稳(P = I);若Fs大于1， 则该样本值下边坡的失稳趋势未失稳(P = O)。
[0059] 步骤五:每个蒙特卡罗样本值下滑动区域求和与归一化高差的确定：
[0060] 根据图3所示的滑动区域求和操作，得到样本值Si下综合滑动区域如图5所示，该 综合滑动区域的面积A = 284m2,滑入点和滑出点之间的高差为6米，坡高同样为6米，因此， 该样本值下得到的综合滑动区域归一化高差Sh=I.0。
[0061 ]步骤六:每个蒙特卡罗样本值下风险量化：
[0062] 根据每个样本值下的风险量化公式得到样本值Si下的风险为：
[0063] ri = A*p*Sh/N=284*l*l/100000 = 0.00284。
[0064] 步骤屯:滑坡风险最终量化：
[0065] 将N=1000 OO个抽样样本值分别进行步骤=~步骤六的计算，汇总每个样本值下 量化的风险值ri得到最终的滑坡风险k。表1给出了 100000次计算过程中得到的综合滑动区 域面积，失稳趋势，归一化高差等数据。由于失稳趋势P = O时，量化的风险为0,因此表1中仅 仅给出了失稳趋势P=I时的数据汇总，将第四列风险进行汇总后得到的滑坡风险最终为 39.55m^〇
[0066] 表1各风险量化因素数据汇总(N=1000 OO)
[0067]
[0068] 本发明与现有技术相比，根据圆弧和任意滑动区域进行综合求和操作，并基于综 合后的安全系数来判断滑动区域的失稳趋势，滑坡风险量化过程中考虑了滑动区域归一化 高差的影响，在极限平衡方法的框架之内提出了快速量化滑坡风险的方法。
[0069] 当然，上述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定对本发明的实施 例范围。本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围 内所做出的均等变化与改进等，均应归属于本发明的专利涵盖范围内。
【主权项】
1. 一种滑坡风险量化方法，其特征在于:包括如下步骤： 步骤一:确定边坡几何模型、土层岩土力学参数、统计参数； 步骤二:生成符合土层参数统计特性的蒙特卡罗抽样样本； 步骤三:边坡确定性分析确定每个蒙特卡罗样本下的滑动区域； 步骤四：每个蒙特卡罗样本下滑动区域的失稳趋势判断； 步骤五:确定滑动区域滑入点、滑出点之间归一化高差； 步骤六:每个蒙特卡罗样本值下风险量化； 步骤七:汇总每个蒙特卡罗样本下滑动区域的面积、失稳趋势以及滑入点、滑出点之间 的归一化高差来量化滑坡的风险。2. 根据权利要求1所述的滑坡风险量化方法，其特征在于:步骤一中的土层岩土力学参 数是利用现场试验、测量确定边坡的坡度、坡顶和坡角的延展范围以及边坡土层的构成情 况，以及根据室内常规土工试验确定的。3. 根据权利要求1或2所述的滑坡风险量化方法，其特征在于:步骤一中的土层岩土力 学参数包括密度P、粘聚力c以及内摩擦角Φ的均值以及相应的变异系数值v P、v。和、。4. 根据权利要求3所述的滑坡风险量化方法，其特征在于:步骤二中的蒙特卡罗抽样样 本是根据步骤一确定的土层数目和每种土层中的岩土力学参数确定总的随机变量个数n， 分析各个随机变量之间的相关性并生成相应的相关系数矩阵T，然后初步确定蒙特卡罗抽 样次数N= 100000,分解T生成下三角矩阵L;将L乘以标准正态随机变量并结合其均值与标 准差得到符合随机变量相关性的样本值。5. 根据权利要求4所述的滑坡风险量化方法，其特征在于:步骤三中的蒙特卡罗样本下 的滑动区域是针对步骤二生成的每一个样本值，将其视为边坡土层参数的确定性输入值， 利用极限平衡方法中的简化Bishop法和Morgenstern-Price法计算其最小的安全系数以及 相应的滑动区域。6. 根据权利要求5所述的滑坡风险量化方法，其特征在于：步骤三中，简化Bishop法假 定的滑动区域为圆弧型，Morgenstern-Price法假定的滑动区域为任意形状。7. 根据权利要求6所述的滑坡风险量化方法，其特征在于：步骤四中，最小简化法 1^11(^安全系数？51和最小]/[〇找61^61'11-?1'；!^法安全系数？52，计算？5=(?51+?52)*0.5，判 断Fs是否小于1.0,若是，则说明该样本下所得滑动区域的失稳趋势为失稳;否则，其失稳趋 势为未失稳。8. 根据权利要求7所述的滑坡风险量化方法，其特征在于：步骤五中，圆弧滑动区域和 任意滑动区域，两者求和操作之后得到综合的滑动区域，确定之间的高差，并用这个高差除 以边坡的高度进行归一化，记为心。9. 根据权利要求8所述的滑坡风险量化方法，其特征在于：步骤六中，计算综合的滑动 区域相对应的面积，失稳趋势P为失稳的记为1，未失稳的记为0;综合滑动区域的归一化高 差3h，将以上这些因素相乘，得到每一个样本值下的风险量化值ri=A*p*5 h/N。10. 根据权利要求9所述的滑坡风险量化方法，其特征在于:步骤七中，将每一个样本值 下的ri进行汇总得到Ση，即滑坡的风险值Lr= Ση。
【文档编号】G06F17/50GK105956317SQ201610330203
【公开日】2016年9月21日
【申请日】2016年5月18日
【发明人】李亮, 褚雪松
【申请人】青岛理工大学