（道路与铁道工程专业论文）特殊工况下边滑坡稳定性评估及分析方法研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 地震和暴雨同时作用是自然界中引发边( 滑) 坡灾害的一种特殊工况。在 一般情况下，这种工况是可以不予考虑的，但西攀高速公路全线6 5 公里位于 度地震区，气候条件潮湿多雨，汛期时间长，由暴雨、洪涝引发的山地灾害频 发，这使地震和暴雨同时作用于边坡的概率大大增加。因此根据实际工程需要， 本文采用两种方法一基于现行规范将地震和暴雨简单叠加法和基于 g e o - s l o p e 软件，采用动力有限元与极限平衡理论相结合提出一种动力耦合法， 分析西攀高速公路沿线工点在地震和暴雨共同作用下的稳定性，并得到了西 攀高速公路高烈度地震区地震和暴雨工况边( 滑) 坡工点灾势评估图。通过 统计工点的计算结果，论文探索采用将地震与暴雨工况简单叠加、以及地震和 暴雨耦合分析这两种方法评价边( 滑) 坡稳定性的差别，并对现行规范计算方 法的适用性作出评价。计算结果表明：地震和暴雨的耦合作用对边( 滑) 坡稳 定性的影响大于地震、暴雨单独作用的叠加对边( 滑) 坡稳定性影响，约平均 放大1 2 9 6 ，研究有益于促进地震和暴雨工况下边( 滑) 坡稳定评价方法的发展。 汶川地震后，余震的频繁作用在边坡的稳定性产生负面影响，在进行震后 边坡安全性评估时，其稳定性计算已不能考虑为震前的自然情况，本文利用 g e o - s l o p e 软件计算边坡在连续地震作用下的坡体内部应力损伤积累对稳定性 的影响，分别计算边坡在前震一主震、主震一余震两种地震序列情况下边坡的稳 定性与单独在主震、余震情况下边坡稳定性的差别。研究发现：( 1 ) 在主震之 前有小的前震对边坡的稳定性是有利的，但前震的上限值尚待确定；( 2 ) 边坡 在主震后，边坡内部的应力状态有所损伤，但其损伤程度应根据主震的量级、 边坡特征等确定，且其损伤累计效应根据余震的次数及量级确定。 关键词：边坡；滑坡；地震；暴雨：稳定性评价 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s t r a c t t h ec o u p l i n ge f f e c to fe a r t h q u a k ea n dr a i n s t o r mi sas p e c i a lc o n d i t i o nw h i c h c a u s e sl a n d s l i d e si nn a t u r a lw o r l d t h i sc o n d i t i o nd o e s n tb ec o n s i d e r e dg e n e r a l l y ， b u ti nx i c h a n g p a n z h i h u ah i g h w a y ，t h e r ea r e6 5k i l o m e t e r sl o n gl o c a t e di ns e i s m i c z o n e ，w i t hl o n gr a i n ys e a s o na n dt o r r e n t i a lr a i n s ，a n df r e q u e n tm o u n t a i nd i s a s t e r s a l w a y sh a p p e n ，w h i c hm a k e st h ep r o b a b i l i t yo fe a r t h q u a k ea n dr a i n s t o r ma c t i n go n t h es l o p ea to n et i m ei n c r e a s eg r e a t l y a c c o r d i n gt oa c t u a ln e e d s ，t w om e t h o d sw a s p r e s e n t e di nt h i sp a p e r ：o n eb a s e so nt h ec u r r e n tc o d ew h i c hs i m p l ya d dt h ee f f e c to f t h ee a r t h q u a k ea n dt h a to fr a i n s t o r m ，t h eo t h e rb a s e so ng e o - s l o p es o f t w a r e d y n a m i cc o u p l i n gm e t h o dw h i c hc o m b i n e sd y n a m i c se l e m e n ti n f i n i t ea n dl i m i t e q u i l i b r i u mt h e o r y i sc o n d u c t e dt o a n a l y z e t h e s t a b i l i t y o f s l o p e sa l o n g x i c h a n g p a n z h i h u ah i g h w a yu n d e rt h ec o u p l i n ga c t i o no fe a r t h q u a k ea n dr a i n s t o r