（道路与铁道工程专业论文）岩质边坡崩塌破坏机理及其稳定性分析方法.pdf

摘要 国内外对崩塌落石分析评价的方法还不完善，难以应用于崩塌的预测与治理， 通过一个具体的工程实例昌马水库枢纽工程右岸边坡，研究岩质边坡倾倒式 崩塌的破坏机理及稳定性分析方法，取得了如下成果： 在收集整理岩质边坡崩塌破坏研究成果的基础上，总结了岩质边坡崩塌的 特点，分析了现有崩塌分类方法的优缺点。 针对一个具体的工程实例昌马水库枢纽工程右岸边坡进行分析，根据 其岩石力学特性和指标判断出边坡可能发生的失稳模式为倾倒式崩塌破坏，通过 分析模型在安全系数分别为l 、1 2 、1 3 、1 3 8 四种状态时的应力应变云图，总 结出了岩质边坡倾倒式崩塌破坏的变形机理为：岩层由于受外界条件的影响，在 自重产生的弯矩作用下，由前缘开始向临空方向作悬臂弯曲，并逐渐向坡内发展， 最终发生倾倒破坏。 利用边坡倾倒稳定分析的g o o d m a n b r a y 法对边坡进行了验算，并与 f l a c - 3 d 软件分析的结果进行了比较。 利用有限元强度折减法对边坡的安全系数进行了计算，得出其强度折减系 数为1 3 8 。 关键词：岩质边坡；崩塌；破坏机理；极限平衡法；强度折减法 a b s t r a c t e v a l u a t i o na n da n a l y s i sm e t h o di nr o c k f a l li ss t i l ln o tp e r f e c tn o to n l ya th o m eb u t a l s oa b r o a d i td i f f i c u l tt of o r e c a s ta n dc o n t r o la p p l i e dt oc o l l a p s e ，i nt h i sp a p e r , t h e s a f e t yf a c t o ro fs t r e n g t hr e d u c t i o nc h a n g m ar e s e r v o i rd a mv r o j e c t0 1 1t h er i g h tb a n k s l o p ew e r ea n a l y z e d ，y i e l d e dt h ef o l l o w i n gr e s u l t s ： c o l l e c t e da n ds u m m a r i z e di nt h ep r e v i o u sc o l l a p s eo ft h er o c ks l o p ea n di t s t r e a t m e n tb a s e do nt h er e s u l t s ，s u m m a r i z e st h ec h a r a c t e r i s t i c so fr o c ks l o p ec o l l a p s e ， c o l l a p s eo ft h ep r e d e c e s s o r so ft h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so ft h ev a r i o u s c l a s s i f i c a t i o n s w o r k sa g a i n s tas p e c i f i ci n s t a n c e - c h a n g r n ap r o j e c to ft h er i g h tb a n ks l o p e ， a c c o r d i n gt ot h e i rc h a r a c t e r i s t i c sa n di n d i c a t o r so f r o c ks l o p ed e t e r m i n et h ef a i l u r em o d e m a yo c c u r f o r t h ed u m p i n go ft y p el a n d s l i d ed a m a g e ，t h es a f e t yf a c t o rb ya n a l y z i n gt h e m o d e lw e 陀1 ，1 2 ，1 3 ，1 3 8f o u rs t a t e so f s t r e s sa n ds t r a i nw h e n t h ec l o u d ，s u m m e du p t h er o c ks l o p ec o l l a p s et o p p i n gt h ed e f o r m a t i o nm e c h a n i s m s t r a t ad u et ot h ei m p a c to f e x t e r n a lc o n d i t i o n s ，r e s u l t i n gi nw e i g h tt om o m e n t , f r o mt h eb e g i n n i n gt ot h ei n v a d i n g f r o n tf o rc a n t