（地质工程专业论文）基于gis的南水北调西线一期工程达曲库区边坡稳定性研究.pdf

华北水利水电学院硕士论文摘要 摘要 南水北调西线工程是长江上游干、支流调水入黄河上游的跨流域调水 重大工程，是补充黄河水资源的不足、解决我国西北地区干旱缺水的重大 战略措施。西线工程一期工程区位于青藏高原东部，特殊的地质、地貌、 土壤、植被、气象、水文等自然条件，使规划的一期工程区内成为滑坡、崩 塌等坡体灾害易发区。 本文首先介绍了边坡稳定性研究的现状和地理信息系统( g i s ) 的主要 功能，然后分析了南水北调西线工程一期工程区达曲库区的工程地质条件 和达曲库区内已经发育的崩塌，滑坡的形成原因。根据工程地质类比的原 则，选取地形坡度、断层、地层和河流冲刷作为库区边坡稳定性分析的评 价因子，通过给评价因子赋分和确定权重，建立评价指标体系。采用规则 格网单元划分方法，运用基于g i s 技术的因子指标叠加模型，实现了达曲 库区边坡稳定性分区，其中，不稳定区占评价区面积的5 2 8 ，潜在不稳 定区占评价区面积的1 3 2 5 ，基本稳定区占评价区面积的3 8 8 1 ，稳定 区占评价区面积的4 2 6 6 ，与实际情况吻合。 本文证明了基于g i s 的边坡稳定性分区方法是可行的，而且比以前的 方法方便、快捷。 关键词：南水北调西线工程；g i s ；边坡；稳定性分区 华北水利水电学院硕士论文 摘要 a b s t r a c t t h ew e s tr o u t eo ft h es o u t h - - t o - - n o r t hw a t e rt r a n s f e rp r o j e c ta i m e da t s u p p l y i n gt h ey e l l o wr i v e rw a t e rr e s o u r c ea n dr e s o l v i n gt h el a c k o fw a t e ri n n o r t h w e s tc h i n a i sa ni m p o r t a n tw a t e rc o n s e r v a n c yp r o j e e t st h r o u g hw h i c ht h e w a t e ro fu p p e rs t r e a mo fy a n g t z er i v e ri st r a n s f e r r e dt ot h eu p p e rs t r e a mo f y e l l o wr i v e r t h ef i r s ts t a g eo ft h ep r o j e c tl i e si nt h ee a s to fq i n g h a i - 1 i b e t p l a t e a u t h i sa r e ab e l o n g st oc o l l a p s e 、l a n d s l i d ee t cm o u n t a i n - - - h a z a r d - - - p r o n e a r e ad u et ot h es p e c i a ln a m r a lc o n d i t i o n so ft h es p e c i a lg e o l o g y 、l a n d f o r m 、 s o i l 、v e g e t a t i o n 、w e a t h e r 、h y d r o l o g ya n ds oo n t h er e s e a r c hs i t u a t i o no fs l o p e s t a b i l i t y a n dt h em a i nf u n c t i o n o f g e o g r a p h i c a li n f o r m a t i o ns y s t e m ( g i s ) a r ei n t r o d u c e df i r s t l yi nt h ea r t i c l e ，t h e n t h ee n g i n e e r i n gg e o l o g i cc o n d i t i o n sa n dt h eo d d g i o no fc o l l a p s e 、l a n d s l i d e h a z a r da r ea n a l y z e di nd a q ur e s e r v o i ra r e ao ft h ef i r s ts t a g eo ft h ew e s tr o u t eo f t h es o u t h t 0 n o r t hw a t e rt r a n s f e rp r o j e c t a c c o r d i n gt 0t h ea n a l o g yp f i n d p l eo f e n g i n e e r i n gg e o l o g y f o u ri n f l u e n c i n gh c t o r s ：s l o p e ，f a u l t ，s t a t u sa n de