（地质工程专业论文）溪洛渡水电站左岸谷肩堆积体开挖边坡变形机制分析.pdf

摘要 溪洛渡水电站左岸谷肩堆积体开挖边坡 变形机制分析 作者简介：姓名：樊东，性别：女，19 8 1 年11 月生，师从成都理工大学严 明教授，2 0 0 8 年0 6 月毕业于成都理工大学地质工程专业，获得工学硕士学位。 摘要 溪洛渡水电站左岸谷肩堆积体( 前缘) 斜坡中下部存在一呈“凸坡”形态的 缓坡平台，此缓坡平台刚好位于左岸引水发电进水口及泄洪洞进水口的上方，因 此对其进行了全面的削方丌挖。开挖边坡深部存在潜在滑移迹象，滑面位错特征 明显，变形随时间呈增加趋势。此部位对进水口及缆机平台的施工安全影响较大， 且与电站运行戚戚相关，为此，弄清该堆积体斜坡的变形机制、合理地评价其稳 定性、科学地预测其危害就显得非常必要。 由此，本文以该堆积体斜坡为研究对象，综合运用地质分析、监测分析、数 值模拟分析以及极限平衡等方法，通过对研究区自然地理及地质背景的分析，研 究了堆积体斜坡的基本特征及变形破坏机制，初步确定了开挖后边坡失稳的潜在 滑移面及失稳特征和失稳范围，并评价了边坡丌挖后的发展演变状况和稳定性。 研究内容和结果表明： ( 1 ) 左岸进水口上方谷肩堆积体主要是由坡洪积物、冰川冰水堆积物、古 滑坡残体所组成的，堆积体底部存在性状软弱的古滑带，其对开挖边坡的变形调 整具有重要意义。堆积体的地下水位较为低平。 ( 2 ) 综合监测成果和三维数值模拟结果分析研究得知丌挖边坡的i i v 区 的变形主要有两种模式：i v 区坡体浅表部的剪切变形以及i i i v 区以古滑带为 底滑面的深部变形现象其中深部变形又分为两种：一种是以古滑面为剪出口， 追踪古滑带的长度约5 0 m 左右，然后脱离古滑面往上丌始呈3 0 4 0 。向坡体内 部延伸，目前浅表部已延伸至坡体平台前缘，但尚未发育成贯通的“滑面”，此 种变形是由于丌挖活动所引起的、伴随应力分异所产生的变形调整；一种是在距 丌挖坡面水平埋深1 0 0 余米古滑带处的变形现象，变形速率小，发展缓慢，此种 变形是由于边坡丌挖前自身已有的应力调整所表现出来的蠕滑现象。最后总结出 各种变形的发展趋势是以一种持续很长时间的蠕变变形现象延续下去，但其对坡 体的稳定不会产生较大的影响。 ( 3 ) 通过运用极限平衡方法之传递系数法和毕肖普法对坡体各区丌挖前后 天然、地震、不同比例饱水工况下的稳定性安全系数进行计算，分析得出各区在 成都理l ：人学硕j 卜学位论文 这几种工况下均处于稳定和基本稳定的状态，但安全储备有差异。总的说来，ii 区、v 区稳定性较高，安全储备较大；而i i i 区、i v 区虽然稳定，但安全储备相 对较低。 通过本文对左岸谷肩堆积体开挖边坡变形机制的分析，对溪洛渡水电站边坡 工程的处理提供了一定的研究依据。 关键词：堆积体变形机制监测分析数值模拟分析稳定性 ab s t r a c t m e c h a n i s ma n a l y s i so nd e f o r m a t i o no fe x c a v a t i o ns l o p e o nt h el e f tb a n ka c c u m u l a t i o nb o d yo fx i l u o d u h y dr o p o w e rs t a t i o n i n t r o d u c t i o no ft h ea u t h o r ：f a n d o n f e m a l e ，w a sb o mi nn o v e m b e r ，19 81w h o s e t u t o r 、v a sp r o f e s s o ry a n m i n g s h eg r a d u a t e df r o mc h e n g d u u n i v e r s i t yo ft e c l m o l o g y i ng e o l o g i c a le n g i n e e r i n gm a j o ra n dw a sg r a n t e dt h em a s t e rd e g r e ei nj u n e ，2 0 0 8 a b s t r a c t t h e r ee x i s t sag e n t l es l o p ep l a t f b m l ，w h o s ef b n ni sc o n v e x ，o nt h el o w e rp a no f 1 e rb a n ka c c u m u l a t i o nb o d y ( f r o n tm 踟苫i n ) o fx i l u o d uh y d r o p o w e rs t a t i o n b e c a u s e p l a t f o mi sj u s ta tt h et o po ft h ew a t e ri n t a k eo fd i v e r s i o nt u n n e la n ds p i l l w a y ，a c o m p r e h e n s i v ee x c a v a t i o n0 ft h ep l a t f b