i l e v e rb e n d i n gd i r e c t i o n , a n dg r a d u a l l yd e v e l o p e dw i t h i nt h es l o p e ， e v e n t u a l lt o p p l i n gf a i l u r eo c c u r r e d d u m ps l o p es t a b i l i t ya n a l y s i su s i n gg o o d m a n - b r a ym e t h o dw a sc h e c k i n go n t h es l o p e ，a n d 谢t l lt h ef l a c 一3 ds o f e w a r ea n a l y s i sr e s u l t sw e r ec o m p a r e d f i n i t ee l e m e n ts t r e n g t hr e d u c t i o no ft h es l o p es a f e t yf a c t o ri sc a l c u l a t e d ，d r a w t h e i rs t r e n g t hr e d u c t i o nf a c t o ro f1 3 8 k e yw o r d s ：r o c ks l o p e ；c o l l a p s e ；f a i l u r em e c h a n i s m ；l i m i te q u i l i b r i u mm e t h o d ； s t r e n g t hr e d u c t i o n 重庆交通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，是本人在导师的指导下，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，本论文不包含任何其他个人 或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体， 均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：雾谬 日期：2 0 1 0 年4 月，d 日 重庆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。 本人授权重庆交通大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库进行检索， 可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本人学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并进行 信息服务( 包括但不限于汇编、复制、发行、信息网络传播等) ，同时本人保留 在其他媒体发表论文的权利。 学位论文作者签名：关哆 日期：2 0 1 0 年4 月f o 日 指导教师签名：彦制名 日期：2 0 1 0 年4 月口日 本人同意将本学位论文提交至中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社c n 系 列数据库中全文发布，并按中国优秀博硕士学位论文全文数据库出版章程规 定享受相关权益。 学位论文作者签名：吴穆 日期：2 0 1 0 年4 月，口日 指导教师签名：房捌名 日期：2 0 1 0 年4 月o 日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 选题依据及研究意义 崩塌是陡坡上的大块或巨块岩体或土体，因长期经受风化剥蚀或震动，突然 脱离山体，在重力或其它外力作用下，以急剧倾倒、崩落、滑移、翻滚、跳跃等 单一或复合的形式运动，甚至在运动过程中相互撞击，最后堆于坡脚的动力地质 现象。 我国幅员辽阔，人口众多、气候多变、地形地貌和地质条件复杂，人口、资 源、环境与灾害是当今社会人类面临的主要问题。人口的不断增长，导致了对资 源需求的不断增加；人类活动空间和规模的迅速增大以及对资源的过量开采，导 致了一系列环境问题，引起了一系列自然灾害口1 。特别是近年来，国内外对于高速 公路和铁路落石与崩塌的报道屡见不鲜。 山区公路和铁路n ，往往是穿越崇山峻岭，跨过险滩峡谷，沿其河谷蜿蜒曲折 地爬行，线路的一侧为破坏了平衡的陡峻山坡；另一侧为水流湍急的河岸险滩。 山区公路的特点是坡度大，弯道多，视通条件差。一旦崩塌，落石体侵入限界， 会发生难以想象的后果。大型崩塌不仅可以成段毁坏铁路、公路和各类建筑物， 而且堵塞河道，造成堰塞湖，淹没上游良田和建筑物。当堰塞湖溃决时，又造成 下游严重水灾。例如1 9 8 7 年9 月1 日凌晨3 时3 0 分，四川省巫溪县城南，发生 大型崩塌，一声巨响，从1 0 0 m 以外的悬岩峭壁处，4 0 0 0 m 3 岩体崩坠翻滚而下，摧 毁一栋五层楼的宿舍、三所私人旅馆、几所民房和商店；掩埋公路，中断交通； 砸死职工、居民9 5 人，砸伤2 4 人。