（地质工程专业论文）高等级公路岩堆体边坡稳定性分析研究.pdf

摘要 摘要 云南溪洛渡水电站对外交通专用公路是其与外部联系的主要通道，该公路 对水电站的建设施工具有重要的意义，该路段工程地质条件和施工条件十分恶 劣，地质条件极为复杂。由于受河谷地质条件的限制，公路在选线过程中穿越 地质条件复杂的岩堆体，公路施工形成的边坡绝大多数为稳定性较差的岩堆体 边坡，该种类型边坡的存在，对专用公路的建设和运营带来了较大的影响，边 坡长期的稳定性至关重要。 本文通过对云南溪洛渡水电站专用路公路典型边坡k 2 0 段稳定性分析，建 立了三维空间数值模型和二维数值模型。通过f l a c 3 d 软件进行了自然边坡建 模，探索并确定了复杂岩堆体中的力学参数的计算方法。对三维计算结果和二 维计算结果进行了分析比较，模拟了开挖前、开挖后以及施工治理后的边坡位 移场和应力场的变化情况。考虑了水对土体的上浮力和降雨对边坡稳定性的影 响，并在二维模型中分析了抗滑桩、锚索、土工格栅对实际边坡稳定性的加固 作用，给出了边坡稳定性的稳定性评价。针对k 3 5 段( 细砂乡) 路基开挖过程 中出现的i 号、i i 号滑坡体，以及i 号、号潜在滑坡体的治理情况，进行了 稳定性评价。本文同时应用a n s y s 软件对边坡作出了稳定性分析，并将其计算 结果与f l a c 计算结果进行比较，使其结果更具可靠性。 关键词：岩堆体，边坡，稳定性分析，参数反算，安全性评价 a b s t r a c t a b s t r a c t a e e n m m o d a t i o nh i g h w a y sf o re x t e r n a la c c e s so fx i l u o d uh y d r o e l e c t r i cs t a t i o n i ny u n n a ni st h em a i nc h a n n e ll i n k i n gi tt ot h eo u t s i d e ，t h e s er o a d sa r eo f m o m e n t o u s s i g n i f i c a n c ef o rt h ec o n s t r u c t i o no ft h eh y d r o e l e c t r i cs t a t i o n ，t h eg e o l o g i ca n d e x e c u t i v ec o n d i t i o n sa l ev e r ya b o m i n a b l e ，a n dt h eg e o l o g i cc o n d i t i o n sa r ee x t r e m e l y c o m p l e x b e c a u s eo ft h ec o n f i n i n go ft h eg e o l o g i cc o n d i t i o n so fr i v e rv a l l e y s ，t h e r o a d sg ot h r o u g ht h ea c c u m u l a t i o no fr o c km a s si nc o m p l e xg e o l o g i cc o n d i t i o n s ， m o s to fs l o p sf o r m i n gi nt h ec o n s t r u c t i o no fr o a da r ec o m p o s e do fa c c u m u l a t i o no f r o c km a s si nb a ds t a b i l i t y , t h ee x i s t e n c eo fs l o p si nt h i sk i n db r i n gg r e a ti n f l u e n c ei n t h ec o n s t r u c t i o na n do p e r a t i o no fa c c o m m o d a t i o nh i g h w a y s t h es t a b i l i t yo fs l o p si s v e r yi m p o r t a n t t h r o u g ht h ea n a l y s i so fs t a b i l i t yi na c e o m m o d a t i o nh i g h w a y so ft y p i c a ls l o p k 2 0 ，t h i sp a p e rb u i l d st h r e ed i m e n s i o n a ls p a c en u m e r i c a lm o d e la n dt w od i m e n s i o n a l n u m e r i c a lm o d e lw i t hf l a c 3 d ，c o u n t i n gp a r a m e t e r so fa c c u m u l a t