n ni sn e e d e d d u et ot h ep o t e n t i a ls l i p p i n g s i g n s ，t h eo b v i o u sd i s l o c a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so fs l i d i n gs u r f a c ea n dt h ei n c r e a s i n g d e f o 舯a t i o no v e rt i m e ，t h ee x c a v a t i o no fs l o p eh a sa g r e a t e ri n n u e n c eo nt h es a f e t yo f t h ec a b l e w a yp l a t f o r m a n da n dt h ew a t e ri n t a k e ，w h a t sm o r e ，i ti sc l o s e l yr e l a t e dt o t h en o n n a lo p e r a t i o no fp o w e rs t a t i o n s ，t h e r e f o r e ，i ts e e m st ob ev e r yn e c e s s a r yt o u n d e r s t a n dt h ed e f o m a t i o nm e c h a n i s mo ft h es l o p e ，t om a k er e a s o n a b l e s t a b i l i t y a s s e s s m e n ta n dt of b r e c a s ti t sh a z a r d ss c i e n t i f i c a l l y t bs u mu p ，r e g a r d i n gt h ea c c u m u l a t i o nb o d ya sas t u d yo b j e c t ，b yv i r t u eo f i n t e g r a t e du s eo fg e o l o g i c a la n a l y s i s ，m o n i t o r i n ga n a l y s i s ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o na n d t h el i m i te q u i l i b r i u ma n ds oo n ，t h i sp a p e rf i r s t l ya n a l y z e st h eg e o g r a p h i c a la n d g e o l o g i c a lb a c k g r o u n do ft h es t u d ya r e a ， i n a d d i t i o n ， s t u d i e st h ed e f b n n a t i o n m e c h a n i s ma n dt h eb a s i cc h a r a c t e r i s t i c so ft h ea c c u m u l a t i o nb o d y ，f u n h e r m o r e ， i n i t i a l l yd e t e n n i n e st h ep o t e n t i a ls l i ps u i f a c e ，t h ei n s t l b i l i t yc h a r a c t e r i s t i c sa n dt h e s c o p e o f i n s t a b i l i t y a r e rt h ee x c a v a t i o no ft h es l o p e ，f i n a l l ye s t i m a t e st h e d e v e l o p m e n tt r e n da n ds t a b i l i t yo ft h es l o p e t h er e s e a r c ha j l dt h er e s u l t sa sf o l l o w s ： ( 1 ) t h el e rb a n ka c c u m u l a t i o nb o d ya tt h et o po ft h ei n t a k em a i n l yc o n s i s t so f f l o o dd e p o s i t ，g l a c i e rd e p o s i t s ，t h er e s i d u eo fa n c i e n tl a n d s l i d e i na d d i t i o n ，a tt h e b o t t o mo ft h ea c c u m u l a t i o nb o d y ，t h e r ei saw e a ka n c i e n ts l i d i n gz o n e ，w h i c