（地质工程专业论文）大渡河双江口水电站近坝段冰水堆积体稳定性研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 拟建中的大渡河双江口水电站，近坝库段英戈洛、石广东、大石凼三处 冰水成因的堆积体，距离坝址近、残存方量巨大，在水库蓄水后这几处冰水 堆积体边坡的稳定性如何，直接影响到水电站的安全运行。 在影响边坡稳定性的诸因素中，地下水对边坡的影响不容忽视。而对于 水库中受蓄水影响的库岸边坡来讲，地下水的影响又有其特殊的一面。 本文在前期现场调查的基础上，通过计算并参考前人的研究结果和已有 的工程数据，运用工程类比的方法确定了边坡稳定性计算所需的岩土体物理 力学参数。再根据水库水位变动的特点，以b o l l s s m e s q 方程为基础，得出了 在水位变动时边坡内部浸润线的计算方法。在此基础上利用极限平衡法分别 计算了冰水堆积体边坡在水库未蓄水、水位静止、枯水期水位下降和汛期水 位骤降情况下的稳定性，并对水库长期蓄水条件下边坡的稳定性也作了计 算。最后利用a n s y s 软件对英戈洛边坡进行了模拟计算，并以有限元的应 力结果为基础，计算了坡体内部的塑性区分布范围和潜在滑面的安全系数。 计算结果表明，水库蓄水后边坡的稳定性将会有不同程度降低。其中大 石凼一处边坡，水库未蓄水时，在暴雨的工况下即会失稳：英戈洛和石广东 两处边坡，在某些工况和水位条件时也会失稳。在库水位骤降时，边坡的稳 定性状况明显降低，而随着时间的推移，这种变化更为显著。 由于水库水位降落时，速度逐渐增大，而地下水位又滞后于库水位的降 落速度，所以在每个枯水期的末期，当水库水位降至最低时，水库水位的降 落速度达到了最大值，此时边坡内部的浸润面和坡体外水位的差距也达到了 最大，相对应边坡的稳定性状况最差。 关键词：水库；边坡：稳定性；地下水 西南交通大学硕士研究生学位论文第h 页 a b s t r a c t t h ep o w e rs t a t i o n so fd a d ur i v e r ss h u a n gj i a n g k o uw i l lb eb u i l t y i n g g e l u o ，s k ig u a n g d o n ga n dd as h i d a n gg l a c i o f l u r i a ld e p o s i ts l o p sa r ec l o s e d f r o md a ms i t e t h es l o p e ss t a b i l i wo ft h eg l a c i o f l u r i a ld e p o s i tw i l li n f l u e n c e t h es e c u r i t yo ft h ep o w e rs t a t i o nu n t i lr e s e r v o i rc o m p l e t e t h eg r o u n d w a t e ri n f l u e n c e st h es l o p ss t a b i l i t yg r e a t l y t ot h es l o p ei n t h er e s e r v o i r , t h ee f f e c f i o no ft h eg r o u n d w a t e ri sm o r es p e c i a l t h r o u g hi n v e s t i g a t i n gi nt h es h u a n gj i a n g k o ua n dc o m p a r i n gw i t h e x p e r i e n c ed a t ai nt h ep a s t , c o n f i r m e dt h es l o p sp a r a m e t e ro fr o c k sa n d s o i l sp h y s i c sm e c h a n i c s b a s e do nb o u s s i n e s qe q u a t i o n ，h a sa c q u i r e dt h e m e t h o dt oc a l c u l a t et h ew a t e rt a b l ew i t hr e s e r v o i r sw a t e rl e v e lc h a n g e t h r o u g hl i m i t i n ge q u i l i b r i u mm e t h o d h a sc a l c u l a t e dt h eg l a c i o f l u r i a l d e p o s i ts l o p ss t a b i f i t yu n d e r s e v e r a lk i n d so fs i t u a t i o n u t i l i z i n gt h es o f t w a r eo fa n s y sc o m p l e t e dy i n gg e l u os l o p s6 n i t e e l e m e n tc a l c u l a t i n g b a s e do ns t r e s