（地质工程专业论文）金江滑坡稳定性及工程影响研究.pdf

摘要 金江滑坡稳定性及工程影响研究 作者简介：刘贵荣，男，1 9 8 0 年8 月生于四川省，2 0 0 4 年师从石豫川副教授，于2 0 0 7 年6 月毕业于成都理工大学环境与土本工程学院地质工程专业。 摘要 近坝库岸滑坡的稳定性往往成为修建水电站的瓶颈问题。在我国西南地区，高山深谷， 水流湍急，水能丰富，是水电开发的热点地区。但这些地区地质条件复杂，常常孕育大型 滑坡体。 拟建的白鹤滩水电站位于四川省宁南县和云南省巧家县交界处的金沙江下游河段，是 金沙江干流攀枝花至宜宾河段梯级开发规划中的一个重要梯级水电站。该电站正常蓄水位 8 2 5 m ，总装机容量1 2 6 0 0 m w ，年发电量5 5 0 亿k w h 。 金江滑坡位于坝址上游5 k m ，体积约2 5 0 亿立方米，属特大型滑坡，其稳定性将直接 影响到大坝的安全和水库的正常运营。因此，对该特大型滑坡进行合理的评价、科学的预 测就显得非常必要。 本文通过对金江滑坡环境地质背景及滑坡体物质组成、结构特征等方面的研究，分析 了滑坡体的成因机制，并采用力学模型、物理模拟及离散元模拟进行一致性分析验证；结 合滑坡体成因机制，采用极限平衡法及三维数值模拟方法分析了滑坡体整体及局部稳定 性；采用静力法推导缓倾角滑坡滑速计算公式并应用于涌浪计算中；通过淤积量及涌浪计 算分析了滑坡体对水库的工程效应。通过对上述问题的研究，为库岸近坝滑坡研究提供了 一种模式和方法。 关键词：滑坡成因机制稳定性滑速计算工程影响 成都理工大学硕士论文，2 0 0 7 s t u d yo n t h es t a b i l i t ya n dt h ee n g i n e e r i n ge f f e c to f j i n j i a n gl a n d s l i d e a b s t r a c t ih es t a b i l i t yo fl a n d s l i d en e x tt ot h ed a mo f t e nb e c o m e sah a r dp r o b l e mf o rh y d r o - p o w e r s t a t i o n sc o n s t r u c t i o n i nc h i n a ，t h ea r e ao fs o u t h w e s t ，w i t hh i g hm o u n t a i n s ，r a p i dr i v e r sa n d p l e n t i f u lw a t e r , i sap o p u l a rs p o to fh y d t o - p o w e rd e v e l o p m e n t h o w e v e r ，i nt h ea r e a ，i t s g e o l o g i c a lc o n d i t i o ni sc o m p l i c a t e d t h e r ei sa l w a y sp r e g n a n tw i t hl a r g e - s c a l el a n d s l i d e s t h ei n t e n d e db a l h e t a n gh y d r o - p o w e rs t a t i o nw h i c hl o c a t e sa tt h ed o w n s 心e a mo ft h e j i n s h a j i a n gr i v e r , a tt h ei n t e r j e c t i o no ft h en i n g n a ni ns i c h u a np r o v i n c ea n dq i a o j i ai ny u n n a n p r o v i n c e ，i sa ni m p o r t a n tr u n d l eh y d r o - p o w e rs t a t i o ni nt h er u n d l ed e v e l o p m e n to f t h es t e mf l o w o fj i ns h a j i a n gf r o mp a nz h i h u at oy i b i n 1 1 1 ee l e c t r i c i t ys t a t i o n sn o r m a lw a t e rl e v e li s8 2 5 m e t e r sa n dh a sat o t a lc a p a c i t yo f1 2 6 0 0m w t h ee l e c t r i c i t ys t a t i o nc a ng e n e r a t ee l e c t r i c i t y 5 5 ，0 0 0 ，0 0 0 ，0 0 0 k w sp e rh o u ri no n ey e a r j i n j i a n gl a n d s l i d ew h i c hv o l u m ei sa b o u t2 5 0h u n d