（工程力学专业论文）边坡渐进破坏及稳定性分析.pdf

中南大学硕士学位论文 摘要 我国是个滑坡灾害频发的国家之一，滑坡对人民的生命财产安全 和经济建设构成了极大的威胁。随着我国现代化建设事业的迅速发 展，在水利水电、矿山、港口、公路、铁路和能源等工程领域逐步形 成了越来越多的高陡边坡与深凹边坡，如何安全、可靠、有效地分析 与评价边坡的稳定性，并进而实现滑坡预测预报具有重大的理论和现 实意义。本文回顾了边坡的稳定性研究的发展现状，指出了各种分析 方法存在的不足及发展趋势，提出了本文的研究内容。 本文模拟了边坡的渐进破坏过程，并重点研究了罗山的四个滑坡 的渐进破坏稳定性。边坡破坏是首先从局部破坏开始，然后逐点扩展， 最终产生大规模破坏的渐进过程。在这过程中，发生应力释放、传递 和重分布。分析表明，边坡稳定性分析的渐进破坏法能更合理地反映 边坡稳定的实际情况。 本文又应用重整化群方法对一维、二维和三维滑坡体的稳定性问 题进行了研究。得到了一维、二维和三维滑坡体失稳的临界概率值分 别为0 2 0 6 3 、0 1 7 0 7 和0 1 5 9 9 ，相关长度指数分别为1 4 3 8 8 、o 8 0 8 4 和0 5 7 5 7 。进而由此揭示了临界概率和相关长度指数随维数增大而 减小的变化规律。将该模型运用到灵宝罗山金矿的四个滑坡预测中， 判别结果完全符合现场情况，为矿山边坡稳定性预测问题提供了一条 有效途径。 最后，在假设分析对象为变形体的基础上，本文尝试采用目前在 岩土工程界较为成熟的f l a c 3 d 数值模拟方法，并将其计算结果与边 坡渐进法计算所得结果进行对比分析研究。结果表明f l a c 3 d 可以清 晰模拟边坡渐进破坏的过程。 关键词：矿山边坡；稳定性分析；渐进破坏：重整化群；f l a c 3 d 数 值模拟 中南大学硕士学位论文 a b s t r a c t l a n d s l i d ef r e q u e n t l yo c c u r si nc h i n at h a tg r e a t l yt h r e a t e n sp e o p l e s l i f e ，p r o p e r t ya n de c o n o m i cc o n s t r u c t i o n w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to f o u rm o d e mc o n s t r u c t i o n ，m o r ea n dm o r eh i g h s t e e pa n dd e e ps l o p e s a p p e a ri nm a n ye n g i n e e r i n gf i e l d ss u c ha sh y d r o e l e c t r i c i t y , m i n e ，h a r b o r ， r o a d ，r a i l w a ya n de n e r g y ，e t c t h e r e f o r e ，h o wt oa n a l y z ea n de v a l u a t e s l o p es t a b i l i t yr e l i a b l ya n de f f e c t i v e l yi sv e r ys i g n i f i c a n tt os l o p es a f e t y a n dl a n d s l i d ef o r e c a s ti nt h e o r ya n dp r a c t i c e t h i s p a p e rr e v i e w st h e d e v e l o p m e n tt r e n do fv a r i o u sa n a l y t i c a lm e t h o d sa n db r i n g sf o r w a r dt h e r e s e a r c ho b je c ta n dc o n t e n t t h ep r o g r e s s i v ef a i l u r ep r o c e s si ss i m u l a t e d ，a n ds t a b i l i t yo ff o u r l a n d s l i d e si nl u o s h a nm i n ei sm a i n l ys t u d i e d t h es l o p ef a i l u r es t a r t s f r o mp a r tf a i l u r e f i r s t l y ，a n dt h e nt o u c h e st h ee x t e n s i o no n eb yo n e f i n a l l y ，g r e a td a m a g ei sc a u s e d i nt h i sp r o c e s s ，s t r e s sr e l e a s e ，t r a n s f e r a n dr e d i s t r i b u t i o na p p e a r t h ea n