（地质工程专业论文）工程高边坡变形量预警标准研究.pdf

中文摘要 摘要：随着三峡移民工程的进行，在三峡库区出现了大量人工高边坡。高边坡地 质灾害隐患日益突出，已成为三峡库区主要地质灾害之一。边坡失稳现象时有发 生，而边坡旦失稳，后果将是灾难性的。因此，边坡稳定性评价具有十分重要 的意义。 本文数值模拟了三峡库区数十处高边坡的上百种工况，并将高边坡分为岩质、 土质、岩土质三类，通过对边坡岩土体材料参数的折减，用基于强度折减法的 m i d a s g t s 有限元软件进行计算，获得边坡的安全系数和边坡濒临破坏时最大位 移量。并且根据有限元计算的特点，可以直观的看出边坡最危险滑动面的位置， 和边坡由稳定到破坏的过程中，局部最大位移量发生部位的一个变化过程。 本文着重从边坡的几何特征来研究边坡稳定性，并从大量的模型计算结果中 得出了几点结论：1 、随着坡角的增大，边坡破坏时的局部最大位移量减小；2 、 边坡由稳定向破坏的过程中，局部最大位移量发生的部位由坡顶向坡脚移动；3 、 边坡濒临破坏时，岩质边坡的局部最大位移量最小，其次是岩土质边坡，最大的 为土质边坡。本文更重要的是将变形量融入到边坡稳定性评价系统中，使这一指 标也成为边坡稳定的重要标准。神经网络将变形量、容重、粘聚力、内摩擦角、 坡高、坡度这6 个因素一起放在神经网络中分析，给出了边坡稳定性的综合评价， 并取得了很好的效果。 本文分析角度比较新颖，数据详实，对工程高边坡变形量的监测预警有一定 的帮助。 关键词：边坡，变形量，预警，数值模拟，强度折减法 分类号：t u 4 1 3 8 + 2 a b s t r a c t a b s t r a c t ：w i t ht h et h r e eg o r g e sp r o j e c t ，t h e r ee m e r g e n c e sal a r g en u m b e ro t a r t i f i c i a lh i g hs l o p e si nt h et h r e eg o r g e sr e s e r v o i ra r e a h i g l as l o p e s ，a sp o t e n t i a l g e o l o g i c a ld i s a s t e r s ，h a v eb e c o m ei n c r e a s i n g l yp r o m i n e n t ，a n dh a v eb e c o m e o n eo ft h e m a i ng e o l o g i c a lh a z a r d si nt h et h r e eg o r g e sr e s e r v o i ra r e a s l o p ef a i l u r eo c c u r r e df r o m t i m et ot i m e ，a n do n c es l o p ef a i l u r e ，t h ec o n s e q u e n c e sw o u l db ed i s a s t r o u s t h e r e f o r e ， s t a b i l i t ya n a l y s i so fh i g hs i d e - s l o p ei sv e r yi m p o r t a n t i nt h i sp a p e r t h ea u t h o rr e d u c e st h em a t e r i a lp a r a m e t e r so ft h es l o p er o c ka n ds o i l ，a n d c a l c u l a t e su s i n gt h em i d a s g t sf i n i t ee l e m e n ts o f t w a r e ，w h i c hi sb a s e d o nt h es t r e n g t h r e d u c t i o na l g o r i t h m ，t oo b t a i nt h es l o p es a f e t yc o e f f i c i e n ta n dt h el a r g e s td i s p l a c e m e n t o ft h es l o p ea tt h eb r i n ko fd e s t r u c t i o n a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c s o ff i n i t ee l e m e n t m e t h o d ，y o uc a ni n t u i t i v e l ys e e t h em o s td a n g e r o u sp o s i t i o no fs l i ps u r f a c e ，t h ep r o c e s s o fs l o p ef r o ms t a b i l i t yt od e s t r u c t i o n ，t h el o c a lp a r to ft h