基于数值模拟的黑方台黄土滑坡滑距预测研究

论文摘要

黄土高原约占我国国土总面积的6.6%,由于黄土自生结构的特殊性,在外力因素的干扰,尤其是水的作用下,会表现出屈服、软化、强度降低及湿陷等特性,导致地质灾害频频发生,其灾害总数约占据全国总数的三分之一。而对于甘肃黑方台地区,由于长期农业漫灌,地下水位不断抬升,导致平均每年有3-5次滑坡地质灾害发生,严重制约了当地的社会、经济、文化发展。目前对于黑方台黄土滑坡的致灾因素、灾变机理、成灾模式以及演化过程等研究,已有大量的研究成果,而对于黑方台黄土滑坡的滑距预测,却鲜有报道,因此展开对黑方台黄土滑坡的空间滑距预测研究,可以为该地区的滑坡预警及防控提供科学依据。本文围绕着滑距预测这一目的,基于黑方台2015—2017年发生的7起典型黄土滑坡滑前及滑后地形数据,首先通过离散元数值模拟软件对其中6起滑坡进行以参数为变量的系列正交试验,得到各组参数及其对应的模拟形态（滑源区横向宽、滑源区纵向宽、滑坡的壁高、滑坡整体落差、滑距、堆积区横向宽）;然后以此作为样本进行神经网络训练,确定出模拟形态与参数之间的映射关系;进而利用此映射关系反演得到这6起滑坡的最优模拟参数,并以这6组最优模拟参数的范围作为该地区黄土滑坡数值模拟参数的取值范围;接着通过对第7个滑坡的正演结果,验证了该参数取值范围的可靠性;最后以该取值范围的均值作为参数对陈家7#潜在滑坡进行了滑距预测。主要得到以下结论:（1）确定了黑方台黄土滑坡离散元数值模拟所应采用的本构模型、计算时间步长、网格搜索大小以及离散元软件等。根据对离散元理论的研究可知,不同的接触模型对应的力学机理不同,根据颗粒运动过程的受力特征,得出黑方台黄土滑坡颗粒与颗粒之间的本构模型应采用JKR含湿颗粒接触模型,颗粒与几何体之间的接触模型应采用RVD滚动接触模型,时间步长的确定方法应采用瑞利波法,网格的搜索边长值应设为1.5dmax,最后通过离散元软件中接触模型库、颗粒接触搜索算法以及时间步长计算方法等三方面的比较,最终确定选用EDEM离散元软件对黑方台黄土滑坡进行模拟研究。（2）实现了EDEM离散元模型的颗粒快速平衡填充。由于目前大多数离散元程序不能直接建模或建模过程十分的繁琐,故本文通过Surfer、Polywork等软件对黑方台的无人机数据进行处理,构建出了滑坡的三维模型,并结合离散元PFC软件以及EDEM软件中API开发的快速填充模块,采用“逐层brick填充法”实现对EDEM离散元模型的颗粒快速平衡填充;然后根据前人力学试验研究、室内休止角试验、以及GEMM材料数据库确定出材料颗粒粒径、泊松比、弹性模量、密度、颗粒与滑源区几何体之间的静态摩擦系数、滚动摩擦系数等6个参数的取值,得到颗粒与颗粒之间、颗粒与非滑源区几何体之间的滚动摩擦系数、静摩擦系数、模型整体的碰撞恢复系数以及JKR模型的能量密度等6个参数的合理取值范围,为正交试验的设计提供依据。（3）利用神经网络方法,反演出6起滑坡对应的最优参数,并以这6组最优参数作为黑方台滑坡的参数取值范围,通过第7起滑坡的正演,验证了该取值范围的准确性。由于离散元中宏观与细观力学参数存在着很高的非线性,为快速、有效的得到能反应实际情况的离散元细观参数,本文首先通过对参数的敏感性分析,确定出JRK模型的表面密度能应为100J/m2,然后根据“敏感性大的参数设置较小变化梯度,敏感性小的参数设置较大变化梯度”的原则进行正交试验设计,通过6起滑坡共1548次的数值计算,得到不同参数下所对应的模拟形态;然后以此作为神经网络训练样本,构建出模拟形态与参数之间的映射关系模型,随后利用该模型实现这6起滑坡的参数反演,并利用这6起滑坡反演得到的最优参数作为黑方台黄土滑坡的参数取值范围;最后通过第七起滑坡的正演,验证了该取值范围的准确性,避免了相同地质条件下模拟时人工标定力学参数所带来的复杂性和随机性。（4）首次提出“限定后缘”有限元强度折减法对黑方台黄土滑坡的潜在滑动面进行搜索。“限定后缘”有限元强度折减法是以裂缝及落水洞的分布作为后缘控制性边界,利用位移等值线作为潜在滑面划分的依据对潜在滑面进行搜索;然后通过对2019.03焦家6#滑坡、2015.01焦家4#滑坡以及2017.10党川9#滑坡滑面的搜索,证明了该方法的可行性、适用性和准确性,为简便、快速、准确的搜索出黑方台黄土滑坡的潜在滑动面提供一种新的思路。（5）实现陈家7#潜在滑坡的滑距及运动过程预测分析。为确定出陈家7#潜在滑坡的滑体形态,本文通过无人机影像及现场的实际调查,以裂缝及落水洞的分布作为控制性边界,圈定出CJ7#滑坡可能发生的后缘边界,利用“限定后缘”强度折减法对其潜在滑面进行搜索,确定出CJ7#滑坡的潜在滑面形态,然后利用ItasCAD三维地质建模软件构建出潜在滑坡体的三维离散元模型,接着以反演出的陈家段已有滑坡离散元细观参数的均值作为参数,通过离散元法得到CJ7#滑坡沿限定后缘边界发生滑动时的滑距约为380m,堆积最大宽度约为97m,滑坡前缘剪出口与滑坡堆积最前缘的高差约为59m,最大堆积厚度约为10m。滑坡发生时,各区域的启动响应先后顺序为:B3>B2>B1>T2>T1,滑坡发生后,各区域的相对前后及堆积层序位置与滑前基本保持一致。

