抗剪强度参数统计不确定性表征与边坡可靠度区间估计方法研究

Small sample size is a typical feature for shear strength data of soils and rocks. The probabilistic models for shear strength parameters determined from a small sample size involve large statistical uncertainty. This project aims to study the statistical uncertainty in shear strength parameters and investigate its impact on slope reliability. The impact of sample size on the identification of the best-fit marginal distribution and joint probability distribution is investigated. The minimum sample sizes for shear strength parameters to obtain a correct identification of the best-fit marginal distribution and joint probability distribution are suggested. Then, new methods are proposed to characterize the statistical uncertainty in shear strength parameters based on the measured data. The procedure for slope reliability analysis incorporating the statistical uncertainty in shear strength parameters is developed, which enables an interval estimate instead of a point estimate of the slope reliability. The measured shear strength data for rocks in Jinping I Hydropower Station is used to demonstrate the application of the proposed methods. The project will improve the characterization of statistical uncertainty in shear strength parameters and evaluation of slope stability in hydropower engineering.

岩土体抗剪强度参数的试验数据通常十分有限，基于有限数据确定的抗剪强度参数的概率分布模型具有较大的统计不确定性。本项目针对有限数据条件下抗剪强度参数统计不确定性表征与边坡可靠度分析问题开展研究。首先，采用数值和试验手段阐明统计不确定性对抗剪强度参数概率分布模型识别的影响规律，揭示有效识别抗剪强度参数概率分布模型的最小样本数目。其次，提出基于试验数据的抗剪强度参数统计不确定性表征方法，解决仅已知试验数据无法模拟抗剪强度参数统计不确定性的难题。在此基础上，建立考虑抗剪强度参数统计不确定性的边坡可靠度区间估计方法，实现边坡可靠度分析从传统的点估计向区间估计转变。最后，以锦屏一级水电站为例探究了所提方法在岩体抗剪强度参数统计不确定性表征与左岸高边坡可靠度评估中的应用。本项目对丰富岩土体参数不确定性分析理论、提高我国水利水电工程高边坡风险控制水平具有重要的理论意义和显著的工程应用价值。

边坡可靠度分析与风险控制通常需要已知岩土体抗剪强度参数的概率分布模型。然而，实际工程中岩土体抗剪强度参数的试验数据非常有限，基于有限试验数据建立的抗剪强度参数概率分布模型具有显著的统计不确定性。有限数据条件下如何模拟抗剪强度参数的统计不确定性是边坡可靠度分析与风险控制领域亟待解决的关键难题。本项目主要围绕以下3个方面开展研究：（1）统计不确定性对抗剪强度参数概率分布模型识别的影响规律；（2）基于试验数据的抗剪强度参数统计不确定性表征方法；（3）考虑抗剪强度参数统计不确定性的边坡可靠度区间估计方法。通过本项目研究，阐明了统计不确定性对抗剪强度参数概率分布模型识别的影响规律，揭示了有效识别抗剪强度参数概率分布模型的最小样本数目；提出了基于试验数据的抗剪强度参数统计不确定性表征方法，解决了仅已知试验数据无法模拟抗剪强度参数统计不确定性的难题；建立了考虑抗剪强度参数统计不确定性的边坡可靠度区间估计方法，实现了边坡可靠度分析从传统的点估计向区间估计转变；最后以澜沧江糯扎渡水电站为例探究了所提方法在堆石料抗剪强度参数统计不确定性表征与心墙堆石坝坝坡稳定可靠度评估中的应用。研究成果丰富了有限数据条件下岩土体参数不确定性分析理论，对提高我国水利水电工程高边坡风险控制水平具有重要的理论意义和显著的工程应用价值。