（道路与铁道工程专业论文）季节渗流边坡的稳定性研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第l 页 摘要 边坡的稳定性研究是岩土工程界中的一个重要课题，边坡的稳定 性与边坡本身的地质构造、岩土体的性质、施工扰动、地下水等诸 多方面因素有关，而地下水对其稳定性的影响尤为显著。鉴于此， 论文以望江岭边坡为依托，在广泛收集场地水文地质资料的基础上， 运用现场监测与数值模拟相结合的方法，对望江岭边坡在地下水渗 流场作用下的稳定性进行了评价。取得了以下研究成果： 1 论文提出了监测系统设计及实施的一般方法原则。根据依托 工程的特点对其进行了监测系统的设计，采集了相应的监测数据， 并对监测数据进行了比较详尽的分析。找出了造成该边坡局部较大 位移变形的三个主要因素：降雨的入渗、外部荷载作用以及施工的 扰动。 2 建立了望江岭边坡的三维数值模型，借助商业软件f l a c 3 d 对 边坡进行了流一一固耦合计算，对比分析了边坡在旱季与雨季两种 不同工况下位移情况：雨季时所发生的位移比旱季时要大一倍以上， 稳定性也要差得多。找出了最大位移发生的地方与位移量，并分析 了边坡的整体稳定性。 3 通过分析得出：降雨是该边坡失稳的主要诱导因素，雨水的 渗入使得边坡土体的饱和度增大，土体中渗入了的大量的孔隙水， 水体在渗流运动过程中，产生渗流的动水压力，使土体内应力场发 生变化，应力场的改变造成岩土介质位移场变化。 4 通过现场监测与数值模拟分析，为边坡的动态设计与施工提 供了理论依据与数据支持，对保证边坡的顺利施工起到了非常关键 的作用。 关键词：边坡：稳定性；现场监测；数值模拟：流一一固耦合 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 a bs t r a c t t h es t a b i l i t ya n a l y s i so fs l o p e si so n eo ft h es i g n i f i c a n tp r o je c t si n g e o t e c h n i c a le n g i n e e r i n gw o r l d i ti sr e l a t e dt om a n yf a c t o r s ，s u c ha s g e o l o g i c a ls t r u c t u r e ，c h a r a c t e r o ft h er o c ka n ds o i l ，c o n s t r u c t i o n d i s t u r b a n c e ，g r o u n d w a r t e r ，a n ds oo n ，o fw h i c hg r o u g w a t e ri so n eo ft h e m o s tm a i nf a c t o r s i nv i e wo ft h i s ，t h ep a p e rt a k e st h ew a n g j i a n g l i n s l o p e a s a b a c k i n g b a s e d o nt h e w i d e s p r e a d c o l l e c t i o no fl o c a l h y d r o g e o l o g i cd a t aa n dm e t h o do fi n s i t um o n i t o r i n gc o m b i n e dw i t h n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，t h es t a b i l i t yo ft h es l o p ei ng r o u n d w a t e rs e e p a g e h a sb e e ne v a l u a t e d t h ef o l l o w i n gr e s u l t sh a v eb e e no b t a i n e d ： 1 c o m m o n p r i n c i p l e o ft h em o n i t o r s y s t e m sd e s i g n a n d a p p l i c a t i o nh a sb e e np r o p o s e d t h em o n i t o rs y s t e mh a sb e e nd e s i g n e d b a s e do nt h ec h a r a c t e r so ft h ew a n g j i a n g l i ns l o p e ，a n da c q u i r e s r e l e v a n td a t a t h e nb ya n a l y z i n gt h ed a t a ，t h r e em a y o rf a c t o r s ， i n f i l t r a t i o no ft h er a i n f a l l ，o u t e rl o a da n dc o n s t r u c t i o np e r t u r b a t i o n h a v eb e e nf o u n dt oc a