a l y s i ss h o w st h a tt h er e s u l t so fs l o p e p r o g r e s s i v e f a i l u r ep r o c e s sm e t h o da r ec o n s i s t e n tw i t h s l o p ea c t u a l s i t u a t i o n t h e s t a b i l i t y o fl a n d s l i d eb o d i e si ss t u d i e s b yu s i n g a r e n o r m a l i z a t i o ng r o u pa p p r o a c h t h ec r i t i c a lf a i l u r ep r o b a b i l i t yv a l u e so f t h el i n e a r , t w oa n dt h r e ed i m e n s i o n a ll a n d s l i d eb o d i e sa r eo 2 0 6 3 ，o 17 0 7 a n d0 15 9 9r e s p e c t i v e l y , a n dt h ec o r r e l a t i v el e n g t he x p o n e n tv a l u e sa r e 1 4 3 8 8 ，o 8 0 8 4a n do 5 7 5 7r e s p e c t i v e l y t h e n ，al a wi sb r o u g h tf o r w a r d t h a tc r i t i c a lp r o b a b i l i t ya n dc o r r e l a t i v el e n g t he x p o n e n tv a l u e sd e c r e a s e w i t ht h ei n c r e a s ei nt h ed i m e n s i o n a l i t yo fas y s t e m f o u rl a n d s l i d e si n l u o s h a nm i n ew e r eu s e dt ov e r i f yt h i sm o d e l t h er e s u l t ss h o wt h a tt h i s m o d e lc a nb eu s e dt op r e d i c tt h es t a b i l i t ya n a l y s i sf o rm i n es l o p e s ，a n d t h ep r e d i c t i o na c c u r a c yi sv e r yh i g h f i n a l l y , b a s e do nt h eh y p o t h e s i st h a ts u b je c t sa r ed e f o r m a b l eb o d i e s ， m a t u r en u m e r i c a ls i m u l a t i o n m e t h o d ( f l a c 3 d ) i ng e o t e c h n i c a l e n g i n e e r i n gf i e l di su s e d ，a n di t s r e s u l t sa r ec o m p a r e dw i t ht h o s eo f p r o g r e s s i v ef a i l u r em e t h o d a tf i r s t ，t y p i c a l c r o s s s e c t i o n sf r o mm i n e s l o p e sa r es e l e c t e d a c c o r d i n gt og e o l o g i c a li n f o r m a t i o nt h ec a l c u l a t i o n m o d e lt h a ti sc o n s i s t e n tw i t hp r a c t i c a lc o n d i t i o ni s e s t a b l i s h e d ，a n dt h e a n a l y s i so nd e f o r m a t i o n ，s a f e t yf a c t o ra n dt h ep o s i t i o no fp o t e n t i a ls l i d i n g i i 中南大学硕上学位论文 s u r f a c eo ft h em i n es l o p e sa tc u r r e n ts i t u a t i o ni sp e r f o r m e d i ti n d i c a t e s t h a tt h ep r o g r e s s i v ef a i l u r ep r o c e s sc a nb es i m u l a t e db yf l a c 3 d k e yw o r d s ：m i n es l o p e ； s t a b i l i t ya n a l y s i s ；p r o g r e s s i v ef a i l u r e ； r e n o r m a l i z a t i o ng r o u pa p p r o a c h ；f l a c 3 d n u m e r i c a ls i m u l a t i o n i i i 原创性声明 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。