又如1 9 8 8 年1 月1 0 日1 8 点3 7 分，该县西 宁区下堡乡红岩山，从山顶发生大型崩塌，将山下百米宽的溪河拦腰截断，破坏 公路5 0 0 m ，砸死8 人，砸伤7 人。两起崩塌，给国家和人民，造成重大经济损失 和人员伤亡。 崩塌与落石n 3 是高陡边坡上经常发生的地质物理现象。道路边坡的崩塌与落石 对道路工程和运输的危害较大。以铁路为例，据不完全统计，宝成线发生这种地 质物理现象3 8 7 处，川黔线2 3 9 处，襄渝线2 2 2 处，全国铁路约2 6 2 0 处。影响铁 路总长度2 9 4 7 7 4 m 。其中，郑州局管范围内发生崩塌与落石8 l l 处，总长7 6 9 6 9 m ： 成都局管范围内7 0 6 处，总长5 2 4 0 8 m 。成昆线乌斯河工务段路基长7 3 k m ，通车后 的1 9 年间，共发生落石9 0 0 余次，砸死3 人，砸伤5 人，其中1 9 8 1 年一1 9 8 5 年 间，落石砸撞列车6 3 次，中断行车1 5 0 小时。 由于崩塌发生的突然而猛烈，对道路工程和运输、以及人民生命财产的危害 较大。同时治理比较困难而且复杂，特别是对于大型崩塌，一般多采取以防为主 2第一章绪论 的原则h 1 。在选线的时候，应注意根据边坡的具体条件，认真分析崩塌发生的可能 性及其规模，对边坡的稳定性进行分析。 当前，边坡稳定性分析方法主要有两类：一类为建立在刚体极限平衡理论上 的极限平衡法n 鲥，另一类为以有限元法为代表的强度折减法法n 引。 极限平衡方法是边坡稳定分析中应用最广泛的方法，其基本思想是假定边坡 内存在一个潜在滑动面，该面上土体处处达到了极限平衡状态，按极限平衡理论 分析滑体的受力。该法引入了一些简化假定，使本质上超静定的问题变得静定可 解。由于简化条件不同，产生了十多种方法，一些方法在理论上已很完善。各种 方法表达形式多样，在不同程度上满足力的平衡。 虽然极限平衡法在边坡稳定性分析中得到了广泛应用，但由于其对问题的简 化及假定条件可能与实际不符，因而具有一定的局限性。如土条间内力及滑面底 部反力是虚拟的，不代表真实应力状态；计算中尚无法考虑更复杂的破坏准则； 不能反映边坡的破坏机制，不能描述边坡屈服的产生、发展过程；不能提供坡体 内应力一应变的分布情况；认为破坏是整个滑裂面上的抗滑强度同时达到土体屈 服强度后而瞬间发生等。因而，五十年代中期至六十年代末，数值分析方法飞速 发展，本文主要谈论数值分析方法中的有限元强度折减法。 与传统的极限平衡法相比，采用有限元法的优势可归纳如下：( 1 ) 可以分析具 有复杂地貌、地质边坡的稳定性；( 2 ) 可以考虑土体非线性的本构关系及各种特性， 可以了解土体内应力应变的发展过程；( 3 ) 可以得到复杂边坡的破坏机制和形式， 确定潜在滑动面的位置；( 4 ) 可以考虑各种不同的荷载工况，如降雨、泄洪、地震、 填挖建造等，以及复杂的加载过程。正是由于有限元的上述优点，采用有限元法 分析边坡稳定性受到众多学者的关注。 鉴于此，本论文针对崩塌中的一种形式倾倒式崩塌进行了研究，利用 a n s y s 和f l a c - 3 d 软件分析了岩质边坡在安全系数折减的情况下发生倾倒式崩塌的 变形过程及破坏机理，并通过分析一个具体的工程实例昌马水库枢纽工程右 岸边坡的变形破坏过程，利用f l a c - 3 d 软件通过数值模型模拟分析了该岩质边坡在 不同的安全系数下的应力应变过程，来了解岩质边坡倾倒崩塌的破坏机理，然后 在进行详细的数值分析的基础上，采用极限平衡法和有限元强度系数折减法对该 边坡进行了稳定性分析以确定和更好地了解边坡不稳定性的根本原因，以便据此 减小边坡的不确定性，加强边坡的安全性防护，为岩质边坡倾倒崩塌破坏的治理 及防治提供可借鉴和参考的数据和依据。 第一章绪论 3 1 2 国内外研究现状及发展趋势 1 2 1 岩质边坡崩塌破坏的稳定性分析方法 国内对岩质边坡崩塌破坏地质灾害的稳定性研究大致可分为三个阶段。七十 年代以前为定性分析阶段，主要停留在危岩、崩塌等岸坡地质灾害的识别与定性 描述方面。七十年代到八十年代为第二阶段，人们的认识已经由感性上升到理性 阶段，以危岩、崩塌形成机制分类研究其主要特点，广泛开展物理模拟和数值模 拟，再现重大斜坡地质灾害的变形破坏过程与机制。这一研究工作至今仍是斜坡 灾害研究的重点；八十年代以来，随着计算机技术的发展，斜坡( 边坡) 数值模 拟得以实现，已经成为崩塌研究不可缺少的手段。 目前崩塌的稳定性评价方法主要有四大类：数值分析法、可靠度分析法、按 监测数据计算的比较辨识法及静力解析计算法醢，。 数值计算和仿真 近几十年来，孙钧、钱七虎等从国外引进和自行研制了许多切实可行的数值分 析方法用于解决边坡工程的计算。应用数值方法进行边坡工程的计算可以采用弹 塑性理论和极限平衡分析来解决，方便处理岩石边坡问题的非线性等特征，得到 地应力场、应变场和位移场，非常直观地模拟边坡变形破坏过程。数值方法适用 于分析边坡岩体与加固结构的相互作用，地下水渗流，地震等因素对边坡稳定性 的影响，能依据岩土的破坏准则，确定边坡的塑性区或拉裂区域，分析边坡的累 进性破坏过程和确定边坡的起始破坏部位。采用离散元可以仿真边坡的整体滑动 过程，对于预测边坡的破坏规模和方式具有重要的意义；用有限元计算应力和位 移时，工程中采用的是接触单元( 或夹层单元) 求解接触问题，因无法求解有初 始间隙的接触问题及因采用单元内应力作为屈服判断可能导致失真现象，故其应 受到限制。