r o s i o no f b a n ka r ec h o s e na sa s s e s s m e n ti n d e x ，w h i c ha r eg i v e dv a l u ea n dd e t e r m i n e d w e i g h t ，b u i l ee v a l u a t i o ni n d e xs y s t e m t h ep a p e ra p p l i e st h em e t h o do fr e g u l a r g r i da n dt h em o d e lo fo v e r l a pi n d e xb a s e dg i st or e a l i z et h es l o p es t a b i l i t y z o n a t i o ni nd a o ur e s e r v o i ra r e a a c c o r d i n gt or e s u l to ft h es l o p es t a b i l i t y z o n a t i o n ，i n s t a b i l i t ya r e aa c c o u n t i n gf o r5 2 8 o ft h et o t a ls t u d ya r e a ；p o t e n t i a l 华北水利水电学院硕士论文 摘要 i n s t a b i l i t y a r e aa c c o u n t i n gf o r 1 3 2 5 ；b a s i cs t a b i l i t ya r e aa c c o u n t i n gf o r 3 8 8 1 ：s t a b i l i t ya r e aa c c o u n t i n gf o r4 2 6 6 t h eu l t i m a t ee v a l u a t i o nr e s u l t si s c o n s i s t e n tw i t ha c t u a ls i t u a t i o n t h ep a p e rp r o v et h a tt h es l o p es t a b i l i t yo fb a s e dg i si ss u c c e s s f u l m o r c c o n v e n i e n t ，q u i c kt h a nt h ef o r m e rw a y k e yw o r d s ：t h ew e s tr o u t eo ft h es o u t h - - t o - - n o r t hw a t e rt r a n s f e r p r o j e c t ；g i s ；s l o p e ；s t a b i l i t yz o n a t i o n 华北水利水电学院硕士论文 独立完成与诚信声明 独立完成与诚信声明 本人郑重声明：所提交的学位论文，是本人在指导教师的指导下，独立进 行研究工作所取得的研究成果并撰写完成的。没有剽窃、抄袭等违反学术道德、 学术规范的侵权行为。文中除已经标注引用的内容外，本学位论文中不包含其他 人或集体已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北水利水电学院或其 它教育机构的学位或证书所使用过的材料。对本文的研究做出重要贡献的个人和 集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。本人完全意识到本声明的法律 后果由本人承担。 学位敝储躲彰绉签字嗍以厂岛 保证人( 导师) 签名：钰 签字日期：，7 占j 口 学位论文版权使用授权书 本人完全了解华北水利水电学院有关保管、使用学位论文的规定特授权 华北水利水电学院可以将学位论文的全部或部分内容公开和编入有关数据库提 供检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段复制、保存、汇编以供查阅和借阅。 同意学校向国家有关部门或机构送交论文原件或复印件和电子文档。( 涉密的学 位论文在解密后应遵守此规定) 一签形 签字日期：o - i ，f ，f 。 移导师繇 壹乏2 签字日期： 0 7 占l 口 华北水利水电学院硕士论文 第1 章绪论 1 1 选题的背景 1 1 1 我国水资源现状 第1 章绪论 我国是一个严重缺水的国家，全国拥有水资源2 8 万亿一，人均水资源拥有量只有 2 3 0 0 m 3 ，仅为世界平均水平的四分之一n 。目前，我国有1 4 个省区、直辖市的人均拥有 水量低于国际公认的1 7 5 0m 3 用水紧张线；其中低于5 0 0m 3 严重缺水线的有华北的北京， 天津、河北、山西，华东的江西、山东，华中的河南、西北的宁夏等瞳1 。据预测，到2 1 世纪中叶，我国人均水资源拥有量将减少到1 7 5 0m 3 ，全国大部分地区将面临水资源更紧 张、更严重的局面口】 我国不但淡水资源严重短缺，而且水资源的分布也很不均衡。