王 幸 林

(中煤科工集團(tuán)重慶設(shè)計(jì)研究院有限公司，重慶 400016)

?

基于流固耦合理論的泄灘污水處理廠邊坡在庫水變化條件下的巖土體力學(xué)參數(shù)反演

王 幸 林

(中煤科工集團(tuán)重慶設(shè)計(jì)研究院有限公司，重慶 400016)

選取三峽庫區(qū)的泄灘鄉(xiāng)污水處理廠變形體邊坡為研究對(duì)象，建立了泄灘鄉(xiāng)污水處理廠變形體邊坡二維有限元模型，采用流固耦合有限元分析軟件(ABAQUS)和智能位移反分析方法，對(duì)該邊坡在庫水變化條件下的巖土體的物理力學(xué)參數(shù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)反演，為該邊坡在庫水位波動(dòng)條件下的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)提供合理的參數(shù)。分析結(jié)果表明：基于反演獲得的巖土體物理力學(xué)參數(shù)計(jì)算獲得測點(diǎn)位置的位移值與實(shí)測值非常接近，說明采用流固耦合有限元分析軟件(ABAQUS)和智能位移反分析方法在動(dòng)態(tài)反演水庫邊坡巖土體物理力學(xué)參數(shù)在工程上是可行的。

巖土工程；流固耦合；智能反演方法；參數(shù)反演

泄灘污水處理廠變形體位于秭歸縣泄灘鄉(xiāng)新集鎮(zhèn)下店與楊家坪之間斜坡地帶，邊坡沿長江左岸延伸，平面略呈凹圓弧形，起于長江上游泄灘河口，止于長江下游楊家坪集鎮(zhèn)片區(qū)居民住點(diǎn)，邊坡全長約200 m。根據(jù)三峽庫區(qū)生態(tài)環(huán)境保護(hù)規(guī)劃，2002年秭歸縣環(huán)保局在邊坡中下部(高程190.00 m)選址擬建一座污水處理廠，該污水處理廠于2007年開始修建，2008年11月修建初接近尾聲[1]。根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測，近幾年以來，該邊坡一直處于穩(wěn)定狀態(tài)，直到2008年11月8日，三峽水庫蓄水至172.79 m時(shí)，致使場地地下水位條件發(fā)生變化，從而改變了該斜坡的水文地質(zhì)條件，出現(xiàn)斜坡后緣填土明顯變形破壞跡象。

1 智能位移反演方法

筆者采用智能位移反分析方法反演巖土體的物理力學(xué)參數(shù)，其基本思想為：以各巖土體的基本物理力學(xué)參數(shù)為基本輸入變量，通過均勻設(shè)計(jì)法設(shè)計(jì)一定數(shù)量的計(jì)算方案，采用有限元計(jì)算方法進(jìn)行數(shù)值模擬，將所獲得的計(jì)算結(jié)果與對(duì)應(yīng)的計(jì)算參數(shù)組合作為樣本訓(xùn)練人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，應(yīng)用遺傳算法搜索最佳的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，建立基本變量與巖土體位移之間的非線性映射關(guān)系，并采用遺傳算法進(jìn)行全局優(yōu)化，在以位移目標(biāo)函數(shù)為最小的條件下得到基本變量的最優(yōu)解。

筆者選取目前在巖體力學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用最為廣泛的典型網(wǎng)絡(luò)模型——BP網(wǎng)絡(luò)[2]，將其應(yīng)用于巖土體物理力學(xué)參數(shù)的研究過程中。BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的基本結(jié)構(gòu)如圖1。通過該神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來建立巖土體物理力學(xué)參數(shù)與巖土體位移之間的映射關(guān)系，需要首先對(duì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練。訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)必須具有一定數(shù)量的樣本，并且樣本應(yīng)該滿足所有可能發(fā)生的輸入輸出狀態(tài)。為了既保證網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)的準(zhǔn)確性，又減少試驗(yàn)的工作量。筆者采用均勻設(shè)計(jì)方法[3]設(shè)計(jì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練樣本和測試樣本[4]。