u s et h es l o p el o c a ld i s p l a c e m e n tv e r yl a r g e 2 t h ep a p e rs e t su p3 - dn u m e r i c a lm o d e lo fw a n g j i a n g l i ns l o p e ， t h e ni tu t i l i z e sf l a c 3 dt oc a l c u l a t ef l u i d s o l i dc o u p l i n gm o d e l ，f i n a l l y i t c o m p a r e s t h e d i s p l a c e m e n t i n r a i n y s e a s o nw i t ht h a ti n d r y s e a s o n t h er e s u l t si n d i c a t et h ed i s p l a c e m e n ti nr a i n ys e a s o ni so v e r t w i c ea s l a r g ea s t h a ti nd r ys e a s o n ，a n dt h a tt h es t a b i l i t yi nr a i n y s e a s o ni s p o o r e r f r o mt h er e s u l t s ，t h ep l a c ew h e r et h el a r g e s t d i s p l a c e m e n th a p p e n sh a sb e e nf o u n da n dt h el a r g e s td i s p l a c e m e n th a s b e e nc a l c u l a t e d t h e g l o b a ls t a b i l i t y o ft h es l o p eh a sb e e na l s o a n a l y z e d 3 b ya n a l y z i n gt h em o d e la n dt h ed a t a ，i ts h o w st h er a i n f a l li st h e m a i ni n d u c e df a c t o rb r i n g i n go nt h es l o p ei n s t a b i l i t y t h ei n f i l t r a t i o no f r a i n w a t e rm a k e ss a t u r a t i o no ft h es l o p es o i li n c r e a s e ，a n dt h ew a t e r p r o d u c e sd y n a m i ch y d r o p o w e ri nc o u r s eo ft h es e e p a g e t h a tc h a n g e s t h es t r e s si nt h es o i l ，w h i c hc a u s e st h ec h a n g eo fs o i ld i s p l a c e m e n t 4 t h r o u g hi n s i t um o n i t o r i n ga n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o na n a l y z i n g ， 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 i tp l a y sav e r yk e yr o l et op r o v i d et h e o r e t i c a lb a s i sa n dd a t as u p p o r tf o r t h e s l o p ed y n a m i cd e s i g na n d c o n s t r u c t i o nw h i c he n s u r e s l o p e c o n s t r u c t i o ns m o o t h l y k e yw o r d s ：s l o p e ，s t a b i l i t y ，i n s i t um o n i t o r i n g ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ， f l u i d s o l i dc o u p l i n g 西南交通大学 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 不保密酬使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“4 ”) 学位论文作者签名：刮- 寸 日期：泗占6 缈 指导老师签名：谚问 日期：朋， 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，是本人在导师指导下独立进行研究工作所取 得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其它个人或集体己经发表 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入承担。 