m ， a n d ”p o t e n t i a ld i s a s t e ra s s e s s m e n tm a po ft h es l o p e so nx i c h a n g - p a n z h i h u ah i g h w a y i n t e n s i t ys e i s m i ca r e aa tt h ee a r t h q u a k e sa n dr a i n s t o r mj o i n te f f e c tc o n d i t i o n ”i sg o t t h i sp a p e rf i n d st h ed i f f e r e n c e so fs i m p l ea d d i t i o na n dt h ec o u p l i n ga n a l y s i so f e a r t h q u a k ea n dr a i n s t o r m ，a l s oe v a l u a t e st h ea p p l i c a b i l i t yo fr e g u l a rc o m p u t a t i o n a l m e t h o d s i ti sf o u n dt h a tc o u p l i n go ft h ee a r t h q u a k ea n dr a i n s t o r mh a sm o r es e r i o u s i m p a c to ns l o p es t a b i l i t yt h a ns i m p l ea d d i t i o nt h a to fe a r t h q u a k ea n dr a i n s t o r m s e p a r a t e l y ，a b o u t1 2 l a r g e ro na v e r a g e t h i ss t u d yi su s e f u lt op r o m p tt h e d e v e l o p m e n to ft h ee v a l u a t i n gm e t h o d st ot h es l o p es t a b i l i t yu n d e rt h ec o u p l i n g e f f e c to f e a r t h q u a k ea n dr a i n s t o r m a f t e rw e n c h u a ne a r t h q u a k e sh a p p e n e d ，f r e q u e n ta f t e r s h o c k sp l a yan e g a t i v ei m p a c t o nt h es t a b i l i t yo fs l o p e s ，w h i c hm a k ep r e - e a r t h q u a k es i t u a t i o nh a v eb e e nc h a n g e d g e o s l o p es o f t w a r ei su s e dt oa n a l y z es l o p es t a b i l i t yu n d e rc o n t i n u o u sa c t i o no f 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 ii 页 e a r t h q u a k e ，c o n s i d e r i n gt h ei n t e r n a ls t r e s sd a m a g ea c c u m u l a t i o no fs l o p e t w oc a s e s o ff o r m e rs h o c k - t h em a i ns h o c ks e q u e n c ea n dm a i ns h o c k - a f t e r s h o c ke a r t h q u a k e s e q u e n c ea r e c o n s i d e r e dt of r e dt h ed i f f e r e n c e so fs l o p es t a b i l i t ) r i ti sf o u n dt h a t ：( 1 ) t h ec o n d i t i o nt h a tm a i ns h o c kp r e c e d e db yas m a l lf o r e s h o c ki sp r o f i tt ot h es l o p e s t a b i l i t y ，b u tt h eu p p e rl i m i to fp r e s h o c ki st ob ed e t e r m i n e d ；( 2 ) a f t e rt h ea c t i o no f m a i ns h o c k ，i n t e r n a ls t r e s ss t a t eo fs l o p ei si n j u r e d ，b u tt h ed e g r e eo fi n j u r ys h o u l db e c o n f o r