圖1 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)基本結(jié)構(gòu)模型Fig.1 The basic structure model of BP neural network diagram

2 流固耦合分析

邊坡在水庫水位波動(dòng)的作用下坡體中孔隙流體壓力的變化引起多孔介質(zhì)骨架有效應(yīng)力發(fā)生變化，由此導(dǎo)致土體性質(zhì)如滲透系數(shù)、孔隙率等的改變。同時(shí)，這些變化又會(huì)反過來影響孔隙流體的流動(dòng)和壓力的分布。邊坡巖土體介質(zhì)滲流場與應(yīng)力場兩者之間的這種相互作用、相互影響的關(guān)系稱為流固耦合分析。

2.1 滲流場對(duì)應(yīng)力場的影響機(jī)理

滲流場對(duì)應(yīng)力場的影響是通過改變應(yīng)力場的水荷載而改變應(yīng)力場分布的，其水荷載可用滲透體積力f和靜水壓力P(面力)表示[5]。

假設(shè)某種情況下土體中各節(jié)點(diǎn)的水頭分布函數(shù)為H(x，y)，則某作用面上的滲透水壓力(面力)P[6]：

P=γm(H-y)

(1)

滲流區(qū)域內(nèi)滲透體積力f[6]：

(2)

(3)

式中：f為滲流產(chǎn)生的體積力的大小；fx，fy分別為滲流體積力在x和y方向的分力；γm為水的容重；Jx，Jy分別為單元在x和y方向的滲透坡降。

2.2 應(yīng)力場對(duì)滲流場的影響機(jī)理

應(yīng)力場對(duì)滲流場的影響是通過影響土體的體積應(yīng)變?chǔ)舦和孔隙率n從而影響土體介質(zhì)的滲透系數(shù)k，進(jìn)而影響滲流場。

土體的滲透系數(shù)k與孔隙率n的關(guān)系為[6]：

k=k(n)

(4)

設(shè)單元初始的孔隙率為n0，體積應(yīng)變?yōu)椋?/p>

(5)

式中：V為巖土體總體積；ΔV為孔隙體積的變化量。

假定此體積應(yīng)變?chǔ)舦完全是由于孔隙體積變化所引起，則單元的孔隙率n為：

n=n0·exp(-ασ+aP)=n0+εv

(6)

由于體積應(yīng)變?chǔ)舦是由應(yīng)力場σij決定的，所以土體的滲透率k最終可以表示為應(yīng)力場σij的函數(shù)，即：k=k(σij)。

3 智能位移反演分析

3.1 計(jì)算模型及計(jì)算條件

根據(jù)污水處理廠變形體邊坡的工程地質(zhì)特征和結(jié)構(gòu)形態(tài)，選取原地面坡度較大的最具代表性剖面作為計(jì)算剖面，并建立該剖面的二維數(shù)值計(jì)算模型。該模型垂直于河流方向?yàn)?84.4 m，自底部至頂部高128 m。整個(gè)計(jì)算域剖分了11 253個(gè)六面體單元，共計(jì)22 990個(gè)節(jié)點(diǎn)。在該變形體邊坡的剖面上共有3個(gè)地表變形監(jiān)測點(diǎn)，分別為XTW3，XTW4和XTW5，數(shù)值計(jì)算網(wǎng)格模型及各監(jiān)測點(diǎn)分布見圖2。計(jì)算域的底部邊界為固定約束，兩側(cè)采用法向約束。巖土體模型均采用彈塑性模型，屈服準(zhǔn)則采用Mohr-Columb與拉破壞準(zhǔn)則結(jié)合的復(fù)合準(zhǔn)則。

圖2 數(shù)值計(jì)算網(wǎng)格模型圖及監(jiān)測點(diǎn)在模型中的位置(單位:m)

