[发明专利]蓄水期库岸岩质边坡变形的预测方法

权利要求书

1.蓄水期库岸岩质边坡变形的预测方法，其特征在于，包括步骤：

S1：建立包括各变形分量的库岸边坡变形回归分析预测模型，对边坡变形监测数据进行回归分析，该模型为：

δ＝δ_HW+δ_TW+δ_TD (1)

其中，δ_HW为蓄水瞬时触发的变形分量，δ_TW为气温变形分量，δ_TD为时效变形分量；δ为实测变形；

1)蓄水瞬时触发的变形分量δ_HW

蓄水瞬时触发的变形分量的δ_HW表示为水头的四次多项式，即：

其中，b_Hi为水头分量回归系数，H为水头；

2)气温变化引起的气温变形分量δ_TW

采取周期函数或多项式表示，即：

其中，t₁为位移观测日到起始监测日的累计天数；b_T1i、b_T2i均为温度分量回归系数；起始监测日是指监测仪器埋设后开始进行监测的日期，位移观测日是指开始监测以后获取监测数据的日期；

3)时效变形分量δ_TD

由渗流、蠕变因素引起的库岸边坡时效变形分量统一采用指数函数形式表示，即：

其中，n为蓄水过程中水位明显抬升和下降的次数；τ_i为位移观测日到第i次水位抬升时的累积天数；α_1i、α_2i、β_i为第i次水位抬升或下降时的时效变形分量回归系数；

S2：基于变形回归分析预测模型，采用数值仿真分析方法对库岸边坡岩体力学参数和热学参数进行反演计算及分析；

1)岩体中结构面的本构模型；

采用有限元方法，基于有厚度、带强度的接触单元进行岩体结构面力学特性的模拟；以接触单元的法向-切向建立局部坐标系，在局部坐标系中，接触单元的应力-节点位移关系为：

其中，{σ}为单元应力，τ_s为切向剪应力，σ_n为法向正应力；h为接触单元的厚度；Δu为接触单元的剪切相对位移，Δv为接触单元的法向相对位移；{δ}^e为单元节点位移；[N]为形函数矩阵；[K]为接触单元的刚度矩阵，其由式(7)确定：

其中，k_ss为切向刚度；k_nn为法向刚度；k_sn为考虑切向耦合效应的刚度，k_ns为考虑法向耦合效应的刚度，k_sn和k_ns均为零；

形函数矩阵[N]可由下式确定：

式中：l为接触单元的长度，x′为局部坐标；

根据虚功原理，由式(6)可得到以下有限元方程：

其中，[K]^e为接触单元在局部坐标系的刚度矩阵，转换为全局坐标系的刚度矩阵为：

[K]^G＝[T]^-1[K]^e[T] (10)

其中，[K]^G为全局坐标系下的刚度矩阵，[T]为与结构面倾角θ相关的坐标转换矩阵；

当接触单元的法向正应力达到其初始抗拉强度，即σ_n≥f_t0时，接触单元产生拉伸损伤，法向刚度损伤变量D_n表示为：

其中：f_t0为接触单元的初始抗拉强度；f_tu为接触单元的拉伸损伤残余强度；

当接触单元产生拉伸损伤时，认为其切向刚度同时弱化，其损伤量与法向刚度相同，即：

D_n＝D_s (12)

D_s为切向刚度损伤变量

当接触单元的切向剪应力τ_s达到Mohr-Coulomb强度破坏准则时，即：

F＝|τ_s|-(c₀+f₀σ_n)≥0 (13)

接触单元产生剪切损伤，从而导致切向刚度弱化，相应的切向刚度损伤变量D_s表示为：

其中：τ_su为接触单元的剪切残余强度；

2)岩块的本构模型

采用Drucker-Prager屈服准则模拟岩块的物理力学特性，即：

其中，α、k为常数；I₁为应力张量的第一不变量；J₂为应力偏量的第二不变量；

3)岩体的蠕变模型

岩体的蠕变模型表示为：

其中，ε^c(t,τ)为蠕变应变，Δσ₀为在t₀时刻施加的应力增量，t为计算时间，τ为加载时间，A₁、A₂为蠕变度参数，k₁为蠕变速率参数；

S3：基于反演计算得到的库岸边坡岩体力学参数和热学参数，利用数值仿真分析方法计算分析当前水位下岸坡的变形，将计算得到的变形与监测结果进行对比，分析参数的合理性和准确性；如果计算值与监测值吻合良好，说明参数取值合理，可以进行下一水位下岸坡变形的预测分析，如果计算得到的变形与监测值吻合较差，需重新调整参数，得到岩体的力学参数和热学参数；

S4：根据调整后的岩体力学参数和热学参数，预测下一蓄水位下库岸岩质边坡的变形，得到下一蓄水位下库岸岩质边坡的变形预测结果；

S5：对下一蓄水位下库岸岩质边坡的变形预测结果进行检验。