长江及其以南流域的 径流量占全国的8 0 以上，耕地面积却不到全国的4 0 ；黄河、淮河、海河三大流域 和西北内陆区的面积占全国的5 0 ，耕地占4 5 ，人口占3 6 ，水资源总量只有全国 的1 2 d 。1 。黄、淮、海平原和胶东半岛，水资源已成为制约区域工农业发展和人民生 活水平提高的主要因素之一“1 。西北黄土高原的土地面积占全国6 。9 ，耕地面积占全 国1 2 2 ，而水资源仅占1 8 ，单位耕地面积平均水量仅占全国平均的1 4 ，缺水 已成为当地经济发展的重大障碍陆1 因此，于2 0 0 2 年开始实施的南水北调工程，成为缓 解我国华北及谣北地区缺水状况的重要举措 1 1 2 南水北调西线工程概况 从2 0 世纪5 0 年代提出“南水北调”的设想后，经过几十年研究，最终确定从长江 上、中、下游实施调水，即南水北调的西线、中线、和东线工程。南水北调工程西线、 中线和东线三条调水线路，形成与长江、黄河、淮河和海河相互联结的“四纵三横”总 体格局，南水北调西线工程在此水资源网络的总体格局中，具有十分重要的作用n 1 。 黄河是西北、华北地区的主要水源。据最新研究成果，在正常来水年份下，黄河流 域2 0 1 0 年、2 0 3 0 年、2 0 5 0 年来水平均分别缺水4 0 亿0 、1 1 0 亿m 3 、1 6 0 亿酽；在中等 枯水年份下( 相当于来水频率7 5 年份) 黄河流域2 0 1 0 年、2 0 3 0 年、2 0 5 0 年水平均 华北水利水电学院硕士论文第l 章绪论 分别缺水1 0 0 亿m 3 、1 7 0 亿m 3 、2 2 0 亿m 3 口1 随着西部地区的大开发，黄河上中游地区 的经济建设必将得到高速发展。由于水资源严重短缺，致使西北青海、甘肃、宁夏，内 蒙古、陕西、山西等6 省( 区) 水土流失、土地荒漠和环境恶化、经济发展缓慢、自然 灾害频繁。遇干旱年份，不仅农业大量减产和工矿企业停产，城镇生活用水、乡村人蓄 饮水也十分困难。 南水北调西线工程是从长江上游调水至黄河的一项跨流域的重大调水工程，是补充 黄河水资源不足，解决我国西北干旱缺水问题的重大战略措施。南水北调西线工程调水 的供水范围主要是青海、甘肃、宁夏、内蒙古、陕西、山西等六省( 区) 的部分缺水地区； 受水区范围因调水量不同而有所不同，在可能的条件下，除供水黄河流域外，还可以向 黄河流域邻近的甘肃河西地区等供水，必要时，还可以相机向黄河下游补水n 。 西线工程位于青藏高原东北部，调水区范围在北纬3 1 。2 0 3 5 。2 0 - 、东经9 5 。 0 0 1 1 0 2 。3 0 之间，西起长江源头，东至若而盖，南抵甘孜、德格，北界花石峡、黄 河，主要涉及四川甘孜、阿坝藏族自治州以及青海果洛、玉树藏族自治州和甘肃省玛曲 县，面积约3 0 万k m 2 ；调水区海拔一般在3 0 0 0 4 5 0 0 之间，受高海拔、深切割、大起 伏复杂地形德影响，空气稀薄缺氧，空气中的含氧量相当于海平面的6 0 7 2 ，气 压低，地面气压为6 0 0 7 0 0 h p a ：调水区内降雨量少而不均，气温低，日温差大，年平 均气温一4 9 3 3 。；调水区内人口9 2 是藏族，余为汉、回、蒙、羌等民族，人口平 均密度为1 _ 7 人k d ，玛多、曲麻莱两县仅为0 3 5 人k m 20 1 。 图1 - 1 南水北调西线一期工程规划布局示意图3 f i g 1 - i l a y o u t o f t h e f i r s t s t a g e o f t h e w e s t r o u t e o f t h e s o u t h - t o - n o r t h w a t e r t r a n s f e r p r o j e c t 川 2 华北水利水电学院硕士论文 第1 章绪论 西线工程经多方案的比较，选定雅砻江、大渡河5 条支流的达曲一贾曲联合自流线 路调水4 0 亿m 3 为第一期工程；同时选择雅砻江主流阿达水库输水到黄河支流贾曲的自 流线路，调水5 0 亿一，为二期工程；通天河侧仿水库输水到雅砻江再到黄河支流贾曲 的自流线路，调水8 0 亿f ，为三期工程，三期工程共调水1 7 0 亿岔，形成三条河调水 工程方案的总体布局n “。其中一期工程由“五坝七洞一渠”串联而成( 图1 - - 1 ) ，“五 坝”指调水河流的5 座引水枢纽，即达曲的阿安、泥曲的仁达、杜柯河的上杜柯、玛柯 河的亚尔堂、阿柯河的克柯枢纽；“七洞”指通过支流和支沟使隧洞自然分成七段，隧 洞长2 4 4 k m ，最长洞段为穿过雅砻江、大渡河之间的分水岭段，即泥曲一杜柯河段，长 7 3 k i n ，洞线埋深一般3 0 0 6 0 0 m ，最大埋深1 1 5 0 m ，比降1 3 0 0 0 ；“一渠”为隧道出口 后贾曲至黄河段的1 6 1 k m 明渠“。 1 2 选题的目的及意义 南水北调西线工程一期工程区位于青藏高原东部，高山峡谷众多，新构造运动强烈， 地质条件复杂，地震活动频繁，受气候控制，降雨量时空分布不均，雨季降雨量大，多 暴雨，多年冻土和季节性冻土发育，使规划的一期工程区内滑坡、崩塌等灾害频繁发生， 成为西线一期工程施工和运行期间的重要危害和控制性障碍，甚至危及工程“。 