学位论文作者鹕：哥召 日期：两盼6 月p 日 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 研究背景与意义 第1 章绪论 滑坡是斜坡上的岩土体由于各种原因在重力作用下沿一定的软 弱面( 或软弱带) 整体地向下滑动的自然现象，是一种多发性地质灾 害。在过去，滑坡往往发生于偏远山区、农田和森林原野等人迹活 动较少的地方，对人类造成的危害不大，没有受到足够的重视；但 随着社会的发展，人类活动频繁的加剧和扩展，受滑坡危害影响的 程度和规模也随之扩大。如19 6 3 年lo 月意大利瓦依昂特水库发生 库区体积达2 7 亿m 3 的大滑坡，造成12 5 m 高的水浪越过坝顶，横 扫下游河谷内的一切建筑物，死亡2 6 0 0 多人。表1 1 列出了世界重 大滑坡灾害实例。 我国也是滑坡灾害发生较为频繁的国家h 叫3 。据初步统计，我国 每年由于崩塌、滑坡等灾害造成的经济损失高达2 0 0 亿元，受到滑坡 威胁的地区约占全国陆地面积的1 5 l 4 ，近年来大规模的滑坡活动 进入了新的活跃期。在我国西南、西北、华东和华北地区、丘陵及黄 土高原都有大的滑坡分布，这些滑坡一旦发生，带来的损失将是无法 估量的。19 7 6 年6 月8 日，在雅砻江发生的唐古栋滑坡失稳边坡高 达10 0 0 m 。滑坡体总方量为o 6 8 亿m 3 ，堵塞河道后形成一个高达3 35 m 的大坝，库容6 8 亿m 3 ，9 天后天然坝决口，洪水以3 9 m 高的立波 形式冲向下游，洪峰流量为5 3o o m 3 s 。l9 8 5 年6 月12 日在三峡工程 坝址上游的的新滩小镇，在大规模的山体滑坡中完全消失，滑坡体冲 入长江，使长江航道受到阻碍。在人们的日常生活中，边坡失稳破坏 也经常出现。2 0 0 4 年5 月1 日重庆市武隆县发生的山体滑坡造成了 7 9 人死亡。2 0 0 5 年7 月6 10 日，四川省达州、巴中、广安、南充、 宜宾、泸州、甘孜等地先后发生暴雨洪涝、山体滑坡泥石流灾害，造 成7 6 6 5 万人受灾，紧急转移安置4 3 万人，死亡4 9 人，失踪9 人： 农作物受灾面积15 8 3 干公顷；4 2 万间房屋倒塌；直接经济损失31 3 4 亿元。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 爪哇19i9 年 中国，宁夏海源 19 2 0 年12 月l6 口 美国，加利福尼亚 l9 3 4 年12 月31 日 日本，久礼 日本，东京西南 秘鲁，r a n r a c h i r c a 意大利，瓦依昂 英国，a b e r f a n 巴西，r i od e j a n e i r o 美国，弗吉尼亚 19 4 5 年 19 5 8 年 19 6 2 年6 月l0 日 19 6 3 年 l9 6 6 年l0 月2 1 日 19 6 6 年 19 6 7 年 19 6 9 年 泥石流 黄土流 泥石流 冰和岩石崩塌 岩石滑坡进入水 库 流动滑坡 泥石流 日本 l9 6 9 年19 7 2 年各种灾害 秘鲁y u n g a y c h u n g a r 香港 日本，k a m i j i m a 意大利南部 秘鲁，y a c i t a n 尼泊尔西部 中国，东乡县洒勒 哥伦比亚， a r m e r o 土耳其，c a t a k l9 7 0 年5 月31 日地震引起碎屑崩 19 7 1 年 19 7 2 年 19 7 2 年 1 9 7 2 年1 9 7 3 年 19 8 3 年 1 9 8 3 年 19 8 3 年 各种灾害 各种灾害 黄土滑坡 19 8 5 年11 月泥流 19 8 8 年6 月 510 0 人死亡，1 4 0 个村庄被毁 约2 0 万人死亡 4 0 人死亡，4 0 0 间房子被毁 1 15 4 人死亡 1 1 0 0 人死亡 3 5 0 0 多人死亡 约2 6 0 0 人死亡 1 4 4 人死亡 l0 0 0 人死亡 l7 0 0 人死亡 l5 0 人死亡 519 人死亡， 13 2 8 8 间房被毁 2 5 0 0 0 人死亡 2 5 9 人死亡 13 8 人死亡 1 12 人死亡 约l0 0 个村庄被 毁，影响2 0 万人 2 3 3 人死亡 l8 6 人死亡 4 个村被毁，2 2 7 人死亡 约2 2 0 0 0 人死亡 6 6 人死亡 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 滑坡问题是国内外水电、矿山、铁路、公路等各行业普遍关注的 问题。19 9 2 年宝成铁路19 0 k m 处发生滑坡，中断运输3 5 天，虽滑坡 体积仅3 0 万立方米，但居高临下，砸坏了隧道外接的明洞，被迫改 线4 8 5 k m ，花费8 5 0 0 万元。l9 8 0 年7 月，成昆铁路铁西车站发生 岩石顺层滑坡2 0 0 万立方米，中断运输4 0 天，治理滑坡花费2 3 0 0 万元。南昆铁路在南盘江边的八渡车站设置在一老滑坡体上，滑坡体 约5 0 0 万立方米。l9 9 7 年7 月滑坡复活，严重威胁车站安全，采用 地表和地下排水及抗滑桩治理滑坡，共花费9 0 00 余万元，创下铁路 滑坡治理费用之最。