el a r g e s td i s p l a c e m e n to c c u r r e d i nap r o c e s so fc h a n g e t h i sp a p e rm a i n l ya n a l y z e st h es l o p es t a b i l i t yf r o mt h e i rg e o m e t r i cc h a r a c t e r i s t i c s ，a n d o b t a i n ss e v e r a lc o n c l u s i o n sf r o mal a r g en u m b e ro fm o d e lc a l c u l a t i o n s ：1 ，w i t ht h es l o p e a n g l ei n c r e a s e s ，t h el a r g e s ts l o p ed i s p l a c e m e n to f t h ep a r t i a ld e s t r u c t i o nd e c r e a s e s ；2 ， w h e nt h es l o p ec h a n g e sf r o ms t a b i l i t yt od e s t r u c t i o n ，t h ep o s i t i o no ft h el a r g e s tl o c a l d i s p l a c e m e n tm o v e sf r o mt h et o p t ot h ef o o to ft h es l o p e ；3 ，w h e nt h es l o p ei sa tt h e b r i i l l 【o fd e s t r u c t i o n ，t h el a r g e s tl o c a ld i s p l a c e m e n to fr o c ks l o p ei sm i n i m u m ，f o l l o w e d b yr o c ka n ds o i ls l o p e ，a n dt h el a r g e s ts l o p ef o rt h es o i l w h a t i sm o r ei m p o r t a n t1 st o p u td e f o r m a t i o ni n t ot h ea n a l y s i so fs l o p es t a b i l i t y , a n dg e t sg o o d r e s u l t t h i sp a p e ra n a l y z e st h er e l a t i v e l yn e wp o i n to fv i e w , d e t a i l e dd a t ao n t h ee n g m e e n n go f h i g hs l o p ed e f o r m a t i o nm o n i t o r i n ga n de a r l yw a r n i n g w i l lb eu s e f u l k e y w o r d s ：s l o p e ，d e f l e c t i o n ，e a r l yw a r n i n g ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，s t r e n g t h r e d u c t i o nm e t h o d c l a s s n o ：t u 4 13 8 + 2 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：数守 签字日期：9 罗 年月彤日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 提供阅览服务，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。 同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：数乎 签字日期： o7 年占月占日 新潞锚一 签字日期：口罗年莎月p 6 日 致谢 本论文的工作是在我的导师白明洲教授的悉心指导下完成的，白教授严谨的 治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢两年来白教 授对我的关心和指导。 白教授悉心指导我们完成了实验室的科研工作，在学习上和生活上都给予了 我很大的关心和帮助，在此向白老师表示衷心的谢意。 白教授对于我的科研工作和论文都提出了许多的宝贵意见，在此表示衷心的 感谢。 在实验室工作及撰写论文期间，王旭、王东、王超、刘强、刘璇等同学对我 论文中的资料收集和边坡计算研究工作给予了热情帮助，在此向他们表达我的感 激之情。 另外也感谢我的父亲母亲，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的 学业。 