尽我所知，除了论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 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名：趁之丕日期：趔年丛月丝日 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文， 允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名：壬丞必导师签名 主塑查堂堡j ：兰焦丝塞 翌= 第一章绪论 1l 研究问题的提出、目的和意义 我国地域辽阔，地形地貌复杂，具有众多人工挖掘和天然形成的边坡 坡严重的国家之一，边坡失稳造成的灾害层出不穷【i o l 。滑坡灾害不仅给， 会的经济建设和社会发展造成了重大的直接损失，如严重危害城乡工程建： 坏变通运输等，还存在着深远的无形或隐伏的间接影响，如增加城乡居民一 担，影响社会安定、水土流失、耕地损失，城乡居民生存生活环境恶化、j 种自然灾害，引发次生灾害等。 母1 1 各娄边坡发生滑塌 矿山环境问题是人类工程活动引发的各类环境问题中最主要的类型之 产资源的丌发给人类带柬了巨大的实惠和丰富的物质财富械人地促进了 荣、社会进步和人类文明。然而，人炎在丌发利用矿产资源以满足自身需 中南大学硕士学位论文第一章绪论 时，由于不断改变和破坏矿区周围的自然环境，因而产生众多的环境问题。这些 环境问题，不仅严重威胁到人民的生命财产安全，破坏了自然景观和地貌景观， 而且严重影响到社会经济的协调、可持续发展。因此，加强矿山环境的治理与环 境保护工作是摆在社会各方面，尤其是矿山企业面前的一项重要任务。滑坡是最 主要的地质灾害之一。引起坡体发生滑坡的根本原因可以是自然的，也可以是人 为的，一般归纳为内因和外因。内因如地形结构、边坡角大小、岩土特性、地质 弱面分布、地下水位等；外因如降雨、降雪及人类工程( 如采矿、道路建设、房 屋建设) 等。能否对滑坡体的变形、位移和灾变进行准确的分析计算和预测预报， 直接关系到人们生命财产、物资财产和环境资源的安全。滑坡体稳定性分析研究 自然而然地成为这项工作中的核内容【4 1 。 如文【5 】介绍宝成线宝鸡一上西坝段共3 4 7k m ，从1 9 5 4 年开始施工，1 9 5 7 年 底竣工，施工期间共发生大小滑坡地质灾害2 1 3 6 处，整治费用高达8 2 0 0 万元。 交付运营以后边坡地质灾害仍然不断发生，仅1 9 5 8 年至1 9 6 2 年中断行车累计达 1 7 0 5 小时，从1 9 5 8 年至1 9 8 2 年二十多年里，宝上段共发生塌方约2 8 1 1 立方米， 中断行车4 6 0 8 小时，整治费用高达1 2 8 8 0 万元，平均每公里增加投资3 7 1 2 万 元。水库水渠区的滑坡，崩塌也十分广泛，如龙泉山两翼的水渠滑坡众多。据 1 9 8 1 年调查，龙泉山西翼南端渠道长约5 8 k m ，滑坡1 4 7 处，沿渠滑动长达 5 3 5 9 k m 。水库滑坡在世界范围内也屡有发生，1 9 6 3 年意大利瓦依昂水库滑坡的 体积为2 7 - - 3 0 亿立方米，造成巨大灾害：1 9 7 8 年我国塘岩光水库滑坡也造成 了巨大灾害。 随着改革开放和国民经济的迅速发展，对矿产资源的需求与同俱增，矿山开 采工程在我国方兴未艾，在矿山开采过程中，大量开挖和填筑土石方以及施工方 法等原因，尤其在一些不良地质地段，不可避免的对地形地貌产生破坏，破坏了 坡体的稳定，促使了滑坡的产生，从而给边坡工程安全性带来了严重影响，制约 了工程进度，增加了工程造价，同时，也可能造成重大的人身安全和财产损失。 因此，研究边坡的稳定性，对于如何预防滑坡的发生，滑坡发生后如何进行处治 以保证边坡稳定，具有非常重要的现实意义。 1 2 边坡渐进破坏与稳定性分析的研究现状 边坡是岩土工程中的一个重要研究对象，它在很多国家对社会、经济等有重 2 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 大影响【6 ，7 】；每年在美国与边坡相关的经济损失达4 5 亿美元，在日本达2 0 6 0 亿 美元，在意大利达4 5 亿美元等【8 】发生在我国云南省漫湾水电站的大坝坝肩的滑 坡导致上亿元的经济损失，并导致云南省的经济安排的调整，发生在我国各地的 边坡破坏导致了多人丧生；各种工程建设中，涉及到的边坡问题也有很多，如各 地高速公路的建设工程中的边坡开挖、防护等问题，自然边坡破坏问题等；因而 对边坡的渐进破坏及其稳定问题进行研究具有重要的实际意义。 