高速公路因标准高，路面宽，对山体破坏大，遇 到的边坡失稳和滑坡更多，危害更严重。如深圳一汕头高速公路 l0 lk m 处滑坡，采用抗滑桩和明洞处理，花费8 0 0 0 余万元。同江一 三亚高速公路闽北段八尺门互通区设在滑坡体上，开挖后滑坡部分复 活，治理滑坡花费5 0 0 0 余万元。北京一珠海高速公路粤北段10 8 k m 处滑坡三次变更设计，延误工期二年，花费2 0 0 0 余万元【5 】。 近年来，随着我国资源、能源开发及基础建设的不断深入，我 国已经成为世界上工程建设规模最大的国家，这将是我国面临前所 未有的工程地质灾害问题。为了防止这种灾害的发生，进行滑坡稳 定性分析研究具有非常重大的现实意义。鉴于此，本文以望江岭隧 道出口与大桥斜坡为依托，在施工过程中采用各种手段，通过不同 途径获取边坡的各种信息，并通过信息反馈及时优化设计和调整施 工方法，结合数值模拟等方法对该边坡稳定性进行了预测分析与系 统评价。 1 2 国内外研究状况 1 2 1 关于滑坡的研究现状 滑坡研究源于2 0 世纪2 0 年代的瑞典，但大量深入研究是上世 纪第二次世界大战之后随着各国经济的发展和山区土地的开发利用 才开始的。l9 5 0 年美国学者k t e r z a g h i 发表了滑坡机理的论文， 系统地阐述了滑坡产生的原因、过程、稳定性评价方法以及在某些 工程中的表现。19 5 2 年澳大利亚一一新西兰的区域性上力学会议上， 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 所有报告几乎全与滑坡有关，即研究滑坡土的强度特性。19 5 4 年9 月在瑞典的斯德哥尔摩召开全欧第一届土力学会议，主题就是滑坡 稳定性问题，其中2 3 篇报告中介绍了挪威、瑞典、英国等国家的滑 坡。l9 58 年美国公路局的滑坡委员会编写了滑坡与工程实践一 书，是世界上第一本全面叙述滑坡防治的专著。l9 6 0 年日本的高野 秀夫发表了滑坡与防治一书，19 6 4 年3 月日本正式成立滑坡协会， 出版季刊滑坡，后又成立滑坡对策协会，出版滑坡技术，这 是当时国际上两种关于滑坡的专门刊物。19 6 4 年前苏联又召开全国 滑坡会议，出版了论文集，介绍高加索、克里米亚和西伯利亚等地 的滑坡。l9 6 8 年在布拉格举行第2 3 届国际地质大会期间，酝酿成立 了国际工程地质协会，同时也成立了“滑坡及其块体运动 委员会， 捷克人j p a s e k 担任主席。这是当时关于滑坡的一个国际性组织， 成员尚不足2 0 人，在各次召开的国际滑坡学术讨论会上，各国专家 就滑坡研究的现行方法和技术以及突出的新进展交换观点和交流经 验。 半个多世纪以来，在滑坡的发生、发展规律和有效防治措施的研 究上有了长足的发展，如对不同类型滑坡产生的环境地质条件、作 用因素的定性定量研究，滑带土残余强度的研究，滑坡分布规律的 研究，监测预报技术的研究等。e h o c k 和j w b r a y 于l9 7 7 出版的 r o c ks l o p ee n g i n e e r i n g 将边坡失稳破坏归纳为平面破坏，楔体破 坏，圆弧破坏和倾倒破坏四种类型i ，系统的论述了边坡破坏的基本 力学机理，抗剪强度的实验确定，以及边坡破坏类型和稳定性分析 方法。d o u g l a s s t e a de r i k e b e r h a r d i 在总结露天高边坡的破坏机制 时，将边坡失稳机制分为六类 j ：( 1 ) 双结构面破坏( b i h n e a r s l a b r a i l u r e ) ，( 2 ) 犁起破坏( p l o u g h i n g ) ，( 3 ) 弯折破坏( b u c k l i n g ) 、( 4 ) 逐步破坏( s t e p p a t h ) ，( 5 ) 平面型失稳( p l a n a rf a i l u r e ) ( 6 ) 旧有构 筑失效( o l dw o r k i n gc o i l 即s e ) ，这种分类方法简明易懂，直观反应 了边坡失稳破坏的力学机制。文献 8 13 】比较全面地反映了国外边坡 研究的成果。目前，国内外进行边坡稳定性评价的主要方法有：刚 体极限平衡法、刚体弹簧元法、有限元法、可靠度分析等方法。 我国对滑坡的系统研究是建国后才开始的。19 51 年在西北铁道 干线工程局成立“坍方流泥”小组，19 5 6 年成立坍方研究站，19 5 9 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 年成立坍方科学技术研究所一一即西北研究所滑坡研究室的前身。 l9 5 9 19 7 3 年期间召开滑坡防治经验交流及科研协作会议，其l9 5 9 和19 7 3 年两次实质上是全国性学术交流会。l9 58 年出版宝成铁路技 术总结路基设计与坍方滑坡处理，19 6 2 年出版铁路路基设计手册 滑坡地区路基设计，l9 71 年西北研究所编写了滑坡防治一书， 从19 7 6 年到目前为止，我国出版了滑坡会议论文集滑坡文集十 二集，它的目的是交流我国各部门滑坡防治研究成果和防治工程经 验。