1 绪论 1 1选题背景 在地质灾害监测预警方面，几十年来，三峡工程库区进行了大量的地质工作， 为库区移民规划、库区地质灾害防治和监测预警奠定了良好的基础，三峡工程库 区地质工作可分为如下阶段。 五十年代至七十年代以小比例尺的区域地质调查为主，对库区基础地质研究 较为详细：八十年代结合库区移民规划选址和库岸稳定性，原国家科委和地质矿 产部组织了“七五 和“八五 三峡工程库区地质问题的研究；九十年代三峡建 委移民局委托长江委和有关单位进行了地质勘察，特别是开展了拟迁城市新址地 质论证。同时，国土资源部( 原地矿部) 开展了对口支援三峡工程库区的地质工 作。 近年来，以基于地理信息系统g i s - b a s e d 减灾防灾决策支持为核心的预警系 统。该系统包括地质灾害区域预警分析系统、单体地质灾害预测预警系统、神经 元网络预测系统、专家辅助决策系统、计算机智能仿真系统和信息发布系统及演 示系统6 个子系统。为地质灾害减灾防灾预案的编制及实施提供支撑。 三个子系统之间采用计算机网络技术相互联系，形成一套以现代监测分析评 价技术为核心的地质灾害监测、分析、评价、预测和预警系统。 2 0 0 6 年5 月1 9 日，国家发改委以发改地区 2 0 0 6 8 9 9 号文下达了三峡库区三 期地质灾害防治监测预警工程专项资金投资计划。三期工程主要包括： 专业监测系统：利用遥感技术对全库区地质灾害实施宏观监控，及时为政府 和有关部门提供地质灾害的专业监测预警信息，为政府防灾减灾决策和实施及时 提供科学依据和技术支撑。 群测群防监测系统：对三期地质灾害防治规划为监测预警的区域实施群测群 防监测预警，建成后纳入已建立的三峡库区地质灾害群测群防监测体系，形成统 一的群测群防监测预警系统。 预警指挥系统：建立现场数据快速采集及传输系统，建立指挥中心的信息接 收、处理、控制系统，建立远程会商、指挥的视频会议系统。 建立地质灾害数据库及其管理系统：建立基于地质灾害稳定性评价系统及风 险决策的地质灾害预警支持系统和建立地质灾害预警指挥系统旺1 。 通过上述工作，三峡库区基本建立全库区地质灾害监测预警系统，建立现代 化的专业技术人员和群测群防群治相结合的队伍，为进行库区地质灾害监测、预 警和防治建立奠定了基础1 。 1 2研究意义 高边坡监测预警是把握高边坡变形动态，减少高边坡灾害的重要手段，必须 予以高度重视，切实加强这方面的工作。高边坡监测预警采用专业监测预警和“群 测群防 相结合的方式进行。高边坡监测应解决的问题：一是高边坡的稳定状态、 变形规律：二是高边坡在进行防治后，有无整体或局部滑动现象，分析确定高边 坡具体变形范围、位移量等；三是根据监测成果，及时提出预警和防护意见建议。 根据高边坡监测目标，主要采取的监测方法：以实地监测为主，以数值模拟为指 导，对高边坡的变形量做出及时的预警。本次基于强度折减原理的数值模拟，旨 在模拟出各类边坡发生破坏时的地表变形量。对实际工程的指导意义就在于，当 监测点的实际位移量达到模拟计算时的位移量时，就预示着该边坡很有可能发生 破坏，及时采取相应的支护，来确保人员和财产的安全。 1 3边坡变形破坏过程 边坡在发生滑动之前通常是稳定的，由于自然因素和人类活动等因素的影响， 边坡中的土体的强度逐渐降低，或边坡内部的下滑力逐渐增大，而抗滑力逐渐减 弱，使边坡的稳定性遭到破坏 4 】。边坡内某一部分因抗滑力小于下滑力而首先变形， 产生微小的滑动，以后变形逐渐发展，直到坡面出现断续的拉张缝隙、应力集中； 随着边坡变形的继续发展，后缘拉张裂缝进一步加宽，错距不断增大，两侧剪切 裂隙贯通撕开，边坡前缘土石挤进并鼓出，出现了大量的膨胀裂缝，滑坡出口附 近渗水混浊，这时滑动面已全部形成，接着便开始整体地向下滑动【5 】。因此，边坡 变形破坏的发生是一个长期的变化过程，通常将边坡由稳定到破坏经历的过程可 以分为四个阶段：稳定阶段、蠕动变新阶段、滑动破坏阶段、逐趋稳定阶段。 1 4影响边坡破坏的主要因素 边坡在形成的过程中，其内部原有的应力状态发生了变化，引起了应力集中 和应力重分布等。为适应这种应力状态的变化，边坡出现了不同形式和不同规模 的变形与破坏，这是推动边坡演变的内在原因；各种自然条件和人类的工程活动 等也使边坡的内部结构出现了相应的变化，这些条件是推动边坡演变的外部因素 【6 】。 在诸多影响因素中边坡几何要素对边坡失稳与否密切相关，边坡的几何因素 主要有坡高、坡角、坡面产状等等。 ( 1 ) 边坡走向与结构面产状的组合关系对边坡失稳影响 边坡尤其是岩质边坡。岩体的结构特征对边坡的失稳可以说是具有决定性的 意义。无论是倾倒变形、平面破坏、楔形破坏还是圆弧形破坏。这种结构面与边 坡面的产状组合关系是边坡失稳分析的首要工作。通常，边坡走向与结构面走向 平行或接近于平行时对边坡稳定不利。 ( 2 ) 坡度对边坡失稳的影响 不论是土质边坡还是岩质边坡。边坡的坡度对坡体的稳定性具有重要的影响。 从极射赤平投影法可以看出。个边坡的稳定坡脚对坡体内楔体的稳定性具有决 定性的意义。 ( 3 ) 坡高对边坡失稳的影响 不同的地区、不同的岩土特性，坡高对边坡失稳的影响并不一致。边坡在不 同坡高条件下发生破坏的概率也是不一样的。 由于有限元软件还无法模拟边坡走向、倾向等因素，故尔本文对这一点不做 研究。