[發(fā)明專利]一種結(jié)合巖土材料特性的落石軌跡三維預測分析方法

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• 申請日: 2020-06-23
• 公開（公告）號: CN111737871A
• 公開（公告）日: 2020-10-02
• 發(fā)明（設計）人: 葉四橋;李珂;林常青
• 申請（專利權(quán)）人: 重慶交通大學;廣東東林工程設計有限公司
• 主分類號: G06F30/20
• 分類號: G06F30/20
• 代理公司: 重慶信航知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 50218
• 代理人: 穆祥維

本發(fā)明公開了一種結(jié)合巖土材料特性的落石軌跡三維預測分析方法，屬于地質(zhì)災害防治領(lǐng)域與數(shù)值計算領(lǐng)域。該方法包括如下步驟：S1：將擬預測區(qū)域典型陡崖坡面幾何形態(tài)轉(zhuǎn)換為坐標數(shù)據(jù)，將坐標點排序后采用多項式對相鄰點直線段進行描述并以張量表達；S2：根據(jù)實體落石試驗得到不同巖土體接觸參數(shù)，對構(gòu)成坡面的多段線按巖土體的不同采用在材料賦值區(qū)間內(nèi)隨機賦值接觸參數(shù)的方法形成材料參數(shù)矩陣；S3：將落石初始位置及狀態(tài)參數(shù)裝載為初始矩陣；S4：基于改進GJK算法與ODE軌跡算法對落石運動軌跡迭代計算；S5：在剖面預測概率模型基礎上引入包含“橫移比”的落石三維預測算法對落石在平面內(nèi)的分布規(guī)律預測；S6：生成滿足特定空間規(guī)律的防護結(jié)構(gòu)設置區(qū)域。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于地質(zhì)災害防治工程與數(shù)值計算領(lǐng)域，具體涉及一種結(jié)合巖土材料特性的落石 軌跡三維預測分析方法。

背景技術(shù)

崩塌落石在重慶市乃至我國山區(qū)分布廣泛、暴發(fā)頻繁、危害嚴重，是山區(qū)交通、城建、 地質(zhì)環(huán)境保護領(lǐng)域三大地質(zhì)災害類型之一。

為工程防治崩塌落石災害，常常采用攔石網(wǎng)、攔石墻、攔石堤、攔石柵欄、棚洞等被動 防護系統(tǒng)攔截、遮蔽落石體，通過阻止崩塌落石沖擊居民區(qū)、公路、鐵路等被保護對象而達 到減災防災的目的。

由于崩塌落石災害威脅范圍即為其運動所達區(qū)域，威脅能力來自于其沖擊毀損能力，所 以，在研究與工程實踐中，預測和計算其可能的運動路徑、沖擊動能、威脅區(qū)域便成了合理 確定被動防治方案，乃至防治成敗的關(guān)鍵。國內(nèi)外技術(shù)文獻中均規(guī)定或建議：攔石網(wǎng)等被動 防治系統(tǒng)布置的位置、走向和范圍均需要依據(jù)崩塌落石運動計算的結(jié)果優(yōu)選，應優(yōu)選彈跳高 度小、運動動能小的區(qū)段布設，以充分發(fā)揮被動防治系統(tǒng)的攔截性能，減少翻越和系統(tǒng)毀損 風險，進而提升防治效益。

但是，由于缺乏可靠的、便于工程人員使用的輔助設計軟件，實際工程中按規(guī)范方法進 行運動和沖擊計算，不僅繁瑣和效率低下，而且所得運動路徑、彈跳高度、運動動能等關(guān)鍵 設計參數(shù)，均為在確定性計算模型、確定性恢復系數(shù)、摩擦系數(shù)等參數(shù)設定下所得，難以做 到可重復、大規(guī)模和隨機模擬，實際上，以確定性模型和參數(shù)來模擬崩塌落石運動隨機過程， 并以所得單一運動路徑和運動參數(shù)作為設計依據(jù)，其可靠性是有疑問的。甚至，由于計算繁 瑣或不可靠，存在不做運動計算而僅憑經(jīng)驗進行被動防護系統(tǒng)布設的情形。以上問題，輕則 導致被動攔截系統(tǒng)的性能難以有效發(fā)揮，重則導致安全儲備不足，以致出現(xiàn)落石飛越或攔截 系統(tǒng)被擊毀等實例。

為了解決大規(guī)模重復計算和敏感參數(shù)隨機取值的問題，從根本上實現(xiàn)落石運動路徑隨機 性的模擬，國外開發(fā)了Rocfall、STONE等計算軟件。

此類軟件優(yōu)點在于簡單易用，但也存在以下問題：一是只能做二維分析，可以確定被動 防護系統(tǒng)的位置，但無法確定沿陡崖走向方向的橫向布設長度，也就是說無法預測落石三維 威脅范圍和進行三維輔助設計。二是沒有攔石墻、攔石堤、落石槽、攔石網(wǎng)等不同類型被動 防護系統(tǒng)，軟件分析中難以反映不同類型系統(tǒng)的攔截特性。三是法向恢復系數(shù)、切向恢復系 數(shù)、滾動摩擦系數(shù)的取值及隨機模型未考慮接觸面巖土體自身物理力學參數(shù)指標的影響，某 些情形彈跳高度和范圍遠超實際崩落案例。

發(fā)明內(nèi)容

針對上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足之處，本發(fā)明提供了一種結(jié)合巖土材料特性的落石軌跡 三維預測分析方法。

一種結(jié)合巖土材料特性的落石軌跡三維預測分析方法，該方法包括以下步驟：

S1：將擬預測區(qū)域典型陡崖坡面幾何形態(tài)轉(zhuǎn)換為坐標數(shù)據(jù)，將坐標點排序后采用多項式 對相鄰點直線段進行描述并以張量表達；

S2：根據(jù)實體落石試驗得到不同巖土體接觸參數(shù)，對構(gòu)成坡面的多段線按巖土體的不同 采用在材料賦值區(qū)間內(nèi)隨機賦值接觸參數(shù)的方法形成材料參數(shù)矩陣；

S3：將落石初始位置及狀態(tài)參數(shù)裝載為初始矩陣；

S4：基于改進GJK算法與ODE軌跡算法對落石運動軌跡迭代計算；