近年来，地理信息系统( g i s ) 在滑坡灾害研究中的应用越来越广泛，g i s 强大的 空间分析和空间数据库功能决定了g i s 为滑坡研究提供了很好的解决方案和独特的研 究方法“”6 i s 可以有效地进行各种环境及空间数据地收集、管理和分析，它不仅可以 有效的管理滑坡发生地各种形成条件，又称内在因素( 岩性、构造、地形和水文等) ， 又可以有效地管理各种外部动力因素，如降雨、地震、人类活动、侵蚀等，提供了用其 它研究手段难以解决的滑坡灾害的稳定性预测及空间分布等问题的有力工具“”。 本文就是通过利用g i s 所提供的空间分析和空间数据库的功能，对南水北调西线工 程一期工程区达曲库区的边坡稳定性进行分析，为工程区下一步制定边坡灾害防治措施 提供资料。利用传统的方法对于边坡各种数据和资料的处理，特别是区域范围内的，是 十分困难甚至是不可能的，借助g i s 强大的采集、管理、分析和输出多种海量地学空间 信息的能力，以及区域分析、多种要素综合分析和预测能力，将大大增强这一项工作的 效率。 3 华北水利水电学院硕士论文 第1 章绪论 1 3 基本原理和思路 本论文进行边坡稳定性评价遵循v a r n e s = 1 9 8 4 年完成的联合国建议的滑坡危险度 分区研究所提出的三个原理，即( 1 ) 过去和现在是预测未来的关键；( 2 ) 引起滑坡的 主要条件能被认识；( 3 ) 滑坡危险程度和潜在成灾性能被评估“”1 。 根据以上原理，按照工程地质类比原则，依据达曲库区范围内己发生失稳的边坡提 供的信息确定评价因子，并进行相应的赋值和确定权重，再结合评价模型应用g i s 的空 间分析功能计算评价单元的稳定性数值，最后再经过稳定性分级，形成达曲库区范围边 坡稳定性分区图。 1 4 技术路线 1 收集资料：南水北调西线一期工程规划、地形图、工程地质图、地质勘察报告、 地质灾害专题报告等。 2 数据分析：分析收集到的资料，得出库区崩塌、滑坡的位置、基本特征和成因。 3 建立模型：根据边坡失稳是多种因素综合作用造成的结果，建立库区边坡稳定性 分区模型。 4 评价单元的选择：根据达曲库区的实际情况和g i s 平台提供的数据结构确定模型 单元以及单元尺寸的大小。 5 稳定性评价因子的提取及量化：根据达曲库区崩塌、滑坡的成因分析，确定选取 评价因子以及对因子量化。 6 权重的确定：根据评价因子与边坡失稳的相关性大小，确定各个评价因子的权重。 7 稳定性分区：根据边坡稳定性分区模型，利用g i s 平台的空间分析功能对达曲库 区进行边坡稳定性分区。 4 华北水利水电学院硕上论文 第2 章边坡稳定性及滑坡预测研究现状 第2 章边坡稳定性及滑坡预测研究现状 2 1 影响边坡稳定性的因素 影响边坡稳定性的因素很多，概括的说，主要是内在因素和外部因素两类。 2 1 1 内在因素 影响边坡稳定性的内在因素是指先期存在于边坡体中相对稳定的不会有急剧变化 的边坡体固有的地质特征，包括地层岩性、地质构造、地貌特点和水文条件等n “”1 ， 分述如下： ( 1 ) 地层岩性 地层岩性是滑坡产生的物质基础。虽然不同地质时代、不同岩性的地层中都可能形 成滑坡，但滑坡产生的数量和规模与岩性有密切的关系。容易发生滑动的地层与岩层组 合有第四系粘性土、黄土与下伏三趾马红土及各种成因的细粒沉积物，第三系、白垩系 及侏罗系的砂岩与页岩、泥岩的互层，煤系地层、石炭系的石灰岩与页岩、泥岩互层， 泥质岩的变质岩系，质软或易风化的凝灰岩、构造碎屑岩等。 ( 2 ) 地质构造 地质构造因素，主要指边坡地段的褶皱、断层、节理裂隙的发育程度和岩层产状， 以及新构造运动特点等。通常在区域构造复杂、褶皱强烈、断层发育、节理裂隙密集、 新构造运动活跃的地区，往往岩体破碎、沟谷深切，崩塌、滑坡发育较多。而在区域构 造简单、褶皱轻微、断层较少的地区，一般岩体完整，岩层产状平缓，边坡稳定性较好。 ( 3 ) 地貌特点 地貌是地质体在内外营力长期作用下形成的地表景观。分析地貌特点与边坡稳定性 之间的关系是判断边坡稳定性的最直观最简捷的手段。一般江河峡谷中的簸箕缓坡地 带、河曲凹岸的被冲刷带、高陡的黄土塬边、判断为古滑坡的地带等的稳定性都较差。 ( 4 ) 水文地质条件 滑坡的发生离不开地下水作用，虽然水量不一定很大。具下列水文地质条件的坡体 易于产生滑坡： 5 华北水利水电学院硕士论文第2 章边坡稳定性及滑坡预测研究现状 坡体中存在相对不透水的隔水层，其上覆岩土体具有较好的渗透性，下渗的地表 水会在隔水底板上聚集、漫延，降低该部位岩土体的抗剪强度，导致上覆岩土体滑动 土坡中存在含水层时，含水层中的水可将上覆土体底部泡软进入塑性区，造成上 部土体滑动。 坡体中的储水构造或裂隙岩体在经历漫长的年代之后，有可能聚集大量地下水， 这对于坡体的稳定是很不利的，将其排出可大大提高边坡的稳定性。 含水层的潜蚀和突然液化也会导致滑坡的发生。 边坡上部或堑坡顶部有水塘或水渠时，由于通常都存在的渗漏问题而成为地下水 的补给来源，常可导致坡体下滑。 在自然界中，影响边坡稳定性的内在因素不是孤立存在的，常常相互关联相互影响 相辅相成，因此，分析边坡的内在因素时必须进行综合的相互关联的思索。 2 1 2 外部因素 外部因素或称为诱发因素是指施加于边坡的相对不稳定的可能发生急剧变化的非 边坡固有的自然或人为因素“”。