i o no fr o c ki n a s s a r ed i s c u s s e da n dd e t e r m i n e d c o m p a r i s o ni sm a d eb e t w e e nt h r e ed i m e n s i o n a la n d t w od i m e n s i o n a lr e s u l t s s t r a i nf i e l do fs l o p sa r es i m u l a t e db e f o r ee x c a v a t i o n ，a f t e r e x c a v a t i o na n dc o n s t r u c t i o n i nn u m e r i c a lm o d e l ，t h eb u o y a n c yw a t e rc a u s et os o i l m a s sa n dt h ei n f l u e n c er a i n f a l lb r i n g st ot h es t a b i l i t yo fs l o pa r ec o n s i d e r e d i nt w o d i m e n s i o n a ln u m e r i c a lm o d e l r e i n f o r c e de f f e c to fs p u df o ra n t i sl i p ，a n c h o rc a b l e ， g e o g r i dt or e a ls l o p sa r ea n a l y z e da n de v a l u a t i o no fd e g r e eo fs a f e t yi ns l o ps t a b i l i t y i sg i v e n n oia n dn oi is l o pt h a ta p p e a r e dd u r i n gt h ep r o c e s so fr o a d se x c a v a t i o ni n k 3 5 ，t o g e t h e rw i t hp o t e n t i a ls l o pn o1 1 1 ，n o b a l ea n a l y z e di ns t a b i l i t y a n s y si s a l s ou s e dt oa n a l y z et h es t a b i l i t yo fs l o p s ；c o m p a r i s o nh a sb e e nm a d eb e t w e e n a n s y sa n df l a c ，m a k i n gt h er e s u l tm o r er e l i a b l e k e yw o r d s ：a c c u m u l a t i o no f r o c km a s s ，s l o p ，a n a l y s i so fs t a b i l i t y , p a r a m e t e ri n v e r s e c o m p u t a t i o n , a n a l y s i so f s e c u r i t y 申请同济大学工学硕士学位论文 高等级公路岩堆体边坡稳定性 分析研究 ( 本课题获三峡总公司溪洛渡工程建设部资助) 培养单位： 一级学科： 二级学科： 研究生： 指导教师： 土木工程学院 地质资源与地质工程 地质工程 文谦 张雷副教授 二o o 七年三月 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名：e g 力0 7 年3 n 2 日 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名：学位论文作者签名： 年月 日年 月日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 签名：殊 口7 年弓月7 日 第1 章绪论 1 1 课题背景及研究意义 第1 章绪论 边坡是人工边坡和自然边坡的统称。根据坡体组成材料和性质，可以分为 土质边坡和岩质边坡。在公路、铁路等基础建设中，边坡的稳定性往往是决定 交通正常运行的重要因素。因为边坡失稳，造成滑坡、崩塌、泥石流等自然灾 害，给人类的正常生活发展及生命安全带来巨大危害【j 儿2 j 。 我国是一个地质灾害发生十分频繁，损失极为严重的国家。边坡灾害给国 民经济建设各部门带来了严重的干扰和损失。同时，在世界范围内，边坡失稳 造成的灾害也给人类的生命财产安全带来难以估量的损失。 斜坡是在地壳表面的天然地质和工程地质的作用范围内，具有露天侧向临 空面的地质体，是广泛分布于地表的地貌形态。边坡具有一定的高度和坡度， 在重力和其它地应力场作用下不断发展变化。