r e dm i l l i o nc u b i cm e t e r sl i e st ot h e u p p e rr e a c h e so fh y d r op o w e rs t a t i o n f a ra w a yf r o m5k i l o m e t e r s i tb e l o n g st o s p e c i a l l a r g e s c a l el a n d s l i d e i t ss t a b i l i t yw i l la f f e c td a m ss a f e t ya n dr e s e r v o i r sn o r m a lf u n c t i o n s oi ti s v e r y n e c e s s a r yt od or e a s o n a b l ee v a l u a t i o na n ds c i e n t i f i cp r e d i c t i o nf o rt h el a r g e s c a l el a n d s l i d e t h ea r t i c l e a n a l y s e st h em e c h a n i s mo fl a n d s l i d e ，t h r o u g ht h er e s e a r c hi n t oj i r d i a n g l a n d s l i d eg e o l o g i c a lb a c k g r o u n d ，l a n d s l i d eo b j e c tc o n s t i t u e n ta n ds t r u c t u r ef e a t u r ea n ds oo n t h ea r t i c l ea d o p t sm e c h a n i c sm o d e l p h y s i c sa n dd e mm o c kt om a k ec o n s i s t e n ta n a l y s i sa n d t e s t c o m b i n e dw i t h1 a n d s l i d em e c h a n i s m ，i ta d o p t sl i m i t e db a l a n c em e t h o da n d3 dh u m e r i c a l v a l u em o c ki no r d e rt oa n a l y z el a n d s l i d ew h o l ea n dp a r ts t a b i l i t y i ta d o p t ss t i l lf o r c em e t h o dt o c o n c l u d es l o wl a n d s l i d e s l i p p i n gr a t e s c a l c u l a t i o nf o r m u l aa n da p p l yi tt os u r g i n gw a v e s c a l c u l a t i o n i ta n a l y z e st h ee n g i n e e r i n gf u n c t i o nf o rl a n d s l i d et or e s e r v o i r b yw a yo fa b o v e r e s e a r c h ，t h ea r t i c l ep r o v i d e sak i n do f m o d ea n dm e t h o df o rt h er e s e a r c ho nt h el a n d s l i d en e x tt o t h er e s e r v o i ra n dt h ed a m k e yw o r d s ：l a n d s l i d e ；m e c h a n i s m ；s t a b i l i t y ；c o m p u t i n go ns l i d i n gv e l o c i t y ；e n g i n e e r i n g e f f b c t i i 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，也不包含为获得盛壑堡工盍堂或其他教 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。 学位论文作者导师签名：彳商吲 学位论文作者签名 女j 羡蓑 田年f 月2 7 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堡王盔堂有关保留、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。本人授权盛壑堡王盔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：支j 爰摹 订年 r 月叼 日 第1 章前言 1 1 选题依据及研究意义 第1 章前言 我国是一个多山的国家，从而也是滑坡广泛分布的国家，特别是每年的雨季都要发生 若干滑坡。