3.2 反演關(guān)鍵段的確定及實(shí)測位移的選取

三峽水庫運(yùn)行期的庫水位周期性變化過程以及監(jiān)測所得的污水處理廠邊坡變形-日期如圖3。

圖3 污水處理廠各監(jiān)測點(diǎn)累積位移-時(shí)間曲線Fig.3 The accumulated displacement-date graph of each measuring point

從圖3可知，邊坡位移變化最為明顯的時(shí)間段為：2010-10-24—2011-01-08，因此選取該時(shí)間段作為參數(shù)反演的時(shí)間段，該時(shí)間段內(nèi)水庫水位一直保持在高水位175 m。各監(jiān)測點(diǎn)在此時(shí)間段內(nèi)的位移增量大小如表1。

表1 污水處理廠各監(jiān)測點(diǎn)位移增量監(jiān)測值

由于邊坡各監(jiān)測點(diǎn)的水平位移變化比垂直位移變化大，故選取地表變形觀測點(diǎn)水平位移值作為參數(shù)反演的對(duì)象。選取地表變形監(jiān)測點(diǎn)XTW3，XTW4和XTW5的水平位移增量值作為參數(shù)反演的實(shí)測位移。

3.3 反演樣本構(gòu)造

以地質(zhì)勘察資料中提供的有關(guān)巖土體的物理力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)及參數(shù)建議值為基本依據(jù)，確定污水處理廠變形體剖面待反演的5個(gè)參數(shù)的可能取值范圍：素填土變形模量E1(5～15 MPa)、塊(碎)石變形模量E2(10～20 MPa)、塊石土變形模量E3(5～15 MPa)、含碎礫粉質(zhì)黏土變形模量E4(10～20 MPa)、強(qiáng)風(fēng)化基巖變形模量E5(10～30 MPa)。

在樣本“試驗(yàn)”階段，對(duì)每個(gè)參數(shù)取其可能的取值區(qū)間內(nèi)的5個(gè)水平，如表2。

表2 污水處理廠變形體邊坡巖土體力學(xué)參數(shù)的取值水平

不參與反演的巖土體的物理力學(xué)參數(shù)值的選取參照地質(zhì)勘察資料中關(guān)于巖土體的物理力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)及參數(shù)建議值，并類比三峽庫區(qū)其它類似邊坡巖土體的物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)值進(jìn)行取值，具體見表3。

表3 污水處理廠變形體邊坡不參與反演的參數(shù)取值

筆者依據(jù)均勻設(shè)計(jì)原理，在參數(shù)反演中采用U40(55)均勻設(shè)計(jì)給出40種試驗(yàn)組合方案，具體的組合方案見表4。對(duì)于每一組試驗(yàn)組合，采用ABAQUS有限元計(jì)算程序進(jìn)行正向計(jì)算，找出所選取的用于反演的XTW3、XTW4和XTW5這三個(gè)地表變形監(jiān)測點(diǎn)所應(yīng)的水平方向位移增量計(jì)算值，將所獲得的計(jì)算值與對(duì)應(yīng)的計(jì)算參數(shù)組合在一起，作為一個(gè)樣本。這樣就可以得到U40(55)均勻設(shè)計(jì)所對(duì)應(yīng)的40個(gè)樣本，其中前30個(gè)樣本用于參數(shù)反演的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練，后10個(gè)樣本用于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練過程中的預(yù)測檢驗(yàn)(表4)。

表4 各試驗(yàn)方案參數(shù)組合及各測點(diǎn)的水平位移計(jì)算增量值

(續(xù)表4)