边坡白其形成起，便使岩土体的 内部原有应力状态发生变化，出现坡体应力的重新分布，主应力方向发生偏移， 应力出现集中和消散；而且这种应力状态又在天然应力及人类工程活动的影响 下，随着斜坡的演变在不断地变化着，使斜坡岩土体发生不同形式的变动，即 变形与破坏h 。不稳定的边坡在其岩土体本身重力、水、震动力及其它因素作用 下，常常发生危害性的变形与破坏及滑坡和崩塌等一系列斜坡灾害，导致交通 中断，江河堵塞，塘库淤填，甚至酿成巨大灾害，如工程溃决和城镇埋没。 滑坡可以发生在土质边坡，也可以发生在岩质边坡。发生于土质边坡的形 态通常比较单一，基本上以剪切破坏为主，滑裂面为圆弧型或圆弧与夹泥层的 组合型。岩质边坡发生的滑坡则因受岩体结构、地应力等影响，呈现出崩塌、 滑动、倾倒、溃屈等多种破坏类型l i j 。岩堆体边坡由于其兼有土质材料和岩质 材料，发生滑坡时可能是岩堆体整体滑动，也可能是部分岩堆体出现滑动。 触发滑坡的因素有很多，各种因素的影响组成一个集合体共同作用。坡体 的组成材料、物理力学性质、坡体的地质结构、边坡的几何形状等都决定着边 坡的自身性质。另外，也在降雨及地下水、地震及边坡附近震动体、边坡附近 构造物、风化、温差等外在因素的变化下，边坡也将改变它的稳定情况和力学 第1 章绪论 状态。可以说，边坡是处在一个内力和外力不断变化而又不断平衡的综合复杂 的变化过程。 近代以来比较著名的滑坡灾害有，1 9 2 5 年美国怀俄明州的格罗斯一丈特河 谷。约3 8 0 0 万m 3 岩层顺石炭系粘土层滑下，堵河形成6 0 m 深的湖，当潮水从“坝” 顶溢流后，“坝”即崩测3 】【4 】。 美国每年因滑坡而造成的经济损失达数亿美元。1 9 5 8 年s m i t 指出：“美国平 均每年滑坡灾害损失达到数亿美元”。而在今天，由于各种原因，例如对环境和 政治上的考虑及改善道路的用地费用对公路路线选择的控制，往往不可避免在 易滑地区建设等，每年支出的滑坡费用大大增加。当前在美国因斜坡破坏的直 接和间接损失恰当的估计每年超过十亿美元【卯。 前苏联的高加索、黑海沿岸、伏尔加河流以及贝加尔湖岸等地区，都是滑 坡的严重地区，每年因滑坡而造成的经济损失达数亿卢布。前捷克斯洛伐克有 一条铁路，建成6 年后，由于受滑坡的威胁而停止运营峥】。 1 9 7 4 年秘鲁的安第斯山曼特罗河谷滑体有1 6 亿立方米，河水超越该滑坡造 成下游巨大灾害，冲毁了近2 0 公里的公路，三座桥梁和许多农田，约4 5 0 人死亡， 是美洲历史记录上最大的一次滑坡事故【7 】。 日本山区占土地面积的8 0 以上，每年因滑坡而造成的经济损失多达数百亿 日元。1 8 4 7 年关东大地震移动的滑坡土体堵塞了犀河上游并形成7 0 k m 长的湖 泊，有好几千人被淹死。1 9 7 4 年日本公布的资料及书面报导的数据表明死于边 坡破坏的人数高于死于所有其它自然灾害包括地震灾害的人数【8 】。 我国是一个多山的国家，也是滑坡( 1 a n d s l i d e ) 广泛分布的国家，特别是中 南部，近年来随着工程建设的日新月异，这类事故有些是特大事故不断上升。 湖南省铜仁地区，2 0 0 5 年发生地质灾害1 3 起( 滑坡1 2 起、崩塌1 起) ，死亡6 人，造成经济损失5 2 万元【9 】。 云南省山地面积占总面积的9 4 ，在自然地理条件上，全省都属于地质灾 害易发区。1 9 4 9 2 0 0 1 年，全省地质灾害已造成9 0 0 0 余人死亡、2 1 0 0 0 人受伤， 直接经济损失7 2 亿元。2 0 世纪9 0 年代以来，地质灾害年平均直接经济损失达4 5 亿元，年均因灾死亡达1 6 9 人f l o 】。 2 第1 章绪论 表1 11 9 9 1 2 0 0 2 年云南省地质灾害损失 年度 1 9 9 1 1 9 9 2 1 9 9 3 1 9 9 4 1 9 9 51 9 9 6 1 9 9 7 1 9 9 81 9 9 92 0 0 02 0 0 12 0 0 2 死亡( 人)2 8 3 1 32 8 5 8 1 1 2 3 8 01 6 62 2 4 1 9 01 4 41 9 12 3 4 经济损失( 亿 2 o0 7 2 o 3 o 4 2 3 o 2 04 55 84 1l o f o1 2 o 元) 2 0 0 5 年8 月6 、7 日两天，云南省新平县平掌乡连降罕见大暴雨造成滑坡。从 6 日晚2 3 时至7 日凌晨4 时的5 个小时里降雨量达到2 2 3 9 毫米。7 日凌晨2 时5 0 分， 突发的山体滑坡淹没3 家农户，1 7 户农户受损，2 0 0 多人生命财产受到威胁，造 成5 人死亡、2 a 失踪、4 人受伤。同时，灾害还造成平掌乡的乡村公路全部中断， 直接经济损失3 5 0 万元。滑坡土体上沿宽2 6 米，长3 5 米，厚1 5 米，滑坡土方达1 3 6 5 立方米【1 1 1 。 由此可见，研究边坡的破坏机理和稳定性质，评价降雨、结构面、工程治 理对边坡的影响程度，探索边坡的稳定系数计算方法，不仅对已有边坡的稳定 性评估和治理具有重要意义，而且对今后边坡加固以及边坡工程的开展均有着 普遍的指导意义和重要的经济意义。 1 2 国内外研究现状及进展 1 2 1 边坡稳定性分析方法概述 边坡稳定性分析方法的发展过程，反映了时代科技的发展过程。