sr e s u l to ft h ef m i t ee l e m e n t ，h a s c a l c u l a t e dt h ep l a s t i c i t yd i s t r i c tw i t h i nt h eb o d yo fs l o p ea n ds a f e t y t o e 伍c i e n tu n d e rs e v e r a lk i n d so fs i t u a t - i o n s t h er e s u l to fc a l c u l a t i o ni n d i c a t e s ：t h es t a b i l i t yo ft h es l o p ew i l lb e r e d u c e da f t e rt h ec o n s e r v a t i o n o ft h e1 1 e s e n 7 0 i ld as h i d a n gg l a c i o f l u r i a l d e p o s i ts l o p sw i l ll o s ts t e a d i t yu n d e r t h em o d eo ft h et o r r e n t i a lr a i nw h e nn o t h o l d i n gw a t e ri nt h er e s e r v o i r y i n gg e i n oa n ds h ig u a n g d a u gg i a c i o f l u r i a l d e p o s i ts l o p s w i l ll o s es t e a d i l yu n d e rt h es e v e r a lm o d ea n dw a t e rl e v e l w h i l e w a t e rl e v e ld r o p p i n gf a s t , t h es t a b i l i t ys t a t eo ft h es l o p e so b v i o u s l yb e c o m e s b a d a st i m eg o e so n ，t h i sk i n do f s i t u a t i o nw i l lb e c o m eb a d l y b e c a u s eo ft h es p e e do ft h ew a t e rt a b l ed r o pi ss l o w e rt h a nw a t e rl e v e lo f t h er e s e r v o i r s ，s ot h es l o p ss t a b i l i t yw i l li nt h ew o r s ts t a t ew h e ni ti si nt h e l a t t e rs t a g eo fe a c hd r ys e a s o n k e y w o r d s ：r e s e r v o i r ；s l o p ；s t a b i l i t y ；g r o u n d w a t e r ； 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 国内外研究现状 第1 章前言 1 1 1 边坡稳定性评价的现状 在自然界中，内动力地质作用和夷平作用是一对矛盾，通常我们见到的 许多地质灾害，就是这两方面相互运动的结果。在这些地质灾害中，滑坡是 比较常见的一种形式。 边坡在其演化过程中，整个坡体( 或局部) 在其本身重量或其他外力的作 用下，有从高向低运动的趋势。如果坡体内部某一个面( 或多个面) 上的滑动 力超过岩土体本身抵抗滑动的能力，坡体的稳定性就遭到破坏，会产生滑坡 等形式的灾害。 在土力学中，边坡的稳定性、土压力和地基承载力一起被列为三个经典 问题”。在这三个问题中，边坡稳定性又以其复杂性、多变性和影响因素的 不确定性，而使其分析难度居三者之首；与此相对应，对边坡稳定性的研究 也较多，出现了多种评价( 计算) 方法。 边坡稳定性评价方法一般分为定性分析、定量分析方法两大类。 定性分析方法中大致有【2 j ：自然( 成因) 历史分析法，工程类比法，图解 法。 定量分析方法主要包括以下几种：极限平衡分析法，如f e l l e n i u s 法、 b i s h o p 法、j a n b u 法、m o r g e n s t e mp r i n c e 法、剩余推力法、s a r m a 法等；数 值分析方法有：有限元( f e m ) 法，边界元( b e m ) 法，快速拉格朗日( l a g r a n g i a n ) 分析( f l a c ) 法，离散元( d e m ) 法，块体理论( b t ) 与不连续变形分析( d d a ) ， 无界元( i d e m ) 法。 近年来，人们又在前面两种方法的基础上，又引进了一些毅的学科、新 的理论，逐渐发展起来一些新的边坡稳定性评价方法【2 】【3 】【4 】 5 】【6 】，如可靠性分 析法、模糊分级评判法、系统工程地质分析法、灰色系统理论分析法等被称 作非确定性的分析方法；另外，还有地质力学模型等物理模型方法和现场监 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 测分析的方法等。 