hp l a y sa v i t a lr o l eo nt h ed e f o n n a t i o na d j u s t m e n to ft h ee x c a v a t i o ns l o p e t h ew a t e rt a b l eo f t h ea c c u m u l a t i o nb o d vi sl o w e r 成都理l ：人学硕十学位论文 ( 2 ) a n a l y z i n g t h em o n i t o r i n gr e s u l t sa n dt h er e s u l t so ft h r e e - d i m e n s i o n a l n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，w ek n o wt h a tt h ed e f o n n a t i o no ft h ee x c a v a t e ds l o p ei nt h e i i vd i s t “c tm a i n l yh a v et w om o d e s ：t h es u p e r f i c i a l s l o p eo fi vd i s t r i c ti ss h e a r d e f o r m a t i o na n di i i vd i s t “c ti sd e e ps l i d ed e f d 肌a t i o nt h r o u g ht h ea n c i e n ts l i d i n g z o n e f u r t h e n n o r e ，t h ed e e pd e f o 啪a t i o nc a nb ed i v i d e di n t ot w ot y p e s ：o n er e g a r d s t h ea n c i e n ts l i d j n gs u r f a c ea ss h e a r o p e 力j n g ，t r a c k i n gt h ea n c i e n ts l j d i n gz o n ea r o u n da l e n g t ho fa b o u t5 0m ，a n dt h e nb r e a k i n ga w a yf r o mt h ea n c i e n ts l i d i n gs u r f a c e ， e x t e n d i n gi n t ot h ei n t e m a ls l o p ea tt h ed e g r e eo f3 0 4 0 t h ec u r r e n te x t e n s i o nh a s b e e ni n t ot h ef o n ts 】o p ep l a t f b 肋，b u th a sn o td e v e l o p e di n t ot r a n s f i x i o ns l i p p e r y s u r f a c e t h i sk i n do fd e e pd e f o n n a t i o ni sc a u s e db yt h ee x c a v a t i o na c t i v i t i e s ， d e f o 门m a t i o na d j u s t m e n ta n ds oo n t h eo t h e ro n eh a p p e n si nt h ea n c i e n ts l i d i n gz o n e ， 10 0 mb e l o wt h ee x c a v a t i o n ，w i t ht h es m a l l e rd e f o n n a t i o nr a t e ，s l o w e rd e v e l o p m e n t t h j sk i n do fd e e pd e f - o r m a t i o nj sc a u s e db yc r e e pp h e n o m e n o nd u et ot h eb u i l t i n s t r e s sa d j u s t m e n tb e f o r et h es l o p ee x c a v a t i o n f i n a l l y ，w ec a na 币v ea tt h ec o n c l u s i o n t h a tt h ed e v e l o p m e n tt r e n do fv a r i o u sd e f o n n a t i o n sw i l lb ec o n t i n u e dt h r o u 曲a l o n g t i m ec r e e pd e f o r m a t i o n ，b u ti tw o n th a v eag r e a t e ri m p a c to nt h es t a b i l i t yo ft h e s l o p e ( 3 ) a i m e da t t h ea 1 1 w o r k i n gc o n d i t i o n s ，w h i c ha r e b e f o r ea n da r e rt h e e x c a v a t i o n ，u n d e rt h ec o n d i t i o no fn a t u r a ls t a t e ，e a n h q u a k e s ，d i 仃色r e n tp r o p o r t i o n s a t u r a t e d ，b yv i n u eo ft h et r a n s f e rc o e 币c i e n tm e t h o da n dt h eb i s h o po f t h el i m j t e q u i l i b r i u mm e t h o d ，t h ec o r r e s p o n d i n gs a f e t yf a c t o rc a nb ec a l c u l a t e d b a s e do nt h e a b o v ea n a l y s i s ，w ek n o wt h a ts e v e r a lw o r k i n gd i s t r i c t sa r ea l ls t a b l eu n d e ra l lt h e c o n d i t i o n s ，b u tt h e r ea r ed i 侬：r e n c e si nt h e i rs a f e t yr e s e r v e s i ng e n e r a l ，t h es a f e t y r e s e r v e so fi ia n dva r eh i g h e r ，b yc o n t r a r y ，t h ed i s t r i c ti i i ，i vh a v el o w e rs a f e t y r e s e r v e sr e l a t i v e l y i n t h i sp a p e r ，t h r o u g ht h ea n a l y s i so fd e f o n n a t i o nm e c h a n i s ma i m e da tt h e s l o p e - e x c a v a t j o no ft h ej e rb a n ka c c u m u l a t i o nb o d y t h ea u t h o rw j s h e st op r o v i d e s o m eu s e f u ji n f o r m a t i o no nt h es l o p et r e a t n l e n to fx i l u o d uh y d r o p o w e rs t a t i o n k e y w o r d s ： a c c u m u l a t i o nb o d yd e f o 肿a t i o nm e c h a n i s m m o n i t o r i n ga n a l y s i s n u m e r i c a ls i m u j a t i o na n a l y s i s s t a b i l i t y l v 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及取得的研 究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人 已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得盛都堡王太堂或其他教育机构 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谢意。 学位论文作者签名： 设东 。扩年月7 罗日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盛壑理王盔堂有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借 阅。本人授权盛都堡王太堂 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，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 学位论文作者导师签 枷矿年 6 月 ”同 第l 章前言 第1 章前言 边坡是自然或人工形成的斜坡，是人类工程活动中最基本的地质环境之一， 也是工程建设中最常见的工程形式。 边坡稳定性分析是土力学的三大经典问题之一，也是岩土工程中的重要课 题，在土木工程、水利工程中具有广泛的应用背景和实际意义。随着国家西部大 丌发等战略计划的实施，公共设施与基础设施建设蓬勃兴起，公路、铁路等交通 设施的建设，水利工程、港口工程及城市建设中都会遇到大量的边坡工程问题。 我国目前正处于经济建设高速发展的时期。