晏同珍分析了滑坡的平面受力状态，提出了流变倾覆、应力释 放平移、震动崩落及震动液化平推、潜蚀陷落、地化悬浮一一下陷、 高势能飞跃、孔隙水压力浮动、切蚀加载、巨型高速远程等九种滑 动机理_ q ；张倬元、王兰生等从坡体的地质结构和受力过程出发提出 六种模式：蠕滑一拉裂、滑移一压致拉裂、滑移、滑移一弯曲、弯曲 一拉裂、塑流一拉裂_ 5 | ；胡广韬研究了巨动式滑坡并提出了“闸门效 应 的概念n 引。 1 2 2 关于现场监测的研究现状 岩土工程由于其物质组成、结构以及它们所处的环境的复杂性， 单纯靠数学、力学方法是很难以工程设计要求的精度对工程岩土体 的变形破坏过程进行预测的。而岩土工程的失稳破坏，都有从渐变 到突变的过程，一般单凭人的直觉是难以发现的，必须依靠设置相 当精度的监测仪器进行周密监测。 现场监测的发展是随着岩土工程失事造成的巨大损失为人们提 供教训后，不断的寻求解决方法而逐步发展完善起来的。在此之前， 岩土工程主要依靠结构物的可靠度设计来保证其安全，但由于岩土 体的复杂性和不确定性，加之岩土力学又是一门新的科学，尚属半 经验半理论的性质，这就使岩土工程具有很大的风险性。2 0 世纪5 0 年代以来，工程界逐步认识到，岩土工程事故大多是由于基础失稳 引起的，对基础进行现场监测，及时得到基础信息并采取相应的防 治措施，可以预报、预防事故的发生，减少或防止财产损失和人员 伤亡的现场监测方法逐渐得到重视。2 0 世纪7 0 年代以来，对现场监 测项目的确定，监测仪器的选择、布置，监测仪器的埋设技术，以 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 及观测方法和观测资料的整理分析等方面的研究工作大大加强。进 入2 0 世纪9 0 年代，现场监测的硬件和软件迅速发展，范围不断扩 大，监测自动化系统，数据处理系统，资料分析系统，安全预报系 统不断完善，工程设计采用新的可靠度设计理论方法以来，现场监 测作为必要手段，成为提供设计依据，优化设计和可靠度评价不可 缺少的手段1 4j 。 在我国，从上世纪8 0 年代初开始，科技攻关和工程实践对所存 在的问题进行了广泛而深入研究，监测设计和监测方法不断改进， 在一些大型工程中深入研究了安全监测布置，一些考虑地质地貌条 件、岩土工程技术性质，工程布置、监测空间和时间连续性要求等 因素的安全监测布置原则和方法相继提出，在充分研究了岩土工程 安全监测仪器的使用和经验和效果、仪器种类和技术性能、质量评 定标准的基础上，确认了一些选型用的仪器。对这些仪器的技术指 标、适用条件、稳定性等也有了评定标准。安全监测仪器安装埋设 与观测的标准化，程序化和质量控制措施也逐步形成和完善，并相 继编制了各种建筑物安全监测规程、规范、指南和手册i i 7 j 由于道路工程发生破坏时产生的灾害性后果和社会影响相对于 水电站、矿山、桥梁、隧道等其它工程低，且在发生破坏后可以采 取一定程度的补救措施，从而客观上降低了人们对道路工程危险性 的重视程度，影响到现场监测在道路工程中的应用。现场监测工作 首先是由于安全监测的需要，在一些大型的矿山和水电工程中得到 应用，如湖北大冶矿露天采场边坡作过多点位移计、测斜仪、锚杆 应力计等监测，四川二滩电站库首滑坡作了变形网、钻孔测斜仪、 渗压计、平洞位移、应力等监测，湖北三峡工程茅坪溪防护工程泄 水洞进口高边坡作了钻孔测斜仪、多点位移计、测缝计、和锚杆应 力计等监测，这些工程中现场监测的成功应用和监测取得的成果为 现场监测在其它工程中的应用起到了良好的示范推动作用。随后在 一些可靠度要求高的工程中，逐渐开展了现场监测的应用，如：基 坑开挖18 1 9 - 2 刚、地下工程【21 2 2 1 的建设中等等。现场监测在道路工 程中的应用开始于上世纪末，在桥梁( 1 3 2 4 1 、隧道【：5 2 6 27 1 、高边坡 f 2 8 2 9 3 0 】等易发生安全事故的部位开展了一些现场监测工作，如对桥 梁、隧道及边坡进行变形监测以预防其发生失稳破坏。其中出现了 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 许多较新的现场监测方法，如在变形监测中控制网的布设等。 由于起步较晚，加之道路工程自身的复杂性使得现有的现场监 测方法仍有许多不足之处。表现为缺少经验，面对现有的众多的监 测方法和监测仪器，无法针对被监测对象的具体特点，充分考虑各 种有效的监测方案和监测仪器的性能特点，选择最有效的监测方案 和监测仪器，使得在面对具体工程和结构时监测结果的代表性低， 同时无法确保监测结果在时间上和空间上的连续性要求，影响现场 监测在道路工程中的应用与发展。现阶段，随着我国国民经济快速 发展对道路工程的要求不断提高，使现场监测在道路工程中得到应 用与发展。同时也对道路工程的现场监测提出了新的要求，这种要 求有几个方面：一是对道路工程安全性的要求，随着新建道路等级 的提高和对旧有道路的改建，道路沿线的桥梁、隧道、高边坡、高 填方等工程也不断增加，为确保这些工程施工及运行中的安全，现 场监测被广泛采用。二是对道路工程路用性的要求，它要求针对道 路工程中的如路基沉降、路面开裂等问题开展科学研究，提出解决 办法。三是一些新的施工工艺、方法如加筋土挡墙、锚杆、锚索等 的应用，也迫切需要通过科学研究提供理论依据和支持。要开展这 些科研工作，需要应用现场监测方法，取得工程的实际数据，这也 从一个方面推动了现场监测在道路工程中的应用。四是道路工程的 维护保养是在规模道路工程建设后的一个重要的工作内容，借助现 场监测方法，可以对道路的运行状态进行科学的评价，为道路工程 的维护保养提供依据，是道路工程现场监测的一个发展方向p 。 