1 i 2 地下水渗流理论的发展 1 8 5 6 年，法国人达西咂e r r yd a r c y ) 总结出了水在多孔介质中的渗透定律， 即著名的达西定律，开始了人类对地下水的试验研究；1 8 5 7 年，j d u p u r 把 达西定律应用到天然含水层中，得出了著名的d u p u i t 微分方程。1 9 0 4 年， 布西涅斯克( b o u s s i n e s q ) f l 提出了潜水非稳定流微分方程，由此构成了地下水 动力学的理论基础j 。 此后由于生产的发展，地下水的开采规模越来越大，人们开始研究地下 水运动的不稳定性和承压含水层的储水性质( 1 9 2 8 年，o e m e i n z e r ) r 8 1 。1 9 3 5 年泰斯f c ，v t h e i s ) 在他人的帮助下提出了地下水向承压水井流动的非稳定流 公式，即著名的泰斯公式。泰斯公式的发表，开辟了现代地下水运动理论的 新纪元。泰斯公式出现后的三四十年内，越流理论和潜水含水层中的非稳定 流也相继出现垆j 。 从达西定律出现至今，求解地下水运动的解析法出现了很多，主要有瞄j ： 分离变量法、积分变换法( l a p l a c e 变换、f o u r i e r 变换、h a n k e l 变换) 、保角 映射法、g r e e n 函数法、和镜象法、b o l t z m a n 变换等。但是以上的方法，难 以描述非均质含水层中和复杂条件下的地下水运动规律1 7j ，上个世纪五十年 代至六十年代初期，以有限差分理论为基础的电网模拟技术开始出现，六十 年代中期以后，随着计算机的发展，出现了电网与计算机结合在一起的混合 机，六十年代后期，数值模拟开始应用到地下水计算中。 1 2 选题意义 由水库引发的地质灾害主要有：水库浸没、水库库岸边坡的失稳坍塌和 水库诱发地震等。在这当中，水库蓄水后库岸边坡的稳定性是一个值得注意 的问题，因为几乎所有的水库在蓄水期间或蓄水后，都出现过边坡失稳破坏 的情况，是一个相当普遍的现象【。 ，在通常情况下，当水工建筑物建成、水库蓄水后，随着水库水位的上升， 库岸边坡的自然条件将会明显改变，其稳定性一般趋于恶化叫，在蓄水前某 些稳定的边坡，可能由于水库蓄水而破坏；不仅如此，水库在运营过程中， 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 库水位处于不停的变动状态，时刻影响着库岸边坡的稳定性。 水库库岸失稳破坏的形式主要有：滑坡，塌岸，崩塌等。其中尤以滑坡 的危害为最大。水库蓄水后的库岸滑坡主要集中在蓄水的初期，而一些大的 滑坡往往出现在高水位后的急剧降落时期【9 】 1 0 1 。库岸滑坡按其出露的位置， 可分为水上滑坡和水下滑坡，相比较而言，水上滑坡比水下滑坡的危害要大。 水库库岸边坡失稳坍塌的影响或危害主要有以下几个方面： 1 将直接导致塌岸地带的建筑物如民居、铁路、公路、厂房的毁坏， 使大片的农田被吞噬： 2 坍塌的土石淤于库中，会减少水库的有效库容； 3 滑体直接威胁水工建筑物的安全： 4 滑坡高速滑入水库引起的巨大浪涌，不仅对大坝造成危害，而且漫 顶溢出以后，威胁下游的安全。 表i - 1 为国内外部分水库滑坡的实例。 表1 1国内外部分水库滑坡及其危害 坝名 国家 滑坡时间危害情况或处理措施 滑体2 4 亿m 3 ，引起涌浪高2 5 0 m ，漫顶水深 o o m ， 瓦依昂意大利 1 9 6 3 1 0 9 水库报废，死亡2 0 0 0 多人 滑体约3 0 0 万m 3 ，引起浪涌高2 0 余m ，漫顶水深 庞塞特意大利1 9 5 7 3 2 2 5 m 滑体约2 0 0 0 万m 3 ，滑坡中心位移1 1 ，1 5 m ，分期控 吉帕施奥地利1 9 6 4 8 制蓄水，滑体趋于稳定 滑坡位于引水隧洞上方，体积约l o m 3 ，晟大月位移 特列斯纳波兰 1 9 6 0 1 l 量3 0 c m 切尔盖伊前苏联1 9 7 0 5 1 4地震引发，体积约3 0 0 万n 1 3 ，河水进入基坑 埃尔卡迪 阿根廷 蓄水后 近坝库区产生滑坡，限制库水位变化速度和削缓边 拉尔坡、堆石加固等措施 多处古滑坡重新活动，最大年位移量5 0 c m ，逐渐稳 桑塔罗查 墨西哥 蕾水后 定，未处理 奈川渡日本蓄水后柑体约2 0 0 万m 3 ，位于库尾，未处理 1 9 5 7 4 蓄水6 天后滑落体积8 0 万m 3 ，1 9 6 4 年1 0 月库水迅 呜子日本 1 9 6 4 1 0 速下降时，原滑坡上游侧又发生滑坡 二濑日本 1 9 5 8 2 库区两次滑坡 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 鹿野川日本蓄水后 库岸边坡多次坍滑，公路民房受破坏 石渊 日本 营水后蓄水后产生滑坡 一濑日本蓄水后蓄水后，发生多次滑坡 上椎叶日本蓄水后发生多次滑坡 拓溪 中国1 9 6 1 滑体1 6 5 万m 3 ，引起涌浪高2 1 m ，漫顶水深2 5 m 龟石中国 1 9 6 0 蓄水后，发生多次坍滑，最大一处体积约1 3 5 万m 3 雅砻江 中国1 9 6 7 6 8 滑体6 8 0 0 万m 3 ， l 起涌浪3 