边坡问题的分析中，其稳定分析是一个十分重要的问题，它对工程的经济性 和安全性有着重要的影响，稳定安全系数作为衡量稳定性的安全度指标，其计算 结果受到诸多因素的影响，因而正确选择边坡稳定所要求的安全系数，对正确评 价工程的稳定性具有十分重要的作用；边坡的渐进破坏分析及破坏时边坡形状也 是边坡分析的重要内容，其对边坡处理的经济性及可行性具有重要的意义。 目前，工程设计中常用的边坡稳定分析方法有以下几种：极限平衡法、滑移 场线法、上下限分析法及变分法等。这几种方法都有各自的优点，但也有各自的 缺点，特别是有些方法还需要作一定的假定，如极限平衡法、上限法、滑移线场 法等都要对临界滑动面作假定，并且它们不适用于非均质材料，尤其是强度不均 时，因而以上方法的应用受到一定的限制【9 】，同时还无法得到边坡内岩土体的应 力、应变、变形等；而有限元法则克服了以上缺点，它不但考虑了变形，还可以 对施工过程进行动态模拟，同时在分析边坡稳定过程中不需要假定滑移面的位置 和形状，也不需要对岩土体进行分块，通过计算可直接求得边坡的稳定安全系数 及其滑移面，同时还可以考虑岩土体的应力应变关系、剪胀性及支护结构与岩土 体的共同作用，能够较准确的满足设计等的要求，也可分析边坡的破坏机理，因 而具有很大的优越性。 当前有限元法虽然在边坡分析中得到了一定的应用，但分析过程中的影响因 素及边坡破坏判断等都还没有得到明确的结论，因而有必要对边坡破坏及其稳定 安全系数进行较系统的讨论；边坡的破坏是一个渐进破坏的过程，其破坏过程中 的变形、应变较大【l o 1 1 】，小变形假定不适用，采用小变形的分析必然存在一定的 误差，不能客观反映其真实的破坏性状，因而有必要采用大变形分析方法分析其 破坏形状；当前对边坡破坏的机理还不是十分明确，因而本文也对边坡的渐进破 坏等进行讨论，以便能够及时地、正确地处理边坡工程中的问题。 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 1 2 1 边坡的渐进破坏法研究 渐进破坏的观点很早就有人提及，边坡工程界认识到这个事实是在6 0 年代 末意大利v a j o n t 坝上游边坡发生滑坡后，当时认为破坏是由于峰值强度饱水下降 到极低值的原因。可是瞬间破坏机理不能解释滑坡的原因，多年的观察表明，破 坏不是一蹴而就的，而是渐进的，并具有间歇性。因此，如果我们掌握了边坡渐 进破坏的规律，在边坡破坏的某个阶段采取相应的加固或安全措施，就可以避免 或减少巨大损失【2 6 1 。 最早对边坡稳定性分析引入渐进性概念的是s k e m p t o n ( 1 9 6 4 ) 1 2 , 1 3 】，他在对粘 土边坡的长期稳定性分析中指出，滑裂面并不是在边坡中同时出现，而是在局部 开始，并且在首先出现破裂的部分其抗剪强度会由峰值变为残余值。澳大利亚的 r n c h o i v d h u r r y 教授做了不少工作，他于1 9 8 2 年建立了均质土坡渐进破坏可 靠性计算的简单模型，他假定破坏从坡脚开始，然后破坏向上在空间上连续发展。 但是，由于边坡岩体性质、地质构造等多方面的差异，实际边坡的渐进破坏与该 理论模型相差甚远。 自渐进性概念提出的四十年间，渐进性分析己逐渐为工程技术人员所认识 1 4 , 1 5 】，但因分析方法的复杂性，渐进性分析经历着一个缓慢的发展过程。 m i a ot i a n d e & m ac h o n g w u ( 1 9 9 9 ) d 6 1 采用m a x w e l l 模型考虑材料的流变特 性，通过对边坡的极限平衡分析法( 简化j a n b u ) 进行改进来确定边坡渐进性破坏 的影响，计算结果具有一定的合理性，但事实表明，一旦考虑开挖边坡坡脚的渐 进性破坏，则边坡整体破坏，这也是与实际不符的，而作为从坡脚开始破坏的边 坡，仍具有一定的稳定性，在持续的作用下，才会出现继续破坏，而不应该是整 体破坏的。刘忠t ( 2 0 0 2 ) 0 7 】对m i a 。的工作进行了深入，在考虑土的流变特性 的基础上，通过时间安全系数来描述边坡的稳定状态，通过数值计算说明了边坡 的安全系数随时问推移逐渐变小的规律。王庚荪( 2 0 0 0 ) i s 】采用新的接触单元模 型来模拟滑面上的接触摩擦状态，进行边坡的渐进性破坏过程和稳定性分析，并 在反复求解过程中采用了紧缩技术，并以实例说明边坡考虑渐进性破坏时稳定系 数比不考虑渐进性破坏的稳定系数要小5 1 0 。刘爱华、王思敬( 1 9 9 4 ) 【1 9 】通过 模拟无限平面坡体的边坡渐进性破坏的概念，虽然概念简单，但能很好的说明渐 进性破坏的过程，说明了渐进性破坏的必要性。c h o w d h u r yrn ( 1 9 8 2 ) ( 1 9 8 7 ) 2 0 , 2 1 】 4 中南大学硕上学位论文第一章绪论 建立了均值边坡渐进性破坏的可靠度模型，并假定边坡从坡脚开始破坏； b e r n a n d e r s ( 1 9 8 1 ) 2 2 】，b j e r n 肺dl ( 1 9 6 7 ) 2 3 、涂巾凡【2 4 1 、吉峰( 2 0 0 4 ) 也在这方面 进行了研究。