1 2 3 关于数值模拟的研究现状 现代工程建设的工程地质问题己相当复杂，在对这些问题进行 分析时，传统的解析解法受到很大的制约。于是，人们在广泛吸收 现代数学、力学理论的基础上，还借助于计算机来获得满足工程要 求的数值解，这就是数值模拟。在岩土工程中当前较为常用的几种 数值方法有：有限单元法( f e m ) 、离散单元法( d e m ) 、非连续变 形分析方法( d d a ) 、f l a c 方法、数值流形方法、界面元法、人工 神经网络分析方法及耦合方法等f 3 郅。 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 有限单元法是最为广泛使用的一种数值分析方法。目前已经开 发了多个二维及三维有限元分析程序，可以用来求解弹性、弹塑性、 粘弹塑性j 、粘塑性等问题。有限元的优点是部分地考虑了边坡岩体 的非均质和不连续性，可以算出边坡内的应力场和位移场分布，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。如果进 行逐步非线性分析，还可了解土坡的逐步破坏机理，跟踪土坡内塑 性区的开展情况，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。 f l a c 是力学计算的数值方法之一，源于流体动力学，把拉格朗 日法移植到固体力学中，将所研究的区域划分成网格，其结点就相 当于流体质点，然后按时步采用拉格朗日法来研究网格结点的运动。 f l a c 方法是一种利用拖带坐标系分析大变形问题的数值方法，可考 虑岩土体的复杂性、可变性以及非均质、不连续、大变形、大应变、 非线性和应变软化特性等，还可以模拟任意形状、任意特性的结构 体与岩土体的相互作用。美国i t a s c ac o n s u l t i n gg r o u p i n c 把该方法率 先应用于岩土体的工程力学计算中，并开发出应用软件，于19 8 6 年 推出了二维f l a c 软件第一版( f l a cv 1 0 ) ，随后相继推出了升级版 的二维f l a c 程序以及三维f l a c 程序( f l a c 3 d ) 。与有限元软件相比， f l a c 有以下优点：采用混合离散化法正确模拟了塑性破坏及塑性流 动；采用动态方程求解，克服了系统模型内的不安定因素：采用显 式解析法，不需要建立刚性矩阵，节省内存，在解决非线性问题时 大大提高了运算速度 3 3 j 。 近年来，在f l a c 分析方法的工程应用方面，我国学者做了大量 的尝试。寇晓东，周维垣等”4 】运用f l a c 3 d 软件对三峡船闸高边坡的 锚固稳定性及其作用机理进行了研究，成功地模拟了岩体的三维力 学行为。朱继良，黄润秋 3 5 j 应用f l a c 3 d 分析了某大型水电站水文站 滑坡蓄水后的稳定性，结果表明：在蓄水初期，滑坡体的变形量小， 滑坡体的整体稳定性较好。随着蓄水位的增加，其变形量也逐渐呈 增大的趋势。当蓄水位达到l8 5 0m 高程时，滑坡体就开始发生了局 部的较大变形或破坏。当达到正常蓄水位时，变形与破坏现象进一 步加剧，范围也进一步有所扩大。但总的来说，水文站滑坡整体稳 定性较好，属中浅层滑坡。胡斌等”6 j 结合龙滩水电站左岸边坡区工 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 程地质条件以及实测地应力资料，分析了研究区域初始地应力的影 响因素。在各影响因素单独作用下，采用f l a c 3 d 计算程序对建立的 左岸高边坡三维地质概化模型进行计算，并在实测点地应力值与计 算得到的应力值之间建立多元回归模型，通过多元回归分析，求出 最优回归系数，最终获得左岸高边坡区初始地应力场较为合理的分 布规律，为左岸高边坡开挖模拟及长期稳定性分析提供了合理的三 维初始地应力场。 在研究岩体边坡位移特征及破坏模式时，通常采用离散单元法。 离散单元法( d e m ) 由c u n d a l l f 3 7j 于l9 7 0 年提出。像有限单元法那 样，它将区域划分成单元。但是，单元因受节理等不连续面控制， 在以后的运动过程中，单元结点可以分离，即一个单元与其邻近单 元可以接触，也可以分开。单元之间相互作用的力可以根据力和位 移的关系求出，而个别单元的运动则完全根据该单元所受的不平衡 力与不平衡力矩的大小按牛顿运动定律确定【3 8 】。离散单元法的一个 突出的功能是它在反映岩块之间接触面的滑移、分离与倾倒等大位 移的同时，又能计算岩块内部的变形与应力分布。任何一种岩体材 料的本构模式都可引入到模型中，如弹性、粘弹性、弹塑性或断裂 等均可考虑。 在我国，离散单元法的研究与应用始于8 0 年代中期。王泳嘉”剐 首次应用这一方法于节理岩体的数值分析中，研究了放矿的数值模 拟与自然崩落机制。一些学者针对散体材料复杂的微观作用机制， 在随机生成的堆积体模型的基础上，采用离散单元法，分别研究了 重力场内四面体及球体组成的微观结构特性 3 9 】。王涛等【4 0 】针对水电 工程中的地下洞室群围岩稳定问题，在对围岩可能出现的破坏类型 分析的基础上，采用i t a s c ac o n s u l t i n gg r o u p i n c 研制的三维离散元 软件3 d e c 建立计算模型，对随机结构面进行了模拟，计算出了开挖 过程中可能出现的破坏块体。