5 5 m ，对下游危害严重 ( 唐古栋) 凤滩中国 1 9 7 7 4 1 6 滑体2 0 万m 3 ，堵塞刺桐溪，抬高水位2 9 m 库首蓄水四天后，开始发生塌岸，库尾蓄水十天后 三门峡中国蓄水后 也发生塌岸，塌岸总量达9 0 0 0 万m 3 官厅中国蓄水后库岸因塌岸平均后退3 4 m ，单宽塌岸量达7 0 0 m 3 1 9 7 6 发生滑坡8 2 处，总方量1 8 8 1 0 8 黄龙滩中国 1 9 8 8 1 9 7 0 崩滑方量1 2 0 3 ) c 1 0 4 m 3 ，占水库淤积物质的1 3 刘家峡中国 1 9 8 4 从表1 1 可以看出，库岸边坡失稳后，除7 威胁水库水工建筑物安全 运行以外，有时其危害的范围有可能会大大超出库区，造成极大的人员伤亡 和财产损失。 鉴于历史上水库边坡失稳后曾经造成的巨大危害，世界各国对于库岸边 坡的稳定性研究都相当重视。在我国，在早期颁布试行和最新颁布施行的水 利水电工程地质勘察规范( g b 5 0 2 8 7 - - 9 9 ) - 中，对库岸稳定性的勘测和评价 都有明文规定。其中，在g b 5 0 2 8 7 - - 9 9 中第4 章“可行性研究阶段工程地 质勘察”4 3 3 条规定，“调查水库区对工程建筑物、城镇和居民区环境有影 响的滑坡、崩塌和其他潜在不稳定岸坡以及泥石流的分布、大致范围和体积， 初步评价水库蓄水前和蓄水后的稳定性及其危害程度”。第5 章“初步设计 阶段工程地质勘察”5 2 7 条，“查明库区，特别是抽水蓄能电站、近坝库区、 城镇地段和规划移民区的大坍滑体和潜在不稳定岸坡的分布范围、体积、地 质结构、边界条件和地下水动态”。“预测施工期和水库运行期不稳定岸坡失 稳的可能性，并应对水工建筑物、城镇、居民点及主要交通路线的可能影响 作出评价”。 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 1 3 影响边坡稳定性的因素 边坡的失稳往往是多个因素共同作用的结果，通常将这些因素分为两大 类【l “，第一类是边坡的失稳是由于组成边坡的岩土体强度，由于受外界的影 响而降低所引发，如气候影响、水的入渗和软化、地震引发的砂土液化等均 有可能造成岩土体强度降低；第二类是外界作用力破坏了边坡岩土体的平衡 状态，如人工开挖、地下水的渗流、地震力的作用等。 影响边坡稳定性的因素有【1 2 ： 1 组成岩土的物理力学性质，包括岩土的坚硬程度、抗风化和抗软化 能力，抗剪强度，颗粒大小、组成、形状以及透水性能等； 2 岩层结构及构造，包括节理、裂隙、劈理的发育程度及分布规律， 结构面胶结情况以及软弱面、破碎带的分布与斜坡的相互关系，下伏岩土面 的形态和坡向、坡度等： 3 水文地质条件：地下水埋藏条件，流动、潜蚀情况以及动态变化等； 4 风化作用：风化作用使岩土的强度减弱，裂隙增加，改变斜坡的形 态； 5 气候作用，岩石风化速度、风化层厚度以及岩石风化后的机械变化 和化学变化f 矿物成分的改变) 等； 6 地震作用，使岩土体受到地震加速度的作用增加下滑力； 7 地貌因素，斜坡的高度、坡度和形态是影响斜坡稳定性的重要因素； 8 其它因素，如人为的工程影响等。 1 4 水对边坡稳定性的影响 在边坡的产生、发展演化过程中，水是一个最普遍、最活跃的因素。水 在边坡的稳定性方面扮演着重要的角色：一方面地表水流不断冲刷改变着边 坡的形态；另一方面地下水的运动不停的影响着组成边坡岩土体的强度，并 且地下水的运动可以直接产生下滑力。这两方面均可产生对边坡稳定不利的 影响，主要表现在以下几个方面【9 j 【1 3 】： 1 地表水的入渗和地下水的存在增加了边坡岩土体的重量，增大了下 滑力： 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 2 水对边坡的岩土体具有软化作用，在水的作用下，其抗剪强度会有 不同程度的降低，易使岩土体产生滑动： 3 水流对边坡的冲刷作用，有时破坏边坡的平衡状态，可直接导致边 坡的失稳滑动或坍塌； 4 地下水在边坡岩土体内部产生静水压力和动水压力。地下水的静水 压力能够减少滑动面上抗滑力，而动水压力则直接加大了边坡的下滑力； 5 地下水的物理潜蚀带走岩土体中的细小颗粒，而化学溶蚀带走岩土 体中的可溶盐分，使边坡岩土体的土石结构变松、强度降低，对边坡的稳定 造成不利影响。 由上述几点可知，水是边坡失稳的主要诱发因素之一。但是就库岸边坡 而言，其失稳后所引发的大规模次生灾害中，水又是最重要的成灾因素，有 很多的水库即是由于水库蓄水诱发滑坡导致的大规模涌浪，造成巨大的灾害 f 见表1 1 ) 。在这整个的过程中，水作为库岸边坡失稳的主要诱发因素和边 坡失稳后次生灾害的主要成灾因素，贯穿于始终。 1 5 水库边坡稳定性的特点 水库边坡区别于其他边坡的特点主要在于【1 4 l ：首先，当水库蓄水后，随 着库水位逐渐上升，原来河谷边坡的一部分变为水下边坡，改变了原有边坡 的自然平衡状态，边坡的稳定性也随之改变；其次，随着水库水位的逐渐上 升，边坡内的地下水位也随之上升，引起边坡岩土体的物理力学性质的改变； 第三，在水库水位变动时，边坡内部的地下水响应这种变化而随之变动，对 边坡的稳定性时刻产生影响：笫四，水库蓄水以后，库岸边坡还受到库水水 面的波浪冲刷作用，改变坡面形态，侵蚀掏空坡脚，破坏原来边坡的稳定平 衡，造成失稳坍塌，直至达到新的平衡”。 