研究的重点就放在坡高、坡角对安全系数的影响，以及发生破坏时的地表 最大位移量。 1 5边坡稳定性研究方法 边坡稳定性分析一直是土木工程中的重要研究课题，在岩土工程或土木工程 领域占据相当重要的地位。多年来，许多学者致力于这方面的工作，边坡稳定分 析理论具有十分丰富的内容。目前，工程中常用的方法有条分法。随着数值分析 方法在工程领域应用技术的成熟，人们常用有限元法进行坡体稳定分析。另外， 还有些学者尝试采用其他数学方法进行坡体稳定分析。因此，对现有土坡稳定分 析理论的发展及现状有如下基本的分类。 1 、定性分析法 定性分析方法主要是通过工程地质勘察，对影响边坡稳定性的主要因素、可 能的变形破坏方式、失稳的力学机制和已变形地质体的成因及其演化史进行分析。 从而给出被评价边坡个稳定性状况及其可能发展趋势定性的说明和解释。其优 点是能综合考虑影响边坡稳定性的多种因素。快速对边坡的稳定状况及其发展趋 势做出评价。 ( 1 ) 自然( 成因) 历史分析法 3 该方法主要根据边坡发育的地质环境、边坡发育历史中的各种变形破坏迹象及其 基本规律和稳定性影响因素的分析，追溯边坡演变的全过程，对边坡稳定性的总 体状况、趋势和区域性特征做出评价和预测，常用于天然斜坡的稳定性评价。 ( 2 ) 工程类比法 该方法实质上就是根据已有的边坡工程经验。并把该经验应用于类似边坡的 稳定性分析。它需要对已有边坡和所研究对象进行广泛的调查分析，全面地研究 工程地质因素。并分析影响边坡变形破坏的主导因素相似性和差异性，以及可能 的变形破坏、方式等的相似性和差异性，同时兼顾工程的等级、类别等特殊要求。 通过这些分析来类比分析和判断研究对象的稳定性状况、发展趋势、加固处理设 计等。在工程实践中。既可以进行自然边坡之间的类比，也可以进行人工边坡之 间的类比，还可以在自然边坡和人工边坡之间进行类比。 2 、定量分析法 ( 1 ) 极限平衡法。极限平衡法是边坡稳定分析理论中重要的内容。力学模型 简单，可以对边坡进行定量的稳定性评价，已被工程人员广泛地采用。经过长期 工程实践，条分法己成为边坡稳定分析的主要方法之一。同时，也是一个非常活 跃的研究对象，不断有学者对其进行完善和补充【7 1 。极限平衡法也存在一些问题， 所作的人为假定的合理性直接影响到稳定分析的准确性。 ( 2 ) 有限元法。由于条分法不能考虑坡体中的应力应变状态，目前，已有许 多学者采用有限元法来分析坡体稳定问题。在有限元法稳定分析中，确定圆形临 界面不是困难问题，通常采用对称地改变圆心和变化半径长度找到临界滑面。选 用不同的初始点、搜索方法，都可以找到临界滑面。而对于寻找非圆形滑面的技 术却比较复杂。k i m ，j y 和l e e ，s r ( 1 9 9 7 年) 采用有限元法进行坡体稳 定分析，提出了一种寻找临界滑动面和定义安全系数的方法。首先考虑了应力历 史和土体的参数特征，然后从圆弧滑面开始搜索非圆形滑裂面。另外，d u n c a n 和 d u n l o p ( 1 9 6 9 年) 还采用有限元法模拟开挖过程的坡体稳定情况，并分析了横向土压 力对稳定的影响程度【8 】。1 9 7 0 年，他们探讨了将其推广应用于双曲线形应力一应 变土体稳定分析的问题上。 ( 3 ) 最小安全系数法 b i s h o p ( 1 9 5 2 年) 和h v o l s l e v ( 1 9 6 7 年) 在稳定研究中发现临界滑移面上的安全 系数并不是一个常数，评价土坡稳定采用的是滑裂面上安全系数的平均值。因此， 其计算结果在某种程度上，不尽科学合理。h u a n ge ta 1 ( 1 9 8 9 年、1 9 9 2 年) 针对 产生坡体首先产生局部破坏的情况，开始尝试用表征局部破坏的最小安全系数法 来确定临界滑动面【9 】。s c o t tl h u a n g ( 1 9 9 3 年) 等人在最小安全系数法的基础上进 4 行了有限元稳定分析。程序分析中土体满足d r u c k e r - - - p r a g e r 非线性应力一应变关 系和m o h r - - c o u l o m b 破坏准则，单元为四结点四边形单元。计算得到的安全系数 与b i s h o p 法、s a r m a 法基本一致。最后，确定滑裂面的位置与b i s h o p 法、s a n n a 法略有偏差。 3 、非确定性分析方法 ( 1 ) 可靠度分析法 实践证明，影响岩质边坡工程稳定性的诸多因素往往都具有一定的随机性， 具有一定概率分布的随机变量。祝玉学( 1 9 9 3 年) 把在规定的条件下和规定的实用期 限内，安全系数或安全储备大于或等于某一规定值的概率，即边坡保持稳定的概 率定义为可靠度。可见，用可靠度比用安全系数在一定程度上更能客观、定量地 反映边坡的安全性。该方法的原理是首先通过现场调查。以获得影响边坡稳性影 响因素的多个样本，然后进行统计分析，求出它们各自的概率分布及其特征参数， 再利用某种可靠度分析方法，如一次二介矩法、可靠指标法、统计矩法、随机有 限元法等来求解边坡岩体的破坏概率即可靠度。近年来，该方法在岩土工程中的 研究与应用发展很快，为边坡稳定性评价指明了一个新的方向。 但其不足之处在于计算时所需的大量统计资料难于获取，各因素的概率模型 及其数字特征等的合理选取问题还没有得到很好的解决。