刘国明( 1 9 9 4 ) 采用有限元对三峡链子崖危岩体静力稳定性分析时， 考虑了软弱夹层的材料非线性及裂缝的接触非线性问题，提出连杆接触有限元模 拟以满足求解工程接触问题的需要，并将岩块简化为弹性体。刘国明等人基于夹 层单元及连杆接触单元非线性模拟、线弹性体单元模拟及静力分析法，还研制了 适于复杂岩质边坡稳定性分析的三维有限元程序，应用该程序对链子崖危岩体进 行稳定性计算，结论与现场实际相符。另外，随着数值分析方法的不断发展，出 现了不同的数值方法相互结合，如有限元、边界元、无限元、离散元与块体元的 相互结合、数值解和解析解的结合，以及非确定性的数值方法，如随机有限元、 模糊有限元、概率数值分析等方法。这些方法的结合能充分发挥各自的特长，解 决复杂的岩土工程问题。岩体变形破坏过程非常复杂，建立合理的计算模型和准 确的计算参数取值使其客观描述岩体特征是数值计算是否合理的关键，但到目前 4 第一章绪论 为止，数值计算模拟仍在不断的完善中，加上计算工作量巨大，操作过程也十分 复杂，科研中可以采用，却还很难推广到实际工程中。 可靠度法 在边坡稳定性分析中，最基本的评价指标是极限平衡方程的解，传统的方法 是采用以安全系数为度量指标的定值法。可靠度方法用于分析危岩稳定性，其关 键在于功能函数的建立和概率尺度的确定。谢全敏( 1 9 9 8 ) 运用蒙特卡罗边界法 分析危岩稳定性，这种方法是通过求解岩体破坏概率来评价其稳定性，实际上相 当于计算边界上点( x l ，x 2 ，x m ) 处基本随机变量x 1 的概率分布函数的均值， 这样可以免去对控制危岩体的基本随机变量x 1 抽样，具有较小的方差。该方法建 立了直接坠落，沿单面滑动和沿双面滑动的三种破坏功能函数。但在某些工程设 计中，按可靠度方法计算是安全的，实际运营却发生了破坏，其原因复杂多样， 其中很重要的一个因素就是忽视了计算参数的不确定性。 系统辨识法和人工神经网络法 张奇华提出了一种边坡变形破坏的系统辨识方法。其主要思想是：在工程地 质区域，考虑变形破坏方式及相应的变形破坏特征、位移关系式，针对各种可能 的变形和破坏建立( 或调整优化已有的) 变形监测网，由监测数据计算得到变形 区域的空间位移向量，对比各种可能的变形破坏方式相应的变形特征和位移关系 式，从而辨识出实际发生的变形破坏方式、变形区域及变形演化成破坏的过程。 这种系统辨识方法，旨在探索将边坡的变形、破坏分析与监测网，监测数据有机 的结合起来，并定量化，主要针对在通常情况下( 无地震、暴雨、人工扰动) 的 变形、破坏。系统辨识识别方法需要相应的变形监测网及监测数据的支持，而且 变形一破坏的演化过程中，变形区域，变形破坏方式不可能一成不变，监测点需 要及时补充，并注意系统辨识识别方法的完善，随机应变。另外，该方法在工作 时，会碰到一些不明确的情况，在确定变形区域，求取空间位移向量时，给结论 带来不确定性。沿着系统辨识法的思路，近年来，人工神经网络开始应用于边坡 工程的稳定性分析评价。 静力解析法 在工程实际中最常用的稳定性分析方法还是静力解析法，这种方法简单可行， 结果明确，但对危岩体破坏模式认识的区别导致了失稳判据的不同，判据中参数 的确定又与地勘资料的准确性密切相关。 王立人等分三种情况对岩体进行稳定性计算( 图1 1 ) 第一章绪论 5 q 型 b型 r c型 图1 1 岩体稳定分析计算简图 f i g 1 1r o c km a s ss t a b i l i t ya n a l y s i sa n dc a l c u l a t i o nd i a g r a m a 型崩塌其破坏为剪切破坏，稳定系数与危岩体重量、滑面倾角、长度及 摩擦系数、粘聚力有关。稳定系数为： k ：g c o s c r ( f i l ! + f 2 l 2 ) ( l j + f 2 l 2 ) + c 1 l i + c 2 l 2 一 g s i n 口 式中：卜危岩体重量；口滑面沿滑动方向的倾角； 石、c 。、厶分别为岩体滑面上的裂隙面摩擦系数、粘聚力计算 中占有的单宽长度( 或面积) ，f 。、c 。根据试验结果取值。 厶、c ：、工：分别为未被裂隙切割部分的岩石剪切强度的摩擦系 数、粘聚力计算中占有的单宽长度( 或面积) 。 b 型崩塌由于重力偏心分布，引起拉应力而产生破坏，稳定系数为岩体平 均抗拉强度与产生的拉应力的比值。 k ：生 盯f 式中：r ，为岩体平均抗拉强度； 呼器嚣( a 在0 b 外” ，在o b 内”，) ； 岛为岩体垂直剖面方向的宽度。 厶为o b 段长度： 厶为o a 段长度，即重心铅垂线距0 点的距离 此形状如产生b c 微裂面，亦可按a 型计算。c 型崩塌坡脚a b 段应力引起 的破坏，稳定系数由岩土或土层的抗压强度及危岩体重量确定。 6 第一章绪论 k ：r c l g 式中：砟为岩体单轴抗压强度； i 一 b 段长度。 如属剪切破坏，则按下式计算： k = ：j c o s o ：+ c l g s i n 口 式中：口为破裂面沿滑动方向的倾角，口= 4 5 0 + 以； 矽为岩石的内摩擦角； i i _ 一为a c 长度； 厂、c 分别为岩石抗剪强度的摩擦系数和粘聚力。 