基于GIS公路邊坡穩(wěn)定評(píng)判與防護(hù)決策系統(tǒng)研究.pdf

1、近年來，山區(qū)高速公路高邊坡開挖與防護(hù)問題備受關(guān)注。由于問題的復(fù)雜性，在建設(shè)過程中如何有效評(píng)判、預(yù)測(cè)高邊坡穩(wěn)定性，制定合理的防護(hù)方案已成為困擾工程順利實(shí)施的一個(gè)棘手課題。公路邊坡多為巖質(zhì)復(fù)合邊坡，破壞模式和結(jié)構(gòu)形態(tài)復(fù)雜多變，物理模型及其參數(shù)具有不確定性。近三十多年來，盡管已經(jīng)積累了相當(dāng)豐富的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，巖石力學(xué)研究也取得了長(zhǎng)足的發(fā)展并具有相對(duì)成熟的理論基礎(chǔ)，然而工程實(shí)踐表明，單一評(píng)判方法幾乎無法解決復(fù)雜的實(shí)際問題，以致于在實(shí)踐中不得不依賴一

2、些基于半經(jīng)驗(yàn)半理論的穩(wěn)定評(píng)判方法來制定工程實(shí)施方案。因此，如何將這些基礎(chǔ)性研究成果系統(tǒng)有效地應(yīng)用于實(shí)踐，為工程問題找出解決方法與途徑，是擺在巖石力學(xué)工作者面前極具挑戰(zhàn)性并具有重要理論和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值豹課題。 公路是一種線形帶狀工程，山區(qū)公路沿線邊坡數(shù)量成百上千，由于巖體的復(fù)雜性和性狀的不確定性，對(duì)眾多邊坡工程實(shí)踐中經(jīng)常依靠經(jīng)驗(yàn)法則進(jìn)行開挖，模型計(jì)算分析一般僅關(guān)注一些特殊邊坡。即使現(xiàn)場(chǎng)能夠獲得力學(xué)模型和確定的參數(shù)，如果模型過于復(fù)雜，

3、要在實(shí)踐中應(yīng)用也有難處。工程中被開挖巖體地質(zhì)特征經(jīng)常會(huì)隨著開挖進(jìn)程而變化，巖體的性狀也受設(shè)計(jì)和施工方法、巖土地下水等環(huán)境特征變化影響，還經(jīng)常受設(shè)計(jì)和施工(尤其是后者)的技術(shù)水平和施工質(zhì)量所左右。因此，如何制定一套能有效指導(dǎo)邊坡設(shè)計(jì)和施工的評(píng)判系統(tǒng)尤為重要。本文在前人研究應(yīng)用基礎(chǔ)上結(jié)合工程實(shí)踐與經(jīng)驗(yàn)對(duì)以下幾個(gè)方面開展研究。一、滑動(dòng)面確定方法理論研究。針對(duì)公路復(fù)雜邊坡危險(xiǎn)滑動(dòng)面形態(tài)和位置多元性，結(jié)合工程實(shí)踐中滑動(dòng)面坡腳剪出口與坡頂后緣大致分

4、布范圍的經(jīng)驗(yàn)可估性，本文研究提出一種基于坡面網(wǎng)格搜索全局最優(yōu)滑動(dòng)面方法。該方法能在給定搜索范圍內(nèi)鎖定多個(gè)區(qū)域的安全系數(shù)極小值，并確定全局最危險(xiǎn)滑動(dòng)面。該方法適用于圓弧滑動(dòng)面、折線滑動(dòng)面搜索，結(jié)果具有較好全局性。 二、基于GIS邊坡穩(wěn)定評(píng)判專家系統(tǒng)研究開發(fā)與應(yīng)用。結(jié)合浙南山區(qū)公路邊坡防護(hù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和公路邊坡工程特點(diǎn)，提出一種依靠GIS數(shù)據(jù)庫(kù)，能考慮影響邊坡穩(wěn)定的20個(gè)主要因素，基于多個(gè)邊坡專家經(jīng)驗(yàn)的多層次模糊綜合評(píng)判方法(AHP-F

5、uzzy法)； 依據(jù)AHP-Fuzzy法開發(fā)出邊坡穩(wěn)定評(píng)判專家系統(tǒng)；將該專家系統(tǒng)應(yīng)用于溢州繞城高速公路北線工程，有效指導(dǎo)了該項(xiàng)目邊坡設(shè)計(jì)與施工。三、基于GIS公路邊坡穩(wěn)定評(píng)判與防護(hù)決策系統(tǒng)(HIGHWAY sLOPE OPTIMIZATION SYSTEM，簡(jiǎn)稱HSOS系統(tǒng))研制開發(fā)。基于GIS數(shù)據(jù)管理與空間分析功能，在邊坡穩(wěn)定評(píng)判專家系統(tǒng)基礎(chǔ)上根據(jù)相應(yīng)穩(wěn)定類型初步確定邊坡防護(hù)對(duì)策，對(duì)篩選出的典型與特殊邊坡，導(dǎo)入幾何模型、地質(zhì)參

6、數(shù)，采用三維極限平衡與三維有限元方法經(jīng)定量分析判斷其穩(wěn)定性，通過分析判斷提出防護(hù)決策方案。該系統(tǒng)主要包括基于GIS數(shù)據(jù)采集、管理與維護(hù)的邊坡管理模塊、三維虛擬場(chǎng)地模塊、邊坡穩(wěn)定評(píng)判專家系統(tǒng)模塊(即邊坡穩(wěn)定半定性半定量分類評(píng)判系統(tǒng)模塊，含AHP-Fuzzy評(píng)判法、Marklands法等)、邊坡穩(wěn)定定量分析系統(tǒng)模塊(含邊坡二維與三維極限平衡分析、樁錨結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析、ABAQUS軟件系統(tǒng))和公路邊坡防護(hù)決策系統(tǒng)模塊等五部分。 HSOS基于Arc

7、GIS的COM組件技術(shù)自主有限開發(fā)完成，功能相對(duì)系統(tǒng)、完整，并經(jīng)驗(yàn)證。 四、HSOS系統(tǒng)工程應(yīng)用實(shí)例研究。應(yīng)用HSOS系統(tǒng)，對(duì)杭金衢高速公路K103高邊坡滑坡進(jìn)行三維場(chǎng)地特征虛擬現(xiàn)實(shí)，開展二三維極陵平衡穩(wěn)定分析和三維有限元施工過程模擬，結(jié)合監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)成果，提出防護(hù)決策方案，為滑坡防護(hù)多方案比選與決策、抗滑樁設(shè)計(jì)參數(shù)優(yōu)化分析等應(yīng)用提供理論依據(jù)。 五、生態(tài)邊坡?lián)鯄Y(jié)構(gòu)研究。結(jié)合公路邊坡工程經(jīng)驗(yàn)，研究提出多種生態(tài)邊坡?lián)鯄Y(jié)構(gòu)形式