属于自然方面的有：大气降雨、河岸冲刷、河水位升 降、海浪冲刷、地震等；属于人为的有：开挖坡脚、斜坡上部加载、采空塌陷、爆破震 动、库水浸没、破坏植被、工农业用水及生活用水渗透等“。1 ，分述如下： ( 1 ) 大气降雨 暴雨是导致滑坡的主要触发因素。 大气降雨对边坡稳定性的破坏作用主要表现在： 降雨除产生坡面径流以外，有相当部分渗入到坡体中，加大了坡体重量，增加了 下滑力； 降雨渗透到隔水层顶面时，将在这里聚集，并使这里的物质软化甚至泥化，降低 摩阻力，形成滑面或滑带； 坡体中的孔隙水压力增加将降低有效应力，最终导致滑带摩阻力降低； 充斥于坡体裂隙中的地下水将对坡体产生静水压力，有利于滑体下滑； 滑体部分或全部饱水后，地下水将对滑体产生浮力，降低滑体对滑床的正应力， 使滑面摩阻力降低。 ( 2 ) 河岸冲刷 6 华北水利水电学院硕士论文 第2 章边坡稳定性及滑坡预测研究现状 河岸冲刷，亦即水流的旁蚀作用对边坡稳定有极大危害。坡脚岩土体被冲刷，减少 了边坡下部维系坡体平衡的抗力，可导致潜在滑体滑动或古滑坡复活。显然，河曲凹岸， 冲刷作用强烈的地段其影响更为突出。 如若岸坡下部冲刷部位是软弱岩层，上覆巨厚坚硬岩层时，掏蚀作用的结果，或者 上覆坚硬岩层产生拉张裂隙发生崩塌，或者上覆岩层产生错落式滑动。 ( 3 ) 河( 库) 水位升降 江河水位是随季节而异的，我国大部分地区在季风气候影响之下都有明显的旱季、 雨季之分，雨季多集中在7 9 月或5 1 0 月，通常全年降雨量的一多半出现在雨季， 因而不少江河水位都会发生明显的涨落，山区河流尤为明显。当河水上涨时，岸坡中的 地下水亦会抬升，扩大了地下水的浸泡范围，降低了潜在滑面的摩阻力，当河水位急剧 下降时，由于地下水排泄较慢，从而产生较大水头差，形成动水压力，对边坡稳定产生 不利影响，如地质条件适宜，将会诱发滑坡。重庆长江沿岸一带的滑坡，在江水下落时， 或产生滑动，或活动加剧，即由此而致。如果水库持续放水过快，库岸也会发生这类问 题。 ( 4 ) 地震 地震是诱发滑坡的重要因素。 地震诱发滑坡主要有以下两个方面的原因： 由于地震产生的强大附加力，可使山体上原已接近临界稳定状态的边坡发生滑 动 由于地震松动了岩土体，地表出现大量裂缝，如再遇到大量降雨，则渗入到岩土 体中的大量雨水导致已松动的岩体沿下伏相对完整地层滑动，此类滑坡发生的时间与降 雨发生的时间紧密相关。 另外，地震发生的季节与产生滑坡的多寡有关：如地震发生在旱季，滑坡相对较少； 如地震发生在坡体中水份很多的季节，则产生的滑坡相对要多一些。 由于地震产生的强大附加力及对岩体的松动破坏，地震时和地震后还会产生许多崩 塌和泥石流。 ( 5 ) 水库蓄水诱发的滑坡 在水库蓄水引起的滑坡中，意大利瓦依昂滑坡是典型的灾难性事故例子。 水库蓄水诱发的滑坡的主要原因是，由于库水位的抬升，显著提高了岸坡中地下水 的浸泡和浸润范围，这导致了如下变化：水面以上岩土体随地下水含量的增加增大了岩 7 华北水利水电学院硕士论文第2 章边坡稳定性及滑坡预测研究现状 土体的重量；在地下水的浸润下，可能形成滑面的部位( 坡积层底面或坡积层中的软弱 面，岩体中倾向水库的软弱结构面等) 抗剪强度降低；位于坡脚的水下岩土体在浮力作 用下重量减小，进一步降低了此段潜在滑面上的摩阻力，使得坡脚岩土体中可能存在的 抗滑阻力变小。当这些变化积累到一定程度时，便可能诱发滑坡。 ( 6 ) 泄洪雨雾导致的滑坡 泄洪雨雾诱发的滑坡是在水利水电工程常见的一种特殊的边坡失稳形式。水电工程 枢纽建筑物常布置在狭窄的河谷，通过溢洪道泄放的洪水的强度超过自然界暴雨几百 倍。在这种情况下，承受泄洪雨雾的边坡可能失稳，给工程带来重大危害 ( 7 ) 开挖坡脚 在山区建设中，尤其是在山区铁路和公路建设中，开挖坡脚和开挖路堑是极普遍的 工程行为，从而引发了大量滑坡。 虽然开挖坡脚或者开挖路堑都是破坏了山体原有的平衡，但大略而言又可分成两种 不同的情况。 对地质条件了解不够或对地层特性认识不足，不合理开挖，从而引发大量滑坡， 导致施工不能如期进行，投资大量增加，甚至连年整治却难以收到预期成效。 己知是一古滑坡，出于某种原因，偏要在其坡脚开挖，最终导致滑动，酿成大祸。 此外，在一些露天矿开采过程当中，在其高陡边坡上，也常常由于开挖和爆破而产 生滑坡。 ( 8 ) 边坡上部加载 开挖坡脚是挖去了坡体的支撑部分，使抗滑力减小，从而发生滑坡。边坡上部加载 则是增大了潜在滑体的下滑力，同样也可破坏坡体平衡诱发滑坡。由于弃土、弃碴堆积 不当，造成边坡上部加载从而诱发滑坡的情况，在矿区和山区道路及其他工程活动中时 有发生。 ( 9 ) 采空塌陷 采空塌陷诱发滑坡的现象发生在矿区，尤以煤矿区多见。采空塌陷本来是矿区必然 发生的现象，但如若具备了其它适合的地形、地质条件，则可能演化成滑坡，此中包括 采空区上方地面为较高陡的边坡，边坡下部有倾向临空方向的可能形成滑面的易滑地层 等。 ( 1 0 ) 爆破震动 大规模爆破亦可诱发滑坡，其机理与地震诱发滑坡是相似的，只不过爆破引起的震 s 华北水利水电学院硕士论文 第2 章边坡稳定性及滑坡预测研究现状 动远远小于地震引起的震动，所以，爆破诱发滑坡的范围通常仅限于实施爆破的坡体。 ( 1 1 ) 与植被的关系 植被可以护坡和防止水土流失。但在一定条件下，也会产生不利边坡稳定的影响。 因而在山区城市建设的环境保护中，注意研究植被对边坡稳定性的影响是很有必要的。 