取值方案待反演參數(shù)彈性模量E/MPa各測點(diǎn)水平位移計(jì)算增量值/mm素填土塊(碎)石塊石土含碎礫粉質(zhì)黏土強(qiáng)風(fēng)化基巖XTW3XTW4XTW5用于訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型?????????287.512.512.510.025.0139.165108.993174.5542912.520.012.512.525.0141.383105.746169.018307.520.05.015.025.0138.238103.695168.979用于檢驗(yàn)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的可用性15.015.015.012.520.0136.761109.544172.498212.517.55.017.515.0148.636112.336177.57137.510.015.017.530.0141.779105.405180.243415.010.012.512.515.0149.812109.463176.423515.015.05.010.030.0147.964106.639179.358612.510.05.015.010.0143.363108.523172.47575.017.510.015.030.0139.681109.381181.521810.012.510.010.010.0146.743108.405174.24395.020.012.520.020.0139.893104.422178.4181015.020.010.020.010.0147.974107.639179.358

3.4 巖土體的物理力學(xué)參數(shù)反演

經(jīng)過遺傳算法搜索發(fā)現(xiàn)，對(duì)于泄灘污水處理廠變形體監(jiān)測剖面，結(jié)構(gòu)為5-32-16-3的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在學(xué)習(xí)95 892次時(shí)預(yù)測效果最佳，學(xué)習(xí)誤差為0.000 125，測試誤差為0.000 652。

采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)-遺傳優(yōu)化算法，在給定范圍內(nèi)進(jìn)行搜索計(jì)算，尋找泄灘污水處理廠變形體邊坡各巖土層的最優(yōu)巖土體物理力學(xué)參數(shù)。

4 巖土體的物理力學(xué)參數(shù)反演結(jié)果

泄灘污水處理廠變形體邊坡巖土體的物理力學(xué)參數(shù)反演結(jié)果如表5。

表5 污水處理廠變形體邊坡各層巖土體力學(xué)參數(shù)反演結(jié)果

根據(jù)反演獲得的參數(shù)由ABAQUS有限元分析軟件計(jì)算出的各監(jiān)測點(diǎn)的水平位移增量值和實(shí)際監(jiān)測的水平位移增量值對(duì)比如下：XTW3的實(shí)測增量值為145 mm，基于反演參數(shù)的計(jì)算增量值為142.6 mm；XTW4實(shí)測值為107.59 mm，計(jì)算值為109.20 mm；XTW5實(shí)測值為175.33 mm，計(jì)算值為179.40 mm；其計(jì)算值累計(jì)絕對(duì)誤差平均值1.62 mm。

圖4給出了水平位移增量實(shí)測值和基于反演參數(shù)的正向水平位移計(jì)算增量值比較。從圖4可以看出：XTW3、XTW4和XTW5監(jiān)測點(diǎn)基于反演的參數(shù)正算獲得的水平位移增量值與實(shí)測水平位移增量值整體上都是比較接近，其累計(jì)誤差平均值為1.62 mm，累計(jì)誤差值較小，這說明采用基于ABAQUS方法的智能位移反分析方法在工程上是可行的，反演獲得的參數(shù)是合理的。

圖4 邊坡各測點(diǎn)水平位移增量監(jiān)測值與反演參數(shù)正向計(jì)算值比較Fig.4 The contrast of the horizontal displacement between measured value and the calculation value of each measuring point

5 結(jié) 論

1)筆者選取三峽庫區(qū)的泄灘鄉(xiāng)污水處理廠變形體邊坡為研究對(duì)象，建立了泄灘鄉(xiāng)污水處理廠變形體邊坡二維有限元模型，采用流固耦合有限元分析軟件(ABAQUS)和智能位移反分析方法，對(duì)該邊坡在庫水變化條件下的巖土體的物理力學(xué)參數(shù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)反演，為該邊坡在庫水位波動(dòng)條件下的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)提供合理的參數(shù)。

2)筆者將邊坡各監(jiān)測點(diǎn)的水平位移增量實(shí)測值和基于反演參數(shù)的正向水平位移計(jì)算增量值進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果表明：XTW3、XTW4和XTW5監(jiān)測點(diǎn)基于反演的參數(shù)正向計(jì)算獲得的水平位移增量值與實(shí)測水平位移增量值整體上都是比較接近，它們的累計(jì)誤差平均值為1.62 mm，累計(jì)誤差值較小，說明采用流固耦合有限元分析軟件(ABAQUS)和智能位移反分析方法在動(dòng)態(tài)反演水庫邊坡巖土體物理力學(xué)參數(shù)在工程上是可行的，反演獲得的參數(shù)是合理的。