自2 0 世纪中期以来，铁路部门对铁路沿线的崩塌给予了高度重视，在不同的 特征、发育环境、防治措施等方面积累了丰富的资料和经验。地质、国土及相关 科研单位在区域性地质灾害研究中也取得了较多的实用性成果，尤其对长江三峡 链子崖危岩的研究是国内的典范，从地质环境、模型实验、数值模拟及防治技术 方面进行了深入研究，取得了丰硕的成果。 崩塌是边坡工程研究中的一部分，其研究遵循边坡工程的学科体系。边坡工 程研究的理论需要多种学科的相互结合、相互渗透，不仅包括数学、工程力学、 工程地质学、岩土力学，还包括应用计算机仿真技术，岩土工程测试技术等手段。 经过1 0 0 多年的研究和发展，从边坡的规律性分析到边坡的变形破坏机制研究以 及边坡稳定性评价和预测预报，均取得了令人瞩目的成果，已初步形成了边坡工 程独立的学科体系。这一体系包括如下四个部分： 边坡的区域分布规律的研究； 边坡的变形破坏机理的研究； 边坡的稳定性评价与研究； 边坡的极限平衡计算方法的研究。 1 2 2 岩质边坡崩塌破坏模式及研究现状 岩质边坡的破坏模式哺3 也称为岩质边坡的失稳模式，是稳定性及治理措施研究 的基础。迄今，对岩质边坡及其失稳模式分类尚未统一，从不同角度出发存在多 种方案h 国内学者对崩塌的研究很多，其中王继光( 1 9 6 1 年) 、m a 卡森和m j 柯 克拜( 1 9 7 2 年) 、山田刚二等( 1 9 8 0 年) 对崩塌的分类作了初步研究。 前苏联尼米罗依尼什维里1 9 6 0 年在铁路防治崩塌建筑物一书中，把 第一章绪论7 崩塌分为山坡崩塌和岸坡崩塌两大类，而把铁路沿线常见的山坡崩塌按其物理特 征划分为：岩体和石块的崩塌、土体崩塌、混合性的崩塌。这种分类将崩塌总体 上分成了两大类，每一类都很有代表性，但是将崩塌简单地分成山坡崩塌和岸坡 崩塌两种太过笼统，虽然在后面说了山坡崩塌所包含的类别，但是岸坡崩塌也是 分为好几种类型的，根据岸滩的地貌特征，岸滩约束控制水流种类的不同又可分 为：河岸滩、海岸滩、湖泊岸滩和水库岸滩。 日本的山田刚二等按地质情况，即主要按崩塌组成物质，把崖崩划分为：堆 积土崩塌、表层土崩塌、沉积土崩塌、基岩崩塌。 英国的p b a t t e w e l l 等，引用m a c a r s o n 等的数据把岩石斜坡不稳定 性进行地貌学分类，分为：板块状破坏、岩石崩塌、岩石崩落和岩石剥落。 e h e o k 等，把斜坡破坏分为：平面破坏、楔形破坏、弧形破坏和倾倒破坏。 其中，他们又将倾倒破坏详细分为弯曲倾倒破坏、块状倾倒破坏、块状弯曲倾倒 破坏。 1 9 5 9 年我国铁道部宝成线的总结中，按崩塌发生的原因把崩塌分为：断层崩 塌、节理裂隙崩塌、风化碎石崩塌、软硬岩接触带崩塌。 1 9 7 5 年铁道部第一设计院在铁道工程地质手册中，把崩塌分为：崩塌、 落石和剥落。 曾廉在崩塌与防治一书中，按崩塌发生的地点，将崩塌分为两类：山崩、 岸崩。按崩塌的物理特征将崩塌分为四类：岩层崩塌、土体崩塌、混合体崩塌、 雪崩。按软弱面的特征、形状及其崩塌发生的原因将崩塌分为六类：顺断层或风 化夹层的崩塌、沿完整节理面( 层理面、片理面) 的崩塌、x 节理切割的v 字型崩 塌、多组节理崩塌、风化层或覆盖层沿较完整基岩面的崩塌、沿垂直节理产生的 崩塌。 胡厚田( 1 9 8 9 ) 在崩塌与落石一书中，按崩塌的形成机理，将崩塌分为 五类：倾倒式崩塌、滑移式崩塌、鼓胀式崩塌、拉裂式崩塌、错断式崩塌。并指 出可能存在的一些过渡类型如鼓胀一滑移式崩塌、鼓胀一倾倒式崩塌等。 旷镇国( 1 9 9 5 ) 研究重庆市渝中区危岩崩塌时，对危岩的破坏作了全面的归 纳，按危岩最终破坏时的受力状态和破坏机制分为：拉断坠落、剪切坠 落、压碎崩落、倾倒崩塌。 黄求顺等( 2 0 0 2 ) 将危岩按破坏过程和规模的大小分为表面剥落、坠石、崩 塌、山崩等几种类型。 可见，对危岩体的分类不同有理解不同的主观原因，也有研究对象不同的客 观原因，分类涉及到对危岩形成历史、破坏模式等各方面的认识。出发点不同， 分类的方法也就不尽相同。每一种分类都有其特征和根据，但同时每种分类也具 8 第一章绪论 有各自的局限性，最好的是将各种分类方法结合起来比较分析，进行全面考虑。 本文主要是对岩质边坡的倾倒式崩塌破坏进行分析和研究。 1 2 3 稳定分析极限平衡法体系的形成 嘲在过去的半个世纪，随着计算机和计算技术的发展，极限平衡法逐渐从一 种经验性的简化方法发展成为一个具有完整的理论体系、成熟的分析方法。 各种简化方法反映了早期人工手算的需要，随着计算机的出现和普及，在生 产实践中采用更为严格的方法已经具备条件。因此一部分研究者致力于建立同时 满足力和力矩平衡，对滑裂面形状不作假定的严格分析方法。m o r g e n s t e r n p r i c e 四1 提出了适用于任意形状的滑裂面严格方法。以后s p e n c e r 提出了条间力倾 角为常数的方法，这一方法实际上是m o r g e n s t e r n - - p r i c e 法中s ( x ) = 1 的特例。 1 9 7 3 年j a n b u 在其简化法的基础上，提出了同时满足力和力矩平衡的“通用条分 法 ，这一方法与其它方法的一个重要方面是通过假定土条侧向力的作用点而不是 作用方向来求解安全系数。 