m e db a s e do nt h em a g n i t u d eo ft h em a i ns h o c k ，s l o p ec h a r a c t e r i s t i c si d e n t i f i e d ， f r e q u e n c ya n dm a g n i t u d e so fa f t e r s h o c k s k e yw o r d s ：s l o p e ；l a n d s l i d e ；e a r t h q u a k e ；r a i n s t o r m ；s t a b i l i t ya n a l y s i s 西南交通大学曲南父通大罕 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和 借阅。本人授权西南交通大学可以将本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、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密d 使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“ ) 学位论文作者签名：彳而毛 日期：妒卜歹 指导老师签名：易瓜 强：2 矿口? 。爻。i 西南交通大学学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作所 得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体 已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在 文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 砰为：编乏 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 问题的提出 第1 章绪论 我国正处于经济快速发展时期，大量的水电枢纽、公路、铁路及矿山等工 程的建设会出现很多高边坡问题。世界上，斜坡失稳产生的滑坡已成为与地震 和火山相并列的全球性三大地质灾害之一。滑坡灾害每年造成的经济损失巨大， 如美国在2 0 世纪7 0 年代，滑坡引起的经济损失达1 0 - 2 0 亿美元年，每年因滑坡 死亡的人数约2 0 - - 5 0 人。我国滑坡灾害频发，每年由于各种滑坡造成的损失达 2 0 0 亿元，在经过大量的滑坡实例调查表明，地震和暴雨是触发滑坡灾害的主要 诱因。 我国地处世界上两条最活跃的地震带之间，东有太平洋地震带，西有喜马 拉雅山一地中海地震带，以至于我国强震分布广，破坏性地震几乎遍布各省，其 中西部地区地震活动强，频度高。地震边坡所引起的灾害的严重性与独特的自 然地理环境密切相关，更与工程布局密切相关。随着我国西部大开发的不断进 行，大量的工程活动将会降低已有的自然边坡的稳定状态，同时会增加大量新 的人工边坡。若重大工程的边坡发生破坏，将有可能威胁到大城市、大企业及 若干人的生命财产安全，其损失将是十分巨大的。大量的震害调查结果表明， 地震诱发的边坡滑动是主要的地震地质灾害类型之一。在山区和丘陵地带，地 震诱发的滑坡往往具有分布广、数量多和危害大的特点。在2 0 0 8 年5 月1 2 日发生 的汶川地震触发了15 0 0 0 多处滑坡，估计直接造成2 万人死亡，约占地震灾害造成 8 8 万人死亡的2 5 。1 9 6 4 年a l a s k a 地震引起1 2 亿美元的损失中有6 7 亿( 占5 6 ) 来自地震诱发的滑坡，全部1 3 0 人死亡中有4 8 人死于滑坡n 3 。1 8 4 7 年的日本关东 大地震，移动的滑坡土体堵塞了犀河上游并形成7 0 砌长的湖泊，几千人被淹死。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 19 2 0 年我国甘肃海源8 5 级地震造成6 5 7 处大滑坡( 不包括极震区) ，边坡崩滑区 面积达5 万砌2 ，死亡人数约有2 0 万人心3 。1 9 8 3 年8 月2 5 日四川迭溪7 5 级地震而 诱发滑坡，使当时的迭溪城毁于一旦。1 9 9 4 年发生在美国n o r t h r i d g e 的6 5 级地 震，触发了面积超过1 0 4 o u 2 的1 1 0 0 0 处滑坡，经济损失高达3 0 0 亿美元1 。1 9 7 3 年发生于四川省炉霍境内的7 9 级地震触发了各种规模滑坡1 3 7 处，滑坡面积达 9 0 a n 2 ，死亡人数2 1 7 5 人h 1 。边坡失稳所造成的灾害令人触目惊心。 根据全国2 9 0 个县市地质灾害调查结果，滑坡在地质灾害中所占比例高达 5 1 ，而暴雨诱发滑坡比重竟占滑坡总数的9 0 。仅就三峡库区的秭归县而 言，1 9 9 6 年7 月2 - - 4 日持续的几天暴雨，诱发大小滑坡达2 3 7 处，且大都分布于该 县东半部的暴雨集中地区。在中国典型滑坡一书中列举了9 0 多个滑坡实例， 其中9 5 以上的滑坡都与降雨有着密切关系1 。在暴雨诱发的滑坡灾难中，人员 伤亡也十分惨重，如1 9 9 8 年全国范围内的特大暴雨诱发了大量的滑坡、崩塌和泥 石流，造成l1 5 7 人死亡、受伤人员超过1 万人。