近年来中国建成运营了一大批高坝大库。这些水库的蓄水位高、库容大。由于水库蓄水以及运行过程中水位经常变化，改变了库区边坡的地质水文环境，诱发了滑坡等地质灾害。因此，合理评价水位变化条件下库区边坡的安全性，对于保证水库安全运行和评估环境影响等方面均有重要意义。因此，已经针对重要水库开展了较多研究^{[1, 2, 3, 4]}。

以往主要是采用地质综合评估的方法对水库的边坡安全性给出一个面上的综合评价。针对重要边坡，一般采用极限平衡方法或者有限元方法进行计算分析，得出安全系数或者可能的变形^{[5, 6, 7, 8, 9, 10]}。地质综 合评价方法只能给出边坡安全性的定性结论，缺乏针对性。极限平衡方法或者有限元方法能够计算得出特定边坡的稳定性安全系数、变形等响应，但其计算结果的精度受制于模型的有效性以及参数和边界条件的准确度。

岩土体有着显著的地域性特征。随着云计算、大数据等计算机技术的迅猛发展，充分利用岩土体地域性这一特性来提高复杂岩土工程问题分析精度成为可能。为此，本文提出了岩土域的新概念及建立在该新概念之上的库区边坡群耦联分析模型。

库区边坡群具有地质条件、外部环境等因素的相似性，构成了一个耦联大系统。从系统的角度开展研究可充分挖掘和整合各类数据，提高分析精度。

将处于同一地域、具有内在联系的多个岩土体(geo-body)，如边坡等，构成的系统称为岩土域(geo-domain)，如图 1所示。库区有n个边坡体，它们构成了一个岩土域。虽然每个边坡体的几何特征、土层构成及特性等要素有所不同，但也存在着较为明显的共同属性。例如，各边坡体的地质构造与形成过程相似，因此其力学特性、渗透特性具有相关性，应力历史具有相似性； 各边坡体的边界条件具有宏观一致性，其外水位、外荷载(如地震等)等具有相等或者相似的性质； 各边坡体的变形破坏规律也有相似性。这些相关性使得岩土域内一个边坡体的数据信息对其他边坡体具有参考意义。

图 1 岩土域概念示意图

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基于提出的岩土域概念，将岩土体分析扩展到岩土域分析。其基本思想是通过利用其他岩土体数据提高特定岩土体的分析精度。从岩土体到岩土域，虽然因为研究对象范围的扩大增大了复杂度，但由于采用耦联分析、大数据挖掘等手段将提高研究精度和可行性。

图 2给出了一个岩土域耦联分析的概念性模型。该模型有4个层构成，分别是输入层、模型层、计算层和响应层。即：

图 2 岩土域耦联分析模型

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输入层用以收集和确定通过各种来源的岩土域和其中各岩土体的边界条件和参数等数据，并将这些数据传递至模型层。输入层要区分要素层面和系统层面的数据，并对数据操作分级授权。每一要素都可以修改系统层面的数据，但只能修改本要素层面的数据。各岩土体的数据是在一定规则下耦联变化的。

模型层 用以建立岩土域的分析模型，在范围上包括各岩土体的分析模型及其耦联关系模型，在内容上包括几何模型和物理(力学)模型。各岩土体的模型是独立的，可以相同也可以不同。每个岩土体的模型可以单独求解。

计算层 用以求解输入层提供数据条件下岩土域的分析模型。求解方法可针对各模型分别建立。基于计算层，可实现对岩土域和各岩土体的实时正演与反演计算，并对多元数据进行挖掘和分析。

响应层 用于汇总计算得出的各岩土体的响应及其耦联特性，以数据的型式存储。除了本次计算层得出的响应外，响应层还将汇总和存储其他来源的数据(如观测值等)。响应层中与输入层有关的数据还将传递至输入层中。

该框架模型的4个层可以划分为数据层(输入层和响应层)和分析层(模型层和计算层)这2大类，其中数据层是开放的，可以接受分析层提供的数据以及其他来源的信息。各岩土体构成一个系统，其相互耦联通过输入层和计算层实现。

总体上岩土域耦联分析模型具有如下主要特点：

1) 不同于传统的岩土工程数值模拟以过程驱动为主的流程，该模型数据驱动为主。一旦有新的数据进入响应层或者输入层，分析过程就启动。

2) 数据是模型的核心和基础。其来源不再是统一格式的，因此需要进行多元数据的融合。

3) 模型是开放体系，各岩土体的模型和响应是彼此独立的，可相同也可不同。

4) 不同于概率和可靠度分析，模型的最终分析结果是每个岩土体的定量响应。

5) 各岩土体的参数、响应数据(来自试验、监测、计算等)不要求完整、准确，其甄别和使用通过模型自动完成。

图 3进一步给出了数据分析融合的基本思路。对于某岩土体(如S₁)，通过监测、物理试验和数值模拟等来源均可以得到其某些响应方面的数据。这些数据的来源和表述型式是多样的，因此需要对其进行融合和甄选。