植被的影响可概括为水文地质效应和力学效应两个方面。以树木为例，在水文地质 效应方面，它可通过树冠( 或林冠) 遮挡降雨，减少降水渗入量；通过根茎吸水、叶面 蒸发而疏干土体和降低地下水位；又可阻滞地面径流，既降低了水的面蚀能力，又增大 了地面水的渗入量。在力学效应方面，根茎可起到根固土壤，提高土体抗剪强度和抗冲 刷能力的作用，嵌入基岩的根茎，可起到锚筋作用，成为支撑坡体的拱座。而树木本身 的重量增加了坡体的荷重，并向边坡传递风的动力荷载。可见，两种效应均包含有利和 不利于边坡稳定性的作用。 ( 1 2 ) 工农业用水及生活用水渗透 这一方面的影响与降雨类似，所不同的是，降雨及其渗透在很大程度上是不可避免 的，人们所能做的也只是做一些地面截排水工程和坡面防护工程减少降雨在一定范围内 的下渗，或者再做一些地下截排水工程把渗透到坡体中的地下水捧出，而工农业用水及 生活用水的不良漫流及渗透在很大程度上是可以控制的，只要措施得当，完全可以大大 减少甚至基本杜绝可能诱发的滑坡或其他地质灾害。但遗憾的是，或由于疏忽，或由于 不了解其危害，或由于管理不善，甚至虽明知其危害但仍不得不为之，从而引发了主要 由于这方面的原因而产生的滑坡。 从以上分析可得出两点认识“”： ( 1 ) 对具有形成滑坡条件的边坡而言，促使滑坡发生的诱发因素通常不止一个， 但往往有一个是主要的 ( 2 ) 对于各种诱发因素，尤其是人类活动造成的诱发因素，都可以采取适当措施 减弱甚至避免其可能产生的不良影响，关键在于，应事先对欲开展工程活动的坡体的地 质条件进行深入细致的调查、勘探、分析，对工程活动可能对坡体稳定造成的不良影响 做出正确评价，制定和采取必要的措施防患于未然。 2 2 边坡稳定性评价方法 近年来随着经济的日益发展，尤其是西部大开发，大规模的基础建设遇到了大量的 9 华北水利水电学院硕士论文 第2 章边坡稳定性及滑坡预测研究现状 边坡工程，这些边坡又往往成为制约该工程是否经济合理乃至成败的重要因素，而且人 们更关心边坡失稳造成的危害，所以边坡稳定分析非常重要。边坡稳定分析的方法很多， 现简述如下。 2 2 1 定性分析方法 定性分析方法主要是通过工程地质勘察，对影响边坡稳定性的主要因素、可能的变 形破坏方式及失稳的力学机制等的分析，对已变形地质体的成因及其演化史进行分析， 从而给出被评价边坡一个稳定性状况及其可能发展趋势的定性的说明和解释。其优点是 能综合考虑影响边坡稳定性的多种因素，快速地对边坡的稳定状况及其发展趋势作出评 价。常用的方法主要有下面几种汹】，分述如下： ( i ) 自然( 成因) 历史分析方法 该方法主要根据边坡发育的地质环境、边坡发育历史中的各种变形破坏迹象及其基 本规律和稳定性影响因素等的分析，追溯边坡演变的全过程，对边坡稳定性的总体状况、 趋势和区域性特征作出评价和预测，对已发生滑坡的边坡，判断其能否复活或转化。它 主要用于天然边坡的稳定性评价。 ( 2 ) 工程类比法 该方法实质上就是利用已有的自然边坡或人工边坡的稳定性状况及其影响因素、有 关设计等方面的经验，并把这些经验应用到类似的所要研究边坡的稳定性分析和设计中 去的一种方法。它需要对已有的边坡和目前的研究对象进行广泛的调查分析，全面研究 工程地质因素等的相似性和差异性，分析影响边坡变形破坏的各主导因素及发展阶段的 相似性和差异性，分析它们可能的变形破坏机制、方式等的相似性和差异性，兼顾工程 的等级、类别等的特殊要求。通过这些分析，来类比分析和判断研究对象的稳定性状况、 发展趋势，加固处理设计等。在工程实践中，既可进行自然边坡间的类比，也可进行人 工边坡之间的类比，还可在自然边坡和人工边坡之间进行类比。因而，可说它是目前应 用最广泛的一种边坡稳定性分析方法。 ( 3 ) 图解法 图解法可分为诺模图法和赤平投影图法： 诺模图法 该法就是利用一定的诺模图或关系曲线来表征与边坡稳定有关参数问的关系，并由 1 0 华北水利水电学院硕士论文 第2 章边坡稳定性及滑坡预测研究现状 此求出边坡稳定安全系数，或根据要求的安全系数及一些参数来反分析其它参数( 妒， c ，结构面倾角，坡角，坡高等) 的方法。它实际上是数理分析方法的一种简化方法，如 t a y l o r 图解等。它目前主要用于土质或全强风化的具弧形破坏面的边坡稳定性分析。 赤平投影图法 该法就是利用赤平极射投影的原理，通过作图来直观地表示出边坡变形破坏的边界 条件，分析不连续面的组合关系，可能失稳岩土体形态及其滑动方向等，进而评价边坡 的稳定性，并为力学计算提供信息。常用的有赤平极射投影图法、实体比例投影图法、 m a r k l a n djj 投影图法等。它目前主要用于岩质边坡岩体的稳定性分析。 ( 4 ) 专家系统 专家系统就是一种按某学科及相关学科专家的水平进行推理和解决问题、并能说明 其缘由的计算机程序。边坡稳定分析设计专家系统就是进行边坡工程稳定性分析与设计 的智能化计算机程序。它把某一位或多位边坡工程专家的知识、工程经验、理论分析， 数值分析、物理模拟、现场监测等行之有效的知识和方法有机地组织起来，建成个边 坡工程知识库，然后利用智能化的推理机( 一个控制整个系统的计算机程序) 来模拟并再 现人( 专家) 脑的思维( 推理与决策) 过程，吸收其合理的知识结构，寻求优化的技术路径， 同时，它又能建立计算机模型，结合相关学科不同专家的知识进行推理和决策，对所研 究的对象( 边坡) 进行稳定性评价。