在山高谷深的西部地区，滑坡发生具有频率高，规模大危害性大的特点。据 不完全统计，西南地区发生的滑坡约占全国滑坡次数的一般以上( 见表1 1 1 ) 。 表1 1 一l 我国1 9 8 0 年以来重大滑坡灾害事件( 不完全统计) 方量最大运动死亡 滑坡名称发生日期运动速度斜坡类型诱发因素 ( i 0 1 舻)距离( m )人数 中倾外层状 铁西滑坡 1 9 8 1 7 82 2 0 4 m h 7 0 体，老滑体地面采石 ( 四川成昆线)( 平均值) 局部破坏 渡口灰岩 5 5 m m i n 2 2 0 中倾外层 矿山滑坡1 9 8 1 6 1 c4 7 6 ( 平均值)状体斜坡 地面采石 ( 四川攀枝花) 暴雨( 数十 四川盆地数百个 多种类型年一遇，暴 西部暴雨 1 9 8 1 7 9中、小 5 m s1 0 0 约1 0 人 层状体斜坡 雨强度 滑坡 滑坡 2 0 0 m d ) 变角倾外 鸡扒子滑坡 3 1 0层状体斜 ( 四川长江云1 9 8 2 7 2 41 5 0 0 1 5 0 2 0 0 暴雨 m m l n坡，老滑坡 阳) 局部复活 洒勒山滑坡 1 9 8 3 3 7 3 0 0 0 3 2 m s 9 0 02 3 7 人 平缓层状 ( 甘肃)4 0 0 0 ( 最大值) 体斜坡 成功预报 老滑坡后缘崩塌加新滩滑坡 1 9 8 5 6 1 ：3 0 0 0l o m s 8 0 无直接伤 ( 长江新滩)复活载 亡 缓倾外层 马家坝滑坡 1 9 8 6 7 1 c2 4 0 0 中速 数十米体斜坡，软暴雨 ( 湖北秭归) 弱基座 倾内层状 西宁滑坡 1 9 8 8 i i c 7 0 0 1 8 8 0 02 6 体斜坡，软暴雨 ( 四川巫溪)5 0 m s 弱基座 溪口滑坡 1 9 8 9 7 1 (2 0 2 0 1 5 0 0 2 2 1 人 倾内层状 暴雨 ( 四川华蓥山)3 0 m s体斜坡 昭通滑坡1 5 0 0 7 5 m s倾外层状 ( 金沙江支流) 1 9 9 1 9 2 34 5 0 02 1 6 人暴雨 2 0 0 0 ( 平均)体斜坡 鸡冠岭崩塌 1 9 9 4 4 3 c ( 7 3 0 日3 9 7 中快速数十米 6 人颅内层状体 地下采掘 ( 四川涪陵)( 暴雨) 再次滑塌) 黄茨滑坡( 甘肃4 5中缓倾外 盐锅峡镇) 1 9 9 5 i 3 c 6 0 04 0 成功预报人工灌溉 m m l n层状体斜坡 元阳金矿山 1 9 9 6 5 3 15 62 5 3 0 数百米死i 1 1 人缓倾下游 采矿 成都理工大学硕士论文，2 0 0 7 滑坡及6 1m s失踪1 1 6层状体斜坡( 暴雨) ( 云南元阳)人中下部，软 弱基座 美姑滑坡一 泥石流 1 9 9 7 6 51 5 2 人 特大暴雨 ( 四川美姑) 麻柳咀滑坡 平缓层状暴雨 ( 重庆长江 1 9 9 8 ，1 02 5 7 48 00 体斜坡( 平推式) 巴南区) 易贡滑坡花岗岩及 ( 西藏) 2 0 0 0 4 93 0 0 0 0 4 4m s 8 5 0 0 冰雪融水 花岗片麻岩 湖北秭归 2 0 0 3 73 0 0 0高速 变角倾外三峡小水库 千将坪滑坡层状体斜坡蓄水与降雨 随着我国能源战略的形成，水电开发进入了高速发展阶段。在广阔的西南地区，这 里降雨丰富，高山峡谷林立，河流水量丰富且河水落差极大，这里一直是水利水电工程开 展的热点地区。但同时，这些地区工程地质条件却是非常复杂，不良地质发育，特别是发 育众多大型甚至特大型滑坡或者滑坡群，极大的威胁水电站的修建及运营。最为惨痛的教 训就是1 9 9 5 年法国6 6 5 m 高的马尔帕萨拱坝在初次蓄水时即溃决。意大利瓦依昂拱坝坝 高2 6 5 m ，水库设计正常高水位为7 2 2 5 m ，1 9 6 3 年1 0 月9 日，库水位上升至7 0 0 m 高程时， 左岸大坝1 8 k i n 处，发生2 5 1 0 8 m 3 的巨型滑坡，以2 5 3 0 m s 的速度顺层下滑进入水库， 引起涌浪超过坝顶1 5 0 2 5 0 m ，约有3 0 0 0 万m 3 的水量渲泄而下，致使一个村庄被毁，近 3 0 0 0 人死亡，整个水库变成一个石库，这场灾害从滑坡发生到坝下游被毁，不足7 分钟。 因此，对库区大型滑坡体稳定性的研究就显得尤为重要。拟建的白鹤滩水电站位于四 川省宁南县和云南省巧家县交界处的金沙江下游河段，是金沙江干流攀枝花至宜宾河段梯 级开发规划中的一个重要梯级水电站。该电站距下游的溪洛渡水电站、向家坝水电站分别 约2 4 0 k m 和4 3 0 k m ，距上游的乌东德水电站约1 8 2 k m 。正常蓄水位8 2 0 m ，总装机容量 1 2 6 0 0 m w ，年发电量5 5 0 亿k w h ，与溪洛渡水电站共同构成金沙江下游河段最大的两个 梯级电站，是规划的“西电东送”的重要电源基地。 已有的研究工作表明，该电站水库的主要工程地质问题是库岸滑坡特别是近坝库岸滑 坡的稳定性问题。大坝上游5k m 处金江滑坡为巨型滑坡，根据勘探结果显示，其体积约 2 5 亿m 3 ，其稳定与否将直接影响到大坝的安全和水库的正常运营。