图 3 数据分析框架

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这些不同来源的数据在某些响应可能有重叠(图 3)，那么该部分重叠的数据将主要用于来确定不同源数据的权重。通过生成标准值，对比各种数据，确定相应的权重。这些权重不仅用于当前数据，还将作为数据源的权重来源。

在分析过程中，存在着岩土体层次的多向数据流(分层、汇总、分析)、 岩土域层次的双向模型流、岩土域与环境间的单向信息流。所建立的分析模型要与系统分析相适应。

本文通过库区边坡群的一个简单实例，进一步说明岩土域耦联分析理论的基本流程。

该算例主要是求解水位变化条件下边坡稳定性安全系数问题。如图 4所示，库区有相邻近的2个边坡，分别记作边坡I和边坡II。这2个边坡具备岩土域中岩土体的基本特征，构成一个岩土域。针对该岩土域采用本文提出的耦联分析模型进行分析。

图 4 库区边坡示意图

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输入层 包括边坡的参数和水位。取样试验与工程类比后，均匀化的容重和强度参数，如表 1所示。水位根据水库蓄水情况变化。

模型层  采用简化Bishop条分法建立边坡稳定性的分析模型。

计算层  通过计算求解模型，取得各边坡最小安全系数。

响应层   根据计算层的分析，可以算得2个边坡安全系数与水位的关系，如图 5所示。

图 5 2个边坡安全系数与水位变化的关系

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从图 5可以看出，2个边坡的安全系数均随着水位的变化而变化，且变化规律类似，均表现出随着水位上升先下降再上升的规律。这也是岩土域的基本特征之一。边坡I的安全系数总体上大于边坡II的安全系数。

响应层的观测数据随着水库的实际运行而不断增加。实际观测表明，当水位达到12 m时，边坡II出现了滑坡破坏。这一数据是实际观测到的，因此优先级高于数值计算结果。响应层中将水位达到12 m时边坡II的安全系数设为0.999。这一新的数据变化触动了耦联分析模型。通过反演计算分析对边坡II的强度参数进行了调整。本文中的调整原则是在对土强度特性认识基础上，假设保持摩擦角不变，只按照与边坡I同样的比例调整粘聚力c。调整后的边坡II强度参数如表 2所示。需要指出，处于同一岩土域的的边坡I的强度参数也随之调整，如表 2所示。这意味着岩土域中某一个岩土体的输入层数据发生变化，其他岩土体也相应的发生变化，各岩土体的数据是耦联的。这也是岩土域耦联 分析模型 的基本特征之一。在输入层发生变化后，模型层和计算层随之启动，为响应层提供了更新的安全系数等数据。

图 6给出了采用调整后的强度参数算得的边坡安全系数与水位变化的关系。从图 6可以看出，边坡II在水位达到12 m时其安全系数已经小于1，表明此时边坡出现了破坏。边坡I的安全系数也较调整前明显减小。这表明岩土域中一个岩土体的响应数据有了更新，其他岩土体的响应层和输入层数据也随之更新。岩土域层次上的耦联分析，有助于保证每个岩土体有更为准确的分析结果。

图 6 调整后2个坡安全系数与水位变化的关系

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需要指出，本文算例只考虑了土的强度参数估计不够准确的情况。实际工程中边坡安全系数计算不准确的原因更为复杂，例如可能是存在预先未被发现的不利地质构造等原因。这些情况需要进一步发展本文的分析模型加以考虑。

将处于同一地域、具有内在联系的多个岩土体构成的系统定义岩土域，从而将岩土体分析扩展到岩土域分析，挖掘和整合各类数据来提高分析精度。

基于岩土域概念提出了一个以数据驱动为主的岩土域耦联分析概念性模型，包括输入层、响应层、模型层和计算层。输入层和响应层可以接受多源信息，这些信息不仅来自分析层，也可以通过监测等其他来源输入。通过输入层和计算层合理刻画岩土体的耦联。

通过库区边坡群的一个简单实例进一步说明岩土域耦联分析理论的基本流程。分析结果表明水位变化对边坡稳定性影响显著。

本文提出的岩土域耦联模型尚是概念性的，其具体的算法和有效性有待进一步研究论证。