一种降雨边坡临界滑面搜索方法、装置及可读存储介质

本发明涉及边坡稳定性分析，尤其是指一种降雨边坡临界滑面搜索方法、装置及计算机可读存储介质。

背景技术：

1、工程中的土体大多以非饱和状态存在，常见的降雨诱发滑坡以及水位变动等诱发地质灾害现象也均发生在非饱和土中。非饱和土力学的发展和完善为边坡稳定性分析提供了现实的理论指导和依据，基质吸力对非饱和土的水力和力学特性起着控制性作用，也对边坡稳定性有一定的提升作用。但是在降雨条件下，边坡内湿润锋下移，土体饱和度增加，基质吸力减小，土体强度降低，导致边坡稳定性降低。

2、国内外学者对降雨入渗条件边坡的稳定性进行了大量研究：潘永亮等基于creen-ampt模型建立了适用于不同降雨工况的入渗模型，得到花岗岩残积土边坡的降雨入渗规律和边坡稳定性。李锦辉等提出了一种实时计算降雨过程中边坡失效概率的方法，结果表明，边坡失效概率随降雨的入渗而明显增大。李宁等通过将水压转换成等效结点力的形式在abaqus软件中开发了降雨条件下的边坡有限元强度折减法计算平台、以及采用迭代算法处理降雨边界条件，使得abaqus软件不再局限于只能模拟降雨全部入渗的情况，并在此基础上分析了抗滑桩加固后边坡的降雨入渗过程，推动了复杂降雨入渗问题的研究进展。

3、目前，研究降雨条件下的边坡稳定性通常需要先确定降雨边坡临界滑面，以便预测边坡在降雨条件下发生滑坡的可能并制定有效的滑坡防治措施，为提高边坡稳定性提供依据和优化方向。现有的确定降雨边坡临界滑面的方法以条分解析法和数值法为主：解析法普遍应用简化的条块间作用力和滑坡形状假设，之后基于滑坡的安全系数确定临界滑面的位置，但是该方法不能描述土体之间的变形协调条件，导致计算得到的滑坡安全系数并不准确；而数值法一般采用弹塑性模型来模拟土体，采用有限元强度折减法、有限元极限平衡法获得滑面安全系数，分析多采用mohr-coulomb材料模型或者drucker-prager模型，而这些模型均不能反映中间主应力影响，导致计算得到的滑面安全系数偏于保守，从而无法准确搜索降雨边坡临界滑面。

4、综上所述，现有的降雨边坡临界滑面搜索方法在计算滑面安全系数时存在无法描述土体之间的变形协调条件以及不能反映中间主应力影响的问题，导致计算得到的滑面安全系数偏于保守，进而无法得到降雨边坡临界滑面的准确位置。

技术实现思路

1、为此，本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术中的降雨边坡临界滑面搜索方法在计算滑面安全系数时存在无法描述土体之间的变形协调条件以及不能反映中间主应力影响的问题，导致计算得到的滑面安全系数偏于保守，进而无法得到降雨边坡临界滑面的准确位置。

2、为解决上述技术问题，本发明提供了一种降雨边坡临界滑面搜索方法，包括：

3、获取边坡及边坡参数；其中，所述边坡参数包括边坡土体材料、边坡底部位移边界条件、边坡侧向位移边界条件以及边坡降雨边界；

4、基于所述边坡参数构建边坡滑面的对数螺旋线型模型，利用tent混沌映射基于所述边坡滑面的对数螺旋线型模型获取边坡的n个滑面，作为基于灰狼优化算法搜索降雨临界滑面的初始滑面；

5、基于smp强度准则编写材料用户子程序umat，采用有限元渗流场-应力场耦合分析法获得降雨各时刻边坡应力场和孔隙水压力场，采用强度折减法获得边坡滑动带，并根据边坡滑动带范围圈定边坡滑动范围，在所述边坡滑动范围内采用固定间距竖直条块进行离散，并沿条块竖直线设定离散点，采用有限元分析结果和插值法计算各个离散点的正应力和剪切应力；