3)筆者的計(jì)算成果為該邊坡在庫水位波動(dòng)條件下的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)提供合理而準(zhǔn)確的參數(shù)，同時(shí)也為其他邊坡的分析提供了參考依據(jù)，具有一定的實(shí)用價(jià)值和理論意義。

[1] 湖北省地質(zhì)勘察基礎(chǔ)工程公司.湖北省秭歸縣泄灘鄉(xiāng)污水處理廠邊坡變形體工程地質(zhì)勘察報(bào)告[R].武漢:湖北省地質(zhì)勘察基礎(chǔ)工程公司,2009. Geological Investigation & Foundation Construction Company of Hubei Province.The Engineering Geological Investigation Report of XieTan Sewage Treatment Plant Slope of Zigui County of Hubei Province [R].Wuhan:Geological Investigation & Foundation Construction Company of Hubei Province,2009.

[2] 劉漢東,姜彤.巖體力學(xué)參數(shù)優(yōu)選理論及應(yīng)用[M].鄭州:黃河水利出版社,2006. Liu Handing,Jiang Tong.Rock Mechanics Parameter Optimization Theory and Applications [M].Zhengzhou:Yellow River Conservancy Press,2006.

[3] 方開泰,馬長興.正交與均勻試驗(yàn)設(shè)計(jì)[M].北京:科學(xué)出版社,2001. Fang Kaitai,Ma Changxin.The Orthogonal and Uniform Design [M].Beijing:Science Press,2001.

[4] 盛謙.深挖巖質(zhì)邊坡開挖擾動(dòng)區(qū)與工程巖體力學(xué)性狀研究[D].武漢:中國科學(xué)院 武漢巖土力學(xué)研究所,2002. Sheng Qian.Excavation Disturbed Zone of Deep Cutting Rock Slopes and Mechanics Behavior of Engineering Rock Mass [D].Wuhan:Institute of Rock and Soil Mechanics,Chinese Academy of Sciences,2002.

[5] 祁慶和,水工結(jié)構(gòu)物[M].北京:水利電力出版社,1986. Qi Qinghe.Hydraulic Structures [M].Beijing:China Water & Power Press,1986.

[6] Braja M D.Principles of Geotechnical Engineering [M].Boston:PWS Publishers,1985.

[7] 張振華.深切河谷岸坡開挖過程動(dòng)態(tài)預(yù)警方法研究[D].武漢:中國科學(xué)院 武漢巖土力學(xué)研究所,2008. Zhang Zhenhua.Study on Dynamic Warning Method of Bank Slopes in Deep-Cut Valley during the Course of Excavation [D].Wuhan:Institute of Rock and Soil Mechanics,Chinese Academy of Sciences,2008.

[8] 張振華,馮夏庭,周輝.基于設(shè)計(jì)安全系數(shù)和破壞模式的邊坡開挖過程中動(dòng)態(tài)監(jiān)測預(yù)警指標(biāo)研究[J].巖土力學(xué),2009,30(3):604-612. Zhang Zhenhua,Feng Xiating,Zhou Hui.Research on dynamic early warning method of slope deformation monitoring during excavation based on designed safety factor and failure mode [J].Rock and Soil Mechanics,2009,30(3):604-612.

[9] 張欣.基于ABAQUS流固耦合理論的庫岸滑坡穩(wěn)定性分析[D].濟(jì)南:山東大學(xué),2005. Zhang Xin.Based on Fluid-Solid Coupling Theory of ABAQUS Bank Landslide Stability Analysis [D].Ji’nan:Shandong University,2005.