因此，对其进行合理 的评价、科学的预测就显得非常必要。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 滑坡成因机制研究现状 张倬元，王王兰生等根据岩体变形破坏的力学机制，将斜坡变形概括为下列几种基本 2 第1 章前言 地质力学模式( 成因机制) ，即蠕滑( 滑移) 一拉裂；滑移一压致拉裂；弯曲一拉裂；塑流一 拉裂和滑移一弯曲( 图1 2 1 ) 。 上述斜坡变形地质力学模式，揭示了斜坡发展内在的力学机制，并且在很大程度上确 定了斜坡岩体最终破坏可能的方式与特征。因而可按与破坏相联系的变形模式，对破坏类 型作进一步分类，如蠕滑一拉裂式滑坡( 其扩展方式相当于前进式) 、滑移一压致拉裂式滑 坡( 相当于前进式) 、滑移一拉裂式滑坡( 相当于后退式) 、塑流一拉裂式滑坡( 相当于前进式 或后退式) 、弯曲一拉裂式崩塌( 包括翻倒、坠落等) 或滑坡( 相当于前进式) 和塑流一拉裂式 扩离f 相当于扩大式) 等。此时可称其为斜坡变形破坏地质力学模式。 实践证明，斜坡变形破坏地质力学模式与斜坡岩( 土) 结构类型之间存在着一定的成生 联系。各类模式有自身的形成和演化规律，演化过程中表现出阶段性特征。不同发展阶段 其外形和内部结构特征有所区别。这些特征可作为判别斜坡是否已发生变形和其变形所处 阶段的地质依据。这往往是斜坡稳定性地质分析中极为重要的环节，是建模( 建立概念模型) 分析的重要依据。 模式典型演进图示及阶段划分 判据 类型 a 初期b 中期c 晚期( 加速蠕变一破坏) a 陵陵熬陵 根据潜在滑移面扰动贯通程 蠕滑 度按弧形滑面验算 拉裂 b 慕心& 当 丑、如( 口+ 锄) + 血韩 0 3 7s m ( 2 a + 仍) 一s i n c j 滑移压致赫q 嘞 拉裂武酬2 口+ 鸭) 一由1 访 越念埝 时，有变形可能；进入c 可 按弧形面验算 按滑移体在后缘拉裂带 c l 、迤趣曳 ( 缝) 中拉应力值判断，旋 转式 滑移拉裂 胁岛时起动 c 2 岛。m 1 a ( 嚣) 一b ； 旋转式 庞囱廖 似5 南1 滑移拉裂 导) 。具多米诺效虞 成都理工大学硕上论文，2 0 0 7 按多层板粱弯曲计算 d l 铲g + 譬一+ 滑移弯曲 ( 平面) 下n + l m a t g p e o s a + 。； d 2 矽， y 为板粱单层厚h 与弯曲 滑移弯曲 ( 椅形面)段长比值。口卑剐有变 形可能 e 帆嘞纩y 弋j 按悬臂梁弯曲流变判据验算： 计算板梁根踵跟趾应力判断 弯曲拉裂 失稳方式，具多米诺效应 f 】 塑流拉裂根据软弱基座流变性能，抗变 ( 平缓) 观一 形和塑性破坏强度计算，进入 f 2 b ，c 后可按组合或弧形滑面 塑流拉裂计算 ( 倾内) 图1 2 1 斜坡变形破坏机制模式演进图式及判据l l j 1 2 2 滑坡稳定性研究现状 目前主要有定性评价方法、定量评价方法和非确定性评价方法三类。对于定性分析方 法，就是根据滑坡区工程地质条件及滑坡堆积体性质及变形破坏特征等，对滑坡体稳定性 状况进行评估，也称宏观判断，其优点是能综合考虑边坡稳定性的多种影响因素，快速的 对边坡的稳定状况及发展趋势做出评价，缺点是该方法以大量的已有数据和工程经验为基 础，它无法为具体的工程设计与施工提供量化指导：对于定量方法，其以一定的地质模型 为基础，并在此基础上建立相对合理的数学模型，从而实现边坡稳定性的评价，但由于边 坡岩土体自身的复杂性及其对自然环境和人类工程活动的敏感相关性，边坡稳定存在着诸 多因素作用的随机性，从而可能形成地质力学模型参数与试验参数的不一致性，再加上当 前存在的计算模型的多样性与缺陷性并存的矛盾，必须要求用动态的力学和随机理论去分 析和解决问题，为此，非确定性方法是近年来针对边坡稳定的动态性与不确定性，引用了 一些新的科学和理论，从中提取出了一种不可或缺的分析方法。由上可看出，三种方法 各有优缺点，本文为定量分析暴雨，蓄水，地震及水位升降作用对滑坡稳定性的影响，主 要利用定量评价的方法对库岸边坡稳定性进行评价。下面将三种方法的研究现状作一简单 介绍： ( 1 ) 定性方法 定性分析方法主要是通过工程地质勘察，剖析影响边坡稳定性的主要因素、可能变形 第1 章前言 破坏方式及失稳的力学机制，调查已变形边坡地质体的成因及演化史，从而给出被评价边 坡的一个稳定状况及其可能发展趋势的定性说明和解释。常用的定性方法主要包括自然 ( 成因) 历史分析法，工程类比法。s m r 法，几何图解法等。 ( 2 ) 定量分析方法 定量分析方法分为极限平衡分析方法和数值分析方法。 极限平衡方法是一种比较传统而且成熟的边坡稳定性评价方法，原理简单，计算方法 简便，易于理解，长期以来，在大量的工程边坡中得到了大量的应用与实践。该方法最早 由瑞典学者k e p e t t e r s s o n 与s h u l t i n ( 1 9 1 6 ) 提出，后经f e l l e n i u s ( 1 9 2 6 ) ，a w b i s h o p ( 1 9 5 5 ) 、 j a n b u 、s a r m a 等系列的改正和修正，已经发展成一套具有广泛适用性的理论。