国外因降雨诱发的滑坡灾害也十 分严重，如1 9 9 5 年6 月美国弗吉尼亚；f l m d a i o s n 县，1 6 小时降水量达7 7 5i i u n ，诱发了 l0 0 0 多处滑坡。在日本1 9 8 1 年和1 9 8 2 年统计的1 9 8 处滑坡灾害中，与降雨有 关的滑坡就达1 9 5 处，占总数的9 8 旧1 ，因此，降雨特别是暴雨诱发的滑坡已经 成为我国乃至世界各国面临的最严峻的地质灾害问题之一。为此，我国每年花巨 资进行滑坡治理，以三峡工程库区为例，国家已经拨款几十亿元用于库区滑坡的 勘察、设计和治理工作。此外，从国家目标层面上看，国家中长期科学和技术发 展规划纲要( 2 0 0 6 - - - 2 0 2 0 ) 第1 0 部分“公共安全 的第( 6 2 ) 条“重大自然灾害 监测与防御 中已经明确提出要重点研究开发地震、台风、暴雨、洪水、地质 灾害等监测、预警和应急处置关键技术，森林火灾、溃坝、决堤险情等重大灾害 的监测预警技术以及重大自然灾害综合风险分析评估技术。 目前，国家正在推进匹部大开发建设，道路交通工程等基础设施建设势在 必行，因此大量的高边坡工程相继出现，针对西部多地震、多暴雨的情况，边 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 坡工程在这两种灾害情况同时出现的时候，保证关键工点的安全性是迫切需要 解决的问题，以保证灾后生命通道的畅通无阻，本文基于此问题，选取西攀高 速公路和川藏公路通麦至1 0 5 道班共十处典型边坡工点，采用g e o - s l o p e 软件来 对这种特殊工况下边坡稳定性的评价做一定的探索。西攀高速公路起于西昌黄 联关，止于攀枝花市，全长1 6 0 7 2 a n ，是交通部规划的八条西部大通道之一的 甘肃兰州至云南磨憨口岸公路的重要组成部分，具有很高的战略位置，保障这 条公路的顺利修建和安全运营是十分重要的。西攀地区山体横坡较陡，高速公 路线路稍微外移则是桥梁或高填方工程，向内移则是隧道或深挖方工程，所带 来的问题是工程造价较高并会造成环境污染。加之沿线含有较厚的松散上覆土， 其力学性质差( c 、尹值较低，土体承载能力较低) ，边坡稳定较差，自然状况下， 很容易产生垮塌和滑移等局部变形；当遇到地震、暴雨等恶劣天气时，其稳定 性更差。由于线路位于四川西南部有“地质博物馆 之称的攀西高山地区，地 形、地质十分复杂，有6 5 公里路段处于八度地震烈度区，且该地区气候湿润， 每年的七、八月份为集中降雨期，经常有暴雨天气，故地震和暴雨同时作用的 机率大大增加。川藏公路通麦至1 0 5 道班段位于藏东南深切峡谷区，谷坡地形陡 峻，新构造错综复杂、岩体破碎松散，降水丰沛，河流水系发育，河谷、沟谷 侵蚀下切强烈。本路段起点在西藏自治区林芝地区波密县通麦镇通麦桥东约1 0 k m ( 线路里程桩号k 4 0 9 1 + 1 4 0 ) ，终点至林芝县排龙乡境内原1 0 5 道班旧址( 线 路里程桩号k 4 111 + 4 3 3 7 2 8 ) 全长2 0 2 9 4k m ，是川藏公路的重要组成部分。该 路段位于青藏高原南部地震区，地震区划烈度度，区内地震活动频繁，新构 造运动强烈，地质构造错综复杂，岩体破碎松散，易失稳。两条线路均位于地 震活动频繁、降雨充沛，极易出现地震和暴雨同时作用的极端工况，因此为了 保障沿线边坡工点在这个极端条件下的安全性，需要评估边坡在地震和暴雨耦 合作用下的稳定性。而目前国内外学者对于边坡工点在地震和暴雨共同作用情 况下的稳定性所做的研究较少，并未对其机理或评估方法提出权威的标准，因 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 此本文就基于g e o - - s l o p e 软件的动力有限元计算和极限平衡原理想结合的方法， 评估西攀高速公路和川藏公路通麦至1 0 5 道班沿线典型边坡工点在地震和暴雨 同时作用下的稳定性，为这一领域的研究做出探索。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 地震工况下边( 滑) 坡稳定性分析研究现状 地震引发的边坡失稳问题是目前边坡工程失稳的主要原因，国内外也有大 量学者对此进行研究。近些年来，由于计算机技术的发展，实验方法的改进， 非线性动力学、分形理论及各种神经网络等数学方法的应用，边( 滑) 坡的三维 有限元动态模拟、岩土的动力学特性确定，失稳滑动面的寻找、滑坡的空间及 时间预测均已取得了相当的进展。但这些研究往往是针对某项重大工程而专门 开发，能否广泛应用于工程实践中，还有待于检验。而且由于计算机模拟的局 限性、岩土动力特性及地域的变异性，如何正确计入地震作用，如何找到真正 的最危险滑动面、如何正确地反映滑动面的特性等，目前国内外尚无较好的办 法。 1 2 1 1 边坡地震反应分析理论和方法 边坡地震反应是指地震所引起的边坡反应，它包括地震动在边坡中引起的 加速度、速度、位移和内力等。地震动对土体结构产生的响应是非常复杂的。 通常有如下问题： 震动期间发生的运动、位移和惯性力；形成的超孔隙水压力；土体剪切强 度的降低；惯性力、超孔隙水压力、土的剪切强度的损失对边坡稳定性的影响。 震动过后，超孔隙水压力重新分配和土壤液化问题；永久位移问题，当存在液 化问题时会导致巨大的破坏。 目前边坡地震反映分析大致可以分为拟静力法、滑块分析法、概率分析方 法、数值分析方法和试验法5 大类。 