基本方法是相同的，均是在考虑土的抗剪强度的变异性和相关性的 基础上，将可靠度理论应用于极限平衡法进行土坡渐进性破坏的研究，用条块的 破坏概率来确定最可能破坏条块，然后通过和相邻条块求联合破坏概率来确定渐 进性破坏的范围以及影响范围的破坏概率。 在数值模拟对渐进性分析方面，基于显式的有限差分法( f l a c ) 被认为具有 较好的效果。谭文辉( 2 0 0 0 ) 【2 6 】通过物理模拟和数值分析渐进性破坏，得到了较 好的一致性。他采用细砂、石膏、云母粉、机油配比做成倾斜层状岩体模型，通 过模拟再现了边坡破坏由坡脚和坡顶开始，逐渐向中间贯通的过程。同时用 f l a c 对开挖边坡的模拟，说明了不同时步下边坡的渐进性破坏；朱典文【2 7 】等虽 未进行深入研究，也进行了相同的描述。以上对边坡渐进性破坏的数值分析，主 要体现在破坏的过程或时间效应上，没能揭示因为渐进性破坏导致坡体整体稳定 程度的降低和局部峰值抗剪强度的残余化，并且将各个计算时步的应力、应变场 作为某一时间坡体应力场调整的结果来用也是不妥的。程谦恭等( 2 0 0 0 ) 【2 8 】通过粘 弹塑性有限元对岩体边坡进行了渐进性破坏的分析，首先采用弹性和理想塑性模 型确定边坡的塑性区，然后对塑性区范围的单元采用材料的残余力学指标，继续 进行破坏工况下的数值分析，其分析破坏过程体现了渐进性破坏的特点，但分析 中没有采用材料应力一应变全过程模型，而在分析过程中人为干预确定塑性破坏 范围，并且未能考虑破坏面上产生的大变形。因此还需对数值分析的模型进行深 入研究。 由以上分析可知，相对于渐进性破坏的接受程度，对开挖边坡的渐进性破坏 分析仍太少，而对于工程运用还有很长的距离。早期文献对渐进性破坏的分析或 提及主要对于渐进性破坏的过程描述上，是一种时间范畴内的破坏过程的描述， 缺少对渐进性破坏的力学过程的探讨，以及渐进性破坏中开挖边坡稳定程度的确 定。后来m i a ot i a n d e 16 1 、刘忠型1 7 】虽将材料的流变模型与刚体极限平衡法结合 进行了力学的探讨，但在确定初始破坏范围缺少依据，并且当坡体一部分出现渐 进性破坏后，坡体会迅速出现整体性破坏，这是与事实不相符的。因此有必要对 开挖边坡的渐进性破坏进行系统研究，确定开挖边坡的渐进性破坏机理、稳定性 以及防护措施。综合开挖边坡的稳定性分析以及渐进性破坏的研究现状，可将开 中南人学硕士学位论文第一章绪论 挖边坡渐进性破坏的概念阐述为：边坡的应力调整，坡体材料物理、力学性质变 化，造成坡体局部应力集中或力学性质的减弱而使开挖坡体部分范围首先出现破 坏，产生残余应力或丧失承载力，使坡体整体稳定程度下降，出现逐渐破坏的过 程【2 9 1 。 1 2 2 边坡稳定性分析研究 国内外对边坡稳定性分析已有比较成熟的理论和方法。一百多年前，就有了 库伦抗剪强度理论和静力平衡理论。它主要采用二维稳定性极限平衡计算，如瑞 典条分法、毕肖普法、简布法、康根斯坦一普来斯法、推力传递系数法等。随着 现代科技的发展，计算机的广泛应用，世界各地水力水电、交通、能源等基础设 施建设日益提出更高的技术要求，因此，对边坡稳定性评价的方法也不断更新， 归纳起来有：【3 0 1 ( 1 ) 定性分析。是一种以稳定性地质判别标志为基础的地质分析法，即演变 历史分析法和工程地质类比法。以追索崩塌、滑坡的演化历史和发展规律为重点， 通过数理统计分析，提出稳定性判别标志，对滑体稳定性作出合理评价。 ( 2 ) 半定量分析。是一种以工程地质类比加简单计算为特点的评价方法。通 过一系列数理统计分析，处理大量表征崩滑体稳定性的模糊性参数，采用刻划稳 定性程度的隶属函数，运用模糊矩阵的复合运算，实现崩滑体稳定性评价与预测。 ( 3 ) 物理模型试验。是近几年发展起来的一种定性分析法，利用试验数据相 似性原理，模拟崩滑体原型及所处的自然地质环境，借以研究其稳定性。但是这 种方法在理论和实践方面都处在探索阶段。 ( 4 ) 定量分析。是一种应用岩体力学、土力学的理论和方法，依靠经典的数 学物理方程求解稳定系数，通过计算机分析计算崩滑体内的应力应变分布状态， 从而达到稳定性评价与预测的目的。 目前广泛使用的定量分析模型分两大类：一是基于极限平衡理论的极限平衡 分析法【3 l 】；二是数值分析法。两类方法在目前的实际应用情况是有差别的。前者， 尽管模型简单，但其发展历史长，就其稳定性计算成果来看，已可满足生产需要， 是一种较成熟的方法，其计算成果己被相关规范作为进行治理的依据：后者，由 于岩土体本构关系的计算机实现不够成熟，制约了其计算成果的可靠程度。因而， 该方法的应用研究有待于进一步深入。 6 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 极限平衡分析理论 极限平衡分析理论是最经典的确定性分析方法，具体方法是将有滑动趋势范 围内的边坡岩体按某种规则划分为一个个小块体，通过块体的平衡条件建立整个 边坡平衡方程，以此为基础进行边坡分析【3 2 1 。该方法是工程实践中应用最早、也 是目前最普遍使用的一种定量分析方法。目前已有了多种极限平衡分析方法，如： f e l l e n i u s 法、b i s h o p 法、j a n b u 法、m o r g e n s t e mp r i n c e 法、余推力法、s a r m a 法、 楔体极限平衡分析法等等。 