自然滑坡、崩塌、泥石流以及人 类活动引起的不稳定边坡灾害对我国经济建设和人民生命财产带来巨大损失，尤 其是我国西南地区，不仅地质灾害数量多，而且灾种全，其中崩塌、滑坡、泥石 流等浅表生地质灾害异常突出。分伟大量的由滑坡堆积、崩塌堆积、残积层、冰 水堆积、坡积物等组成的松散堆积体斜坡( 图1 一1 ) ，即主要为受重力作用堆积 而成第四系覆盖层斜坡。因此边坡工程在各类工程建设中的地位十分重要。由于 边坡失稳所造成的巨大损失及与人类活动的密切关系，我国十分重视对滑坡的研 究及防治工作，现已取得了显著的成绩，边坡稳定性分析问题是其中的一个热点 1 为1 0 0 0 1 0 4 m3 的滑坡，2 为1 0 0 0 1 0 4 m3 的滑坡，3 为崩塌 图1 1 中国崩塌、滑坡分布图( 据文献 1 ) 成都理l ：人! 学硕十。学位论文 问题。边坡稳定性分析是判断边坡是否失稳、是否需要加固及采取何种防护措施 的主要依据，因此它是边坡工程中最基本最重要的问题，也是边坡工程设计与施 工中最难和最迫切需要解决的问题之一。 1 1 选题依据及研究意义 在建的溪洛渡水电站是金沙江干流攀枝花至宜宾河段梯级开发规划中的第 三个梯级电站。坝段左岸谷肩上部平台堆积着一套自中更新世以来先后形成的古 滑坡体、冰水堆积、洪积和崩坡积。堆积体展布上起兴田沟，下至中心场附近。 象鼻子沟和杨家沟两条较大的冲沟横切其间，将堆积体分割成白铁坝、青杠堡和 镇龙湾一黄金坡三大块( 见图1 2 ) 。 图l _ 2 左岸谷肩上部第四系堆积体示意图 从兴田沟至象鼻子沟下游分支，属白铁坝堆积区( 为研究区) 。前期地勘和专 题研究表明，溪洛渡水电站左岸谷肩堆积体在自然条件下整体是稳定的。在工程 条件下，也不存在整体失稳问题，但局部稳定问题可能是存在的。如自订缘表层洪 积层存在局部变形和蠕滑，深度一般小于5 m 。值得注意的是，在堆积体斜坡中 下部存在一大体呈带状延伸的缓坡平台地形( 坡度约为1 5 2 5 度) 。因无名沟( 纵 向冲沟) 的发育，这一带状缓坡地形的完整性受到一定程度的破坏。由于这一缓 坡地形的存在，使得整个堆积体( 前缘) 斜坡的中下部在剖面上呈“凸坡”形态。 由于上述范围的堆积体，刚好位于左岸引水发电进水口及泄洪洞进水口的上方， 设计部门对上述堆积体斜坡中下部进行了全面的削方丌挖，形成了一( 顺河方向) 宽约5 3 0 m 、丌挖坡高约9 0 余m 的堆积体丌挖边坡，即位于白铁坝区前缘中部 的开挖边坡( 见图1 3 ) 。 左岸从进水口到缆机平台一线，由于基岩部位的丌挖退坡，谷肩堆积体的稳 定条件将发生一定的改变。前期施工过程中，左岸谷肩堆积体前缘局部已有表层 蠕滑迹象( 如左岸缆机平台边坡) 。虽然在部分支护措施实施后，坡体变形有所抑 第1 章前言 制，但并未停止，仍在持续发展。深部存在潜在滑移迹象，滑面位错特征明显， 变形随时间仍呈增加趋势。此部位对进水口及缆机平台的施工安全影响较大，且 与电站运行戚戚相关，为确保施工与运行安全，对该边坡变形机制进行深入分析 研究很有必要。为此，在导师的指导下选择“溪洛渡水电站左岸谷肩堆积体开挖 边坡变形机制分析”作为论文题目。本论文主要问题的探讨涉及水电站堆积体实 践领域，选题具有理论与应用相结合的特点。 图l - 3 左岸谷肩堆积体i v 区及开挖范围平面图 1 2 国内外研究现状 边坡是人类参与自然和改造自然活动中的一个古老而又常新的话题，其研究 已有1 0 0 多年的历史【2 j 。我国从二十世纪5 0 年代以来，进行了大量的斜坡稳定 性研究，取得了一系列的工程实践和基础理论成果。随社会经济的快速发展，大 型工程的建设项目不断涌现，对斜坡的研究同益广泛深入。如何经济、有效地保 证边坡工程的稳定性就显得十分迫切地需要，并对其稳定性进行研究和评价也有 着巨大的社会效益和经济效益1 3 j 。然而对水库斜坡的研究则是在上世纪六十年代 国内外相继出现灾难性的岸坡失稳滑动并造成巨大的损失之后才真正受到重视， 对水库斜坡的研究主要包括以下几个方面：( 1 ) 斜坡变形破坏机制的研究；( 2 ) 稳定 性计算评价；( 3 ) 破坏后的运动学的研究( 包括涌浪研究) ：( 4 ) 斜坡变形破坏过程的监 测、预测以及预报研究；( 5 ) 工程处治方法与技术的研究等。对于由斜坡构成的水 库岸坡这类特殊类型的边坡，其研究方法与其它类型边坡一致，主要采用正、反 两种分析方法，前者研究思路主要包括岸坡岩土体的物质组成、地质构造、地质 3 成都理i ：人学硕i j 学位论文 环境以及应力分布，斜坡变形破坏机制的分析研究，通过试验( 包括室内及野外 现场) 、工程类比等手段确定滑坡岩土体物理力学参数等；后者基本思想最先由 k a v a n 曲( 1 9 7 3 ) ，g i o d a 和m a i e r ( 1 9 8 0 ) 等人提出，主要是从斜坡已有的变形、破坏 迹象反推斜坡岩土体力学性质，分析其变形破坏机制以及过程掣4 1 。 1 2 1 堆积体斜坡失稳模式的研究现状 大多数堆积体斜坡与下伏基岩接触面是斜坡堆积体的第一不连续面。由于地 下水及其他因素的长期作用，此面与堆积体问的力学强度指标通常较低，再加上 地下水所产生的孔隙水压力和渗透力的共同作用，对厚度不大的堆积体斜坡，此 面常常是斜坡失稳的滑移面。因此，以该面为斜坡稳定性分析基础常常行之有效。 