目前，所采用的数值计算法主要有有限元法、有限差分法、快速拉格朗日 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 元法、边界元法、离散元法、刚体弹簧元法、非连续变形分析方法、界面元法 和流形元等。根据各种数值分析方法的出发点及原理可知，有限元法、有限差 分法、边界元法和拉格朗日元法主要适用于看作连续介质及含少量不连续界面 的边坡；离散元法、非连续变形法、刚体弹簧元法主要适用于看作不连续介质 的边坡；流行元和界面元对于看作连续介质和不连续介质的边坡都适合。国内 外常采用的数值分析方法有有限元法、离散元法和快速拉格朗日元法。 有限元是最早应用于岩土边坡动力分析的。自从c l o u g h 和c h o p r a 乜鲫采用有 限元分析土坝的地震反应以来，有限元法已经在岩土边坡地震反应分析中获得 了广泛应用和发展。有限元发展的初期，用线弹性模型表示土的应力应变关系， 采用振型叠加法求解运动方程，以后，许多学者从本构模型、计算方法方面不 断加以改进。具体而言，计算功能已从最早的线性总应力方法，逐步发展为基 于非线性有限元基础上的有效应力动力分析方法和采用复杂弹塑性模型并考虑 岩土体与水耦合作用的动力分析方法，从只能分析一维问题发展到能够分析二 维、三维问题，从只能分析饱和土体发展到能够分析多相非饱和土体。本构模 型从早期的线弹性模型发展为粘弹性模型、弹塑性模型、边界面模型、内时模 型和结构性模型等。有限元不断发展的过程中，也出现了相应的计算程序，其 中具代表性的有加州大学b e r k e l e y 分校地震工程中心的q u a d - 4 和l u s h 等，吴世 明哺1 对有关的计算程序作了较为系统的总结。 离散元法是c u n d a l l 池2 1 首先把介质看作为不连续块体，基于牛顿第二运动定 律提出的。c u n d a l l 建立的离散元方法体系以时间步长为变量，对每一块体的运 动方法进行显式积分求得系统的响应；通过引入阻尼防止非物理振荡，块体内 部的弹塑性变形由块体内部的有限差分网格求出：通过动态的方法求得系统的 准静态解。b a r d e t 乜劓、陶连金乜钔等学者先后将离散元用于岩体动力问题。由于 离散元法它的基本假设是介质为不连续块体，因此，不能将其应用于连续介质。 快速拉格朗日法采用差分技术引入时间因素和采用滑移线技术实现了从连 续介质小变形到大变形的分析模拟，同时又避免了有限元与离散元不能有机统 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 一的矛盾，采用了与有限元类似的基本假设( 连续介质) ，计算岩土体的应力场 和变形场，但又可以计算离散元才能计算的岩体沿某一软弱面滑动和随时间的 延续变形逐渐增大的大变形问题，还可以模拟非线性材料的物理不稳定等。该 方法在岩土力学中得到应用始于美国i t a s c a 咨询公司，他们目前已推出实用的 商业化软件f l a c 3 d 乜副，祁生文嘶1 等许多学者用其进行了边坡动力响应分析。 试验法也是非常重要的手段。试验法，在满足相似律的条件下，能够较真 实直观地反映岩土边坡的薄弱环节及渐进破坏机理和稳定性程度，便于直接判 断边坡的地震稳定性，同时也是对各种数值模拟结果的检验和对照。试验法基 本上采用振动台和离心机模拟试验进行物理模拟。王思敬心7 3 最早通过振动模拟 试验探索了岩石块体运动时单一滑动面的摩擦特性等，取得了一些有重要价值 的研究成果。王存玉等啪1 在二滩拱坝动力模型试验中发现，岩石边坡对地震加 速度不仅存在竖向的放大作用，而且还存在水平向的放大作用。清华大学研究 过龙羊峡和二滩工程坝肩岩石动力特性及地震反应加速度，对库岸边坡进行了 有限元动力计算和模型试验。w a r t m a n 1 对粘土边坡也进行过振动台试验研 究，基于n e w m a r k 滑块分析法进行了位移计算。 1 2 1 2 边坡岩土体的动力特性、强度准则及参数测试 地震动作用下边坡岩土体的动力特性，主要是指岩土体的本构模型，即通 常所说的岩土体的动态应力应变关系。地震作用下的岩土体本构模型是极其复 杂的，它在不同的荷载条件、岩土材料及排水条件下会表现出极不相同的动本 构特性，从本质上说，岩土体的动本构模型是岩土体自身与其所处的环境在地 震作用下相互作用的综合反映。 国内外学者进行了大量的研究工作，取得了大量有价值的研究成果。关于 土的动本构模型大致可分为2 类：( 1 ) 依据弹性元件、粘性元件及塑性元件组合 串联或并联而成的机械模型理论；( 2 ) 基于各向异性运动硬化的塑性模型。对于 岩体基本上采用线性粘弹性模型门或线性弹性模型m 闰1 来表示其地震作用下的 动力行为，忽略了地震作用下的非线性行为。 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 强度理论是判断岩土体在复杂应力状态下是否破坏的理论，包括屈服准则 和破坏准则口劓。从1 7 7 3 年库仑提出的“摩擦”准则以来，许多学者对此进行了 大量的研究工作，提出了若干屈服准则和破坏准则m 1 ，但是强度问题是非常复 杂的，要想提供一个单独的理论有效地应用到各种结构材料上是不可能的啪1 。 岩土工程中常采用的有摩尔一库仑( m o h r - c o u l o m b ) 准则、德鲁克一普拉格 ( d r u c k e r p r a g e r ) 准则和辛克维奇一潘迪( z i e n k i e w i c z p a n d e ) 准则。