另外，其计算通常也较 一般的极限平衡方法显得困难和复杂。 ( 2 ) 模糊分级评判方法 影响边坡稳定性诸多因素的随机性和模糊不确定性都是客观存在的，因此， 传统的随机可靠性分析方法必然难以完全反映真实的客观情况，因此，对边坡稳 定性进行模糊安全评价也是相当必要的。采用模糊分级评判或模糊聚类方法对边 坡的稳定性做出分级评判，其具体做法通常是先找出影响边坡稳定性的各个因素， 并赋予它们不同的权值，然后根据最大隶属度原则来判定边坡的稳定性。实践证 明。模糊分级评判方法为多变量、多因素影响的边坡稳定性分析提供了一种行之 有效的手段。这一方法主要应用于大型边坡的整体稳定性评价。它与传统方法相 比具有明显的优势。 其缺点是在一定程度上具有很大的主观性。实际应用过程中，应尽量避免主 观因素给隶属函数以及各因素的权重带来的误差，使隶属函数和各因素的权重不 断接近客观实际。近年来，模糊评价方法取得了部分显著的成果，但还没有完全 成熟，仍需逐步完善。 ( 3 ) 灰色理论统计判别法 灰色系统理论认为，在决定事物的诸因素中若既有已知的。又有未知的或不 j b塞窒适太堂亟堂焦诠塞绪论 确定的，它们所在系统则称为灰色系统。灰色系统理论是研究信息不完全的系统 的有效方法。灰色系统分析和灰色模型是灰色系统理论的两大核心内容。一般情 况下，构成现实问题的实体因素是多种多样的，因素间的实体关系也是多种形式 的，因而想知道因素与因素问的全部关系是不可能的，也是不必要的。灰色系统 理论提出了一种新的系统分析方法，称为系统的灰色关联度分析方法，把系统中 的一切信息量( 包括随机的) 看作灰色量，采用特有的方法建立描述灰色量的数 学模型。它有3 个基本环节：根据系统已发生的一组时间序列数据，根据变量 多少建成不同的预测模型；估计模型参数，如按最4 , - 乘法确定；把模型用 于预测，并进行评价。利用灰色关联度分析原理，可在不完全的信息中，通过一 定的数据处理，找它们的关联性，确定边坡稳定性各影响因素的影响程度，进而 利用多因素叠加分析评价边坡的稳定性。 本文所用的方法是基于强度折减原理的有限元法进行数值模拟，下面将对有 限元的发展和强度折减理论分别做出论述。 1 6有限元软件发展现状 “有限元”这个名词第一次出现，到今天有限元在工程上得到广泛应用，经 历了三十多年的发展历史，理论和算法都已经日趋完善。有限元的核心思想是结 构的离散化，就是将实际结构假想地离散为有限数目的规则单元组合体，实际结 构的物理性能可以通过对离散体进行分析，得出满足工程精度的近似结果来替代 对实际结构的分析，这样可以解决很多实际工程需要解决而理论分析又无法解决 的复杂问题【”】。 近年来随着计算机技术的普及和计算速度的不断提高，有限元分析在工程设 计和分析中得到了越来越广泛的重视，已经成为解决复杂的工程分析计算问题的 有效途径，现在从汽车到航天飞机几乎所有的设计制造都已离不开有限元分析计 算，其在机械制造、材料加工、航空航天、汽车、土木建筑、电子电器，国防军 工，船舶，铁道，石化，能源，科学研究等各个领域的广泛使用已使设计水平发 生了质的飞跃，主要表现在以下几个方面：1 、增加产品和工程的可靠性；2 、在 产品的设计阶段发现潜在的问题经过分析计算，采用优化设计方案，降低原材料 成本；3 、模拟试验方案，减少试验次数，从而减少试验经判1 0 】。 纵观当今国际上c a e ( c o m p u t e r a i d e de n g i n e e r i n g ) 软件的发展情况，可以看 出有限元分析方法的一些发展趋势： 1 、与c a d 软件的无缝集成 6 当今有限元分析软件的一个发展趋势是与通用c a d 软件的集成使用，即在用 c a d 软件完成部件和零件的造型设计后，能直接将模型传送到c a e 软件中进行有 限元网格划分并进行分析计算，如果分析的结果不满足设计要求则重新进行设计 和分析，直到满意为止，从而极大地提高了设计水平和效率。为了满足工程师快 捷地解决复杂工程问题的要求，许多商业化有限元分析软件都开发了和著名的 c a d 软件( 例如p r o e n g i n e e r 、u n i g r a p h i c s 、s o l i d e d g e 、s o l i d w o r k s 、i d e a s 、 b e n t l e y 和a u t o c a d 等) 的接1 3 。有些c a e 软件为了实现和c a d 软件的无缝集 成而采用了c a d 的建模技术，如g t s 软件，可以在建模时直接导入2 d 、3 d 的 c a d 图形，并且可以随时将图形用c a d 做修改，实现真正无缝的双向数据交换。 2 、更为强大的网格处理能力 有限元法求解问题的基本过程主要包括：分析对象的离散化、有限元求解、 计算结果的后处理三部分。由于结构离散后的网格质量直接影响到求解时间及求 解结果的正确性与否，近年来各软件开发商都加大了其在网格处理方面的投入， 使网格生成的质量和效率都有了很大的提高，但在有些方面却一直没有得到改进， 如对三维实体模型进行自动六面体网格划分和根据求解结果对模型进行自适应网 格划分，除了个别商业软件做得较好外，大多数分析软件仍然没有此功能。