但对许多实际滑坡，特别是较大型的堆积体斜坡的失稳，常产生多级滑移或解体 现象，有的斜坡还产生双层平行滑移和多层滑移。因此贺可强瞄卜m 1 提出堆积体 斜坡失稳的多层滑移模式，并根掘极限平衡条件建立第二滑移面的临界深度计算 公式和剪出口形成条件。y s a s a k i 、a f u j i i 、k a s a i 对同本t s u k u b a 山北坡 堆积体调查发现，现场发现两种斜坡失稳模式：表层失稳、内部失稳：其长期监 测研究表明，土的蠕滑在斜坡失稳过程中发挥了重要作用，决定了堆积体斜坡失 稳模式、失稳规律、失稳频率。黄润秋阳1 等通过大量的野外调查和数值模拟研究， 提出了堆积体斜坡变形破坏的层次性。 1 2 2 堆积体斜坡变形的研究现状 2 0 世纪7 0 年代，边坡研究者从大量的工程实践和斜坡失稳事件中，逐渐认 识到边坡稳定性研究必须重视其变形破坏过程和机制的研究，提出了累进性破坏 的观点以及边坡变形破坏的机制模式【l o 】【川2 1 ( 王兰生、张倬元等) ，探讨滑动面 的选择、孕育、扩展及相应的斜坡变形破坏演变各阶段过程研究 ( e h e o k ，j w b r a y ，1 9 7 7 ) ，将边坡地质体的形成演化机制与其变形破坏的全过程 联系起来，认为斜坡的变形破坏是一个时效过程和累积进行破坏过程，使边坡稳 定性研究工作纳入了科学的轨道。斜坡形成过程中，由于应力状态的变化，岩土 体将发生不同方式、不同规模的和不同程度的变形，并在一定条件上发展成破坏。 但长期以来，对斜坡的稳定性研究较多，传统的斜坡支护设计也基于极限强度理 论。但斜坡变形破坏及运动过程是从变形演化发展成破坏、运动的一个复杂动念 力学过程，是一个变形量从量变积累到质变的发生发展过程。量变的积累是一个 小变形的过程，而质变发生后的破坏、运动则是大变形过程【3 】【j i l 引。基于此， 使边坡稳定问题的研究工作步入了地质分析和岩石力学分析相结合的时代，提出 了斜坡变形的6 种主要模式，即蠕滑拉裂、滑移压致拉裂、滑移拉裂、弯 曲拉裂、塑流拉裂和滑移弯曲，以及斜坡失稳的3 种基本破坏方式，即崩 4 第1 章前言 落( 塌) 、滑落( 坡) 、( 侧向) 扩离。这些变形破坏模式不但得到了普遍承认，而且被 广泛地推广和应用，为推进边坡稳定性研究做出了重要贡献。 对于斜坡变形破坏机制的研究已经达到了比较深的程度，众多的学者提出了 各种不同的地质力学模式，但归纳起来，他们所采用的方法不外乎三种，即：地 质分析、物理模拟和数值模拟。目前，这三种方法都比较常用，地质分析实际上 是属于反分析方法类，就是在研究边坡当自仃状态、所处环境以及当前的一些变形 破坏迹象的前提下，研究斜坡的变形破坏机制；物理模拟则是采用相似材料，模 拟斜坡演变过程中有关因素的改变来再现斜坡变形破坏过程，进而分析其力学机 制；数值模拟则是依靠现代计算机技术，将地质学与数学结合起来，通过数值计 算来解决地质问题。对斜坡变形研究分析方法大致可以归纳为原位监测试验、物 理模拟试验法、数值模拟方法等。 ( 1 ) 原位监测试验 土和岩土工程的复杂性决定了原位监测试验的重要性，工程知识和经验的积 累在相当程度上来自对监测资料系统分析，它也是验证一切理论和计算成果的重 要手段。原位监测试验目的在于获得斜坡的位移变形等数据并用以研究地质体的 空间状态与时间特性，并据此对坡体的变形阶段、变形趋势作出预测。我国西南 地区大型堆积体工程斜坡及高填方斜坡都布置了原位监测。 ( 2 ) 数值模拟方法【l 6 j 八十年代以来，随着对材料性念、本构模型研究的深入，数值计算理论水平 的提高以及计算机软、硬件和图形处理技术的长足进展，使得这种模拟技术更加 完备、成熟和实用，得以广范采用。尤其是有限单元法( f i n i t ee l e m e n tm e t h o d 简 称f e m ) 、边界单元法( b o u n d a 叫e l e m e n tm e t h o d 简称b e m ) 、有限差分法( f i n i t e d i 腩r e n c em e t h o d 简称f d m ) 、离散单元法( d i s t i n c te l e m e n tm e t h o d 简称d e m ) 和 快速拉格郎同差分分析( f a s tl a g r a n g i a na n a l y s i so fc o n t i n u a 简称f l a c ) 等。 目前对于堆积体的变形研究多集中于高填方不均匀沉降，稳定性分析方法也 多采用极限平衡理论，对变形及变形稳定性问题研究较少。 1 2 3 堆积体斜坡稳定性分析的研究现状 长期以来，为减少和防止滑坡灾害的发生，不少学者一直在寻求合适的评价、 预测和预报方法，并取得了显著的进展。从初期的工程地质类比法、历史成因分 析法等定性方法，发展到极限平衡方法、数值分析法等定量方法，进而发展到系 统分析法、可靠度方法、狄色系统方法等不确定性方法，同时辅以物理模拟方法， 并且诞生了工程地质力学理论、岩( 土) 体结构控制论等。这些无疑为边坡工程斜 坡预测和预报研究奠定了举实的基础。但由于滑坡灾害系统的复杂性和非线性特 点，使得滑坡评价和预测仍是一个难题。