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摘要

Abstract

第1章引言

1.1 选题依据及研究意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 黄土滑坡形成机理研究现状

1.2.2 黄土滑坡类型研究现状

1.2.3 滑坡数值模拟研究现状

1.2.4 数值模拟参数研究现状

1.3 主要研究内容及技术路线

1.3.1 研究内容

1.3.2 拟解决关键科学问题

1.3.3 技术路线

1.3.4 本文主要创新点

第2章黑方台地质环境条件与滑坡特征

2.1 黑方台地理位置

2.2 气象水文

2.3 地形地貌及地层岩性

2.4 地质构造与新构造运动

2.5 水文地质条件及人类工程活动

2.6 黑方台滑坡分布情况及发育特征

第3章黑方台黄土滑坡的离散元法研究

3.1 离散元的基本理论

3.1.1 颗粒接触本构模型理论

3.1.2 时间步长的确定

3.1.3 颗粒接触搜索算法

3.2 离散元数值计算软件的选取

3.3 滑坡三维离散元模型的建立

3.3.1 地形数据的获取

3.3.2 滑体及滑床的三维构建

3.3.3 任意几何形状的颗粒快速填充及平衡

3.4 参数范围的确定

3.5 小结

第4章基于神经网络的离散元细观参数反演

4.1 正交试验设计

4.2 神经网络介绍

4.2.1 神经拓扑结构

4.2.2 激活函数

4.2.3 学习算法

4.3 黑方台黄土滑坡细观参数反演

4.3.1 神经网络模型建立及训练

4.3.2 模型结果

4.4 小结

第5章黑方台黄土滑坡滑距预测研究

5.1 潜在滑面的搜索

5.1.1 模型的建立及边界条件

5.1.2 “限定后缘”强度折减法

5.2 滑体模型构建

5.3 滑坡滑距及运动过程预测分析

5.3.1 滑距及堆积形态预测分析

5.3.2 运动过程预测分析

5.4 小结

结论

致谢

参考文献

攻读学位期间取得学术成果

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 周小棚

导师: 许强

关键词: 离散元,有限元,神经网络,参数反演,滑面搜索,滑距预测

来源: 成都理工大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅱ辑

专业: 地质学,地质学,工业通用技术及设备

单位: 成都理工大学

基金: 国家自然科学基金重点项目—溃散性滑坡成因机理,监测预警与定量风险评价(NO.41630640)

分类号: P642.22

DOI: 10.26986/d.cnki.gcdlc.2019.000865

总页数: 118

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