自动 六面体网格划分是指对三维实体模型程序能自动的划分出六面体网格单元，现在 大多数软件都能采用映射、拖拉、扫略等功能生成六面体单元，但这些功能都只 能对简单规则模型适用，对于复杂的三维模型则只能采用自动四面体网格划分技 术生成四面体单元。对于四面体单元，如果不使用中间节点，在很多问题中将会： 产生不正确的结果，如果使用中间节点将会引起求解时间、收敛速度等方面的一 系列问题，因此人们迫切的希望自动六面体网格功能的出现。自适应性网格划分 是指在现有网格基础上，根据有限元计算结果估计计算误差、重新划分网格和再 计算的一个循环过程。对于许多工程实际问题，在整个求解过程中，模型的某些 区域将会产生很大的应变，引起单元畸变，从而导致求解不能进行下去或求解结 果不正确，因此必须进行网格自动重划分。自适应网格往往是许多工程问题边坡 滑移、岩体张裂等大应变分析的必要条件。 3 、由求解线性问题发展到求解非线性问题 随着科学技术的发展，线性理论已经远远不能满足设计的要求，许多工程问 题如材料的破坏与失效、裂纹扩展等仅靠线性理论根本不能解决，必须进行非线 性分析求解。众所周知，非线性问题的求解是很复杂的，它不仅涉及到很多专门 的数学问题，还必须掌握定的理论知识和求解技巧，学习起来也较为困难。为 此国外一些公司花费了大量的人力和物力开发非线性求解分析软件，如g t s 、 7 a d i n a 、a b a q u s 等。它们的共同特点是具有高效的非线性求解器、丰富而实用 的非线性材料库，g t s 还同时具有隐式和显式两种时间积分方法【1 2 1 。 4 、由单一结构场求解发展到耦合场问题的求解 有限元分析方法最早应用于航空航天领域，主要用来求解线性结构问题，实 践证明这是一种非常有效的数值分析方法。而且从理论上也已经证明，只要用于 离散求解对象的单元足够小，所得的解就可足够逼近于精确值。现在用于求解结 构线性问题的有限元方法和软件已经比较成熟，发展方向是结构非线性、流体动 力学和耦合场问题的求解。由于有限元的应用越来越深入，人们关注的问题越来 越复杂，耦合场的求解必定成为c a e 软件的发展方向【1 3 】。 1 7m i d a s g t s 有限元软件的特点 韩国迈达斯公司( m i d a s ) 开发的岩土工程有限元分析软件g t s ( 岩土与隧 道分析系统) 代表了当前工程软件发展的最新技术。自从1 9 8 9 年以来，m i d a s 公司致力于有限元分析与仿真方面的研究，而g t s 就是在其基础上发展而形成的， 该分析系统可以对复杂的几何模型进行可视化的直观建模：其独特的m u l t i f r o n t a l 求解器能为我们提供最快的运算速度，这也是最强大的功能之一；在后处理中， 能以表格、图形、图表形式自动输出简洁实用的计算书。m i d a s g t s 已经通过了 q a q c 质量管理体系认证，能确保计算结果的精度和质量。 m i d a s g t s ( g e o t e c h n i c a la n dt u n n e la n a l y s i ss y s t e m ) 是包含施工阶段的应力分析 和渗透分析等岩土和隧道所需的几乎所有分析功能的通用分析软件。g t s 将通用 分析程序m i d a s c i v i l 的结构分析功能和前后处理程序m i d a s f x + 的几何建模和 网格划分功能结合后，加入了适合于岩土和隧道领域的专用分析功能。 g t s 的特点如下：经过验证的各种分析功能，快速准确的有限元求解器c a d 水准的三维几何建模功能，自动划分网格、映射网格等高级网格划分功能，方便 快速的隧道建模助手，大模型的快速显示和最优的图形处理功能，适合于w i n d o w s 操作环境的最新的用户界面系统，使用最新图形技术表现分析结果、计算书输出 功能。 针对边坡稳定性问题，以往的边坡稳定分析没有考虑变形的过程。但是边坡 的破坏一般都是变形在逐渐增大最后在局部区域发生较大位移，所以变形和破坏 是不可分割的，是变形逐渐发展的过程。所以边坡稳定分析需要分析从初始的变 形过程到破坏的整个过程。对边坡进行安全管理不仅要清楚边坡的最小安全系数， 而且需要对边坡的破坏形态进行分析，这样才能在适当的位置设置监测点从而获 取有价值的监测信息。有限元法可以提供所需数据，而且可以分析边坡的破坏过 程。m i d a s g t s 软件在边坡稳定性分析中采用了基于有限元的强度折减法。强度 折减法将在第三章给予详细的介绍。 9 韭瘟窑担盔茎亟堂僮地塞班珏匡王据地厦擅况 2 研究区工程地质概况 2 1 三峡库区简介 三峡库区是中国地理上的一个相对较新的地名词，它包含了长江流域因三峡 水电站的修建从而被淹没的湖北省所辖的宜昌县、秭归县、兴山县、恩施州所辖 的巴东县：重庆市所辖的巫山县、巫溪县、奉节县、云阳县、开县、万州区、忠 县、涪陵区、丰都县、武隆县、石柱县、长寿县、渝北区、巴南区、江津区及重 庆核心城区( 包括渝中区、沙坪坝区、南岸区、九龙坡区、大渡口区和江北区) 。 库区地处四川盆地与长江中下游平原的结合部，跨越鄂中山区峡谷及川东岭谷地 带，北屏大巴山、南依川鄂高原。 | ；于图1 三峡库区主要地质灾害分布幽 2 2地层岩性及工程岩类 库区地层除缺失泥盆系下统、石炭系上统、白垩系的一部分和第三系以外， 自前震旦系至第四系均有出露。其分布由东至西自老而新展布。三斗坪至庙河段 出露前震旦系结晶岩；庙河至香溪为震旦系至三叠系至侏罗系地层i 牛口至观武 镇三叠系中、下统大面积出露；观武镇以西至库尾近4 0 0k m 的库区t 侏罗系地层 广布，仅在背斜核部出露三叠系及少量二叠系地层。第四系堆积物零星分布于河 流阶地、剥夷面及斜坡地带。分布比较集中、体积较大的第四系堆积体大都是崩 塌、滑坡体。 区内地层，按其岩相建造和岩体结构特征，可分为四种工程地质岩类：i 、块 状结晶岩类：包括前震旦系块状岩浆岩及混合化的中、深变质岩。仅分布在庙河 一三斗坪段。2 、层状碎屑岩类：主要为三叠系中、上统及侏罗系红层，为区内主 要易滑岩类，主要分布于香溪至秭归，奉节至库尾。3 、层状碳酸岩类：震旦系上 统、寒武系、奥陶系下统、石炭系、二叠系和三叠系下统。较集中分布于庙河至 奉节的干支流及乌江段。4 、松散松软岩( 土) 类：为第四系松散松软堆积，多为 斜坡地带的残坡积、崩滑堆积和城镇区人工堆积。为区内易滑岩( 土) 类。 2 3地质构造 三峡库区全部位于杨子准地台区，北与秦岭地槽相邻。 以巫山与奉节间的齐岳山基底断裂为界( 大体自奉节一石柱呈南西向展布) ， 其西为四川台坳( 川滇块陷) ，其东为上杨子台褶带( 鄂西块隆) 。近库首地段( 三 斗坪一巴东) 位于上杨子台褶带，巴东至奉节处于上杨子台褶带与四川台坳的过 度地带。本区主要经历了三次较强的构造运动，即震旦纪前的晋宁运动，侏罗纪 末的燕山运动和老第三纪末的喜山运动。晋宁运动使前震旦纪地层强烈褶皱、变 质，并伴随多期岩浆岩活动，形成了古老的结晶基底。燕山运动，主要表现为盖 层的褶皱和断裂，对基底的破坏较轻。杨子台褶带自古生界至中三叠系海相沉积 盖层发育良好，燕山运动全面褶皱。四川台坳在古生代时期是杨子准地台相对隆 起的地带，缺失泥盆系和石炭系地层。喜山运动除盖层有轻度变形、少数断裂有 微弱的继承性活动外，全区转入以整体抬升为特征的新构造运动时期。 2 3 1 褶皱 三峡库区横跨川鄂褶皱带中段和川东弧形褶皱带东段，北为大巴山弧形褶皱 带，东南与长阳东西向构造带相邻，西南有川黔南北向构造带插入，东与准阳山 字型构造相接。库区褶皱的特点是自西向东一系列北北东向弧形褶皱受巴山弧阻 隔，向北西向外凸，由北东向转向北东东向，最后以近东西向与秭归向斜相交并 嵌入秭归向斜之中。 褶皱形态以奉节为界，奉节以东背斜紧闭并伴有倒转现象，向斜为复式褶皱， 次级褶曲发育，多沿主槽两侧呈平行斜列式展布。奉节以西向斜宽缓，背斜紧闭， 成“隔挡式 构造。 区内褶皱按其走向可分为4 组： ( 1 ) 轴向近南北向褶皱 轴向近南北的黄陵背斜和秭归向斜，位于巴东以东，走向与长江近正交； ( 2 ) 轴向北东东向褶皱 轴向北东东的百福坪背斜、楠木园背斜、官渡碚石向斜、横石溪背斜、巫 山向斜和齐岳山背斜等，展布于奉节与巴东之间，长江与之斜交至近于平行。 ( 3 ) 轴向北西向外凸的弧形褶皱 奉节至涪陵的广大区域，为一系列向北西突出的弧形褶皱，包括方斗山背斜、 丰都一忠县向斜、故陵向斜、大池一千井背斜、万县向斜、硐村背斜、铁峰山背 斜、垫江梁平向斜和渠马河向斜，长江基本上与构造线平行。 ( 4 ) 轴向北北东向褶皱 涪陵以西，则为一系列北北东向的褶皱，主要有明月峡背斜、麻柳场向斜、 广福寺向斜、铜锣背斜、南温泉背斜，江北向斜、龙王洞背斜、悦来场向斜和观 音峡背斜等，长江大部分与之近正交。 2 3 2 断裂 区内断裂不甚发育。库首段有九湾溪断裂、仙女山断裂、新华断裂。巴东一 奉节段有齐岳山断裂、恩施断裂、郁江断裂、黔江断裂。奉节以西断裂不发育。 区内规模较大的仙女山和新华断裂距库区较远，横穿干流水库的主要断裂仅有九 湾溪、牛口、横石溪、杨家棚、黄草山等，另外建始断裂北延出现的坪阳坝断裂、 碚石断裂与龙船河、冷水溪等支流库段相交。这些断裂规模都不大，均未造成大 范围的岩体破坏。 2 4 新构造运动与地震 库区新构造运动属于三峡鄂西南隆升区之三峡鄂西南隆升亚区。表现为挽近 期以来大面积的间歇性整体隆起和局部地段的差异性断裂活动。隆起中心为奉节 一巫山一带，最大上升幅度达2 0 0 0 米。其特点是隆起的不均匀性、掀斜性和间歇 性，造就了长江两岸的五级剥夷面和六级阶地。第四纪以来，地壳上升速度加剧， 河流强烈下切，造就了三峡段高陡岸坡和诸多崩滑体。 新构造运动的另一条重要表现是差异性的断裂活动，挽近期仍在活动的断裂 为仙女山断裂、九湾溪断裂等，均属于易活动断裂。 地震区内地震水平不高，强度小、频度低。地壳稳定性相对较好，属弱震环 境。据国家地震局1 9 9 0 年中国地震烈度区划图( 1 ：4 0 0 万，5 0 年超越概率1 0 ) ， 库区大多为v i 度和小于v i 度。 地震是断裂活动的重要表现。库首段最大地震为秭归龙会观5 1 级地震 ( 1 9 7 9 5 2 ) ，震中距长江仅8 k m 。库尾段重庆地震达5 3 级( 1 9 8 9 1 1 2 0 ) ，震中距 1 2 长江1 5 k m 。根据库区地震史和地震地质条件研究，在库区不能排除历史上同等地 震的重演和更大地震的发生。