文献【1 6 曾指出：“地下水的作用和地震活动是影响岸坡稳定性的重要触 发因素”，本文在对库岸边坡作稳定性分析时主要考虑地下水的影响。 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 第2 章边坡稳定性分析的方法 对边坡稳定性的分析，在工程中，传统上广泛采用的是以极限平衡理论 为基础的条分法。近年来随着计算机技术的发展，基于弹塑性理论基础的数 值计算方法也得到了广泛的应用。目前在工程技术领域内常用的数值模拟方 法有：有限单元法、边界元法、离散单元法和有限差分法，但就其实用性和 应用的广泛性而言，主要还是有限单元法【1 4 】。 2 1 传统的以极限平衡理论为基础的条分法 条分法由瑞典入佩得森f k e p e t t e r s o n ) 在1 9 1 6 年提出旧【1 1 1 ，经过2 0 世 纪3 0 4 0 年代费伦纽斯( w f e l l e n i u s ) 和泰勒( d w t a y l o r ) 等人的不断改进，直 至1 9 5 4 年简布m j a n b u ) 提出普遍条分法的基本原理，1 9 5 5 年毕肖普 f a w b i s h o p ) g j j 确了土坡稳定安全系数，该方法目前在工程界是普遍采用的 方法。 毕肖普关于土坡安全系数的定义： f f s = 卫 ( 2 - 1 ) f 式中： f 卜一土坡安全系数 t r 一滑裂面的抗剪强度 p 一实际的剪应力 但是用条分法进行边坡的稳定性分析，是一个高次超静定问题，直接求 解无法得到答案，为此要进行某种形式的简化。简化的途径有两种【1 1 】【1 8 ： 一种是引进岩土体本身的变形协调条件( 应力应变关系) ，增加方程数， 但这会使问题变得异常复杂；另一种是对多余变量进行假定以减少未知量或 者增加方程数。目前大多采用后者。 基于对条间力简化方式的不同，条分法又可以划分为以下三大类 1 7 】： 1 假定切向条间力：毕肖普( b i s h o p ) 简化法； 2 假定切向条间力和法向条间力的夹角或条间力合力的方向：斯宾塞 r s p e n c e r ) 法、摩根斯坦普赖斯( m o r g e n s t e m - - p r i n c e ) 法、沙尔l q ( s a r m a ) 法、 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 不平衡传递推力法； 3 假定条间力合力的作用点位置：简布( j a n b u ) ( 瑞典法或费伦纽斯法 ( f e l l e n i u s ) ) 法。 表2 1 给出了各种条分法所满足的平衡条件和适用范围【1 7 1 1 8 】【1 9 1 。 表2 1 条分法比较表 满足的平衡条件 滑面 方法多余变量的简化假定 整体力矩土条力矩垂直力水平力 形式 瑞典圆弧滑动法 假定条间力为零满足不满足不满足 不满足 圆弧 ( 费伦纽斯法) 简化毕肖普法假定条间力合力水平满足不满足满足不满足圆弧 假定条间力作用点已 简布法满足满足满足满足任意 知 假定条间力合力方向 斯宾塞法 满足满足满足满足任意 互相平行 假定两相邻土条法向 摩根斯坦一普赖斯 条间力和切向条间力 满足 满足满足 满足任意 法之间存在一个对水平 方向坐标的函数关系 假定有一水平作用地 沙尔玛法满足满足满足满足任意 震力 不平衡推力法( 传 假定条问力的合力与 满足不满足满足满足任意 递系数法) 上一土条底面平行 2 2 以弹塑性理论为基础的数值分析计算方法 建立在极限平衡法理论基础上的边坡稳定性评价方法，经过多年的发 展，积累了丰富的经验。尤其是最近十多年随着计算机技术的进步和普及， 以极限平衡理论为基础的条分法也获得了许多突破【l ”。但是极限平衡法是建 立在摩尔库仑强度准则的基础上，它的基本特点是只考虑静力平衡条件 和摩尔库仑破坏准则，通过分析岩土体在破坏那一刻力的平衡条件来求得问 题的解。由于没有考虑土体内部的应力应变关系，所以只能提供宏观方 面的稳定性，所求得的稳定性也只是整个边坡的平均稳定性。同时任何一个 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 边坡的破坏有其发生、发展的变化过程，极限平衡法在这整个过程中，无法 提供边坡内部的应力分布、变形等方面的信息，也无法考虑变形对边坡稳定 性的影响。同时对于任何一个边坡，当边坡存在分层情况，或者组成材料为 非均质和各向异性材料时，用极限平衡法求解稳定性可能会比较困难，甚至 无法求解【1 7 】【1 1 口o 【2 “，而在实际中，恰恰是这样的情况较多。 有限元法的突出优点是适于处理非线性、非均质和复杂边界等问题，而 土体的应力应变分析就恰恰存在这些困难 】7 1 。与极限平衡法相比，有限元法 有以下的优点【l l 】【2 0 】： 1 可以应用岩土体的非线性弹塑性本构关系； 2 可以不需要假定滑裂面的形状和土条之间的相互作用力： 3 能够动态模拟土坡的失稳过程； 4 能够对各种复杂情况的土坡进行分析； 5 由于有限元法引入变形协调的本构关系，因此也不必引入假定条件， 保持了严密的理论体系； 6 能够模拟土体与其支挡结构的共同作用。 有限单元法的基本思想最早在上个世纪4 0 年代初期提出，但是在工程 中的应用则是在电子计算机出现后。