实践证明， 该方法在边坡工程中满足对应计算方法假设条件的情况下，结果是相对令人满意的，各种 极限平衡方法的主要原理及特点见表1 2 1 1 2 】f 3 】1 4 1 【5 1 。 自从f e l l e n i u s 在1 9 2 7 年提出边坡稳定性分析的圆弧滑动分析方法，即瑞典条分法以 来，在过去的半个世纪，随着计算机和计算技术的发展，极限平衡法从逐步从一种经验性 的简化方法发展成为一个具有完整理论体系的成熟的分析方法。 极限平衡法包括了o d i n a r y ，b i s h o p ，j a n b u s p e n c e r ，s a r m a ，m o r g e n s t e m ，美国土 木师团法等。极限平衡法对边坡稳定作出了巨大的贡献，但是该方法只能提供宏观的稳定 性，不能对边坡的应力分布、变形大小作全面的分析，同时对于复杂的边坡，如当边坡由 非均质和各向异性材料组成时，或边坡是由开挖再回填形成的等等，极限平衡法就无能为 力了，甚至得出错误的结论。 o d i n a r y 法在平缓边坡和高空隙水压机制情况下进行有效应力分析时是非常不正确的； 该法的安全系数在“矿= o ”分析中是完全精确的。 b i s h o p 简化法在所有隋况下都是精确的，其局限性表现在有时会遇到数值分析问题。 满足全部平衡条件的方法( j a n b u 法和s p e n c e r 法) 在任何条件下都是精确的( 除非遇 到数值分析问题) 。 表1 2 1部分极限平衡分新方鼹及其特点 分析方法假设条件力学分析适用范围及特点对水的考虑 】) 圆弧滑面滑坡 1 ) 滑动面为 2 1 垂直条分法 考虑了渗透压力对斜坡稳定的影 圆弧1 1 整体力矩平3 ) 计算简单，稳 响，在安全系数的计算中假定地下 1 f e l l e n i u s 水面与滑面接近平行，认为土条两 2 ) 不考虑条衡定性系数偏小 侧渗透压力抵消，只有底部渗透压 间作用力4 ) 只适用于简单 力 均质土坡 成都理t 大学硕士论文，2 0 0 7 1 ) 可为任意 1 1 整体力矩平 1 ) 任意形状的滑只考虑滑动面上的孔隙水压力分 形状的滑面 衡与静力平衡 面 布，不考虑侧边水压力，浸润线以 2 b i s h o p 2 ) 不考虑条 2 ) 条间垂向作 2 ) 垂直条分滑体下水压力分布近似为静水分布，对 间垂向作用 用为零 3 ) 稳定系数略大容重的取值时，规定坡外水位以下 力4 ) 一般适于土坡的土体用浮容重计算 1 ) 滑动面可 为不规则形 1 1 垂直条分滑体 状 2 ) 用于复合滑坡 2 ) 条间水平1 ) 分块力矩平 3 ) 可适于非均质 与垂直分力衡 土坡可计算静止的地下水和表面水引 4 j a n b u有一定的函2 1 分块力平衡 4 ) k 值是介于 起的超空隙水压力 数关系3 ) 考虑条间作 3 ) 条间作用用力 b i s h o p 法与分块 力作用点位 极限平衡法之间 置离滑动面 的解答 1 3 处 1 ) 条间剪切 力0 和吒 1 ) 考虑分块力 1 ) 垂直条分滑体 可计算有效应力的稳定分析，坡体 存在比例关 矩平衡： 内测压管水位以及坡外上下游水 5 m o r g e n s t e r 系： 2 ) 考虑分块切 2 1 用于任何形状 位可以定义给出，根据测压管水 p r i c e2 ) 条间力作 向力平衡与法 滑面的滑坡 位、外水位或孔隙压力比计算出孔 用点位置随 向力平衡 3 ) 适于土坡 隙水压力即静水压力 滑面倾角而 连续变化 1 ) 滑面与侧 1 ) 可以任意条分 面都达到极块体 考虑了渗透水压力，并假定渗透水 限平衡状态2 1 适于任何形状 6 s a r m a1 ) 分块力平衡压力为土条侧面的孔隙水应力即 2 1 滑体作用 滑面的滑坡 静水压力 有临界水平3 1 适于岩质滑坡 加速度或士滑坡 1 ) 条间作用 力合力方向1 ) 任何形状滑面 与滑面倾角滑坡 一致 1 1 各分块力平 9 传递系数法2 1 条间作用 衡 2 1 垂直条分块体 考虑了渗透水压力，并假定只有土 力合力为负 2 1 考虑了分条 3 1 岩质滑坡或土 条底部有孔隙水压力即静水压力 滑坡 值则记传递 面山的剪力 4 1 滑动面倾角不 的分块作用 宜过陡 力为零 1 1 任何形状滑面 1 1 假设条间 1 ) 分块力平衡滑坡 作用力方向 考虑了土条间的空隙水压力，即静 1 0 s p e n c e r 2 ) 分块力矩平2 1 垂直条分块体 空隙水压力夹角为常数 衡3 ) 岩质滑坡或土 6 滑坡 6 第l 章前言 1 ) 假设主动 1 1 滑面一般为直 或被动土压 1 1 r a n k i n e或线型或折线型 1 1 土压力法考虑了渗透水压力，即静水压力 力方向是水k o u l o u m b 理论2 ) 可适于砂性土 平的坡 表1 2 - - 2 部分数值分析方法的主要特点 分析方法 运行机制适用特点存在缺陷 离散岩土介质为多个单元，荷载 可以用来求解弹性、弹塑性、 对大变形、不连续位 移植至节点，插值函数考虑连续 粘弹塑性、粘塑性等问题；部 移、无限域、应力集 1 有限元法 分考虑了非均质、不连续性， 中等问题的求解不理条件，采用矩阵位移法或力法求 