導(dǎo)語：水利水電工程邊坡穩(wěn)定性探討一文來源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點，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，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理論提出了測算邊坡穩(wěn)定性的可靠方法，描述了邊坡區(qū)域應(yīng)力場的分布方式。借助Bellman-Ford搜索算法能快速分析出邊坡的安全影響因素，可以明確最危險滑動面的特點；同時，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狀態(tài)的反映并評估可能發(fā)生的風(fēng)險，同時為可能發(fā)生的危害進(jìn)行預(yù)測并采取積極有效的措施[1]。針對無網(wǎng)格質(zhì)點法（IndependentCoverMeshlessPar-ticle,ICMP）的單獨覆蓋，為了有效布置邊坡點，要充分考慮到節(jié)點會嚴(yán)重影響無網(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題，結(jié)合水利水電工程的實際提出基于獨立矩形的離散節(jié)點求解方法，可以獨立分析復(fù)雜土方工程受力問題。在ICMP方法的應(yīng)用中，針對節(jié)點覆蓋函數(shù)采用了多項式實施網(wǎng)格插值的解答，對于材料受力、斷層特點、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，針對二次剖分域可以借助ctm算法實現(xiàn)。該方式的特點是數(shù)值和計算操作相對簡單，只有很小的計算成本，完全避免了以上有限元計算方式的缺陷，利用簡單的形式構(gòu)建相對復(fù)雜的分析模型，以二維和三維的形式分析巖土工程，同時完全具備裂隙擴(kuò)展、危險性、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，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)問題，借助折線或利用圓弧滑動面確定搜索方式，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，對于結(jié)構(gòu)面的單一分布特點實施研究。傳統(tǒng)模式下的簡單的巖質(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)系問題，需要采用多段折線對復(fù)雜結(jié)構(gòu)面加以描述。折線段數(shù)目在增加的同時會導(dǎo)致目標(biāo)函數(shù)的自由度同步增加，搜索算法的計算難以保證理想的結(jié)果。針對巖質(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，其特點就是解決了最短路徑的計算問題，可以快速找出兩點之間最短的距離，路徑最優(yōu)算法的應(yīng)用解決了許多工程問題。針對邊坡問題，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：針對點與邊，所探索的最短路徑是邊坡失穩(wěn)時的臨界滑動面[3]。

2.2基于無網(wǎng)格模型的有向圖構(gòu)造

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

2.3邊的權(quán)值定義

從起點到終點假設(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)實施有效轉(zhuǎn)化，以變化為最小的邊和最小的權(quán)重和。針對邊坡穩(wěn)定安全性的分析有多種方式，如基于強(qiáng)度儲備的安全系數(shù)、過載儲備的安全系數(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，可以將強(qiáng)度折減以及強(qiáng)度儲備作為基礎(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)計算數(shù)值的抗滑力與下滑力的定義，就能夠及時有效地取得適應(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算法的實現(xiàn)

有向權(quán)圖要保證完整性，需要提前定義起點與終點的特異性。定義出搜索點，連接各個滑動面的起始點，確定范圍，連接所有終止點覆蓋的區(qū)域。虛擬起點與終點的應(yīng)用，可以保證有向圖結(jié)構(gòu)的完整性。針對虛擬起點和終點，計算其邊權(quán)值是關(guān)鍵。針對結(jié)構(gòu)的計算，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)確計算是核心。由于是未知量，計算的過程中設(shè)定儲值F=1.0，利用公式（3）確定邊權(quán)值，構(gòu)建出加權(quán)圖。針對最短路徑的確定，再次計算安全系數(shù)F，對比F與F'，如果不超過收斂誤差，就可以退出計算，否則令F=F'重新計算。

3算例驗證與分析

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)理起始點的距離是5m，邊坡幾何模型如圖2所示，可以看出其特點。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)點加密。對滑移面進(jìn)行計算，顯示1.48的安全系數(shù)。壓應(yīng)力對整個邊坡產(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)力場特點與位移場的變化。

4結(jié)論

文章利用應(yīng)力場構(gòu)造有向圖和ICMP節(jié)點拓?fù)鋽?shù)據(jù)，基于ICMP模型等價分析了邊坡穩(wěn)定性圖論問題，對最短搜索路徑程序進(jìn)行編制，在不假定滑動面形狀的情況下確定了最危險滑動面和最小安全邊坡系數(shù)，也不用二次迭代計算，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，特別對復(fù)雜巖體邊坡穩(wěn)定性的分析更有效果。文章的算例對該方式的正確性和合理性進(jìn)行了確定。

參考文獻(xiàn)：

[1]王文豐.南水北調(diào)中線焦作段高填方渠道邊坡穩(wěn)定性分析[D].鄭州:華北水利水電大學(xué),2020.

[2]李政韜,羅強(qiáng),蔣良濰,等.幾何參數(shù)對邊坡穩(wěn)定可靠度影響規(guī)律分析[J].鐵道科學(xué)與工程學(xué)報,2021,18(7):1748-1755.

[3]高馮,李小軍,遲明杰.基于有限元強(qiáng)度折減法的單雙面邊坡穩(wěn)定性分析[J].工程地質(zhì)學(xué)報,2020,28(3):650-657.

作者：萬克誠 單位：中國電建集團(tuán)西北勘測設(shè)計研究院有限公司