边坡稳定 性分析方法很多，不同的方法又各具特点，有一定的适用条件。如何根据具体 的边坡工程地质条件，具体的分析目的与精度要求，合理有效地选用与之相适 应的边坡稳定性分析方法，是一项很重要的工作。从边坡工程研究发展历程可 见，边坡稳定性研究发展的过程，同时又是一个边坡稳定性分析方法不断发展 的过程。从目前来看，边坡稳定性分析方法可以分为两大类：确定分析方法和 不确定分析方法。 3 第1 章绪论 表1 2 边坡稳定性分析方法 极限平衡法 有限单元法 界面元法 确定性分析方法 不连续变形分析法 快速拉格朗日有限差分法 离散单元法 可靠度法 模糊综合评价法 不确定分析方法 灰色系统理论 专家系统 复合法 1 确定性分析方法 确定性分析方法是将影响边坡稳定的各种因素作为确定的量来考虑。通常 以计算稳定系数为基础，稳定系数定义为边坡所能承受的荷载与所受外力的比 值。确定性方法就是以定量的计算得到这一比值作为判断的标准。主要包括以 下几种方法：极限平衡法( u m ) 、有限单元法( f e m ) 、界面元法( i s e m ) 、 离散单元法( d e m ) 、不连续变形分析法( d d a ) 、快速拉格朗日有限差分法 等。 1 1 极限平衡法【”1 极限平衡理论是经典的确定性方法，也是实际工程应用中被广泛采用的方 法。其基本思路是：假定土体是刚性理想塑性材料，土体破坏是由于滑动体内 滑面上发生滑动而造成的，滑动面上土体服从破坏条件，假定滑动面已知，其 形状可以是平面、圆弧面、对数螺旋面或其他不规则曲面。通过考虑由滑动面 形成的隔离体的静力平衡，确定沿这一滑面发生滑动时的破坏荷载。主要方法 有：瑞典条分法( o r d i n a r y ) 或弗伦纽斯( f e l l e n i u s ) 法、简化毕肖普( b i s h o p s s i m p l i f i e d ) 法、简化简布( j a n b t l s s i m p l i f i e d ) 法、普遍简布( a n b u sg e n e r a l i z e d ) 法、普遍极限平衡( g e n e r a ll i m i te q u i l i b r i u m ) 法、美国陆军工程师团( c o r p so f e n g i n e e r s ) 法、罗瓦( l o w e - k a r a f i a t h ) 法、沙尔玛( s a r m a ) 法等。 2 1 有限单元法【1 3 1 【1 4 】 考虑了有限应变、孔压等特性、弹塑性、粘弹塑性、粘塑性等问题，有限 元法的优点是部分地考虑了边坡岩体的非均质和不连续性，可以给出岩体的应 4 第1 章绪论 力、应变大小与分布，避免了极限平衡分析法中将滑体视为刚体而过于简化的 缺点，能使我们近似地从应力应变去分析边坡的变形破坏机制，分析最先、最 容易发生屈服破坏的部位和需要首先进行加固的部位等。但它还不能很好地求 解大变形和位移不连续等问题，对于无限域、应力集中问题等的求解还不理想。 3 1 界面元法【i 纠 界面元法是为复杂岩体的仿真计算提供的一种新的有效方法。它基于累积 单元变形于界面的界面应力元模型，建立了适用于分析不连续、非均匀、各向 异性和各类非线性问题、场问题，以及能够完全模拟各类锚件复杂空间布局和 开挖扰动的界面元理论和方法，为复杂岩体的仿真计算提供了一种新的有效方 法。此外，基于工程稳定性问题的力学机理，建立了判断岩体稳定性的干扰能 量准则。判据与干扰能量法成功地解决了岩体稳定性的客观判据、潜在滑面、 危险滑面、稳定薄弱部位和最小抗滑稳定稳定系数等难题，将岩体稳定性的数 值评判提高到了一个新的水平。 4 ) 不连续变形分析( d d a ) 法【 d d a 法是兼具有限元与离散元法相结合产生的一种数值方法，其一个时步 内的求解过程类似有限元法，而在块体运动学求解方面更类似于离散元法。由 石根华与g o o d m a n 提出的块体系统不连续变形分析( d i s c o n t i n u o u sd e f o r m a t i o n a n a l y s i s ) 是基于岩体介质、非连续性发展起来的一种崭新的数值分析方法。节 理面切割岩体形成不同的块体单元，单个块体内部满足连续介质的变形协调方 程和本构关系，但块体间不满足变形协调关系，块体间的本构关系是通过假定 刚度来实现的。它的优先是考虑了变形的不连续性和时间因素，既可以计算静 力问题，又可以计算动力问题；既可以计算破坏前的小位移，也可以计算破坏 后的大位移，如滑动、崩塌、爆破及贯入等，特别适合于边坡极限状态的设计 计算。 5 1 快速拉格朗曰有限差分法【l ” 有限变形问题是针对塑性变化历程及延性破坏机制等问题提出的。在处理 有限变形问题时，对材料的非线性给予考虑，使由变形造成的对内外力平衡的 影响在计算中得以体现，所以需要一种兼顾材料非线性和几何学上的非线性的 一般非线性解析方法。为了克服有限元等方法在求解大变形问题时的缺陷，人 们根据有限差分法的原理，提出了快速拉格朗日数值分析方法，该方法较有限 元能更好地考虑岩土体的不连续性和大变形特性，无需建立刚度矩阵，所需内 5 第1 章绪论 存少，时间短，但也存在破坏状态位移值偏大等问题。 