可以给出岩土体应力、应变的 解岩土介质应力场或位移场想 大小与分布 要求事先知道控制微 将介质边界离散为边界单元，把 只对研究区的边界进行离散，分方程的基本解，在 2 边界元法边界微分方程转换为线性代数方 数据输入量较少，对处理雾界处理非线性、不均匀 ( b e m ) 程组，求解边界应力和位移解， 域、半无界域等问题较为理想性、模拟分布开挖等 再由解析法计算域内任意点的解 方面不如有限元 考虑岩土体不连续性、大变形 计算边界、单元网格 3 f l a c 法有限差分原理的划分具有很大的随 特征，求解速度较快 意性 动态性，考虑了岩体的非均质、 将区域离散为单元，但单元结点 不连续和大变形等特点，允许 只对块状、层状破裂 4 离散元法可以分离，单元问的作用力可以 块体间发生平动、转动甚至相 或一般碎裂结构岩体 ( d 跏) 由力与位移的关系求出，个别单互脱离，可形象反应应力场， 比较适合 元的运动由牛顿运动定理确定速度、位移等力学参数的全程 变化 采用了一种特殊的形函数记位移 适合于非线性、不连续和动力 插值函数，能反映在无穷远处的 等问题求解，能有效解决有限 边界条件，近年来已比较广泛地 一般要与其它方法如 5 无界元法 元的“边界效应”及人为确定 有限元联合应用 应用于非线性问题、动力问题、 边界的缺点，在动力问题中尤 不连续闯题等地求解，是有跟元 为突出 地推广 几何学特征、利用拓扑学、群只考虑抗剪强度，不 6 块体理论 几何学原理与解析方法论原理，适用于岩体稳定性分 及节理变形，力矩作 ( b t ) 析 用 通过不连续面间的相互约束建立 考虑了变形的不连续性，引入 7 不连续变 整个系统的力学平衡条件，引入 了时间因素。可以计算静力、 了非连续接触和惯性力，采用运网格的划分比较复杂 形分析动力问题，可以计算岩土破坏 动学原理解决非连续的动力与静 前小变形及破坏后大位移问题 力问题 数值分析方法是计算机时代的产物，它往往以一定的力学本构模型和几何模型为基 础，考虑岩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 成都理工大学硕士论文，2 0 0 7 言，以有限元、边界元为代表的数值方法常应用于连续介质，而以离散单元法为代表的数 值方法则常用于非连续介质。从介质的变形特性来说，有的仅限于小变形分析，有的则专 用于大变形研究。但总的看来，数值分析方法一般要满足以下方程：平衡方程：几 何方程( 变形协调方程) ；本构方程；边界条件( 表1 2 - - 2 ) 1 6 。 由表1 2 2 可看出，对于数值方法，在分析中其考虑到了构成边坡物质的不连续性和 非均质性，因此与边坡岩体的实际情况更为接近。应用数值方法，可以方便得到边坡岩体 内应力场、位移场及渗流场的分布状态，从而对于岩质边坡稳定性可以从应力场、位移场 的角度来评价。 ( 3 ) 非确定性评价方法 非确定性评价方法主要包括可靠性分析、随机过程法、模糊数学法、灰色系统理论、 系统工程理论、信息论、控制理论、协同学理论、耗散结构理论以及突变理论。 常用的滑坡稳定性分析方法有极限平衡法和数值计算【7 】。 数值计算是最近二十年发展起来的，采用数值计算边坡的大概有以下几种： 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变形成果， 可以预测边坡区域由弹性变为塑性的完整演进过程，为边坡的治理、施工方法提供依据。 现在很多程序可以进行此类分析。 首先采用传统的极限平衡法，找出最小安全系数的滑移面，或者已知滑移面，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，边坡的安全系数就是强度指标( 摩尔库仑模型的凝聚力c 和摩擦 系数t a n p ) 降低的倍数。 采用第一种方法分析后，然后按照传统的极限平衡法，搜索滑移面，找出最小安 全系数。该方法安全系数的定义与传统方法相同，即为滑移面上的总抗剪强度( 算术和) 与总剪力的比值。这一方法源于传统方法，该方法滑移面是人为规定的，有可能找不出其 他潜在滑移面。 首先采用第一种方法对边坡进行分析，然后折减所有区域的强度指标，直至失去 平衡。安全系数就是强度指标降低的倍数。该方法无须预先定义滑移面，可自动显示出滑 移面位置，实际就是变形等值线。 数值分析的优点有：破坏面的形状或位置不需要事先确定，假定破坏自然地发生在土 的抗剪强度不能抵抗剪应力的地带；由于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；能提供了应力变形的全部信息。 综上，定性分析以地质宏观判断为主，是定量评价的基础；极限平衡计算分析定量把 第1 章前言 握滑坡整体稳定性及局部稳定性，提供设计所需的基本参数：数值分析则通过滑坡体内部 应力，应变指标来分析滑坡稳定性。三种方法体现了对滑坡稳定性的不同层次的认识，互 为补充，互相印证。本文结合三者的优点，以定性分析对滑坡稳定性进行初步评价，采用 极限平衡方法对滑坡宏观稳定性进行定量评价，采用三维数值模拟分析滑坡体内部应力应 变特征。 1 2 3 滑坡工程影响研究现状 近坝滑坡工程影响主要体现在滑坡失稳后产生的涌浪对水工建筑物的影响。