由于极限平衡法n 们通过引入假定的方式来求解本质上超静定的问题，这一做 法的合理性问题一直被人们普遍关注。m o r g e n s t e r n & p r i c e 最早提出了解的合理 性限制问题，提出所获得的解必须使： 土条间不产生拉力 作用于土条接口上的剪力不超过按摩尔一库仑法则提供的抗剪强度。 m o r g e n s t e r n & p r i c e 还提出推论：不同的关于土条作用力的假定，只要满足上述 两个合理性条件限制，相应的安全系数彼此相差不大。假设推论成立，极限平衡 法包含的不严密的处理方式可以在理论上获得到很大的弥补。 陈祖煜和m o r g e n s t e r n 教授对m o r g e n s t e r n p r i c e 法作了改进，其主要内容 有： 完整地推导了静力平衡微分方程的闭合解，提出了求解安全系数的解析方 法，从根本上解决了数值分析的收敛问题； 提出了保证剪应力成对原理不被破坏，土条侧向力在边界上需遵守的限制 条件，因此减少了对土条侧向力所作的假定的随意性； 提出了一个求解安全系数合理解的最大、最小值的方法，并通过算例检验 说明最大、最小值确实十分接近。 1 2 4 极限平衡法的发展过程 极限平衡理论n u 是经典的确定性分析方法，在工程界应用非常广泛。具体作 法是：将滑动趋势范围内的边坡岩土体按某种规则划分为一个个小块体，通过块 体的平衡条件来建立整个边坡平衡方程，以此为基础进行边坡稳定的分析。 极限平衡法的发展经历了一个漫长的阶段。上世纪2 0 年代以前，对土质边坡 第章绪论 9 稳定计算，一律只计土体的内摩擦角，并假定滑动面是平面，1 7 7 3 年法国工程师 库仑和1 8 5 7 年英国学者朗肯分别提出的土压力理论就是这类方法的代表。1 9 1 6 年， 彼得森和胡尔顿根据大量观测论证了某些土体( 特别是有粘结力的土体) 在发生 滑动失稳破坏时，其滑动面是与圆柱面接近的曲面，在此基础上彼得森提出了圆 弧滑面分析法，仍只计土的内摩擦力，并且不考虑土体内部土条间的相互作用力， 这就是最初的瑞典圆弧法。3 卜4 0 年代是瑞典圆弧法逐渐完善的时期，瑞典学者 费兰纽斯将最初的圆弧法推广到兼有摩擦力和粘结力的土坡稳定计算中去，并初 步探索了最危险滑弧位置的变化规律。4 0 年代以后，不少学者致力于改进瑞典圆 弧法，主要研究两个方向：一方面，不少学者致力于探索最危险滑弧的位置，制 作数表、曲线，以减少计算工作，如泰勒、毕肖普、拉姆里和包洛斯等；另一方 面，有不少人研究滑裂面的形状，如太沙基等。5 p - 6 0 年代，人们研究的主攻方 向，一是如何在计算中考虑滑动土体内部土条间的相互作用力，二是研究如何将 此法推广应用到任意形状的滑动面，这一阶段的研究成果表现在1 9 5 4 年简布提出 普遍条分法的基本原理，1 9 5 5 年毕肖普明确了土坡稳定安全系数的定义。6 0 年代 以后，我国在土坡稳定分析方法的改进方面发展较快，如7 0 年代潘家铮n 羽提出了 滑坡极限分析的两条基本原理即极大值原理和极小值原理：1 9 7 8 年张天宝通过按 瑞典法建立的简单土坡稳定系数函数的数值分析，全面归纳了最危险滑弧的变化 规律；1 9 8 2 年孙君实n 羽在前人工作的基础上，在土坡稳定分析的理论和方法方面 进行了全面的研究，较好的解决了长期以来人们在计算中尚无法合理处理的滑动 土体内土条间相互作用力的大小、方向和作用点位置的问题，在滑面形态的构成 和寻求最危险滑面方法方面提出了行之有效的数值计算方法，深刻地揭示了土坡 稳定问题的力学原理，推动了土坡理论的深入发展。 1 2 5 有限元强度折减法研究现状 强度折减概念是由z i e n k i e w i c z ( 1 9 7 5 年) 最早提出并用于边坡的稳定性分 析，限于当时数值计算和计算机水平而未能得到大的发展，直到近十几年来，随 着数值计算和计算机技术的发展，强度折减法也得到了极大的发展，国内外许多 学者在这方面做了大量的工作。u g a i ( 1 9 8 9 ) 假定土体为理想的弹塑性材料，采 用强度折减有限元法较系统地分别对直立边坡、倾斜边坡、非均质边坡及存在空 隙水压力的复杂边坡的稳定性进行了分析研究，并指出弹塑性强度折减有限元具 有较强的适应性和可行性。m a t s u i 和s a n ( 1 9 9 2 ) 将强度折减技术与采用d u n c a n 弋h a n g 双曲线模型的非线性有限元法相结合，以剪应变作为边坡破坏评判指标， 研究了人工填筑边坡和开挖边坡的稳定性，指出填筑边坡应采用总剪应变，而开 挖边坡应采用局部剪应变增量作为失稳破坏标准，并将分析结果与极限平衡法进 行了对比。u g a i 和l e s h c h i n s k y ( 1 9 9 5 ) 将强度折减技术引入弹塑性有限元法中 1 0第一章绪论 进行边坡的三维稳定性分析，并与极限平衡法的计算结果进行了较全面的比较研 究，指出尽管二者的理论基础、实现手段完全不同，但强度折减弹塑性有限元法 得出与极限平衡法几乎一致的结果，间接说明了强度折减有限元法的可信性和适 应性；g r i f f i t h s 和l a n e ( 1 9 9 9 ) 假定土体为m o h r - - c o u l o m b 材料，采用弹塑性 强度折减有限元法较全面地对多个边坡的稳定性进行了分析，随着土体强度的降 低，得到了边坡土体单元网格变形图以及边坡土体单元中应力变化发展情况。 