6 1 离散单元法【墙】 自从c u n d a l l 首次提出离散单元d e m ( d i s t i n c te l e m e n t m e t h o d ) 模型以来， 这一方法已在岩土工程和边坡问题中得到日益增长的应用。离散单元法的一个 突破功能是它在反映岩块之间接触面的滑移，分离与倾翻等大位移的同时，又 能计算岩块内部的变形与应力分布。因此，任何一种岩体材料都可引入到模型 中，故该法对块状结构、层状破裂或一般破裂结构岩体边坡比较合适。并且， 它利用显示时间差分法( 动态松弛法) 求解动力平衡方程，求解非线性大位移 与动力稳定问题较为容易。这种方法在岩质高边坡稳定分析中有较广泛的应用。 2 不确定性分析方法 不确定性分析方法在边坡稳定分析中开始应用是在2 0 世纪7 0 年代。一方面 是由于一些新理论和方法如可靠度、人工智能等的出现；另一方面是由于在边 坡工程设计和分析中涉及有大量不确定因素越来越被人们所认识，如边坡材料、 荷载的随时间变化性，试验取样及试验结果与实际的情况的不完全一致性等。 目前主要的不确定分析方法有：可靠度法、模糊法，灰色系统理论、专家系统、 复合法等几种。 1 ) 可靠度方法1 1 9 j 可靠度分析方法是2 0 世纪7 0 年代后期发展起来的评价边坡工程状态的新方 法，它把边坡岩体性质、荷载、地下水、破坏模式、计算模型等作为不确定量， 借鉴结构工程可靠性理论方法，结合边坡工程的具体情况，用可靠指标或破坏 概率来评价边坡安全度。可靠度法随机变量的取值除了重度、粘聚力、和内摩 擦角外，还要考虑弹性模量、柏松比、剪胀角和侧压力系数对边坡稳定系数的 影响。与传统的确定性理论相比较，可靠性分析能更好地反映边坡工程的实际 状态，正确合理地解释许多用确定性理论无法解释的工程问题。边坡稳定性分 析中有许多不确定因素，而对这些不确定性因素，现行的可靠度分析方法没有 给予深入考虑，所以导致边坡稳定系数的可靠性往往受制于人为经验。客观地 说边坡工程可靠性分析目前还处于研究和探索阶段，往往与确定性分析方法一 起应用，并作为一种补充和参考。最近几年，可靠度方法发展很快。边坡稳定 性分析中常用的方法有：蒙特卡洛模拟方法、可靠指标法、统计矩近似法、随 机有限元法等。 6 第1 章绪论 2 ) 模糊综合评价法【2 0 】 模糊数学法是将模糊理论应用于边坡稳定性分析中，应用模糊变换原理和 最大隶属度原则，综合考虑被评事物或其属性的相关因素，进而进行等级或类 别评价。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 种明确而有效的手段。这一方法主要应用于大型边坡的整体稳定性评价。不足 之处是对边坡的评判较为笼统，同时，由于隶属函数是依据一些基本原则确定， 权重的分配多由经验确定，因而主观性较大。模糊数学方法一般适用于外延不 明，内涵明确的对象。 3 ) 灰色系统理论【2 l j 信息不完全，部分信息已知，部分信息未知的系统称为灰色系统。把系统 中的一切信息量看作灰色量，采用特有的方法建立描述灰色量的数学模型有3 个 基本环节：1 ) 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。2 ) 估计模型参数，按最小二乘法确定。3 ) 把模型用于预测，并进 行评价。利用灰色关联度分析方法，可在不完全的信息中，对所要分析研究的 各因素通过一定的数据处理，在随机的因素序列间找出它们的关联性，发现主 要矛盾，找到主要特征和主要影响因素，因此特别适合于像边坡稳定性这种数 据有限、没有原型、复杂而且具有不确定性问题的分析与评价。目前在边坡工 程中应用灰色系统预测模型进行滑坡发生时间的预测较多。 4 ) 专家系统【2 2 1 功能主义方法把大脑看作是能对输入信息进行处理并输出结果的一只黑 箱，只要掌握了输入输出关系，就可在功能上模仿人类大脑的高级智力活动【2 3 】。 专家系统就是用人工智能语言编制出的这样一种程序软件。由于影响边坡的各 种因素的不确定性，在许多情况下仍主要依赖于专家经验和类比，因此，专家 系统在边坡工程领域有很好的适用性。但也有经验收集，知识获取难的问题， 而对于像边坡工程这样复杂的巨系统，其知识获取是一件很不容易的事。 5 ) 复合法 任何一种分析方法都不是万能的和唯一的，都具有其适用性和局限性，把 两种或多种方法融合起来，取长补短f 2 4 】脚】。所以复合法将多种不确定分析方法 结合起来一起应用，是未来边坡稳定性分析的一种趋势。 7 第1 章绪论 1 2 2 二维边坡稳定性研究 极限平衡法是最早的计算二维边坡稳定的方法。它基于大家所熟悉的摩尔 库伦强度准则，只考虑静力平衡条件。因为大多数情况下的边坡问题都是静不 定的，所以需要引入一些简化假定。使问题变得静定可解。极限平衡法目前虽 然仍然是工程设计计算中的基本手段，但它没有考虑到土体的应力应变性质， 不能求出失稳时土体内部各处的应力和变形值，因此得到的这种粗糙的综合性 近似解答，不是什么“精确解”，不能满足现代工程的实际需要。 