朱焕春等【4 1 针对三峡永久船闸中隔墩 在开挖期间出现了北倾变形现象，对现场地质条件、监测资料、开挖 和加固与变形之间可能的关系进行了综合分析，论证了北倾变形的 局部性和结构面控制特点。认为在闸室开挖初期阶段，两侧闸室的 不均匀开挖是引起北倾变形的主要因素；在开挖中期，不均匀开挖 起作用的同时，普遍存在的北倾结构面开始发挥重要作用；后期在 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 对北倾结构面控制的中隔墩北侧潜在不稳定块体进行加固的同时， 也把一部分荷载转嫁给南侧岩体，成为导致北倾变形的主要因素。 针对变形的非连续特点，运用3 d e c 软件建立了三峡船闸基于非连续 力学的三维离散元模型，论证了这一机理的可能性。 由石根华与g o o d m a n 42 j 提出的d d a 方法也属于离散元模型的 一类，它在求解块体变形与应力时用应变模态组合来代替c u n d a l l 的 有限差分格式。它解决了岩体的大变形和大位移问题。d d a 以位移 作为基本未知量，按结构矩阵分析的方式求解平衡方程，主要适用 于不连续块体系统。 石根华在研究d d a 与有限元的数学基础上，提出了d d a 与有 限元的统一形式，即数值流形方法( n m m ) 【43 1 。清华大学周维垣【4 4 】 等将其引入到我国。n m m 以流形分析中的有限覆盖技术为基础，统 一解决了连续与非连续变形的力学问题。n m m 中的网格就是数学覆 盖，这些数学覆盖互相重叠并且覆盖了整个计算区域，在每个数学 覆盖上定义互相独立的位移近似函数。这些数学覆盖被物理边界切 割而形成物理覆盖，物理覆盖的重叠区域即形成单元。然后将这些 覆盖上的位移函数结合起来形成计算域上的全域位移近似函数，在 每个单元上的近似函数就是形成此单元的若干个互相重叠的覆盖上 的近似函数的加权平均，然后即可利用最小位能原理形成整体平衡 方程。在n m m 中，积分方法采用了单纯形上的解析积分形式，这是 与传统数值方法的一个很大的不同。 界面应力元模型源于k a w a i 教授提出的适用于均质弹性问题的 刚体一弹簧元模型 4 5j 。其建模思路可以概括为三个方面：首先，假 定单元的变形累计在界面层，单元本身就可视为刚体，因而可采用 分片刚体位移模式构造结构的位移场，使其逼近真实的位移场；其 次，基于相邻块体单元的相对变形和不同的材料特性( 非均质、各 向异性、弹塑性、非线性及粘性等) ，导出界面应力公式并以此表征 结构的应力场；最后根据偏微分方程的弱解形式一加权残量法或虚 功原理或放松界面位移连续条件的广义变分原理，建立相应的支配 方程，得到结构和不连续面上的变形以及众多界面上的应力。 人工神经网络理论是8 0 年代后期在世界范围内迅速发展起来的 一门解决非线性问题的科学。人工神经网络是由大量的神经元广泛 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 相互联结而成的复杂系统，它基于现代科学研究成果，能反映人脑 思维的一些基本特性。网络的信息处理由神经元之间的相互作用实 现，知识与信息的存储表现为网络元件互连间分布的物理关系，网 络的学习与识别决定于各神经元连接权系数的动态演化过程。神经 网络以其连续时间、非线性、网络的全局作用、大规模并行分布处 理及高度的鲁棒性和学习联想能力，在解决岩体工程中的非线性关 系、参数识别、预测等方面表现出巨大的潜力，因而近年来受到相 关研究人员的广泛关注，成为研究热点之一。冯夏庭等”6 j 应用神经 网络理论，提出了圆弧破坏和楔体破坏的边坡安全系数估计的一种 推广学习算法。用该法对从文献中以及国内3 0 多个露天矿边坡中收 集到的8 2 个危险圆弧破坏的边坡实例( 其中破坏实例4 4 个，稳定 实例38 个) 和14 个危险楔体破坏的边坡实例( 破坏8 个，稳定6 个) 进行学习，然后进行推广，预测出新边坡的安全系数。 1 3 本文研究的主要内容、方法及技术路线 1 3 1 本文研究的主要内容、方法 本文以攀( 枝花) 田( 房) 高速公路望江岭隧道出口与大桥滑坡为 依托工点，通过对边坡的现场监测与数值模拟分析，对边坡稳定性 评价中的一些重点方向进行研究，为设计、生产工作提供一定的理 论依据。 ( 1 ) 测试边坡在开挖、爆破等人类工程活动过程中的变形状态， 掌握边坡的变形特征及及发展规律，对边坡的施工及长期稳定性作 出评价。 ( 2 ) 结合岩石强度参数的测试，为滑坡体的数值计算模拟提供基 础数据及验证。 ( 3 ) 通过监测，根据边坡的实际变形情况，优化设计。 ( 4 ) 通过数值模拟，对边坡的稳定性进行判别与预测。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 1 3 2 本文研究的技术路线 论文所采用如图1 1 的技术路线进行研究。 图1 1 研究技术路线 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 第2 章工程地质特征及现场监测设计 2 1 场地工程地质条件 2 1 1 场地位置及地形地貌 望江岭隧道出口与大桥滑坡位于攀枝花市仁和区平地乡波西村 北东侧的10 8 国道下方的山地斜坡上，望江岭隧道下穿10 8 国道后 以斜坡路堤与望江岭大桥相接，距l0 8 国道约3 0 6 0 m 。