d a w s o n 和r o t h ( 1 9 9 9 ) 将强度折减技术引入f l a c 法中进行坝堤边坡的稳定性分 析。 国内，宋二祥( 1 9 9 7 ) 采用强度折减法对比边坡的稳定性进行了分析，并以 边坡中某一部位的位移变化作为收敛指标。连镇营、韩国城等( 2 0 0 1 ) 用强度折 减有限元方法对开挖边坡的稳定性进行了较为全面的研究，当折减系数达到某一 数值时，边坡内一定幅值的广义剪应变自坡底向坡顶贯通时边坡破坏，此时对应 的折减系数作为边坡安全系数，并认为：和强度指标相比，弹性模量、泊松比、 剪胀角和侧压力系数对边坡的安全系数影响不大，开挖边坡和天然边坡具有相似 的破坏形式。 2 0 0 3 年，周翠英、刘柞秋等引入计算大变形问题的拉格朗日方法，推导了边 坡大变形弹塑性有限元分析的方程式，采用边坡某一幅值的等效塑性剪应变区， 从坡脚到坡顶贯通前的折减系数作为边坡安全系数，采用弹塑性大变形有限元分 析软件计算了均质土坡不同坡角的安全系数，将与小变形分析的结果进行了对比 分析。栾茂田、武亚军等( 2 0 0 3 ) 将抗剪强度折减法基本概念、弹塑性有限元分 析原理与计算结果图形实时显示技术相结合，提出了以广义塑性应变及塑性开展 区作为边坡失稳的评判依据，并与以非线性迭代收敛条件作为失稳评判指标的强 度折减有限元法进行了对比；同时对天然垂直边坡进行了数值计算分析，并对开 挖支护边坡的实例进行了计算。 尽管强度折减有限元法在边坡稳定性分析中得到重视与发展，但其计算中需 要采用一定的边坡失稳评判标准来确定边坡失稳的临界状态，但各种判据的选用 并没有取得统一。 1 3 主要研究内容 目前，国内外对崩塌落石评价和分析的方法还不是很完善。很难应用于崩塌 的预测和治理中，鉴于崩塌破坏机理及其稳定性分析的复杂性，以及边坡稳定性 分析方法的局限性，使得这一方向至今仍有很多问题需要进一步研究。本文拟从 如下几个方面进行研究： 岩质边坡崩塌的特点和稳定性分析：在收集和概括前人有关岩质边坡崩塌 第一章绪论 及其治理研究成果的基础上，总结岩质边坡崩塌的特点，分析前人对崩塌的各种 分类方法的优缺点，对比现有岩质边坡崩塌治理的有效性和适用性。 收集和整理昌马水库枢纽工程右岸边坡的工程地质情况、岩体物理力学参 数以及边坡结构面和几何参数统计成果等相关资料，为边坡岩体结构分析和变形 破坏机理数值模拟研究提供依据。 在对昌马水库枢纽工程右岸边坡工程地质特征( 岩体变化界限、岩体物理 力学参数等) 认识较为深入的情况下，建立研究区域的地质力学模型，使用f l a c - 3 d 软件对边坡在不同的安全系数下的应力、应变和位移进行计算。数值模拟充分考 虑了边坡岩体结果的非均质和不连续性，可以给出岩体的应力、变形大小和分布， 并可近似地依据应力、应变规律去分析边坡的变形破坏机理。 针对岩质边坡倾倒式崩塌破坏机理，利用适用于倾倒式崩塌变形破坏的极 限平衡计算法验证分析了昌马水库枢纽工程右岸边坡工程。 利用强度折减法与f l a c 程序计算了昌马水库枢纽工程的安全系数。 1 2 第二章岩质边坡崩塌破坏机理研究 第二章岩质边坡崩塌破坏机理研究 2 1 崩塌形成条件及发育过程 2 1 1 崩塌产生条件 岩质路堑边坡和山坡坡面的崩塌，通常是岩体剪应力值超过岩体的软弱结构 面的强度时产生的，而崩塌的破坏过程，主要是岩体的部分结构体，在外力和自 重的作用下，沿结构面的剪切滑移、拉开，或整体的累积变形和破裂所致。因此 岩体的稳定性主要取决于岩体结构面的性质和空间组合以及结构体的性质。岩体 结构面，按其性质与成因分为沉积结构面( 层理、不整合面、原生软弱夹层等) 、 火成结构面( 侵入接触面、冷凝原生节理) 、变质结构面( 片理、片岩软弱夹层) 、 构造结构面( 节理、断层、层间错动面) 、次生结构面( 卸荷裂隙、风化裂隙、泥 化夹石、次生夹泥层) 等五种类型，主要特征见表2 1 结构面将岩体切割成不同形状、大小的块体结构体。常见的单元结构体 为柱状、块状、板状、锲状、菱形状、锥状等六种形态；此外，因岩体的变形及 破碎程度的不同，也可能形成片状、碎块状等更小的结构体。 表2 1 岩体结构面类型及其特征 t a b l e2 1r o c kt y p e sa n dt h e i rc h a r a c t e r i s t i c so fs t r u c t u r a lp l a n e s 第二章岩质边坡崩塌破坏机理研究 1 3 序成因主要特征 地质类型工程地质评价 号类型产状分布性质 1 层理结构面 一般与海相岩层中层面、软弱夹国内外教大的坝基 岩层产状此类结构面分 层等结构面较 滑动及滑坡很多由 沉积 2 软弱夹层 一致，为层布稳定，陆相岩为平整；不整合此类结构面所构 1 结构 3 不整合面 间结构面层中呈交错状，面及沉积间断成，如奥斯青、圣 易尖灭。面多由碎屑、泥佛连西、马尔巴赛 面 质物构成，且不坝的破坏，瓦扬坝 平整 的巨大滑坡。 