涌浪计算 首先要对滑坡失稳的滑速进行计算，工程中常用的计算方法包括能量法，谢德格尔法、科 内尔法、潘家铮法，数值模拟计算及涌浪试验嗍 9 1 1 0 1 1 n 】。 以上常用的几种估算方法都有其适应的条件。能量法只能计算滑面倾角p 聿：a r c t g f 的 滑坡，谢德格尔法考虑了滑坡体积效应，但对滑面倾角较大的滑坡更具有适用性，科内尔 法将大型滑坡视为流体的计算方法也只能计算碎屑流体滑坡，对于较完整岩石滑坡计算结 果不理想。澍德格尔法和科内尔法需要根据经验确定计算参数，因此计算结果可信度相对 较低。潘家铮法考虑的因素较多，相对更符合实际，但由于滑坡的发生是突然的，其“条 分法”中滑体的滑动在极短时间内就已结束，测定滑动过程中滑面上的孔隙水压力不容易 测定，但总体上来说，潘家铮法适用范围更广，计算结果更可信。数值模拟方法进行计算 存在参数取值不易掌握等问题，涌浪试验代价太高。 各种方法都难以考虑静水压力、扬压力及地震的作用，而在实际中，很多滑坡滑面平 缓近于水平，如平推式滑坡；也有的滑坡主滑段倾角也相对较小且前缘存在反翘段，如滑 移一弯曲型滑坡，这两类滑坡天然条件下稳定性较好，其失稳的触发因素主要为暴雨或地 震。显然，对于这类滑坡，上述几种常用方法是不能计算的。 涌浪计算常用的方法有美国土木工程学会建议法水科院经验公式法，潘家铮法 n o d a 法，数值模拟计算有限元法，流体力学滑坡涌浪样条边界元法，初始涌浪叠加的摄动 方法等。涌浪计算方法中常存在滑坡滑落高差、滑程、入江体积及滑体入水状态取值难的 问题，一般只能靠个人经验赋值。 针对滑速计算及涌浪计算的缺点，结合滑坡特点，本文建立地震触发型滑坡滑速计算 公式，并用于涌浪计算中。同时采用经验公式对滑坡失稳进行了涌浪计算，将二者结果进 行对比分析。 1 2 4 金江滑坡研究现状 预可研阶段曾对该滑坡作过专题研究，通过1 5 0 0 0 工程地质测绘、1 2 个孔共计 成都理1 = 大学硕士论文，2 0 0 7 1 0 2 8 8 1 m 的钻探、1 3 条剖面共计6 2 4 3 m 的物探及少量坑探与试验工作，对金江滑坡的边 界条件、滑坡规模、坡体物质结构及物理力学性质、滑带土物质组成及其物理力学性质有 了初步认识。由于调查测绘精度及勘探阶段特别是钻探深度的限制，对该巨型滑坡所做的 工作仅满足初步评价要求。 胥良曾利用预可研阶段资料，选择金沙江白鹤滩电站金江滑坡成因机制及稳定性研 究作为硕士论文题目。由于勘探深度浅、勘探密度稀疏、试验成果少，该论文对滑坡南 侧边界的描述缺乏足够的证据；成因机制方面主要依据物探及少量钻孔来分析，存在过多 推测；钻孔仅揭露浅层滑带，在此基础上进行的稳定性计算仅反映局部稳定状况。 本阶段进行了大量物理力学试验、加大了勘探密度及勘探深度，据此对以下几个方面 进行了深入研究和验证。 ( 1 ) 滑坡特征：由于预可研阶段勘探资料较少，对滑坡边界和滑面位置进行了较多 推断，本阶段在大量勘探和大比例尺调查测绘的基础上进行了深入研究和论证。 ( 2 ) 成因机制：深层滑坡为滑移一弯曲型，据此建立了滑坡破坏力学模型，并采用 物理模拟和二维离散元进行了机制分析。 ( 3 ) 稳定性评价：根据大量物理力学试验成果，对计算参数的选择进行了深入的分 析研究。除了整体稳定性计算外，并采用自动搜索功能确定滑坡体局部失稳范围及极端失 稳量。 ( 4 ) 工程影响：建立地震触发型滑坡滑速计算公式，并用于涌浪计算中。同时采用 经验公式对滑坡进行了涌浪计算，将二者进行对比分析。 1 3 研究思路与技术路线 本论文的总体思路为：充分发挥我院地质原型现场调研与地质过程分析的传统优势， 遵循“地质过程机制分析量化评价”的学术思想。在收集前人研究资料的基础上，采用原 型调研与室内分析相结合、宏观分析与微观分析相结合、工程地质与岩体力学相结合、现 场试验与室内试验相结合、模式分析与模拟研究相结合、层次分析与系统评价相结合、几 何分析与力学分析相结合的思路，重点对滑坡区环境地质条件、滑坡物质成分及结构特征、 滑坡体变形破坏特征、地形地貌等基本问题开展深入系统的研究；采用地质工程理论的原 理和方法对滑坡成因机制进行研究；在进一步研究滑坡体稳定性状况及其工程影响研究。 本论文研究的总体技术路线为：以扎实的野外调查为基础，以足量的勘探试验为保障。 在环境地质背景研究基础上，从滑坡发育条件及演化规律、滑坡体结构及变形破坏特征、 滑坡成因机制及影响因素等方面入手，对滑坡体整体稳定性和局部稳定性进行地质宏观判 1 0 第1 章前言 断。进一步通过数值模拟和极限平衡分析方法，对滑坡整体和局部稳定性进行预测。最后 在滑坡破坏形式及破坏规模分析、滑坡涌浪计算的基础上，探讨滑坡失稳对工程的影响( 见 图1 3 一1 ) 。 图1 3 1 金江滑坡研究技术路线图 成都理工大学硕士论文，2 0 0 7 第2 章区域环境地质背景 2 1 地形地貌 研究区属高原深谷地貌，但除坝址区处于峡谷地段外，金江滑坡所处河段河谷相对比 较开阔，江水面高程6 0 0 m 左右。左岸山脉的山峰高程在2 0 0 0 m 以上，地势相对平缓，滑 坡和泥石流非常发育；而右岸山脉的山峰高程为3 0 0 0 m 以上，山体雄厚、谷坡陡峭。本次 研究对象金江滑坡即位于金沙江左岸。 