基于离散元法的土石体边坡失稳过程模拟及其防护措施研究

作     者：陈蕾 

作者单位：西安理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：杨杰;马春辉;黄坚

授予年度：2024年

学科分类：08[工学] 0815[工学-水利工程] 081503[工学-水工结构工程] 

主      题：离散元 土石体 滑坡 细观参数标定 机器学习 阵列挡板 

摘      要：在各种水利工程建设过程中,由于开挖、盾构、爆破等施工手段,将不可避免地导致大量弃渣土石体的产生。土石体材料是由粒径各不相同的软弱黏土和强度较高的不规则块石等共同组成的混合体,材料整体透水性较强且物理力学参数具有随机性和差异性。由于堆积松散、安全监测设施不到位等原因,极易发生边坡失稳进而导致滑坡灾害,严重威胁周边人民群众生命财产安全,对在建、已建工程造成破坏。因此,开展土石体边坡失稳模拟及防护研究对工程建设具有重要意义。本文以实际工程中的弃渣土石体边坡为研究对象,采用机器学习算法、离散元数值模拟等手段,对弃渣土石体边坡失稳过程进行模拟预测,结合斜槽碎屑流冲击阵列挡板结构室内试验,进一步探究防护措施的阻滑性能。本文主要研究内容及成果如下: (1)构建了基于滑坡堆积形态特征的土石体细观参数智能标定方法。在离散元细观参数取值范围内,采用拉丁超立方抽样方法构建细观参数组合,通过地形数据建立起土石体边坡三维离散元模型,并采用FISH语言编制离散元监测程序获取滑坡堆积形态特征值。以监测获取的数据为基础,构建RVM-NSGA-Ⅲ细观参数智能标定模型,利用该模型获取得到的最优细观参数组合对离散元模型进行正演验证,工程应用结果表明:基于RVM-NSGA-Ⅲ的细观参数智能标定模型计算值与实测值相似度达到97.5%,与数值模拟监测值相似度达到95.6%,该模型在细观参数标定方面取得了较好的效果。 (2)提出了基于颗粒尺寸效应的土石体滑坡致灾范围预测及影响评价方法。通过构建不同颗粒粒径下的离散元边坡模型,探究不同颗粒粒径、颗粒数量对离散元数值模拟结果及模拟计算效率的影响,数值分析结果表明:当颗粒粒径缩小到最大粒径的40%时,颗粒数量增加了17.25倍,而计算所用时长则增加为原先的73.43倍,计算效率严重下降。在此基础上,根据标定得到的细观参数,采用离散元法进行弃渣土石体边坡滑坡过程模拟,分析土石体边坡失稳后的堆积范围、滑坡演化过程、监测点运动速度及运动轨迹、能量演化等关键信息。对平均不平衡力比值曲线及整体滑坡演化过程进行分析,可将弃渣土石体边坡的失稳演化过程分为快速滑移、二次滑移、平稳滑移、蠕动滑移等四个阶段。 (3)开展了碎屑流冲击阵列挡板结构的防护性能室内试验及数值模拟研究。将室内试验与离散元数值模拟方法相结合,分别对斜槽碎屑流冲击阵列挡板结构的支护性能进行研究,通过设置不同挡板间距、挡板排距、挡板截面形状及斜槽倾角等变量,探究了阵列挡板对碎屑流颗粒的拦挡阻滑效果。以运动堆积形态、速度衰减、能量耗散、挡板所受冲击力、居民区所受冲击力等指标构建了阵列挡板阻滑性能评价体系及打分系统,并提出阵列挡板结构的最优组合策略。研究结果表明:当阵列挡板间距为挡板横向阻滑长度的2.5倍、挡板排距为挡板横向阻滑长度的7.0倍、挡板截面形状为矩形时,阵列挡板表现出较好的阻滑性能,组合总得分为43分(满分45分)。