值得指出 的是，岩土体的强度理论要根据具体岩土体的变形机理来选择。材料强度与荷 载作用方式和时间密切相关。现在所采用动力作用下的强度理论是直接引用静 力学的范围内建立起来的强度准则，未能考虑地震动作用时间内的动力屈服破 坏特性。 本构模型参数及强度准则参数的确定合理与否对模拟与预测岩土体的稳定 和变形是至关重要的。其参数的确定要依靠高精度的试验仪器和合理的试验方 法。所用的试验仪器有动三轴和共振柱等，所采用的试验方法根据长期积累所 得，有些已纳入到有关规范 。 1 2 1 3 边坡地震动输入 岩土边坡的地震稳定性与边坡所遭受的地震动特性密切相关，而边坡所遭 受的地震动与所在范围内的区域地震地质、地震活动背景等因素有密切关系。 现在的研究所采用的输入有： 采用基于规范要求的人工波；采用规则的简谐波；直接采用已有的强震记 录或基于强震记录进行调整的地震波；基于工程地震学原理所得的人工合成地 震波。 从工程地震学的角度看，输入地震动的影响主要体现在： 输入界面；地震动入射角度；地震动峰值、频谱和持时；基底地震动时空 差异性，比如行波效应等；最不利地震动的选择等。 以往的研究多集中在垂直入射上，且只对几条记录进行分析，s c o t t 等 系统研究了斜入射对斜坡地震反应的影响，但未明确给出对边坡地震稳定性的 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 影响。这方面的研究刚刚开始，有许多问题待深入研究。 1 2 1 4 边坡地震失稳机理与失稳位置 岩土边坡地震失稳机理是岩土边坡地震稳定性评价与治理的关键。所谓岩 土边坡地震失稳机理是指地震作用下直接引起岩土边坡破坏的主要原因。地震 对边坡稳定性的影响表现为累积效应和触发效应2 个方面啪3 。前者主要表现为地 震作用引起边坡岩土体塑性破坏和孔隙水压力累积上升等，后者主要表现为地 震作用诱发边坡的软弱层触变软化、砂层液化以及处于临界状态的边坡瞬间失 稳等。 胡广韬等口鲫站在动力学的角度，提出了高速滑坡启程剧动机理。毛彦龙等h 们 从理论上对地震滑坡的形成机理、坡体波动振荡的累进破坏效应、启动效应及 启程加速效应进行了详细的分析和探讨。 潘家铮h 订曾将“条分法”这个理论体系总结为： ( 1 ) 滑坡如能沿许多滑面滑动，则失稳时，它将沿抵抗面最小的一个滑面破 坏( 最小值原理) 。 ( 2 ) 滑坡体的滑面确定时，则滑面上的反力( 以及滑坡体内的内力) 能自行调 整以发挥最大的抗滑能力( 最大值原理) 。潘家铮对极限平衡法的理论基础作出 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的抗滑能力的那个。孙君实阻2 1 应用模糊数学理 论，对解的合理性问题提出了模糊约束条件，并对潘家铮的论点作了证明。 边坡稳定分析的第二步是在众多的可能滑裂面中寻找一个相应最小安全系 数的临界滑裂面。近年来，最优化方法被广泛应用于这一课题。b a k e r h 3 1 使用动 态规划来寻找最小安全系数。这个方法把求解最小安全系数和求解安全系数藕 合在一起，十分繁复。以后大部分研究者都开始使用最优化方法。我国张天宝1 对圆弧滑裂面采用解析法求解临界滑裂面，孙君实“羽采用复形法对任意形状滑 裂面确定最小安全系数，周文通m 3 使用p o w e l l 法计算“改良圆弧法的最小安 全系数，邵龙潭等h 铂用h o o k e - j e e v e s 直接搜索法求解最危险滑裂面和最小抗滑 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 稳定安全系数。 很多学者如宋二祥m 1 提出了基于有限于应力应变分析的边坡稳定分析方 法。邵龙潭h 刀给出的一种有限元边坡稳定分析方法。其基本思路是：定义安全 系数为沿整个滑裂面的抗剪强度与实际剪应力之比，用数学规划方法搜索得到 最危险滑裂面和最小抗滑稳定安全系数。邵龙潭还解释了安全系数定义的物理 意义，指出其为土体沿滑面整体达到极限平衡的平均强度折减系数。应用该方 法分析了经典的边坡稳定分析问题，同时又与b i s h o p 法及采用的有限元方法针 对同一算例作了比较，说明这种方法的可信性。 l k r a m e r h 铂在其专著中把地震边坡失稳概括为惯性失稳和弱化失稳两大 类。祁生文等嘞3 对地震边坡失稳进行了归纳，指出地震边坡失稳是由于地震惯 性力的作用以及地震产生的超孔隙水压力迅速增大和累积作用这两个方面造成 的。从已有的认识来看，比较公认的看法是地震惯性力和孔隙水压力是导致边 坡地震失稳的两大根本原因。一般来讲，塑性流动失稳破坏是孔隙水压力的累 积作用起主导作用；崩塌型、层体弯折型则是地震惯性力起决定作用；对于滑 动型破坏则视具体条件而定。其滑动型破坏的边坡的失稳破坏并不是瞬间便 发生整体破坏，而是一个由局部破坏以至贯通形成滑面的过程，目前地震作用 下的边坡渐进破坏失稳机理的数值模拟并不多见。 就地震作用下边坡失稳的位置而言，祁生文等嘞1 对边坡的工程地质模型及 其可能的变形破坏形式分为2 类：( 1 ) 受明显控制性结构面的边坡；( 2 ) 无明显结 构面控制的边坡。对于前者，通常是指存在软弱夹层的岩体边坡，可以通过系 统的工程地质勘察和监测来确定；对于后者，通常采用优化算法以每一计算时 步的安全系数最小为目标搜索确定，比如0 6 1 8 法和虎克一捷夫法等。 