为安全稳妥起见，在崩滑体和库岸稳定性评价时奉 节以上按v i 度，奉节以下按v i i 度考虑。 根据三峡工程研究成果，庙河一白帝城库段有发生断层破裂型水库诱发地震 的可能。预测可能诱发地震的地段有两处：一是九溪湾断裂穿越长江的路口子和 西陵峡与秭归盆地接壤处的香溪河一带：另一处是秭归牛口至巫山碚石库段。可 能诱发地震的最大震级估计不超过6 级。此外，还有诱发岩溶型小震的可能。其 它库段除支流乌江和嘉陵江回水范围的碳酸盐岩分布区有可能产生岩溶型小震 外，一般不具备发生水库诱发地震的条件。 2 5地形地貌 库区处于我国地势第二级阶梯的东缘，全国地貌区划为板内隆升蚀余中低山 地。库区地貌明显受地层岩性、地质构造和新构造运动的控制，以奉节为界，分 为东西两大地貌单元。 2 5 1 三峡侵蚀溶蚀低中山峡谷段 奉节以东，区内地貌以大巴山、巫山山脉为骨架，形成以震旦系至三叠系碳 酸盐岩组成的川鄂褶皱山地，属于以侵蚀为主兼有溶蚀作用的中山峡谷间夹低山 宽谷地貌景观。山脉总体为近东西向，局部为南北向。长江多斜切或横切，因而 河谷多为斜向或横向谷。山顶高程多在1 0 0 0 2 0 0 0 米，相对高差1 0 0 0 米左右。河 谷狭窄，岸坡陡峭，江面宽一般2 0 0 - 3 0 0 米。山脉走向亦受构造控制，大巴山脉 呈北西一北西西向耸立于库区之北，主峰大神农架高程3 0 5 0 米，为长江和汉江的 分水岭。巫山山脉呈北东一北东东向绵延于鄂、川( 现重庆市) 边境，绿葱坡至 云台荒一带，高程1 8 0 0 - , 2 0 0 0 米，为长江与清江的分水岭。长江河谷深切，两岸 山峰耸立，河谷狭窄，水流湍急，形成了著名的长江三峡。该段地貌的另一特征 是层状地貌明显，自分水岭向长江河谷，呈阶梯状逐级下降过渡，可见两期四级 夷平面。长江两岸支流发育，北岸支流为北西向，南岸支流为北东向。 2 5 2 川东侵蚀剥蚀低山丘陵平行“岭谷”段 奉节以西属四川盆地的东部，主要为侏罗系碎屑岩为主的低山丘陵宽谷地形； 山脉受构造控制，形成了一系列北东一南西向平行展布的窄条状低山( 向斜丘陵) ， 形成独特的平行岭谷景观。总体地势自盆地边缘向中心逐渐降低，在奉节一带高 程近千米，至长寿附近逐渐降为3 0 0 5 0 0 米；高耸突起的带状山梁，由坚硬的石 灰岩与砂岩组成，山脊高程一般为7 0 0 8 0 0 米；低缓丘陵则多为砂岩、粘土岩组 成，山顶高程一般为3 0 0 6 0 0 米。长江蜿蜒于向斜谷地，形成开阔平缓的宽谷， 局部地段横切背斜时，常形成短小峡谷。 库区微地貌形态多种多样，主要为山地受流水地质作用和重力地质作用改造 的产物，如冲沟、洪积扇、倒石堆、滑坡体等。巫山至云阳的长江河谷中可见i i i v 级阶地，重庆李永沱一带可见i v i 级阶地。库区局部还发育岩溶地貌，如溶沟、 溶槽、岩溶漏斗等【l4 1 。 2 6 水文地质 三峡库区地下水类型主要是： 松散岩类孔隙水、碎屑岩类裂隙水、碳酸盐岩类岩溶裂隙水和结晶岩类风化 带裂隙孔隙水。其中包气带悬挂水、潜水是三峡库岸分布最为普遍、对库岸稳定 性的影响也最为直接的地下水。按其地下水动力模型进一步可以划分为间歇下渗 裂隙潜水、间歇下渗孔隙潜水和裂隙充水承压型。后者是形成降雨型滑坡的重要 动力。 坡体内由层间砂岩构成的层间水属于承压水动力类型。按其循环特征可分为 弱循环承压水和强循环承压水两类。弱循环承压水主要在补给区循环，对岸坡演 变影响小。强循环承压水多发育在“自流斜地”，补给较远，水压较大，并能较快地 向下传递。此类水对上覆岩层的扬压力，是产生库岸斜坡变形破坏的重要动力。 1 4 3 强度折减法理论介绍 3 1强度折减法基本原理 有限元法利用边界上的力的平衡条件和协调条件、本构方程、边界条件等对 结构进行分析的方法，可以较为真实地模拟现场条件，不必事先假定破坏面的情 况下，可以通过分析自动得到较为真实的破坏状态【l5 1 。 使用有限元法做边坡稳定分析的方法大致分为两类，一类是将计算的应力值 与极限平衡法结合来解决安全系数；另一个是使用强度折减法直接计算。本次数 值模拟采用的就是强度折减法。强度折减法是通过逐渐减小剪切强度，直到计算 没有收敛为止，将没有收敛的阶段视为破坏，并将该阶段的最大的强度折减率作 为边坡的最小安全系数。 如图( 1 ) 所示，在计算边坡的安全系数时，首先关注边坡上任意单元的高斯点 a 。将该点的应力状态用摩尔圆表现如图所示。为了模拟边坡的破坏状态，需要在 假定的破坏面上的应力状态的摩尔圆接近破坏包络线。所以首先假定任意的安全 系数f 除以该点的剪切强度，使其接近摩尔圆，即将该点的应力状态修正为破坏 状态。随着破坏点的增多边坡将发生整体破坏，此时有限元分析将发散，而此时 的f 值就是最小安全系数。该方法是稳定性较强的计算方法，否则无法得到准确 的结果。 a 一。 图1强度折减法原理示意图 强度折减法在计算最小安全系数时，认为边坡的弹性模量e 和泊松比t 不变， 将粘聚力c 和内摩擦角矽按下面方式逐渐减小，直到计算发散为止，将发散时的只 作为最小安全系数。针对剪切破坏的边坡破坏的安全系数公式如下： f s = 二 ，t f z ：边坡的剪切强度。 该值可通过摩尔一库仑基准按下面公式计算。 f = c + 瓯t a n 矽 f ，_ 是滑动面上的剪切应力，可按下面公式