6、基于smp强度准则获取边坡滑面的材料强度函数和应力函数，基于各个离散点的正应力和剪切应力以及所述边坡滑面的材料强度函数和应力函数分别计算每个滑面的安全系数；

7、利用改进的灰狼优化算法对所述n个滑面的位置进行迭代更新，直到达到预设迭代次数，将更新后的n个滑面中安全系数最小的滑面作为降雨边坡临界滑面。

8、在本发明的一个实施例中，基于所述边坡参数构建边坡滑面的对数螺旋线型模型，利用tent混沌映射基于所述边坡的对数螺旋线型模型获取边坡的n个滑面包括：

9、基于所述边坡参数构建边坡滑面的对数螺旋线型模型；

10、在[0，1]之间随机产生两个初始值，将两个初始值分别代入tent混沌映射公式中，基于每个初始值产生一组混沌序列，对每组混沌序列分别进行映射，得到两组极角序列；其中，每组混沌序列中包括n个数据；

11、将两组极角序列中每一对序号相同的极角代入所述边坡滑面的对数螺旋线型模型中，基于每一对序号相同的极角得到一个滑面；

12、基于两组极角序列中的n对极角得到边坡的n个滑面。

13、在本发明的一个实施例中，所述边坡滑面的对数螺旋线型模型为：

14、

15、其中，r表示滑面的极径，θ表示滑面上任意一点的极角，θ0表示表示滑面顶部与滑面轴心连接线的极角，r0为θ＝θh时滑面的极径，θh表示滑面底部与滑面轴心连接线的极角，表示边坡的内摩擦角；

16、tent混沌映射的公式为：

17、

18、其中，xt+1表示混沌序列中第t+1个数据，xt表示混沌序列中第t个数据，u表示随机参数。

19、在本发明的一个实施例中，所述smp强度准则为：

20、

21、其中，分别表示第一应力不变量、第二应力不变量和第三应力不变量，表示边坡的内摩擦角；

22、

23、

24、

25、其中，表示主应力；

26、边坡滑面的材料强度函数为：

27、

28、其中，表示滑面的材料强度函数，c表示土体材料粘结力；

29、边坡滑面的应力函数为：

30、

31、其中，表示滑面的应力函数。

32、在本发明的一个实施例中，滑面的安全系数的计算公式为：

33、

34、其中，fs表示滑面的安全系数，l表示滑面的长度，表示滑面的材料强度函数，表示滑面的应力函数，表示滑面上第i段的材料强度函数，n表示滑面的总段数，δli表示滑面上第i段的长度，表示滑面上第i段的应力函数。

35、在本发明的一个实施例中，所述利用改进的灰狼优化算法对n个滑面的位置进行迭代更新，直到达到预设迭代次数，将更新后的n个滑面中安全系数最小的滑面作为降雨边坡临界滑面包括：

36、步骤1：将所述n个滑面分别作为灰狼种群中的n个灰狼个体，将每个滑面的安全系数作为灰狼个体的自适应度；

37、步骤2：选取自适应度最低的三个灰狼个体作为灰狼种群中的α狼、β狼和δ狼，将其他灰狼个体作为灰狼种群中的ω狼；

38、步骤3：对于灰狼种群中的每个ω狼，分别计算其与α狼、β狼和δ狼的距离，并基于其与α狼、β狼和δ狼的距离更新该ω狼的位置；

39、步骤4：重新计算灰狼种群中每个灰狼个体的自适应度，并返回执行步骤2对灰狼种群中的灰狼个体位置进行迭代更新，直到达到预设迭代次数，将当前灰狼种群中自适应度最低的灰狼个体对应的滑面位置作为降雨边坡临界滑面。