1 2 1 5 边坡地震稳定性评价指标 边坡地震稳评价评价指标是用于表征和评价岩土边坡地震稳定性的，评价 指标选取得合理与否在于是否能够合理地体现边坡整体稳定性程度，这是选取 评价指标的原则。在这方面国内外尚无统一的认识，目前所采用的评价指标有 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 安全系数和永久位移两类，哪个指标更合适尚无定论。边坡的稳定性评价指标 是采用安全系数还是永久位移，要根据边坡失稳后所产生的后果而定。目前安 全系数在我国工程中应用得最广泛，下面只对安全系数方面作一总结。 对于安全系数通常有三种判据哺： 基于强度判据的安全系数；基于某一变形量的安全系数；基于能量观点的 安全系数。对于整体剪切问题，安全系数可表达为抗滑力与下滑力之比。 采用地震动时程分析时，如何选取一个具有物理意义的评价指标来表征整 个地震动作用过程中边坡的稳定性呢? 这是具有实际意义的、值得深入研究的 课题。国内在这方面最近开展了少量研究，张建海等池1 提了最小动力安全系数。 赵剑明掣5 3 1 提出了用动力等效值法来确定边坡安全系数。刘汉龙等晦4 1 提出了最 小平均安全系数。薄景山腩5 3 提出了用平均安全系数。 1 2 2 暴雨工况下边( 滑) 坡稳定性分析国内外研究现状 暴雨诱发滑坡致灾机理、风险评估与减灾方法的研究应当以暴雨诱发滑坡 的机理研究为重点，进行暴雨诱发滑坡机理的试验和数值模拟研究，探讨暴雨诱 发滑坡的数值模拟方法、暴雨诱发滑坡的动态风险评估方法、减轻滑坡灾害的 工程措施。目前国内外对于暴雨诱发滑坡致灾机理、风险评估与减灾方法的研 究已经取得了相当进展，下面将从暴雨诱发滑坡的地质力学机制、暴雨诱发滑坡 的机理、暴雨诱发滑坡演化过程的数值模拟方法、暴雨滑坡动态风险评估方法4 个方面分述国内外的有关研究现状。 1 2 2 1暴雨诱发滑坡的地质力学机制研究 滑坡形成于不同的地质环境，并表现出各种不同的形式和特征。滑坡地质 模型研究之目的就在于对滑坡的各种表象特征以及产生滑坡的影响因素进行概 化组合，以刻画滑坡的内外在规律。科学的滑坡分类不仅能深化对滑坡的认识， 而且能指导其勘察、评价、预测和防治工作。尽管国际工程地质协会曾对分类 原则和统一分类方案进行过专门性讨论，但由于滑坡本身的复杂性，分类方案难 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 于统一。下面简要地介绍滑坡地质模型分类方法。国际工程地质与环境协会和 联合国教科文组织世界滑坡目录工作组提出了一套描述滑坡的标准术语，以后 被广泛采用。崔政权等根据地质条件的综合分析并借鉴近代变形、失稳的崩滑 体的变形、失稳条件与主诱发因素将三峡库区斜坡变形失稳实例概括为8 种类 型。晏鄂川等建立了具有层次系统性的综合滑坡分类体系，并将该滑坡分类体系 应用于三峡库区常见多发型滑坡地质模型研究。孙英勋针对目前滑坡分类复杂 且侧重于理论研究的问题，以滑面深度、岩性和滑面倾角三要素为分类重点，从 治理角度对滑坡进行了分类，提出了1 2 种滑坡类型。谢宝堂根据各自工作区域的 地质环境特点，从工程治理角度提出了相应的滑坡分类体系。在地质力学模型应 用子滑坡分析方面，br u e c k l 等探讨了地质力学模型在地震作用下岩质边坡 滑坡的过程。t a c h e r 等应用地质力学模型方法研究了排水系统对滑坡的影 响，并和监测数据进行了比较。f r a n c o i s 等采用地质力学模型方法和有限元方法 研究了莱茵河河谷滑坡的过程。沈泰从相似原理、模型材料选择、关键模拟技 术和在不同工程地质问题中的应用等方面介绍了地质力学模型试验技术的特点 及发展趋势。陶志平等建立了分析滑坡与隧道变形相互作用的4 类地质力学模 型，给出了针对隧道变形的不同特征选择工程防治措施的具体方法。肖诗荣等分 析了滑坡影响因素及其机制，建立了千将坪滑坡的地质力学模型。 1 2 2 2 暴雨诱发滑坡的机理研究 暴雨诱发滑坡的机理一直是滑坡灾害研究的核心问题，不同学者从不同的 视角对其进行了大量的研究，取得了丰富的研究成果。但是，由于这一问题涉及 的学科广，研究难度大，迄今尚未从整体上掌握暴雨诱发滑坡的内在机理。以下 对暴雨诱发滑坡机理研究的现状进行概述。 1 2 2 3 降雨入渗与径流研究 降雨入渗的研究重点是渗流问题。l i $ 等将饱和土力学理论应用到新加坡 残积土的研究。吴梦喜等对一般的饱和一非饱和渗流有限元计算方法加以改进， 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 从而消除了非饱和渗流数值计算中存在的数值弥散现象。坡面径流问题所用数 值方法一般有有限差分法、有限元法、有限体积法。如何确定坡面径流和非饱 和渗流之间的流量交换，即确定降雨情况下坡面径流与坡体非饱和渗流这一物 理过程的耦合问题一直以来都是一个难题。李兆平等采用一维非饱和渗流控制 方程，研究了降雨对边坡稳定性的影响。陈力等采用运动波理论和 两次改进后的g r e e n 2 a m pt 入渗模型建立了坡面降雨入渗的动力学模型。王 继华将土坡降雨入渗模式进行统一概化，并分析了影响土坡降雨入渗的主要因 素。陈卫忠等从研究岩石孔隙比和含水量两个基本量出发，考虑温度对渗流黏滞 系数和孔隙比的影响，建立了温度一水力一应力三场耦合方程。