目前常用的二维极限平衡法有：瑞典条分( f e l l e n i u s ) 法【2 引、毕肖普( b i s h o p ) 法【2 9 】、简步( j a n b u ) 法3 0 i 、s p e n e e r 法1 1 2 1 。 1 2 3 三维边坡稳定性研究 边坡稳定的三维极限平衡分析方法是二维s p e n c e r 法在三维领域的推广。目 前常用的三维极限平衡法包括：h o v l a n d 3 、h u n g e r ：f 3 2 1 、z h a n gx i n 9 1 3 3 1 、 c h e n & c h a n m e a u j 4 、冯树仁等 3 5 】、水科院【3 6 1 提出的三维极限平衡分析方法。 随着计算机技术的发展，有限单元法和有限差分法的各种计算软件出现， 为岩土工程稳定性分析提供了方便而简洁的工具，并且利用计算机实现了三维 模型的分析，为三维边坡稳定性分析提供了新的方向。但是到目前为止，有关 三维边坡稳定性分析方法以及程序开发方面的工作，还远远不能满足实际工程 的需要，所有三维分析程序都存在引入大量假定的缺陷；同时，在数据处理、 图形处理等方面，也还存在着问题。 1 2 4 边坡稳定性方法的发展趋势 目前把两种或多种方法融合起来，取长补短，成为了边坡稳定性分析的新 方向。针对岩土工程的诸多不确定性，我们不能只沿用传统的思维方式处理， 而应转换思维【2 5 】，不仅要正向思维，即从事物的必要性出发，根据试验建立模 型，在特定条件下求解；也要逆向思维，如位移反算分析法，先以实测的位移 值为依据反演求出初始应力与参数，再反过来应用于工程实践【2 6 】 2 7 1 。例如在专 家系统的设计中，目前遗传算法已成功应用于推理方法的选取，隶属函数的选 取以及参数的选取和相关权重的确定等。随着数值分析方法的不断发展，不同 8 第1 章绪论 数值方法的相互耦合成为一大发展趋势。如有限元，离散元与块体元等的相互 耦合，数值解和解析解的结合，这些方法的耦合能充分发挥各自的优点，解决 更复杂的边坡问题。滑坡显然是一种不连续的突变现象，利用突变理论的观点 研究边坡系统有广阔的发展前景然而应用单一的突变理论，解决复杂的滑坡问 题有其一定的局限性，需要将模糊数学、概率论、灰色系统理论和现代计算机 技术与突变理论相结合，应用数值模拟手段模拟复杂系统的动态演化全过程， 这是有待深入研究的课题。 把边坡及其所处的环境看成一个大系统，从系统的观点出发，综合考虑各 子系统之间的相互作用与联系，采用系统控制论、协同学等理论方法对边坡的 失稳机理的特性进行研究分析，也是一个大的发展趋势。 边坡( 滑坡) 系统是一个开放的系统，它不断与周围环境进行着物质和能 量的交换。边坡系统的失稳是一个不可逆的热力学过程，这种过程可以用熵来 度量。滑波失稳前，其总熵不变，一旦总熵发生变化。势能和应力分布随之发 生变化，当两者出现差异时，滑坡就失稳而产生滑动。因此，从热力学角度研 究边坡系统失稳应具有十分重要意义。 由于影响边坡系统各因素的复杂性，不确定性等，依托于计算机技术，形 成集成式智能评价系统也将成为未来的发展趋势。 由此可见，只有通过两种或多种边坡稳定性分析方法的综合分析和比较， 才能更准确、合理地判断边坡系统的稳定性情况，比较出各种分析方法的优缺 点，并“去粗取精”、“化繁为简”，得出正确的计算分析结果。 1 3 问题的提出 对外交通专用公路是溪洛渡水电站与外部联系的主要通道，该工程分7 个 标段，全长约6 1 公里，工程地质条件和施工条件十分恶劣。对外交通专用公路 中绝大多数边坡均位于山前岩堆体上。该地区气候多变，年降水量和地下水丰 富，大量的雨水和地下水对边坡的稳定性影响极大。在边坡路基开挖过程中， k 3 5 段边坡出现过小型滑坡，并存在潜在滑坡体；k 2 0 段边坡也出现明显的裂缝。 所以对施工治理前后边坡稳定性分析比较，判断运营期内公路边坡的稳定性， 对水电站的正常建设具有重要意义。 9 第1 章绪论 1 4 本文的研究内容 由上可见，边坡的稳定性以及如何引入稳定系数，对边坡的稳定因素进行 定量分析是边坡稳定性分析的发展趋势。本文采用f l a c 2 肋d 商用软件，引入二 维条分法中的力学参数反算原理，对自然边坡通过计算机，进行力学参数的反 算，分析边坡材料的c 、妒值组合与边坡稳定性之间的内在联系。利用显式差分 法对k 2 0 段边坡进行两维和三维的稳定性分析，并分析比较了路基开挖前、开挖 后、施工治理后的边坡稳定性情况；对k 3 5 段( 细砂乡) 进行治理后边坡稳定性 分析，判断出了原开挖过程中，出现的滑坡体和潜在滑坡体在施工治理后的稳 定情况。本文同时采用a n s y s 软件对f l a c 的计算结果进行分析比较，使计算结 果更具可靠性。 1 0 第2 章岩堆体边坡稳定性分析的主要方法 第2 章岩堆体边坡稳定性分析的主要方法 2 1 岩体边坡结构和滑坡类型 2 1 1 岩体边坡结构 岩体是一种坚硬的强度指标很高的材料，它的力学特性，采用类似金属、 混凝土等结构的分析方法。同时，岩体又受众多结构面的切割，使其在宏观上 呈现一定的松散介质的特性。