利用良好的边坡工程专家系统，运用专家的知识水平， 模拟其思维方式和决策过程，提高设计人员的决策水平，并最大限度地降低费月支节 省时间，达到更加优化的目的和效果。 2 2 2 定量分析方法 严格的说，边坡稳定性分析还远远没有达到完全定量这一步，它只能算是一种半定 量的分析方法，虽然评价结果表现为确定的数值，但最终判定仍然依赖人为的判断。目 前，所有的计算方法都是基于定性基础之上 ( 1 ) 刚体极限平衡分析法 刚体极限平衡分析法是假定岩土体破坏是由于滑体沿滑动面发生滑动而造成的。假 设滑动面已知，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，确定沿这一滑动面发生滑动时的破坏荷载。有的方法 考虑隔离体的整体平衡，有的方法把隔离体分成若干竖向的土条，并对条间力作一些简 1 l 华北水利水电学院硕j ：论文第2 章边坡稳定性及滑坡预测研究现状 化，然后考虑每一土条的静力平衡，这样可以求出一系列滑面发生滑动时的破坏荷载。 最小的破坏荷载就是要求的极限荷载，与之对应的滑动面就是最危险的滑动面。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 n e n i u s 法、b i s h o p 法、j a u b u 法、m o r g e n s t e n p r i n c e 法、s p e n c e r 法、余推力法、s a r m a 法、楔体极限平衡分析法等等，其中s a r m a 法既可用于滑面呈圆弧 形的滑体，又可用于滑面呈一般折线形滑面的滑体极限平衡分析；楔体极限平衡分析则 主要用于岩质边坡中由不连续面切割的各种形状楔形体的极限平衡分析汹剐。 ( 2 ) 数值分析方法 主要是利用某种方法求出边坡的应力分布和变形情况，研究岩体中应力和应变的 变化过程，求得各点上的局部稳定系数，由此判断边坡的稳定性。目前主要有限元( f e m ) 法、边界元( b e m ) 法、f l a c 方法、离散元( d e m ) 法、块体理论( b t ) 、不连续变形分 析( d d a ) 、无界元( i d e m ) 法、流形元法( n 姗) 法、不同数值方法的相互耦合等，其 中不同数值方法的相互耦合如有限元与无界元、边界元、离散元等的耦合，边界元与 离散元的耦合，以及数值解与解析解间的耦合，这些方法的耦合应用能在一定的程度上 彼此取长补短，以适应岩体的非均质、不连续、无限域等特征，使计算变得高效、合理 与经济荔刳荔 。 2 2 3 不确定性分析方法协“3 ( 1 ) 系统分析方法 由于边坡处于复杂的岩体力学环境条件下，其稳定性涉及的面广，且程度非常复杂， 可以认为其是一个复杂系统，因此，边坡问题也是一个系统工程问题。应用系统分析方 法应该遵循的途径是：岩体力学环境的研究一变形破坏机制研究一稳定性计算分析。目 前，该方法广泛应用于边坡稳定性分析之中。 ( 2 ) 可靠度分析方法 确定性分析方法中常用到安全系数的概念，其实践上只是滑动面上平均稳定系数， 而没有考虑影响安全系数的各个因素的变异性。而可靠度分析方法则考虑了这一点，可 靠度方法在分析边坡的稳定性时，充分考虑各个随机要素( 如岩体及结构面的物理力学 性质，地下水的作用包括静水压力、动水压力、裂隙水压力、软化作用、浮脱力及各种 荷载等) 的变异性可靠度方法已经广泛应用于边坡及滑坡分析中。 华北水利水电学院硕士论文 第2 章边坡稳定性及滑坡预测研究现状 ( 3 ) 灰色系统方法 灰色系统理论主要以信息的利用于开拓为宗旨，以客观现象量化为目标，除对事物 进行描述外，更侧重对事物发展过程进行动态研究。其应用于滑坡研究中主要有两方面： 一是用灰色预测模型进行滑坡失稳时间的预报，实践证明该理论预测的精度相当高；二 是用灰色聚类理论进行边坡稳定性分级、分类。该方法的局限性是聚类指标的选取、灰 元的白化等带有经验性质。 ( 4 ) 模糊数学评判法 模糊数学对处理经验模糊性的事物和概念具有一定的优越性。该方法首先找出影响 边坡稳定性的因素，并进行分类，分别赋予一定的权值，然后根据最大隶属度原则判断 边坡单元的稳定性。实践证明，模糊评判法效果较好，为多变量、多因素的边坡稳定性 的综合定量评价提供了一种有效的手段。其缺点是各个因素的权重选取带有主观判断的 性质。 除了上述四种非确定性分析方法外，突变理论方法、人工智能方法、人工神经网络 方法、损伤断裂力学理论、分叉与混沌理论等也在边坡稳定性方向上得到了不同程度的 应用，为边坡稳定性分析及预测提供了新的途径 2 2 4 物理模拟方法4 “剐 物理模拟方法是一种发展较早，应用广泛、形象直观的边坡稳定性分析方法。它主 要包括光弹模型、底摩擦试验、地质力学模型试验、离心模型试验等。 由于离心模型技术能使模型达到原型的压力水平，近年来已被广泛地应用于滑坡的 研究之中，为复杂的岩石工程的研究提供了有力的手段离心模型试验是离心机作为 加载工具，把z 力缩尺的模型放在以增速度运转的离心机中进行试验，测量其中的应力、 变形，观察模型的变形破坏发展过程及加固措施的加固效果。