在建公路分 为相距3 0 m 的左右线，路面高程19 7 5 l9 8 0 m ，l0 8 国道路面高程 2 0 0 6 2 01o m ，相对高差2 5 3 5 m 。 场地斜坡平面呈向南东凹凸相间的形态，在10 8 国道以上横坡 变化在l0 4 0 。间，坡上荒草、灌木茂密。10 8 国道以下，地形普遍 较陡，横坡变化在3 0 3 5 。间，有数条冲沟发育( 局部沟床切深3 0 5 o m ) 。场地内松散层广布，岩性杂，坡表多出露含角砾低液限粘土， 局部块石散布，最大粒径可达十余米，基岩露头仅少量出露于1 0 8 国道上边坡及方山陡崖处。 测区内金沙江高程为9 3 0 m ，山顶( 方山) 高程2 318 7 m ，相对 高差约l4 0 0 m ，场地位于方山陡崖下l0 8 国道处，地面高程变化在 18 8 0 - - - 2 0 7 0 m 间，属侵蚀构造高中山区的斜坡堆积地貌。斜坡远景图 见图2 一l 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 2 1 。2 地层、岩性 图2 1 望江岭边坡远眺图 场地出露及钻孔揭露的地层为新生界第四系全新统崩坡积层 ( q 4 c + d 1 ) 、混合堆积层( q 4 “) 、滑坡堆积层( q 4 血1 ) 和中生界白垩系 上统江底河组( k 2 j ) 。现由新至老分述如下： 1 第四系全新统( q 4 ) 1 ) 崩坡积层( q 4 时) 块石夹土，紫红浅红棕色，石质成分以细砂岩为主，粉砂岩、 粉砂质泥岩少量，棱角状，部份块石、角砾强风化。松散，稍湿 潮湿，透水性较好。结构不均，个别块石直径大于lo o m ，局部块石 含量较少而成块石质土、含角砾低液限粘土。分布于l0 8 国道上方 局部斜坡，原钻探揭露厚5 5 0 6 0 5 0 m 。 2 ) 混合堆积层( q 4 “) 混合堆积层( q 4 h ) 系在过去金沙江对方山冲蚀形成陡崖、宽谷 的地貌背景条件下，由崩塌、错落、滑坡、坡积形成的初始堆积体， 其后在初始堆积体上又产生滑坡、泥石流等自然地质灾害。该混合 堆积层由块石、块石夹( 质) 土、小块石夹( 质) 土、粘土质角砾、 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 含角砾低液限粘土等交错堆积构成。 块石，红棕紫红色，石质成分以粉砂质泥岩为主，主要为错 落或滑动破坏的粉砂质泥岩体，部份为崩塌体，弱风化。钻探揭露 厚2 7 19 9 m m 。 粘土质块石夹土，浅红棕紫红色，石质成分以细砂岩、粉砂 质泥岩为主，棱角状，部份块石、角砾强风化。一般粒组组成： 2 0 0 m m 约5 5 ，2 0 0 6o m m 约10 ，6 0 2 m m 约15 ，余为粉、 粘粒及少量砂粒。松散，稍湿潮湿，透水性较差。结构不均，个 别块石直径大于3 0 m ，局部块石含量较少而成块石质土。钻探揭露 厚1 1 5 8 m 。 粘土质小块石夹土，紫红色，石质成分以细砂岩、粉砂质泥岩 为主，棱角状，部份块石、角砾强风化。一般粒组组成： 2 0 0 m m 约4 0 ，2 0 0 6 0 m m 约l5 ，6 0 2 m m 约l0 ，余为粉、粘粒及少 量砂粒。松散，稍湿潮湿，透水性较好。结构不均，局部小块石、 角砾、粉粘粒富集而成小块石质土。钻探揭露厚5 10 12 5 m 。 粘土质角砾，紫红色，石质成分以粉砂质泥岩为主，棱角状， 部份小块石、角砾强风化。一般粒组组成： 6 0 m m 约10 ，6 0 2 0 m m 约3 5 ，2 0 , - - 2 m m 约10 ，余为粉、粘粒。结构不均，局部粉 粒富集。松散，稍湿，透水性较差。钻探揭露厚2 7 m 。 含角砾低液限粘土，紫红色，石质为细砂岩、粉砂岩、粉砂质 泥岩，棱角状，多数块石、角砾强风化。一般粒组组成： 2 0 0 m m 约l0 ，2 0 0 6 0 m m 约5 ，6 0 2 0 m m 约2 0 ，2 0 2 m m 约10 ， 余为粉、粘粒。松散，硬塑状。地表1 0 3 0 m 多系施工弃方的素 填土。钻探揭露厚0 5 8 2 0 m 混合堆积层( q 4 h ) 分布于望江岭东南坡坡麓，出露于地表，岩 性、结构极不均，个别块石爹 15 0 m ，原钻探揭露最大厚度 5 7 7 0 m ， 本次勘察揭露厚1 1 4 8 33 9 0 m 。 3 ) 滑坡堆积层( q 4 们1 ) 由混合堆积层( q 4 h ) 的近代滑动破坏堆积而成，岩性受母岩控 制，多为含块石( 角砾) 低液限粘土，硬塑状，透水性较差。厚1 0 6 0 m ，出露于地表，主要分布于隧道出口处斜坡。 2 白垩系上统( k 2 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 6 页 1 ) 赵家店组( k 2 z ) 细砂岩，灰紫浅红棕色，矿物成分以石英为主，钙泥钙质 胶结，细粒结构，厚巨厚层状构造。结构不均，局部颗粒较粗， 夹少量粉砂岩、粉砂质泥岩薄层。岩质软硬。 赵家店组厚度 12 0 m ，分布于方山顶部，出露于方山悬崖、峭 壁及局部陡坡、山顶。 2 ) 江底河组( k 2 j ) 场地内主要由粉砂质泥岩夹粉砂岩、细砂岩、砂砾岩薄层构成。 粉砂质泥岩，红棕紫红色，局部为灰