而“有限单元法”这个名称则是由美国 的克拉夫( c l o u g h ) 在一篇题为“平面应力分析的有限单元法”( 1 9 6 0 年) 论文 中首先使用【捌，1 9 6 6 1 9 6 7 年，c l o u g h 和w o o d w a r d 首次将有限元的方法 用于土坝的分析1 7 】。此后，经过许多学者多年的努力，有限单元法的应用已 由平面问题扩展到空间问题、板壳问题，由静力平衡问题扩展到稳定性问题、 动力问题和波动问题，分析的对象从弹性材料扩展到塑性、粘弹性、粘塑性 和复合材料等，从固体力学扩展到流体力学、传热学、电磁学等多个领域 2 - 2 】。 用有限元法求解问题时，首先把连续区域分割成有限个在节点处互相连 接的单元，然后选择适当的位移模式， f ) = 口川( 6 ) 。 利用几何方程得出用节点位移表示的单元应变的关系式： ) = b 】 6 ) 。 利用本构方程，由应变表达式得出用节点位移表示单元应力关系式： o ) = 【d 】【b 】( 6 ) 。 7 由变分原理，建立单元体的结点力与结点位移之间的关系，写出总体平 衡方程： k ) 【6 = 【f 】 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1o 页 最后由总体平衡方程求出结点位移并计算单元应力。 式中： ( f ) 单元内任一点的位移列阵； 6 ) i 一单元的结点位移列阵； 【n 形函数矩阵； 单元内任一点的应变列阵； b 单元应变矩阵； a 单元内任一点的应力列阵； d 】与单元材料有关的弹性矩阵； k 整体刚度矩阵； 6 节点位移列阵； f 1 结点荷载列向量。 采用有限元方法分析边坡的稳定性一般有以下几类方法： 1 按照弹塑性理论，对边坡进行有限元分析，得出边坡完整的应力应 变结果，可阻得到边坡某些区域由弹性变为塑性的完整演进过程； 2 首先采用传统的极限平衡法，找出最小稳定性系数的滑面，或者已 知滑面，然后进行有限元分析，将滑移面位置设置薄层单元或接触单元，不 断降低薄层单元的力学参数，直至边坡失去平衡，边坡的稳定性系数就是强 度指标( 粘聚力c 和摩擦系数t a n 币) 降低的倍数； 3 折减边坡所有区域的强度指标，直至失去平衡。稳定性系数就是强 度指标降低的倍数。这种方法不需要预先定义滑裂面，在分析的过程中可以 自动显示出滑裂面位置； 4 首先对边坡进行有限元分析，然后将计算出的各单元实际剪应力与 土体发生剪切破坏时的剪应力进行比较，得到各个单元的剪应力状态，若实 际的剪应力大于土体的极限剪应力，则认为该单元破坏；若破坏的单元贯穿 坡体，则认为是滑裂面。 从上可以看出，有限元法分析边坡的稳定性，既可以得到边坡的内力分 布和变形情况，也可以得到边坡的稳定性系数。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 l 页 第3 章双江口水电站近坝段冰水堆积体概述 3 1 大渡河双江口水电站概述 3 1 1 大渡河双江口水电站位置 拟建中双江口电站位于四川省阿坝州马尔康县与金川县交界处的大渡 河上游大金川东源( 主源) 足木足河和西源绰斯甲河汇合口可尔因以下约 2 4 k m 河段处，涉及四川省马尔康县木尔宗、白湾、松岗、脚木足、沙尔宗、 龙尔甲和金川县观音桥、太阳河、集沐等9 个乡镇。坝址以上控制流域面积 为3 9 3 3 0 k m 2 2 引。 3 1 2 大渡河双江口水电站工程概述 双江口水库为大渡河水电规划各梯级的龙头水库，坝址位于足木足河与 绰斯甲河汇合口以下2 4 k m 处。库区由足木足河、绰斯甲河两主库及梭磨河、 茶堡河、太阳河等支库组成，足木足河和绰斯甲河在坝前可尔因汇合，汇合 后称作大金河【2 j j 。水库平面形态呈条带状，属于河道型水库。 水库正常蓄水位高程2 5 2 0 m ，总库容为3 5 2 1 亿m ，调节库容为2 4 0 5 亿心，初拟电站装机容量2 0 0 万k w 。水库每年从5 月份开始蓄水发电，除 正常发电用水以外，多余的水蓄存，一般9 月底蓄水至正常水位，1 0 月、1 1 月在正常蓄水位运行，1 2 月开始进入枯水期，水库开始供水发电，到第二年 4 月份水库放水至死水位 2 3 1 。水库的面积曲线和库容曲线见1 虱( 3 - 1 ) 。 3 1 3 工程区地貌 库区河谷两岸山体雄厚，谷坡陡峻，属高山曲流深切割区。两岸支流、 冲沟发育，沿主河两侧有零星分布的i 级阶地。 第四纪曾有冰川活动，在高山区常见冰斗、刃脊、角峰、悬谷等冰川地 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 形与冰蚀地貌残迹，且沿主要水系两侧可见分布有冰川冰水堆积物。 图3 一l 双江口水库的面积曲线和库容曲线 3 1 4 工程区地质构造 在地质构造部位上，水库区位于小金弧形构造的北西翼。构造形迹以褶 皱为主，如近东西向的可尔因复背斜、北西向红寨子复向斜、北西向大西木 尔巴复背斜和呷博倒转背斜，岩层挤压紧密。断裂不发育，规模较大的断层 有麻尔曲一松岗断裂、观音桥一娃尔都断层和业隆沟断层。麻尔曲松岗断 裂从梭磨河支库库尾的松岗向北西方向延伸至足木足河的麻尔曲一带，破碎 带宽几十米至百余米，现今具压扭性特征，为中、晚更新世活动断裂。观音 桥断层和娃尔都断层呈北东向展布于绰斯甲河库尾，前者具顺扭特征，后者 具反扭特征。