极限平衡分析法是工程中运用的最早也 成都理l ：人学硕+ 学何论文 是最常用的一种定量方法，主要借助于土力学中极限平衡理论，计算滑坡处于极 限平衡状态下的稳定性，而采用的方法以条分法为主。 堆积体斜坡一般由强度较低、结构较松散的堆积体及下覆基岩组成，而针对 堆积体而言，为非均质各向异性介质，其稳定性除受堆积体基覆界面、边界条件 影响外，还与其斜坡结构等有关，如斜坡内的孤石、漂石一般能增加滑梯的强度 和密度( h o l t z g i b b s ，1 9 5 6 ；h o l t z ，1 9 6 0 ) 【1 7 j 但目前对这类斜坡的稳定性分析方 法仍沿用一般土质斜坡的分析f j 8 j ( 。9 1 。 ( 1 ) 极限平衡法 极限平衡法是一种定量方法，也是工程中使用最多、最成熟的方法，其理论 基础为极限平衡理论。它通过分析在临界破坏状况下，土体外力与内部强度所提 供的抗力之间的平衡，计算土体在自身和外荷作用下的稳定程度。同时，根据假 设不同而形成不同的方法，并具有不同的适用范围【2 0 】【2 l 】( 表1 2 ) 。 表i 2 常用极限平衡条分法【2 2 】【2 3 1 分析方法皋奉似定j 学分析适用范及特点 整体力矩、| ，衡，条件作用力人圆弧滑血滑坡；垂直条分 瑞典条分法圆弧滑动，4 i 考虑条问力 小相等，方向相反滑体；稳定性系数偏小 条件作用力位置袖：离滑面的1 3考虑条问作用力；分块力矩，j近似网弧面滑坡；适于复 简布法 处 衡，分块力、f 衡合滑面滑坡 滑体内部发生鲫切：滑体作用有 整体力矩i ，衡；除、j ，面和网弧 4 i 必巫直条分滑体；适于 萨尔玛法滑面外，滑块必先破裂成相互 临界水、卜加速度任意形状滑面滑坡 错动的块体才能滑动 滑体受结构控制形成窄问楔形 楔形体法整体j | ，衡岩质楔形体滑坡 滑动 滑坡为| ，| 面滑动：滑体做刚体运 甲面直线法符分块力、r 衡，r 面滑动滑坡 动 条间作用力合力方向。j 滑面倾 任意形态滑面滑坡；垂直 传递系数法角一致；条问作用力传递给下一分块力、卜衡；分块力矩i i ，衡 条分滑体 分块的作用力为零 条问作用力位置4 i 滑动曲的l 3力、f ，衡( 水、i ，、亚直) ：坐标任何彤态滑面的滑坡：巫 斯寅粜法 - 丸度处原点j 矩i 衡直条分滑体 极限平衡分析中，根据滑体的处理和假设有二维和三维两种方法。目前常用 的是二维分析方法。但堆积体斜坡具有复杂地质结构和地形地貌条件，其斜坡稳 定性问题是一个三维空间问题，为此，国内外对三维斜坡稳定性问题皆有一定的 研究，如h o v l a n d ( 1 9 7 7 ) 、c h e n c h a n m e a u ( 1 9 8 2 ) 、x i n g ( 1 9 8 8 ) 、h u n g r ( 1 9 8 7 ， 1 9 8 9 ) 、冯树仁等( 1 9 9 9 ) ，l e f e b v r e 和d u n c a n ( 1 9 7 3 ) 、b a l i g h 和a z o u z ( 1 9 7 5 ) 、 h o v l a n d ( 1 9 7 7 ) 等曾进行多次研究。成都理工大学地质灾害与地质环境保护国 家重点实验室黄润秋、巨能攀丌发了基于柱分的三维稳定性分析程序，可计算地 下水、地震等复杂工况下的稳定性系数，并在实际工程中得到很好的应用。 6 第l 章前言 但是极限平衡法是根据具体情况假定破坏面( 滑面) 形状，而不是按塑性理 论计算得到。这些建立在极限平衡理论基础上的各种稳定性分析方法没有考虑土 体内部的应力应变关系，无法分析斜坡破坏的发生发展过程，无法考虑变形对斜 坡稳定的影响，没有考虑土体与支挡结构的共同作用及其变形协调。潘家铮 ( 1 9 7 8 ) 对极限平衡法的理论基础作了解释，他指出，滑坡发生时，其内力会自 动调整，以发挥最大的抗滑能力，同时，真实的滑裂面是提供最小抗滑力的那个。 孙君实( 1 9 8 4 ) 应用模糊数学理论，对解的合理问题提出了模糊约束条件，并对 潘家铮的论点作了证明。而数值方法则能模拟应力应变调整过程、变形破坏过程 及岩土体与支挡结构的相互作用等。 ( 2 ) 基于数值计算的稳定性评价方法 随着计算机技术的发展，很多数值计算方法都用到边坡稳定分析中。数值分 析方法是一种理论体系比较严格和成熟的计算方法，采用数值分析方法计算分析 边坡的变形和稳定性问题，可以不受边坡几何形状的不规则和材料的不均匀性的 限制。因此，数值分析法是分析计算边坡应力、变形和稳定性状态的较为理想的 方法。 数值分析法往往以一定的力学本构模型( 物理模型) 和几何模型为基础，考虑 边坡土体的变形和位移特征，并依研究对象的不同而有所差别。从介质的连续性 而言，以有限元、边界元为代表的数值方法常应用于连续介质，而以离散元为代 表的一些数值方法则常用于非连续介质。从介质的变形特性来晚，有的仅限于小 变形分析，有的则专用于大变形计算分析研究。 目前，具体的评价方法主要有： 有限元圆弧搜索法【2 4 1 【2 8 】 通过有限元分析得到每个节点的应力张量，假定一个滑动面，即可用有限元 计算出滑面上一点的法向应力on 和剪应力tn ，根据摩尔库伦准则求得该点的 抗滑力。