40、在本发明的一个实施例中，步骤3具体包括：

41、计算灰狼种群中每个ω狼与α狼的第一距离，并基于每个ω狼与α狼的第一距离获取各个ω狼的第一位移量；

42、计算灰狼种群中每个ω狼与β狼的第二距离，并基于每个ω狼与β狼第二距离获取各个ω狼的第二位移量；

43、计算灰狼种群中每个ω狼与δ狼的第三距离，并基于每个ω狼与δ狼的第三距离获取各个ω狼的第三位移量；

44、基于每个ω狼的第一位移量、第二位移量和第三位移量更新该ω狼的位置。在本发明的一个实施例中，ω狼与α狼的第一距离的计算公式为：

45、dα＝|c1×xα(t)-xω(t)|，

46、其中，dα表示ω狼与α狼的第一距离，c1＝2r1，r1为[0,1]之间的随机数，xα(t)表示α狼的位置，xω(t)表示ω狼的位置；

47、ω狼的第一位移量的计算公式为：

48、x1＝xα(t)-a1×dα，

49、其中，x1表示ω狼的第一位移量，a1＝2a×r2-a，r2为[0,1]之间的随机数，iter表示当前迭代次数，max_iter表示预设迭代次数；

50、ω狼与β狼的第二距离的计算公式为：

51、dβ＝|c2×xβ(t)-xω(t)|，

52、其中，dβ表示ω狼与β狼的第二距离，c2＝2r3，r3为[0,1]之间的随机数，xβ(t)表示β狼的位置；

53、ω狼的第二位移量的计算公式为：

54、x2＝xβ(t)-a2×dβ，

55、其中，x2表示ω狼的第二位移量，a2＝2a×r4-a，r4为[0,1]之间的随机数；

56、ω狼与δ狼的第三距离的计算公式为：

57、dδ＝|c3×xδ(t)-xω(t)|，

58、其中，dβ表示ω狼与β狼的第二距离，c3＝2r5，r5为[0,1]之间的随机数，xβ(t)表示β狼的位置；

59、ω狼的第三位移量的计算公式为：

60、x3＝xδ(t)-a3×dδ，

61、其中，x3表示ω狼的第三位移量，a3＝2a×r6-a，r6为[0,1]之间的随机数；

62、ω狼更新后的位置为：

63、xω(t+1)＝θαx1+θβx2+θδx3，

64、其中，xω(t+1)为ω狼更新后的位置，θα为α狼的位置对ω狼的影响权重，θβ为β狼的位置对ω狼的影响权重，θδ为δ狼的位置对ω狼的影响权重；

65、

66、

67、其中，fδ表示δ狼的自适应度，fa表示a狼的自适应度，fα表示α狼的自适应度。

68、本发明还提供了一种降雨边坡临界滑面搜索装置，包括：

69、参数获取模块，用于获取边坡及边坡参数；其中，所述边坡参数包括边坡土体材料、边坡底部位移边界条件、边坡侧向位移边界条件以及边坡降雨边界；

70、初始滑面获取模块，用于基于所述边坡参数构建边坡滑面的对数螺旋线型模型，利用tent混沌映射基于所述边坡滑面的对数螺旋线型模型获取边坡的n个滑面，作为基于灰狼优化算法搜索降雨临界滑面的初始滑面；

71、应力分析模块，用于基于smp强度准则编写材料用户子程序umat，采用有限元渗流场-应力场耦合分析法获得降雨各时刻边坡应力场和孔隙水压力场，采用强度折减法获得边坡滑动带，并根据边坡滑动带范围圈定边坡滑动范围，在所述边坡滑动范围内采用固定间距竖直条块进行离散，并沿条块竖直线设定离散点，采用有限元分析结果和插值法计算各个离散点的正应力和剪切应力；

72、安全系数计算模块，用于基于smp强度准则获取边坡滑面的材料强度函数和应力函数，基于各个离散点的正应力和剪切应力以及所述边坡滑面的材料强度函数和应力函数分别计算每个滑面的安全系数；

73、临界滑面搜索模块，用于利用改进的灰狼优化算法对n个滑面的位置进行迭代更新，直到达到预设迭代次数，将更新后的n个滑面中安全系数最小的滑面作为降雨边坡临界滑面。

74、本发明还提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述的降雨边坡临界滑面搜索方法的步骤。

75、本发明提供的降雨边坡临界滑面搜索方法通过构建边坡滑面的对数螺旋线型模型，基于对数螺旋线型模型获取边坡的滑面，充分考虑了各种边坡的形状，并且利用混沌映射基于该对数螺旋线型模型获取初始滑面，利用了tent混沌序列的区间均匀分布特性和迭代效率，使得获取的初始滑面具有良好的均匀性，提高了搜索临界滑面的效率；另外，本技术基于smp强度准则计算滑面的安全系数，相较于mohr-coulomb强度准则，smp强度准则考虑了中间主应力的影响，能够更好地解释土体的破坏性，计算得到的安全系数更精确，从而使得最后得到的降雨边坡临界滑面更准确，最后，本技术将初始滑作为灰狼种群中的灰狼个体，利用改进的灰狼算法对初始滑面的位置进行迭代更新，最后得到降雨边坡临界滑面的位置，进一步提高了临界滑面搜索效率，进而为边坡的稳定性分析提供依据。