在岩体中，结构面之间以某种关系组合在一起， 再与岩石组合，形成了一定的岩体结构【3 ”。岩体结构分类主要是以岩石强度、 岩体被结构面切割的程度以及岩体的结构形态特征等因素为基础。对于接近整 体结构的岩质边坡，宜采用分析应力应变特征的有限元和其他非连续介质的方 法；对风化、破碎的岩体，则采用类似土质边坡稳定性分析的极限平衡法。基 本类型如下： 1 ) 块状结构岩体。岩体主要由单一的或者强度很近的硬岩构成，岩体完整 性好。块状结构岩质边坡失稳形式取决于结构面的产状、组合及其与地形的关 系。一般有平面破坏、楔体破坏和倾倒破坏。 2 ) 层状结构岩体。层状结构岩体边坡是在自然界广泛存在的，也是比较复 杂的。按照边坡与岩层产状关系可以划分为四种类型：水平岩层边坡、切层边 坡、顺层边坡及反倾向边坡。 3 ) 碎裂散体结构岩体。由于构造运动、风化、地下水等内外应力地质作用 的影响，此类岩体表现出结构松散破碎、完整性很差的特征。 结构面在边坡稳定性分析中起着重要作用，由于岩质边坡结构面的存在， 使得边坡的力学稳定性受到影响。所以当滑坡发生时，往往是失稳岩体沿结构 面或由结构面与岩桥组合形成滑面产生滑动，导致失稳。 2 1 2 岩体边坡滑坡类型 滑坡是一种常见的由于斜坡失稳而产生的地质灾害，是斜坡岩( 土) 体在 第2 章岩堆体边坡稳定性分析的主要方法 重力作用下沿着斜坡向下做长期而缓慢的整体移动【3 引。滑坡是山体发生大变位 或滑动破坏的地质现象的总称，岩质边坡是一个复杂的地质体，其变形破坏的 方式是多种多样的。滑坡分类的方案也很多，在国家“八五”科技攻关研究成 果报告中根据滑坡形成模式，建议将滑坡分为7 种类型【3 ”，见图2 1 ，而在工程 中最常见的破坏类型有以下5 种： 1 ) 平面滑动。典型的岩质边坡平面滑动通常是滑体沿与山坡倾向大致相近 的单一滑动面滑移，滑面可能是岩体内发育的结构面，如岩层层面、层间软弱 夹层和长大断层结构面裂隙等。 2 ) 弧形滑动。在工程实践中，经常可以看见在岩质边坡内发生弧形滑动破 坏的现象。当岩体中的单个块体的与边坡尺寸相比是极小的，且这些块体由于 其形状的关系不是很咬合的，岩体大都为碎裂结构的大型岩质边坡的破坏就会 以圆弧形的模式出现。 3 ) 楔形破坏。在岩质边坡的失稳模式中，楔体破坏是最常见的一种类型。 楔体是由两条或两条以上的结构面对岩体切割而形成的，滑体同时沿这两个面 发生滑移。由于沿着两个面滑动，其力学机制相对比较复杂。影响楔体稳定的 因素有滑体自身重力、底滑面的抗剪强度参数、滑面上的外水压力和外荷载等。 4 ) 倾倒破坏。倾倒破坏也是岩质边坡的一种常见的失稳类型，发生于反倾 向层状结构边坡岩体中。倾倒破坏又可以分为弯曲倾倒、块体倾倒和块体弯曲 倾倒三种。弯曲倾倒多发生于非常发育的陡倾斜不连续面所分割的连续岩柱； 块体倾倒发生在坚硬岩柱被大间距正交结构面切割时；当岩柱被许多横结构面 切割，岩柱变形由横结构面分割的各小岩块位移累积而成，形成似连续性弯曲 状，则为块体弯曲倾倒。 5 ) 溃屈破坏。溃屈破坏在长江三峡地区、西南山区经常可见，典型的溃屈 破坏表现出边坡滑动后岩层弯曲变形。 岩石本身示一种坚硬的强度指标很高的材料，对其力学特性，可采用类似 金属、混凝土等结构的分析方法。但是岩体又受众多结构面的切割，使其在宏 观上呈现一定的松散介质的特性。正因为如此，我们可以在现实自然界中看到 高达数百米的陡立边坡，也可以看到大量的与土质边坡类似的滑坡失稳现象。 1 2 第2 章岩堆体边坡稳定性分析的主要方法 名彦命餍 慝姗i ( 曲 ( f ) 图2 1 边坡破坏类型 ( a ) 圆弧滑动；( b ) 平面滑动；( c ) 块体滑动：( d ) 追踪结构面面破坏；( e ) 倾倒破坏； ( f ) 溃屈破坏；( g ) 崩塌；( h ) 水平面滑动 2 2 岩堆体边坡形态和稳定性 2 2 1 岩堆体边坡形态 岩堆是岩石山坡在各种物理、化学作用下失稳，产生塌滑、剥落，形成大 小不一的岩石碎块、岩屑，在自然力的作用下搬运、堆积形成的松散堆积物体， 属于典型的不良工程地质【帅】。多出现在气候比较干旱，昼夜温差较大，物理风 化盛行，近期抬升构造强烈的山区及高山峡谷区的陡峻坡脚处。其形成一般可 分为三个阶段：母岩的风化崩解，风化崩解物的搬运和堆积。掌握岩堆的形成 发展阶段，对岩堆的认识，稳定性评价、分析其对工程的影响都是极其重要的。 岩堆的地貌分区总体上讲，与岩堆的形成阶段相对应，一般有三个分区： 即岩堆物质的形成区、搬运区和堆积区，各分区间无绝对的分界线，依岩堆的 发展变化，各区均在不断地变动。例如岩堆在产生发展初期，一般两条分界线 均向形成区移动，堆积区面积在不断扩大，搬运区除向风化崩解区移动外，区 域面积没有大的变化，而形成区面积在缩小；中期堆积区仍在不断扩大，形成 区仍在缩小，而此时搬运区在逐渐缩小；到了后期依岩堆所处地形条件和位置 的不同，各区的发展变化有所不同，假如有一岩堆位于半坡上，其下还存在岩 堆，那么本岩堆的堆积区可能会成为下一岩堆的形成区，也可成为搬运区。 。