极限平衡分析法的两个关键在于最危险滑面的确定和计算模型的选取。传统 分析法是假定滑动面为圆弧形，对滑动面圆心的确定采用经验方法、二分法及坐 标轮换法等。现在引入遗传进化算法来确定边坡最危险滑动面，克服传统分析法 容易进入局部极小化的缺点；同时又有基于最优控制理论思想而引入的边坡临界 滑动场方法，它可以将所有可能危险滑动范围同时显现，快速的确定边坡临界滑 动面。在计算模型方面，主要是将极限平衡二维分析推广到三维分析。对一般边 坡及特殊形态边坡如锥形边坡的分析都更加合乎实际，分析结果更精确。 极限平衡分析理论的不足主要在于：一是对于复杂的滑坡问题，如主滑面不 确定或滑面性质变化较大时，模型抽取困难或模型过于简单；二是计算中以集中 荷载为基本形式，未考虑应力分布的不均匀性和由此导致的破坏特征；三是不考 虑变形，不能评价由变形引起的破坏。因此这种方法更适用于几何特征明确、结 构面性质相对单一的边坡稳定性分析。 数值分析方法 随着计算机技术的发展，自6 0 年代以来，很多数值计算方法都用到边坡稳 定分析中。目前较为常用的方法有：有限元法、边界元法、有限差分法、加权余 量法、离散元法、刚体元法、不连续变形分析法、流行元法等。其中前四种方法 都是基于连续介质力学的方法，随后的三种方法则是基于非连续介质力学的方 法，而最后一种方法具有这两大类方法的共性【3 3 1 。 a 有限元( f e m ) 法 有限元法基于最小总势能变分原理m ，以其能方便的处理各种非线性问题， 能灵活地模拟岩土工程中复杂的施工过程，因而成为岩石力学领域中应用最广泛 的数值分析方法。该方法在边坡岩土体的稳定性分析中得到最早( 1 9 6 7 ) 应用，也 是目前最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 7 中南大学硕士学位论文第一章绪论 元分析程序，可以用来求解弹性、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 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。但该方法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。 b 边界元( b e m ) 法 边界元法是7 0 年代发展起来的一种数值方法【35 1 ，c r o n c hsl 于1 9 7 6 年首先 将其应用于分析层状岩体的开挖稳定问题。与有限元方法不同，它只对研究区域 的边界进行离散，因而它要求的数据输入量较少。该方法对处理无限域和半无限 域问题较为理想。它要求事先知道求解问题的控制微分方程的基本解，在处理材 料的非线性、不均匀性、模拟分步开挖等方面还远不如有限元法，它同样不能求 解大变形问题。因而，边界元方法目前在边坡岩体稳定性分析中的应用还远不如 在地下洞室中应用广泛。 c 快速l a g r a n g i a n 分析( f l a c ) 法 为了克服有限元等数值分析法不能求解岩土大变形问题的缺陷，人们根据显 式有限差分原理，提出了f l a c 数值分析方法。该方法较有限元方法能更好地考 虑岩士体的不连续性和大变形特征，求解速度较快。其缺点是同有限元方法一样， 计算边界、单元网格的划分带有很大的随意性。 d 离散元( d e m ) 法 离散元法是由c u n d a l lpa 3 6 】先提出并应用于岩土体稳定性分析的一种数值 分析方法。它是一种动态的数值分析方法，可以用来模拟边坡岩体的非均质、不 连续和大变形等特点，因而，也就成为目前较为流行的一种岩土体稳定性分析数 值方法。该方法在进行计算时，首先将边坡岩体划分为若干刚性块体( 目前已经 可以考虑块体的弹性变形) ，以牛顿第二运动定律为基础，结合不同本构关系， 考虑块体受力后的运动及由此导致的受力状态和块体运动随时间的变化。它允许 块体间发生平动、转动，甚至脱离母体下落，结合c a d 技术可以在计算机上形 象地反映出边坡岩体中的应力场、位移及速度等力学参量的全程变化。该方法对 块状结构、层状破裂或般碎裂结构岩体比较适合。 所有这些数值方法的共同特点是：将带有边值条件的常微分方程或偏微分方 8 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 程离散为线性代数方程组，采用适当的求解方法解方程组，获得基本未知量，进 而根据几何方程和物理方程，求出研究范围内的其它未知量。 数值分析方法存在的局限性主要表现为：一是地质条件的局限性，使得地质 模型及本构关系的确定存在不可避免的偏差，二是计算参数的选取误差影响了计 算精度【3 7 3 9 】；三是作为数值理论和方法载体的数值软件也存在一定的偏差。因 此，数值分析方法在实际应用时受到了局限。 上述四种稳定性评价和分析方法，各有侧重、优点和不足，并且已经广泛运 用于生产实践中，并将在实践中得到进一步补充和完善。 1 3 本文主要研究内容与技术路线 1 3 1 研究内容 ( 1 ) 收集整理罗山金矿边坡相关的地质勘察与试验资料，进行综合的分析 评价； ( 2 ) 对罗山金矿各个滑坡体的工程概况进行总结归纳，对矿区进行详细的 地质调查，采取岩样进行岩石力学试验，整理罗山金矿各个滑坡体的岩土体物理 力学性质报告，以便应用于边坡渐进破坏和边坡稳定性分析中。 ( 3 ) 基于重整化群理论，对罗山金矿各个滑坡体的稳定性进行判别。结合 实际监测资料，为工程实际做出重要的指导作用。 ( 4 ) 结合边坡渐进破坏原理，建立了罗山金矿各个滑坡渐进破坏的新模型， 求解边坡渐进破坏下的稳定性安全系数。这对理解和认识滑坡的发生机制很有帮 助。 ( 5 ) 基于三维显式有限差分法的数值分析方法，通过f l a c 3 d 进行数值模 拟，清晰地揭示了边坡渐进破坏的历时演化过程。并应用与工程实际进行分析。 1 3 2 拟采取的研究方法和技术路线 本论文的研究方法和技术路线为： ( 1 ) 阐述滑坡的灾害性和边坡稳定性分析的重要意义； ( 2 ) 对罗山金矿进行工程地质，水文地质调查和物理力学试验研究，以对 边坡稳定性分析提供可靠的参数； 9 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 ( 3 ) 基于重整化群理论，对罗山金矿的四个坡体进行了稳定性判别分析； ( 4 ) 介绍了边坡渐进破坏的一些基本知识；对复杂滑坡体，编制渐进破坏 法相关程序，对边坡进行渐进破坏分析，研究岩土体材料特性对边坡稳定性的影 响； ( 5 ) 用数值模拟方法( f l a c 3 d 法) 对罗山金矿的四个坡体进行了稳定性 分析； ( 6 ) 最后提出了对边坡稳定性研究的一些展望。 1 4 预期的研究成果和创新点 本文的创新点是结合具体边坡工程实践，综合运用重整化群理论、三维显式 有限差分法和渐进破坏法对复杂边坡稳定性进行判别分析和数值分析，为灵宝罗 山金矿工程建设中类似滑坡的稳定性分析和治理提供借鉴的理论决策依据与方 法。 中南大学硕士学位论文第二章边坡工程背景概况 2 1 自然地理条件 2 1 1 矿区地层与岩性 第二章边坡工程背景概况 灵宝矿区内出露地层为太华群闾家峪组( 既太华群中段) 及第四系。闾家峪 组白南而北，由下而上依次分布，区内不见顶底界，出露部分仅相当于此组的中 上部，实测厚度1 7 0 5 8 m 。第四系黄土及残坡积主要分布于矿区北部的沟谷中， 覆盖了矿区总面积的7 0 左右。据钻探工程揭露自南向北，黄土由薄变厚，最大 厚度可达2 4 6 m 。 太华群闾家峪组总体产状与区域上相一致，走向近东西，多在2 6 0 - 2 8 0 度之 间，局部略有变化，倾向北北西北北东，南倾较少，倾角西部较缓，多在2 0 , - - , 4 0 度之间，东部有所变陡，多在3 0 - - - , 5 0 度之间变化。岩石呈层状或似层状产出， 岩性组合主要为混合片麻岩、黑云斜长片麻岩，其次为条带状混合岩、斜长角闪 片麻岩、斜长角闪岩，局部可见到黑云母蛭石岩。 混合岩类是本区的主要岩石。其中以重熔交代成因的混合花岗岩分布最广， 约占矿区基岩出露面积的8 0 ，主要分布在矿区南部和中部，西部呈岛状出露于 第四系中，中部多沿f 5 韧性剪切带顶、底板出露。岩石呈似层状。混合片麻岩居 矿区基岩出露面积的第二位，主要分布于矿区中部，东部仅有零星出露。地层走 向2 6 0 - 2 8 0 度，倾向北，倾角3 9 - 6 7 度，变化较大。与混合花岗岩界限不清，多 呈渐变过渡关系。岩石成层性较好，眼球状构造发育，条带状混合岩零星分布于 矿区中部及东部地区，以条带状混合岩为主，条纹、条痕状混合岩仅在槽探中成 串珠状出现，三者之间无明显界限，脉体与基体的演变呈过渡关系。岩石成层性 良好，层厚由数厘米到数米，最厚可达七十余米。 片麻岩类是本区另一大类岩石，以黑云斜长片麻岩为主，斜长角闪片麻岩次 之，斜长角闪岩仅在局部出露。该类岩石是区域变质作用的产物。黑云斜长片麻 岩主要分布于矿区东部，占矿区基岩面积的第三位。地层走晦1 2 5 0 - 2 8 0 度，局部 在2 3 0 度左右，倾向北北西北北东，在1 2 线和1 6 线间，局部层位发生倒转，向 南西倾斜。倾角8 线以东较缓，多在2 5 度左右，8 线以西，在2 6 - - - , 6 0 度之间。岩石 多见长英质脉体穿插，呈层状产出，层厚由数厘米至数米，多与混合岩构成互层， 相间出现，局部呈不规则状残留体分布于混合花岗岩中，岩石具不同程度混合岩 化。斜长角闪岩仅在探槽中有所出露，呈不规则状分布于混合岩中，局部残留体 出现。 1 1 中南大学硕士学位论文第_ 二章边坡工程背景概况 综上所述，本区地层及岩石有以下特征： ( 1 ) 本区地层以太华群闾家峪组为主，岩性主要为混合岩类 ( 2 ) 岩石普遍经历了不同程度的混合岩化作用。混合岩化作用主要发生在 区域变质作用的后期，其方式以重熔交代作用为主，注入交代次之。 ( 3 ) 矿区地层由东向西，混合岩化程度由低到高，主要表现在岩石分布上， 从东中西部，岩性变化相应为以黑云斜长片麻岩为主混合片麻岩为主混 合花岗岩为主。特征不同，反映了形成时热动力作用的差异。 ( 4 ) 随着混合岩化作用程度由弱到强，岩石结构变化明显，由粒状结构 交代结构缝合结构蠕英结构花岗变晶结构及鳞片花岗变晶结构。 ( 5 ) 随着混合岩化程度的由弱到强，岩石构造相应由平行构造条带状构 造条纹状构造条痕状构造眼球状构造块状构造。 ( 6 ) 随着混合岩化程度的由弱到强，交代作用也由弱到强。岩石脉体由少 到多，最终将基体全部代替。 