业隆沟断层走向n 3 5 。e ，在业隆横切绰斯甲河，呈顺扭特征。 3 1 5 工程区地层岩性 库区两岸基岩裸露，出露地层为三叠系中统杂谷脑组( t 2 2 2 ) 变质砂岩夹 板岩或千枚岩、上统侏倭组( t 3 z h ) 变质砂岩、板岩或千枚岩韵律互层及燕山 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 期可尔因二云二长花岗岩体( t 1 ，；) 。变质砂岩、板岩或千枚岩构造挤压紧密， 二云二长花岗岩体坚硬完整。 图3 2 可尔因花岗质杂岩体出露形态略图 燕山晚期侵入岩可尔因花岗岩体( q ，：) ，为二云二长花岗岩岩基，出露于 坝址区的右岸和绰斯甲河、足木足河沿河两岸( 见图3 - 2 ) 。为多期次多阶段 岩浆侵入活动所形成，呈复式岩基产出，成不规则的三叉状【2 ，面积达 2 0 8 k m 2 。 第四系沉积物成因类型有崩坡积、残积、冲洪积与冰积、冰水积。冲洪 积漂卵砾石层呈带状分布于沟谷河床、残留阶地。崩坡积、残积块碎石土在 沟谷两侧山坡、坡脚零星分布。冰碛块碎石土和冰水堆积泥块卵石主要位于 河流高阶( 台) 地上，在其表面多覆盖一层厚一米至十几米具风成成因的冷黄 土( 风成冰缘黄土) 。 表3 一l双江口水库区地层简表 地层 厚度 界系统组岩性描述 代号 o n ) 新生第四 冲积、洪积、崩坡积、滑坡堆积、冰j i l n 界系 q 0 1 6 0冰水堆积，砂砾石、漂卵石、砂质粘土、 块碎石土。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 新都 深灰、灰黑色粉砂质、泥质绢云板岩，少 上 桥组 t 计量千枚状绢云板岩与深灰色薄至中层中细 4 3 4 1 粒含岩屑长石石英砂岩。 统灰至深灰色薄至中厚层中粒长石石英砂 侏倭 组 t 3 z h 1 1 4 9 8 岩、岩屑长石石英砂岩夹深灰至灰黑色粉 砂质、泥质绢云板岩、千枚状板岩。 中生三叠杂谷 灰深灰色中层( 少量薄层) 含钙质长石石 界系脑组 蟛 英细砂岩、含岩屑长石石英细砂岩及少许 上岩 4 4 3 5 杂砂岩、钙质粉砂岩，泥质绢云板岩、绢 中段云千枚岩。 统 杂谷灰深灰色薄至中层、部分厚层，少量条 脑组 t 3 2 1 带状钙质长石石英细砂岩，绢云石英砂岩， 下岩 1 1 3 3 深灰色钙质、粉砂质、泥质绢云板岩、千 段枚岩。 3 1 6 水文地质条件 库区位于高、中山峡谷区，足木足河及绰斯甲河是本区地下水排泄的最 低基准面。本区自第四纪以来地壳强烈抬升，以上述两河为主流的地表水系 强烈下切，总体上形成地形陡峻，沟谷狭窄的地貌景观，使其地表水迳流条 件良好，且有利于地下水的循环与交替。 根据地下水赋存条件及运移特征将库区地下水划分为松散堆积物孔隙 水和基岩裂隙水两大类。 松散堆积物孔隙水由第四系冲洪积、崩坡积及滑坡堆积等构成。冲洪积 堆积物主要分布在两主河的各级阶地、河床和支流、支沟内，由砂砾石层及 块碎石夹粘土组成，结构较松散，具有较强的透水性。崩坡积和滑坡堆积主 要由块碎石或块碎石夹粘土组成，在一般条件下其结构松散，且见架空，因 而具有良好的透水性能。 此含水层的富水程度取决于堆积物的物质组成、结构、厚度及分布，以 孔隙水为主，泉流量差异较大。主要受大气降水补给，一般地下水位埋深较 浅，向足木足河及绰斯甲河排泄。其动态变化明显受当地季节性降雨的影响。 基岩裂隙水按含水介质可以划分为花岗岩裂隙水和变质岩裂隙水两类。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 1 花岗岩裂隙水 该类含水岩组( 主要为二云二长花岗岩体) 主要见于两主河的库首段。其 富水程度受岩性和构造的控制，裂隙的张开度、贯通性决定了该类含水岩组 地下水的埋藏深度，因此地下水的埋深差异较大。其含水性基本上受花岗岩 内的原生裂隙、构造裂隙控制。一般透水性较差，水量较贫乏，泉流量在o 1 1 o l s 之间。但在其风化卸荷带内，由于裂隙发育，张开度较好，且少有充 填，其透水性能较好。其补给源主要为大气降水，动态较稳定，且向足木足 河及绰斯甲河排泄。 2 变质岩裂隙水 该类含水岩组主要在两主河的库中及库尾段的三叠系中统杂谷脑组 ( t 2 2 2 ) 和上统侏倭组( t 3 锄地层中，主要由变质砂岩、千枚岩、变质粉砂岩、 板岩等组成。此岩类本身透水性较差，地下水不丰富，加之裂隙发育规模、 张开度和连通性有限，决定了此岩类透水性能不良和富水性弱的特点，泉流 量一般o 1 1 o l s 。同样，地下水受大气降水补给，并向足木足河及绰斯甲 河排泄。 3 1 7 新构造运动与地震 工程区位于由鲜水河断裂带、舒尔干一花石峡断裂带( 阿尼玛卿断裂带) 、 岷江断裂一雪山断裂一虎牙断裂一龙门山断裂带所围限的川青断块区的东 南部，挽近时期以来，新构造运动主要表现为以断块本身的间歇性整体抬升， 处于构造相对稳定区，除足木足河热脚以北库区和梭磨河支库区处于次稳定 区以外，坝址区和其余库区均属稳定区，工程区的地震危险性相对较小，其 地震危险性主要来自上述远达1 0 0 k r a 以上的几条外围强震带特别是北西向 鲜水河地震带的波及影响，但东侧3 0 4 0 k m 左右的抚边河断裂具备发生7 级强震能力1 2 4 j 。