譬 第2 章岩堆体边坡稳定性分析的主要方法 图2 2 岩堆体的形成分区 基岩 岩堆的产生与岩性和岩层产状有着密切的关系：出现岩堆的地区一般都是 硬质岩或硬质岩夹有软岩( 如厚层砂岩、砂岩夹页岩、灰岩夹泥岩等) ，且岩 层水平或倾角不大，或倾角较大但岩层走向与山体坡面走近垂直，因区域上升， 沟谷深切，形成岩基陡坎，坎上节理与风化卸载裂隙发育，在重力作用下岩体 容易从外向内逐步崩解下落。岩堆体的类型按其分布形态大致可以分为三类( 如 图2 3 所示) ： 1 ) 单面坡 该类型态岩堆主轴方向断面呈直线形，堆积体一般呈锥体状，锥顶一般都 达到有物质来源的小沟或凹坎。前缘基本都延伸至下一基岩坎边或河床。 2 ) 上陡下缓 该类型态岩堆主轴方向断面呈折线形，堆积区为一较宽广、平缓地形，堆 积体基本都由硬质岩巨块组成，巨块问有大的孔洞，充填物极少，岩堆处于发 展阶段。堆积体中上部一般呈单面坡，表层为碎石角砾土，颗粒表面新鲜，植 被疏松，一般无大树或灌木；下部比较平缓，仍处于发展阶段。 3 ) 上下陡、中间缓 该类型岩堆主要有两种：一是由于堆积区前缘下一级岩堆发育或基岩陡坎 存在，堆积区受限而形成；二是堆积体在外力或自重作用下，堆积体自身稳定 而形成的，平缓地带一般都为田地和村舍。 1 4 第2 章岩堆体边坡稳定性分析的主要方法 ( 1 ) 单层坡型( 2 ) 上陡下缓型( 3 ) 上下陡，中问缓型 图2 3 岩堆的形态类型 岩堆按其物质成因也可分为：1 ) 以崩塌块体为主所组成的岩堆；2 ) 以碎 落岩块为主所组成的岩堆；3 ) 以崩塌和碎块体交错所组成的岩堆【4 ”。 2 2 2 岩堆体边坡稳定性分析 岩堆体边坡稳定性分析需要结合岩体边坡稳定性分析方法和土体边坡稳定 性分析方法。对岩堆稳定性分析，首先应考虑堆积体整体稳定性，其次为堆积 体自身的坡面稳定性。 整体稳定性与堆积床的形状有密切的关系，因为堆积体一般都为透水性较 好的块石土、碎石土、角砾土等，堆积床都为基岩，透水性弱，雨季堆积床面 很容易聚水，抗剪强度骤降，导致岩堆整体失稳。如图2 4 ，( a ) 岩堆最为稳定， ( b ) 次之，( c ) 最为不稳定。 ( o )a 。) ( c ) 图2 4 岩堆的堆积床类型 堆积体由土体组成，其自身的稳定性又符合土质边坡稳定性的规律。1 ) 堆 积体可能沿堆积坡向整体滑动；2 ) 可能在土体中出现滑裂面，导致破坏( 如图 第2 章岩堆体边坡稳定性分析的主要方法 2 5 ) ；3 ) 同样也可能出现基岩破坏，导致岩堆体的破坏。其中第二种破坏形式 最为常见。所以对岩堆体边坡的稳定性分析必须结合岩质边坡稳定性分析方法 和土质边坡稳定性分析方法，分析比较以上三种破坏的可能性，最终判断出岩 堆体的破坏形式。 2 3 极限平衡法 图2 5 在岩堆土体中出现滑动面 2 3 1 二维极限平衡法 1 瑞典条分法( f e l l e n i u s 法) i 1 s l 1 9 1 6 瑞典人彼得森提出对均质边坡圆 弧形滑面的分析方法，即瑞典条分法。瑞 典条分法基本假定是：1 ) 剪切面是个圆 弧，稳定系数f s 定义为“剪切面”上能提 供的抗滑力矩和关于圆心的滑动力矩之比； 2 ) 不考虑条分之间的作用力。参考图2 6 ， 设在第i 号分条上作用力有：土条自重形= r , b a ： 滑面上的抗剪力t 。和法向力n 则瑞典条分法的稳定系数一般性公式可写为： ( 啊+ 彤c o s q 培仍) c = 型_ 一 w , s i n a i i = l 1 6 图2 6 瑞典条分法受力图 ( 2 1 ) 第2 章岩堆体边坡稳定性分析的主要方法 式中：c l _ 土条剪切面所在土层的粘聚力； 中广 土条剪切面所在土层的内摩擦角； a 。- - - - - i 土条剪切面与o x 轴正向间的夹角； l 广土条剪切面的长度。 2 毕肖普( b i s h o p ) 简化法2 取出任一条分j 来看，如图2 7 ，其上作用力有土条自重w ；作用于土条底面 的切向抗剪力t j 、有效法向反力：、孔隙水压力咄；在土条两侧分别作用有法 向力e j 和马+ l 以及切向力玛和玛+ 1 。毕肖普( b i s h o p ) 简化法假定滑动面为圆弧面， 且： ) ( ，= x ，+ 1 2 x ，= 0 根据摩尔库仑强度理论，稳定系数为f 。时，切向抗剪力t ，和有效方向反力n ： 存在如下关系： 一椭三刮”羔 。 e只 、厶z 妃j 根据每一土条垂直方向力的平衡条件有： 。i 。1 v 一s i n 哆一( + q ) c 0 8 吩= o( 2 3 ) t 叶 ； 将( 2 2 ) 代入( 2 3 ) 并整理得： l ，也 卟c ”叫，一驾 ，古泛4 ，l 蠢$ 热= o o s 吁+ 半眨s ，盹 在极限平衡时，各土条对圆心的力矩之和为零，此时条间力的作用将相互 抵消，而各土条滑面上的有效法向力n ：的作用线通过圆心。因此，得到： 一r , r = 形胄s 缸哆一r ，r = 0 ( 2 6 ) j 1 1j = l 憨上f 第2 章岩堆体边坡稳定性分析的主要方法 将式( 2 3 ) 、( 2 4 ) 代入( 2 6 ) ，r x j = r s i n c e ) ，最后得到稳定系数公 式为： ，：茎圭坠：竺：! ! ：竺兰竺：塑眨7 ， w ，s i m ， 3 简布