由此即能求得滑面上每个节点的抗滑力与下滑力，对节点上的抗滑力和 下滑力进行积分，就可求出稳定系数s f ： 肛：石0 生旦j 【l2 s i n 2 口+ f ，yc o s 2 口k z 假设滑面为圆弧型，并不断变化圆心与半径进行搜索，就可得到最小的安全 系数，即斜坡的稳定安全系数。 有限元强度折减法【2 9 】【3 2 】 有限元中，通过强度折减，直至计算到不收敛为止，其折减系数即为稳定性 系数。这种方法在国外八十年代就采用1 33 1 ，但由于力学概念上的不十分明确，而 且受到计算精度及计算程度的影响，这种方法在国内至今没有流行。郑颖人等通 成都理i ：人! 学硕十学位论文 过实例计算发现，只要严格控制计算精度，并采用摩尔库伦准则，其计算结果 与传统方法十分接近，并且有如下优点： 能够对结构、地貌复杂的斜坡进行计算； 考虑了岩土体的本构关系及变形对应力的影响； 能够模拟斜坡的变形过程及其滑移面形状，滑移面大致在水平位移突变及塑 性变形发展严重的部位； 能够模拟斜坡的支护； 求解稳定性系数，不需要假定滑移面的形状，也无需进行条分。 拉格朗同差分法( f l a c ) 从1 9 9 9 年在美国m i 皿e a p o l i s 召开的第一届f l a c 数值模拟方法在地质力学 中的应用的国际学术讨论会( i n t e m a t i o n a lf l a cs y m p o s i u mo nn u m e r i c a l m o d e l i n gi ng e o m e c h a n i c s ( 1 9 9 9 ，m i n n e a p o l i s ) ) 所列举的大量计算实例表明， f l a c 在岩土体稳定性分析方面有着非常强大的功能。用f l a c 不但可以较为准 确地通过最大剪应变增量和剪应变速率自动地搜索出滑坡潜在滑动面或剪切错 动面，还可以通过对系统非平衡力的跟踪和主要部位变形演变过程的分析，判断 岩土体的稳定性状况。有人将利用f l a c 计算和搜索出来的滑面位置以及岩土体 的稳定性状况与用一般极限平衡法的结果相比较发现，f l a c 所判断出来的岩土 体稳定性状况与一般极限平衡法所得结论具有较好的可比性和一致性。这就说明 直接利用f l a c 进行岩土体稳定性分析是可行的。但我们知道，极限平衡法的滑 动面是人为假定的，而f l a c 所圈定出来的潜在剪切破坏面则是根据岩土体的应 力和变形情况自动“搜索 出来的【3 4 】。因此，用f l a c 进行岩土体的稳定性分 析有着一般极限平衡方法所不能替代的功能和优点。 物理模拟法 物理模拟法是指在实验室按照一定的比例建造研究斜坡的物理模型，在相似 规律的条件下，研究模型的破坏机理及过程，进而反推其破坏机理及过程1 35 | 。1 9 7 1 年，帝国学院的a s h b y j 最早把倾斜台面模型技术用于研究斜坡倾倒破坏机理及 过程；随后又制成基底试验模型，它广泛应用于斜坡块状倾倒及弯折倾倒 ( h i t t i n g e r m ，1 9 7 8 ) 。此后s t i m p s o n ( 1 9 7 9 ) ，p r i c h a r d ( 1 9 9 0 ) 等也进行过类 似试验，并与数值模拟进行了对比，显示了斜坡变形破坏的全过程。b r a y 和 g o o d m a n ( 1 9 8 1 ) 建立了基底摩擦试验理论，并给出了极限平衡方程。 数值流行方法( d d a ) 石根华与g o o d m a n 等发展了块体系统不连续分析法，该方法成功地解决了 不连续介质在空间上的稳定性计算问题。 第1 章前言 1 3 研究内容和技术路线 1 3 1 主要研究内容 本论文的主要内容即对溪洛渡水电站左岸谷肩堆积体变形及稳定性进行分 析研究。为了完成这j 研究任务，作者在2 0 0 6 年0 9 月至今，参加了由导师所负 责的科研项目“溪洛渡水电站左岸进水口边坡、谷肩堆积体、雾化边坡稳定性及 支护设计”的科研工做。作为主要研究人员之一，通过扎实的野外工作，收集了 大量的第一手资料，在室内进行了原始数据的系统整理和统计分析以及对谷肩堆 积体f l a c 3 一d 模型的建立和分析研究。在此基础上，本论文在以下几个方面进 行了系统的分析： ( 1 ) 区域地质条件复核。包括对溪洛渡的区域气象水文等地理环境以及地 形地貌、地质构造、地震等地质背景进行分析。 ( 2 ) 左岸谷肩堆积体的工程地质条件的分析。这部分主要研究堆积体的物 质组成、结构，基覆界面形态、物理力学特性、水文地质条件。 ( 3 ) 堆积体开挖后的变形及监测结果分析。这部分在对地质条件及开挖过 程分析的基础上，通过与监测结果的对比分析来对变形成因、变形失稳范围及变 形发展趋势进行分析研究。 ( 4 ) 模型的建立。通过建立f l a c 三维地质模型再现堆积体变形失稳过程， 验证说明边坡开挖前后的变形范围和形成原因及总结其发展趋势。 ( 5 ) 堆积体开挖边坡的稳定性分析评价。基于极限平衡方法验算堆积体不 同工况下稳定性安全系数，对比地质分析、数值模拟结果分析和监测结果分析， 对堆积体丌挖前后的稳定性做系统评价。 1 3 2 研究思路与技术路线 本论文以现场地质调研为前提，从对工程地质条件分析、室内试验、监测信 息分析的基础上，采用数值模拟方式，建