由于离心力与重力保持等 效，且加速度不会改变材料的性质，从而使模型与原型的应力应变相等、变形相似、破 坏机理相同，能够再现原型的特性。该方法可以在同一模型上，完成弹性、弹塑性乃至 破坏失稳各个阶段( 整个过程) 的模拟，展示边坡岩土体变形破坏的机制与过程，且可以 测量全过程的应力和位移，还可求得超载安全系数等。边坡工程中的离心模型试验也存 在一些尚未解决的问题，主要是一些模拟理论问题。由于用原型材料进行试验，在相似 规律条件下，并不能使模型满足所有的条件，从丽引起固有误差。此外，如何确定参数 华北水利水电学院硕士论文 第2 章边坡稳定性及滑坡预测研究现状 有待进一步研究。 2 3 滑坡灾害预测预报 2 3 1 滑坡灾害预测预报的内容n “踟 ( 1 ) 滑坡的空间预测 空间预测即在那些地方可能发生滑坡。对于“那些地方可能发生滑坡”有两种含义， 广义和狭义，广义是指区域性滑坡预测，或者说是滑坡危险性分区，即哪些区域较容易 发生滑坡，哪些区域不易发生滑坡。狭义是指已知单个滑坡或边坡发生滑动的危险性， 即某点发生滑动的机率大小。 ( 2 ) 滑坡时间预报 时间预报一般是指预报发生剧烈滑动的时间。在查明哪里可能产生滑坡之后，人们 首先面l 临的是需不需要治理，来不来得及治理以及怎样治理的问题。对那些经济效益不 大，或者虽然具有较好的经济效益但已处于失稳状态、来不及治理的滑坡，便应预报出 其发生剧滑的时间，以便及时采取疏散转移、搬迁躲避、停止交通等措施，把可能产生 的损失减少到最低程度，这也是研究滑坡预报的最重要意义之一。 ( 3 ) 滑坡灾害的影响范围 所谓滑坡灾害影响范围，不仅指滑动岩土体可能达到的范围，还应包括滑体滑入水 体中( 如果滑体能够滑入水体中) 激起的涌浪及其影响和高速运动的滑体其前方气浪的 破坏。这一问题的解决有助于确定合理的搬迁范围。 2 3 2 滑坡的空间预测 对单个滑坡的空间稳定性预测分析方法，前面已有论述。为了给拟建工程选择一块 较安全的，产生滑坡的可能性较小的场地，或是已选定工程场地，为了工程施工过程和 建成投入使用后受滑坡的影响较小，都需要用一定的方法进行区域滑坡稳定性分区。目 前稳定性分区的滑坡空间预测方法使用较多的有以下几种： ( 1 ) 神经网络法洳。“嘲 神经网络能通过对已知样本的学习，掌握输入与输出间复杂的非线性映射关系，并 对这种关系进行存储记忆，直接为预测提供知识库，同时，还具有高速的并行处理能力、 1 4 华北水利水电学院硕士论文第2 章边坡稳定性及滑坡预测研究现状 自组织学习能力、高速的容错性、灵活性和适应性等优点。 神经网络对边坡稳定性空间预测是用研究程度较高的边坡地段作为己知样本对网 络进行训练，直到网络掌握数据间的非线性映射关系为止，然后用该地区其它稳定性未 知的地段作为预测样本，输入已经学习好的网络，通过网络的联想记忆功能直接预测稳 定性。 在用神经网络进行预测预报中，可以把各种可能对边坡稳定性有影响的因素作为网 络的输入，而提高预测的精度。许强等运用此方法预测了黄河某水电站库区和三峡某些 典型边坡地段的稳定性，其预测精度达到9 0 。 ( 2 ) 信息模型法汹】 信息模型的理论基础是信息论，采用滑坡灾害发生过程中熵的减少来表征滑坡灾害 事件产生的可能性，因素组合对某滑坡灾害事件的确定所带来的不肯定性程度的平均减 少量等于该滑坡灾害系统熵值的变化。认为滑坡灾害的产生与预测过程中所获取的信息 的数量和质量有关，是用信息量来衡量的，信息量越大，表明产生滑坡灾害的可能性越 大 ( 3 ) 灾变模型预测法汹“1 计算边坡的稳定系数需要涉及到岩土的计算参数，由于岩土性质的不确定性和离散 性，使得同一边坡采用不同的计算参数得出结果差别较大，甚至得出相反的结论。采用 灾变理论避开了这些不确定性的参数的影响，它假定系统在任何时刻的状态都可完全由 给定的几个状态内部量的值来确定，同时系统还受到若干个独立的控制量的控制，通过 数学方法，研究系统状态的稳定与否与各量值的关系。该方法综合考虑了各种边坡要素 对边坡稳定性的不同程度的影响，能较真实地描绘边坡系统的状态 ( 4 ) 模糊综合评判法哪川 边坡的稳定性受诸多因素的影响，很难用一个确定的结论来表述其稳定还是不稳 定，往往用模糊概念来表述，如把边坡的稳定等级分为“危险区”、。不稳定区”、“较 不稳定”、。稳定区”等。模糊综合评判方法就是对边坡稳定性等级进行分类，并通过 专家评分或构造隶属函数确定对同一等级各因素以及某一因素在不同等级中对边坡稳 定性的影响程度( 隶属度) ，建立模糊评判矩阵，确定边坡的稳定性对各等级的隶属程度， 最后按择优原则预测边坡的稳定性。该方法的最终结果是否可靠，受单因素的选择和隶 属度的确定影响较大。 ( 5 ) 统计模型预测法阳1 华北水利水电学院硕十论文 第2 章边坡稳定性及滑坡预测研究现状 该类模型方法是通过对现有滑坡灾害及其类似不稳定现象所在的地质地貌因素和 触发因素之问的统计规律研究，建立滑坡灾害与各因素之间的相关关系或各种滑坡灾害 因素之间的组合关系，从而建立相应的预测模型，如：回归预测模型、判别分析模型、 聚类分析模型等。回归模型预测法是建立滑坡灾害的结果与各种因素之间的相关关系， 某因素的回归系数越大，一般表示该因素对滑坡的作用越显著；判别分析方法则是通过 判别建立滑坡预测的判别函数来达到预