l a i 等提出了混 合介质渗透徐变耦合模型以及考虑完全连接、部分连接和等效连续的变形渗透 耦合公式，并推导出变形渗透耦合模型的控制方程。 1 2 2 4 降雨入渗对滑坡稳定性的影响机理 近2 0 年来，国内外在地下水对滑坡岩土体产生的物理、化学和力学作用等方 面进行了大量的研究。贺可强等采用位移动力学理论发现堆积层滑坡的位移动 力学特征主要取决于边坡的地下水位及其变化规律，且位移和位移速度在整体 失稳前具有强烈的波动性。罗先启等建立了分析滑坡在人工降雨情况下渗透特 性和变形破坏特性的人工降雨大型滑坡试验平台。许建聪等提出了松散土质滑 坡位移与降雨量的统计模型。张我华等运用现代非线性分析中的突变论方法，针 对在降雨裂缝渗透影响下由于软弱夹层介质的有效刚度侵蚀损伤导致的弱化效 应，提出了边坡失稳滑坡的尖点突变理论模型。周中等通过现场试验发现变形量 从坡面到坡体深部逐渐减小，入渗率随时间逐渐减小。当然，暴雨对斜坡稳定性 的影响目前主要采用暴雨滑坡的稳定安全系数进行评价。因此，建立考虑雨水入 渗机理的非饱和土斜坡稳定性分析方法成为重要的研究方向。主要有以下几种 方法：一是根据渗流计算，确定土体的孔隙水压力分布，并应用极限平衡法的条 分方法；二是考虑残余强度的方法，通过对土体抗剪峰值强度的折减来反映降雨 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 作用的影响程度；三是在有限元计算应力的基础上，根据实验室测定的非饱和土 的土一水特征曲线，确定现场土坡不同部位的含水量，查出相对应的基质吸力， 然后根据f r e d l u n d 提出的强度公式计算抗剪强度，直接计算安全系数；四是考虑 渗透力作用的斜坡稳定计算方法，通过有限单元法或其它一些简化方法得到斜 坡的渗流场及各个节点的渗透力，将渗透力作为斜坡稳定计算中的外荷载求其 稳定安全系数。 1 2 2 5 滑坡稳定性与降雨特征的关系 早期的研究主要是试图建立滑坡和降雨临界值之间的经验公式。如 o n o r d e r a 发现，在日本，当累积降雨量1 5 0 咖或每小时降雨强度2 0 m m 时，将 发生滑坡。近年来，我国学者基于某一地区的降雨与滑坡的统计数据，提出了各 自的见解。如殷坤龙等 指出降雨量的阈值受地区、滑坡类型等影响十分明显。 张珍等对重庆市的1 5 3 个滑坡案例进行了统计分析，得出了滑坡与日降雨量和累 计降雨量的关系。张玉成等指出滑坡发生的概率和滑坡数量不仅与降雨量的大 小成正相关关系，而且与滑坡发生的当天降雨及前期降雨特征关系密切。刘礼领 等认为在评价降雨入渗对斜坡稳定性的影响时，要充分考虑裂隙的影响，只有降 雨强度大于一个临界值时才会有充足的降水通过裂隙渗入到斜坡深部，从而影 响斜坡的稳定性。 1 2 2 6 暴雨诱发滑坡演化过程的数值模拟方法研究 在暴雨诱发滑坡的数值模拟方面，许多学者做了大量且比较深入的研究， 目前已有较成熟的商用软件，如大型通用有限元软件a b a q u s 、a di n a ，专业软件 如加拿大g e 0 2 s l o p e 公司基于有限元法的g e 0 2 s t u d i o ，以及北京理正软件设计研 究院开发的理正渗流分析程序等。常用的数值计算方法为有限单元法，它可以模 拟岩土的线性和非线性行为，最近也有离散元、d d a 及流形元方法等应用于滑坡 数值模拟中。有限元方法是进行暴雨滑坡数值模拟的重要手段，如朱海军等从渗 流机理的角度研究了达西定律不适用情况下的岩土体三维非线性渗流问题，讨 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 论了迭代收敛标准以及提高计算精度和加速收敛的技术等问题。荣冠等2 利用 非饱和渗流有限元方法得出了锦屏一级左岸高边坡雾化雨条件下的渗流场变化 规律。张卓等把裂隙程度比较大的岩体等效成连续介质，建立了不同降雨强度下 的入渗分析数学模型。贾苍琴等从固、液相质量守恒的角度讨论了非饱和非稳 定渗流的基本方程。李新平等研究了基于f l a c 3 d 的岩土体边坡极限状态确定方 法，将最大节点位移一时步曲线的收敛性作为极限状态判定准则，采用指定某时 步后在规定时步内最大节点位移增量是否一直减小来判断边坡稳定状态。王志 伟等研究了f l a c 程序模拟边坡渐进破坏和进行稳定性判断的可行性。谭文辉等 采用离散元方法进行了节理边坡地下水流动的数值模拟。雷远见等将通用离散 元u d e c 与强度折减法结合，对含多结构面的岩质边坡的稳定性进行了分析。刘先 珊等 提出了基于非连续介质方法的d d a 方法的非饱和水力应力耦合模型。张国 新等推求了考虑裂隙渗流情况下岩石系统的瞬时平衡方程及对任意裂隙进行安 全评价的局部安全系数。姜清辉等提出了三维不连续变形分析方法中地下水压 力的模拟方法。 1 2 2 7 暴雨滑坡动态风险评估方法研究 我国因7 0 地域为山区，每年由于各种滑坡造成的损失达2 0 0 亿元。为此，滑 坡的风险评估和管理正日益被人们所关注。h o 等对定量风险评估在滑坡风险分 析中的应用、存在的问题及其发展方向进行了详细评述。下面分别从滑坡概率 分析、滑坡后果评价、滑坡风险评估方法及滑坡风险接受准则的确定方法阐述 国内外的研究现状。在滑坡空间概率分析方面，石菊松等建议对同一地区用多种 模型方法来开展滑坡敏感性或空间概率制图。戴福初等采用两类和单类支持向 量机进行香港自然滑坡灾害空间预测。k a n u n