据g b l 8 3 0 6 2 0 0 1 中国地震动参数区划图，双江口坝址区 5 0 年超越概率1 0 的地震动参数为：地震动峰值加速度为0 1 0 9 ( 对照确定其 地震基本烈度为度) ，地震动反应谱特征周期为0 4 5 s 。 3 2 冰水堆积体成因及其基本特征 在第四纪时期，地球的气候曾经有较大的波动，发生过几次冷暖交替变 西南交通大学硕士研究生学位论文第16 页 化，当全球的气温普遍偏低时，降雪量增加并且超过其消融量以后，雪量不 断累积，进而引发大规模的冰川活动。全球性冰川扩大与增长的时期称为冰 期，而全球性冰川消退的温暖时期称作间冰期 2 5 1 。 冰川融化后转为冰水流动，经过冰融水搬运，沉积在冰川内部或附近的 堆积物，便是冰水堆积物j ( 2 6 j 。冰水堆积物一般来讲，砾石分选性差、大 小混杂；泥、砾混杂，部分无层理；砾石磨圆不好，形状各异、凹凸不平， 部分具有擦痕、磨光面等【2 5 】 2 7 1 1 2 钔。 双江口水电站坝址附近的冰水堆积体，其中在河流岸边，经水流冲刷形 成的多处近直立陡壁，可以清楚的观察到上述特点。见照片1 3 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第17 页 照片1 冰水堆积体特征 照片2 冰水堆积体特征 照片3 英戈洛附近冰水堆积体陡壁 西南交通大学硕士研究生学位论文第l8 页 位于双江口水电站的英戈洛村、业隆树一大石凼村( 以下称作大石凼) 、 石广东村这三处的冰水堆积体( q p g ”i 9 1 ) ，不但规模庞大而且距离坝址较近， 如果在水库蓄水或者运行期间出现失稳或者是大规模的坍塌，将会直接威胁 到水坝的安全，并会带来一系列的严重后果。所以有必要对这三处冰水堆积 体边坡在水库蓄水后的稳定性作出评价。 这三处冰水堆积体在双江口水电站库区所处的位置，见图3 3 冰水堆 积体的前后缘高程、残存方量、距坝里程见表3 2 。 表3 2冰水堆积体距坝里程及残存方量 距坝里程高程( m ) 名称方量( m 3 ) 前缘后缘 大石凼冰水堆积体6 5 2 3 4 32 6 4 2 4 2 4 0 英戈洛冰水堆积体 4 72 3 0 72 5 8 03 0 0 0 石广东冰水堆积体 5 62 3 2 42 5 8 55 2 5 0 图3 3 双江口水电站近坝段冰水堆积体位置示意图 西南交通大学硕士研究生学位论文第19 页 3 2 1 大石凼冰水堆积体 大石凼冰水堆积体，位于绰斯甲河左岸大石凼、右岸业隆沟口一带，下 伏花岗岩体，距坝6 5 k m ，前缘高程2 3 4 3 m ，后缘2 6 4 2 m ，两岸顺河长累计 约2 8 0 k m ，累计总体积约4 2 4 0 万m 3 。该堆积体以块碎石为特点，结构较密 实，具弱胶结。附近有业隆断层横穿绰斯甲河，见图3 4 及图3 5 。 当前冰水堆积体整体稳定性好，没有变形迹象，只是在坡体前缘由于水 流冲刷作用及浸水的影响，有局部坍塌现象。 图3 4 大石凼冰水堆积体 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 0 页 高程( m ) 图3 5 大石凼冰水堆积体剖面图 3 2 2 英戈洛冰水堆积体 英戈洛冰水堆积体位于足木足河右岸，下伏花岗岩体，距坝4 7 k m ，前 缘高程2 3 0 7 m ，后缘2 5 8 0 m ，顺河长约1 8 3 k m ，总体积约3 0 0 0 万i n 3 。堆积 体以块碎石为特点，结构较密实，具弱胶结。其冰碛与冲洪积残留堰塞体岸 坡高陡，受水库回水影响，整个冰水堆积体将绝大部分被淹没，见图3 6 及图3 7 。 与大石凼堆积体相似，现今英戈洛冰水堆积体整体稳定性好，没有变形 迹象，只是在坡体前缘由于水流冲刷作用及浸水的影响，有局部坍塌现象， 但规模不大。 m珊姗猢粼姗姗姗姗姗蚴姗 册姗姗舢姗姗撇黜蚴姗 西南交通大学硕士研究生学位论文 第2 1 页 图3 6 英戈洛冰水堆积体 图3 7 英戈洛冰水堆积体剖面图 西南交通大学硕士研究生学位论文 第2 2 页 3 2 3 石广东冰水堆积体 石广东冰水堆积体位于足木足河左岸，与英戈洛冰水堆积体隔岸相对分 布，下伏花岗岩体，距坝5 6 k m ，前缘高程2 3 2 4 m ，后缘2 5 8 5 m ，顺河长累 计约4 5 0 k m ，总体积约5 2 5 0 万m 3 。堆积体以块碎石为特点，结构较密实， 具弱胶结。冰碛与冲洪积残留堰塞体岸坡高陡，见图3 8 及图3 9 。 石广东冰水堆积体现状整体稳定，没有变形迹象，只是在坡体前缘由于 水流冲刷作用及浸水的影响，有局部坍塌现象，但规模不大。 图3 8 石广东冰水堆积体 西南交通大学硕士研究生学位论文 第2 3 页 高程( m ) 图3 9 石广东冰水堆积体剖面图 ( m ) 2 7 0 0 姗姗卿姗跚帅卿詈姗姗 舢姗舢娜舢姗姗舢必姗 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 4 页 第4 章冰水堆积体稳定性的计算 4 1 计算公式和计算工况的选取 稳定性的计算方法采用分段传递系数法，分条块逐段计算，以最后一块 的稳定性系数作为整个坡体的稳定性系数。计算公式如下【2 9 】【3 0 】 3 l 】： f ：墨! 婴生生垦= 生堕垫= ! ：竺韭塑f 4 一】、 5 | i i + e j l c o