灵宝矿山位于华北地台南缘小秦岭断隆。隶属秦岭东西向复杂构造带的北亚 带。其东部为新华夏系太行山隆起带，南端沿朱阳瓮地两侧断裂与纬向构造带既 复合又联合；西部祁吕贺山字型构造的东翼前弧又复会于上述构造带之上；南东 受伏牛大别系牵制。区域地层古老，变质程度深，构造变动强烈，岩浆活动频 繁。 根据岩石结构构造，矿物成分及力学强度，按照岩性的不同分为以下工程地 质岩组。片麻岩混合岩岩组：岩石为粒状及鳞片状变晶结构，片麻状条带纹构造。 岩体结构为整体块状结构。粒状矿物长石石英随变质程度增加而增加，一般含量 5 0 9 0 ，力学强度也相应增强，属坚硬岩石；混合花岗岩及混合花岗伟晶岩岩 组：岩石为花岗变晶结构，块状构造。只在断裂构造带内呈碎裂结构。一般裂隙 不发育，呈整体块状结构，力学强度较高，属较硬岩石类型；碎裂石英脉：该岩 石一般为乳白色，致密块状，硬脆。在断裂构造带中呈脉状产出。受后期构造活 动影响，具碎裂结构。岩石多为碎块状、碎屑状。裂隙极发育，强度一般较低， 属较硬岩石类型；糜棱岩岩组：糜棱岩分布于挤压应力集中部位，即主断裂面附 近。具糜棱结构，波纹状构造。主要成分为长石、石英，次为绿泥石、角闪石。 次类岩石挤压紧密，力学强度高。属坚硬岩石类型：风化岩组：由于自然外应力 的物理及化学风化作用，使裸露于地表的岩石及第四系覆盖的部分岩石，均已风 化。强风化带以化学风化为主，长石均变为高岭土，遇水易软化，力学强度极低。 弱风化带以物理风化为主，裂隙面长石部分高岭土化，黄铁矿一般被溶蚀，裂隙 面具褐铁矿薄膜及染色。力学强度较低。属软岩类型；第四系松散岩组：区内第 1 2 中南大学硕士学位论文 第二章边坡工程背景概况 四系的厚度由南往北逐渐加厚。上部岩性为粉质亚粘土，局部为粘土，下部具黄 土状亚粘土夹砂砾石层。结构松散，力学强度极低。属极软岩类型。 2 1 2 水文地质条件 矿区主要含水层为第四系砾石层和构造带，其次为碎裂混合花岗岩、碎裂石 英脉，其它岩石可视为相对隔水层，大气降雨补给后，松散岩类孔隙水主要赋存 于第四系松散堆积物孔隙中，具较强富水性。基岩裂隙水主要视岩石裂隙发育程 度，因受地形、岩性、构造的控制，致使地下水补给条件差，有利于地表水顺坡 径流和排泄，因此基岩富水性弱。矿床原始静水位为6 8 8 1 9 6 5 4 3 9 m 标高，经 矿坑排水地下水位已降至5 0 0 m 下，地下水充水水源主要为大气降水和构造带补 给。总之，矿区地处山前地带，断裂破碎带既含矿又含水，大部分位于弱富水带 内，地表水与地下水水力联系不密切，水文地质条件为中等偏复杂。矿区内地表 水不发育，仅有一条山间河流，向北注入黄河，其流量0 0 8 3 1 4 9 7 6 m 3 s ，河水流 量季节性变化大。因受采选矿的影响，河水已被严重污染，长年呈灰色浑浊状。 在滑坡体内地表水不发育。 滑坡区内地下水主要靠大气降水补给和南部山区的侧向补给，地表水与地 下水水力联系不密切，地下水主要沿断裂构造带径流，径流方向主要为南西一北 东向，地下水的排泄主要为矿坑排水。主要含水层为碎裂混合花岗岩和构造带， 富水性较弱。因受地形、岩性、构造的控制，使地下水补给条件差，有利于地表 水顺坡径流和排泄。区内地下水因受矿坑排水影响，地下水位己降至5 0 0 m 以下， 在勘察期间内钻孔未见地下水。 表2 1 试坑渗水、钻孔注水试验一览表 中南大学硕士学位论文 第二章边坡工程背景概况 根据地表试坑渗水试验，地表第四系覆盖层渗透系数为1 2 1 8 5 6 m d ，渗透 性较好，主要因滑坡体内有地裂缝和塌陷坑等现象，致使地表渗透性增大。 根据钻孔注水试验，滑带渗透系数为：i 号2 7 1 3 m d 、i i 号2 5 6 3 m d 、号 4 2 5 9 m d 、i v 号1 1 7 4 m d 。在i 、号滑坡体内钻探过程中，滑带处均有漏 水、掉块、塌孔现象，其透水性好。号滑坡体滑带处有漏水现象，其透水性较 好。渗水、注水试验结果见表2 1 。 2 1 3 不良工程地质条件 本区不良地质现象主要有黄土及危岩崩塌、滑坡、地面塌陷、地裂缝和泥石 流等。 ( 1 ) 崩塌 黄土分布在沟谷及山梁，主要为粉质粘土，垂直节理发育，冲沟形态呈“u ” 字形，直立壁高达2 0 m ，在卸荷应力作用下，崩塌现象严重。 危岩体崩塌主要分布在山梁陡立处及人类采矿活动造成的高陡边坡处，因 地表岩石破碎，风化强烈，变质强度较深，碎裂岩较发育，经常有崩塌滚石现象 发生。在勘察区内主要分布在i 、n 、i i i 号滑坡体内，其中在i 号滑坡体中部直 立边坡高达2 5 m ；i i 号滑坡体小塘沟上部因岩石风化强烈，在2 0 0 6 年1 0 月2 日降雨后崩塌规模有所加大，崩塌物堆积在坡脚处；号滑坡体内坡度陡，人为 采矿活动留下的高陡边坡，经常有滚石现象。 ( 2 ) 滑坡 滑坡主要分布在勘察区大湖沟东坡小塘沟两侧及劳改队采矿区内，面积约 o 1 8 k m 2 。 按地形地貌和坡体运动方式等初步划分为i 、l i 、i i i 、号滑坡，i 号滑坡 体位于小塘沟西梁，其体积约1 1 2 万m 3 ，规模为大型。1 9 8 7 年1 1 月1 日发生的 滑坡，在i 号滑坡体的前缘，滑体长1 9 2 m ，宽8 0 - - - 1 2 0 m ，滑坡体积4 0 万m 3 ，