[10] 陳國慶,馮夏庭,江權(quán).考慮巖體劣化的大型底下廠房圍巖變形動(dòng)態(tài)監(jiān)測預(yù)警方法研究[J].巖土力學(xué),2010,31(9):3012-3018. Chen Guoqing,Feng Xiating,Jiang Quan.Study of dynamic early warning method of surrounding rock deformation monitoring for large underground powerhouse considering rock degradation [J].Rock and Soil Mechanics,2010,31(9):3012-3018.

[11] 郭飛,付調(diào)金,阮榮乾.基于ABAQUS強(qiáng)度折減法分析庫水位下降對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響[J].三峽大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2012,34(3):15-19. Guo Fei,Fu Tiaojin,Ruan Rongqian.Analysis of influence of dawdown of reservoir water level on landslide stability using strength reduction method based on ABAQUS [J].Journal of China Three Gorges University:Natural Science,2012,34(3):15-19.

[12] 胡斌,馮夏庭,王國峰.龍灘水電站左岸高邊坡泥板巖體蠕變參數(shù)的智能反演[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2005,24(17):3064-3070. Hu Bin,Feng Xiating,Wang Guofeng.Intelligent inversion of creeping parameters of left bank high slope shale rock masses at Longtan hydropower station [J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2005,24(17):3064-3070.

[13] 劉光華,熊超,趙鵬.滑坡抗剪強(qiáng)度參數(shù)反演數(shù)值模擬研究[J].重慶交通大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2013,32(5):969-973. Liu Guanghua,Xiong Chao,Zhao Peng.Numerical simulation of inversion of anti-shearing strength parameters of landslide [J].Journal of Chongqing Jiaotong University:Natural Science,2013,32(5):969-973.

[14] 呂國軍,肖盛燮,陶慶東,等.萬州曬網(wǎng)壩滑坡變形機(jī)理及穩(wěn)定性規(guī)律跟蹤研究[J].重慶交通大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2013,32(2):297-301. Lv Guojun,Xiao Shengxie,Tao Qingdong,et al.Follow-up study on failure mechanism and stability of Shaiwangba landslide in Wanzhou [J].Journal of Chongqing Jiaotong University:Natural Science,2013,32(2):297-301.

[15] 郭喜峰,晏鄂川,劉洋.三峽庫區(qū)碎石土滑坡體抗剪強(qiáng)度研究[J].重慶交通大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2015,34(1):68-71. Guo Xifeng,Yan Echuan,Liu Yang.Shear strength of gravel soil landslide in the Three Gorges reservoir zone [J].Journal of Chongqing Jiaotong University:Natural Science,2015,34(1):68-71.

Geotechnical Mechanical Parameters Inversion of Xietan Sewage Treatment Plant Slope inthe Changing Conditions of the Reservoir Water Based on Fluid-Solid Coupling Theory

Wang Xinglin

(CCTEG Chongqing Engineering Co. Ltd., Chongqing 400016, China)

Xietan countryside sewage treatment plant slope of the three gorges reservoir area was selected for the study, and two-dimensional finite element model of the Xietan village sewage treatment plant slope was established. The fluid-structure interaction finite element analysis software (ABAQUS) and intelligent displacement back analysis method were adopted to dynamically inverse the physical and mechanical parameters of rock and soil of slope under the changing conditions of the reservoir water, which provided reasonable parameters for the evaluation of slope stability in the conditions of the water level fluctuations. The results show that: the calculated displacement values of measuring point based on the inversion to obtain geotechnical physical and mechanical parameters is very close to the measured values; using the fluid-solid coupling finite element analysis software (ABAQUS) and intelligent displacement back analysis to dynamically inverse reservoir slope of rock and soil physical and mechanical parameters in the project is feasible.

geotechnical engineering; fluid-solid coupling; intelligent inversion methods; parameter inversion

10.3969/j.issn.1674-0696.2015.05.16

2014-03-13；

2014-09-16

王幸林(1986—)，男，湖北黃岡人，工程師，碩士，主要從事邊坡穩(wěn)定性方面的研究。E-mail:wxl1118@126.com。

TU457

A

1674-0696(2015)05-079-05