2 2 地层岩性 区内地层除石炭系和第三系外，从奥陶系至第四系均有不同程度分布。下面由老至新 分别介绍各地层岩性特征。 ( 1 ) 奥陶系 1 ) 红石崖组( 0 1 h ) 为一套滨海浅海相砂页岩沉积，厚1 5 1 6 8 9 m 。假整合于二道水组白云岩、细砂岩 之上。底部一般为褐黄、黄白、灰黑色厚层状细至粗粒含铁石英砂岩。下部为灰绿、黄绿、 及紫红色薄层细粒泥质砂岩、泥质粉砂岩、页岩互层。中部为紫红色不等厚状泥质粉砂岩 夹灰绿、紫红色页岩。上部一般为黄白、乳白色厚层细至中粒石英砂岩夹白色长石石英砂 岩。自下而上粒度变细、渐含钙质。 2 ) 巧家组( 0 2 。) 出露厚度5 0 2 1 7 m ，整合在红石崖组之上。岩性为灰深灰色中厚层状致密灰岩、 含泥质灰岩、瘤状灰岩、生物碎屑灰岩等。中部常夹灰色钙质砂岩、页岩、泥质砂岩。 3 ) 大菁组( 0 2 d ) 该组连续沉积在巧家组之上，厚1 0 0 6 0 0 m 。下部为灰色厚层块状细至中晶生物碎屑 白云岩，含硅质团块。上部为灰色块状白云岩夹灰色砂泥质白云岩。 ( 2 ) 志留系 1 ) 石门坎组( s 2 。) 假整合于大菁组上，厚2 4 0 6 0 7 m 。下部以黄绿、灰绿、紫红色页岩为主，富含钙质， 并常含富集成泥灰岩、白云质灰岩的夹层和透镜体。上部为灰绿色页岩，深灰色厚层泥质 灰岩，泥灰岩夹紫红色页岩。 2 ) 上统( s 3 ) 分布零星，厚度o 1 5 0 m ，整合于石门坎组之上。下部为紫红色页岩、粉砂岩夹灰绿 1 2 第2 章区域环境地质背景研究 色页岩，底部为一层褐黄色中细粒含铁钙质砂岩。上部为绿灰色厚层细粒钙质砂岩、钙质 页岩与灰紫色厚层细粒泥质砂岩、砂质泥岩互层，间夹少量泥灰岩。 ( 3 ) 泥盆系 该系仅见中统幺棚子组( d 2 v ，该组为一套砂岩页岩灰岩( 白云岩) 沉积，旋遛 性比较明显。按岩性组合，可分两段。下段：厚度1 3 7 m ，其下部底层以砂岩与上志留统 呈微角度不整合接触。向上为灰白、灰色厚层细粒石英砂岩、泥质砂岩夹炭质页岩，这部 分厚约7 0 m 。上段：厚度2 7 4 m ，与下段呈整合接触，主要岩性为灰、灰黑色中层至块状 泥质白云岩，下部为灰岩夹粉砂岩、页岩。该组向北至巧家白鹤滩一带，岩性大致相同， 出露厚度2 8 2 m ，向西在宁南老君山地区仅残存下段，约3 0 m 。 ( 4 ) 二迭系 1 ) 梁山组( p 1 1 ) 厚1 1 4 m ，一般为1 0 m 左右。在东部可超覆在幺棚子组至红石崖组之上；在西部超 覆在红石崖组至沧浪铺组之上，与下伏地层呈微角度不整合接触。下部为黄白色厚层状粗 粒含砾石英砂岩、中厚层状中细粒石英砂岩、泥质砂岩；上部为灰色页岩、铝土岩；顶部 为炭质页岩夹煤层。 2 ) 栖霞茅口组( p i q + m ) 下部：浅灰色( 底部有时夹深灰色) 厚层块状致密石灰岩，性脆、质纯，厚4 7 8 6 m 。 上部：深灰、灰色厚层致密灰岩，含硅质结核。厚7 3 4 0 6 m 。 3 ) 峨眉山玄武岩( p 2 p ) 为一套暗绿色，由多个喷发旋迥组成的喷出岩。在巧家白鹤滩有三个旋迥，各厚2 0 0 9 0 0 m 不等，总厚约1 6 0 0 m 。该处玄武角砾岩特厚，可达6 0 7 0 m ；最下一个旋迥的底部 常见灰岩碎块，其顶有石灰岩夹层；旋遛间有泥质岩石夹层，层面波浪构造清晰，或产海 相瓣鳃类。因此，具海相喷发特征。 ( 5 ) 三迭系 测区东部的宁南六城坝、巧家大寨及石膏地一带出露。为一套紫红色河湖相沉积的泥 岩、砂岩及砾岩。微角度不整合于玄武岩之上。 下统飞仙关组( t 1 f ) ：上部为紫红色细砂岩、泥岩、页岩互层；中部为紫红色细砂岩、 中砂岩；下部为紫红色泥质粉砂岩；底部有少量砾岩。该层厚度为7 0 4 7 3 0 m 。 须家河组( t 3 x ) ：为一套富含植物化石的碎屑岩建造及含煤建造，局部地区夹多层煤。 厚1 4 1 2 3 1 m 。由灰、黄灰色厚层块状细粒石英砂岩、杂质砂岩及灰黑色砂质页岩、杂色 泥岩组成若干个不等厚旋迪，自上而下页岩逐渐减小。下部偶夹灰岩薄层。 成都理丁大学硕士论文，2 0 0 7 ( 6 ) 侏罗系 为一套内陆湖盆沉积地层，下部为含煤建造，常超覆于各老地层之上；中上部为红色 建造。按岩性、岩相、古动植物群组合及上、下接触关系等，自下而上可分为下统、中统 和上统。 ( 7 ) 白垩系 该系普遍以一层砾岩不整合于侏罗系之上，区内仅出露小坝组，与下伏须家河组呈假 整合接触。 1 ) 小坝组下段( k l x l ) 厚9 7 0 1 1 0 0 m 。底部为紫红色底砾岩，厚约1 0 m ，习惯称为“大铜厂砾岩”，砾石以 石英为主( 5 0 ) ，燧石、玄武岩、砂岩等次之，磨圆度良好，分选性差，无定向排列， 砾径1 5 c m ，有泥砂质胶结；其上为砖红色块状不等粒状长石砂岩、杂质砂岩夹砾岩。砂 岩交错层理发育，颗粒分选性差。整个下部以紫、紫红色砂质泥岩、含钙泥岩为主，含石 膏，偶夹泥质粉砂岩及泥灰岩透镜体及黄、灰、黄绿色泥岩、砂岩条带。上部为灰紫色含 钙泥岩夹虎皮纹状砂质泥灰岩及黄色钙质泥岩，含石膏。 2 ) 小坝组上段( k l x 2 ) 厚1 8 0 3 3 0 m ，为紫红色含钙泥岩，