岩脉受接触面延伸接触面可具一般不造成大 1 侵入接触带 火成 2 原生冷凝节 构造结构较远，比较稳熔合及破裂两规模的岩体破坏， 面控制，而定，而原生节理种不同的特征：但有时与构造断裂 2 结构 理 原生节理往往短小密集。原生节理一般配合，也可形成岩 受岩体接为张裂面，教粗体的滑移，如弗莱 面 触面控制糙不平。瑞拱坝坝肩安山岩 的局部滑移。 1 片理 产状与片理短小，结构面光滑在变质较浅的沉 变质 2 片岩软弱夹 岩系或构分布极密，片岩平直，片理在岩积变质岩，如千枚 3 造线方向软弱夹层延展体深部往往闭岩等路堑边坡常见 结构 层 一致 较远，具固定层合成隐闭结构坍方。片岩夹层由 次。面：片岩软弱夹时对工程及地下洞 面 层含片状矿物，体稳定也有影响。 呈鳞片状 1 节理( x 型节 产状与张性断裂教 张性断裂不 对岩体稳定影响 构造线呈短小；剪切断裂平整，常具次生很大，在上述许多 理、张节理) 一定关系， 延展较远；压性 充填，呈锯齿 岩体破坏过程中， 2 断层( 冲断 层间错动断裂( 如冲断状；剪切断裂教大都由构造结构面 构造 层、逆断层、 与岩层一层、逆掩断层)平直、具羽状裂的配合作用。此外 4 结构 致规模巨大，但有隙；压性断层具常构成边坡及地下 横断层) 面 时为横断层切 多种构造岩成工程的坍方、冒顶。 3 层间错动面 割成不连续状 带状分布，往往 4 羽状裂隙、劈 含断层泥、糜棱 理 岩 受地形 分布上往往 一般为泥质在天然及人工边 1 卸荷裂隙 及原结构 呈不连续状，透物充填，水理性坡上造成危害，有 2 风化裂隙 次生 面控制 镜体，延展性质很差。时对坝基、坝肩及 3 风化夹层 差，且主要在地 浅埋隧洞等工程亦 5 结构 4 泥化夹层 表风化带内发 有影响，但一般在 面 育 施工中予以请基处 5 次生夹泥层 理 表2 2 岩体结构类型及其特征 t a b l e2 2t y p e sa n dc h a r a c t e ris tic so fr o c kf l l a s ss t r u c t u r e 1 4 第二章岩质边坡崩塌破坏机理研究 岩体 序岩体地质主要结构结构面发 结构工程地质评价 号类型体形式育情况 类型 块 厚层沉岩体在整体上强度较高，变形特征上接近于 状 积岩，火成 块状 均质弹性各向同性体，作为坝基、地下工程洞 1 侵岩，火山节理为主室具良好的工程地质条件：在坝肩及边坡条件 结柱状 构 岩；变质岩虽属良好，但要注意不利于岩体稳定的平缓节 理 火成侵节理比岩体在整体上强度仍高，但不连续性较为显 镶入岩，非沉较发育著。 嵌积变质岩菱形作为坝基，经局部处理后，仍不失为良好 2 结锥形基地；当边坡过陡时以崩塌形式出现，不易构 构成巨大滑坡体；当地下工程若跨度不大时，坍 方事故很少。 构造破节理、断岩体完整性破坏较大，强度受断层及软弱 碎教强裂层及断层结构面控制，易受地下水作用影响，岩体稳定 碎破碎带交性教较差。 裂叉，劈理发作为坝基，要求对规模较大的断层进行处 3 碎块状 结育理，一般可作固结灌浆；路堑边坡有时出现较 构大的崩塌；在地下矿坑和隧道开挖中，易产生 坍方、冒顶，要求支护紧跟，对永久性的地下 工程要求衬砌。 薄层沉层理、片岩体呈块状，接近均一的各向异性介质作 层积岩，沉积理、节理比为坝基、坝肩、边坡及地下洞体的岩体稳定于 状变质岩板状较发育岩体产状关系密切，一般陡立的较为稳定，而 4 结锲状平缓的较差，倾向不同的也有很大差异，要结 构合工程具体考虑。这类岩体在坝肩、坝基、边 坡破坏事故出现很多。 层较强烈层理、片岩体完整性破坏较大，整体强度降低，软弱 状褶皱及破理、节理、 结构面发育，易受地下水不良作用，稳定性较 碎碎的层状碎块状断层、层间差。 5 裂岩体片状错动面发不宜选作高混凝土坝坝基、坝肩，或要求 结育处理；边坡设计不宜过高过陡，地下工程施工 构中常遇坍方，永久性工程要求加厚衬砌。 散断层破断层破 岩体强度遭到极大破坏，接近松散介质，稳 体碎带，风化 鳞片状 6 碎屑状 碎带、风化定性最差。 结破碎带带及次生在坝基及人工边坡上要作清基处理，在地下 构 颗粒状 结构面工程进出口处，也应进行适当处理。 综合考虑结构面及结构体两方面的因素，岩体结构类型分为：块状结构、镶 嵌结构、碎裂结构、层状结构、层状碎裂结构、散体结构( 各种岩体结构类型的 特征及其对边坡稳定性的影响见表2 2 第二章岩质边坡崩塌破坏机理研究 1 5 边坡岩体滑动或崩塌，分为沿结构面组合交线方向的滑动或崩塌及顺层理的 滑动或崩塌两种类型。如果有多组结构面切割岩体时，应注意对多组结构面的交 线，逐一进行稳定性的分析。当多组结构面组合交线的倾向或单组结构面的倾向 与边坡倾向相反时，一般属稳定结构；当多组结构面组合交线的倾向或单组结构 面的倾向与边坡倾向一致，且倾角大于或等于设计边坡角时，属于基本稳定结构； 当多组结构面组合交线的倾向或单组结构面的倾向与边坡倾向一致，且倾角小于 设计坡角时，属不稳定结构。若两组主要结构面均倾向路线，倾角均小于边坡坡 度角，且介于2 5 。_ 4 5 。之间时，乃边坡稳定的最不利条件，这种边坡即使能暂 时保持较高的坡高，但坡面是凹凸不平的，并经常有小规模的落石，当受到较大 的震动或其它因素作用时，将产生大规模崩塌；若其中一组的倾角大于5 5 。，且 大于边坡坡度角，而另一组小于边坡坡度角，此时易于形成沿低倾角滑动的崩塌。 两组主要结构面，其中一组倾向山体，另