（矿业工程专业论文）三峡库区刘家湾滑坡稳定性分析及防治方案研究.pdf

中文摘要 摘要 长江三峡库区地处我国地形第二阶梯和第三阶梯过渡带，地跨川东平行岭谷 低山丘陵区和川鄂低中山峡谷区，自然地质条件复杂，暴雨、洪水频繁，是我国 地质灾害高易发区之一。奉节县是三峡库区内地质灾害多发地区之一，刘家湾滑 坡为其中具代表性的一个，该滑坡对已建的移民迁建工程构成了严重威胁，制约 了新县城区的移民开发建设，对社会造成了巨大的影响，对其进行综合治理已刻 不容缓。 本论文在详细调查研究滑坡形成的地质环境条件、滑坡特征的基础上，通过 采用多种勘察手段，从综合地质分析入手，深入系统地分析了该滑坡的形成机制、 诱发因素、失稳机理。由于滑坡稳定性分析受多种因素所影响，单一的方法常具 有一定的局限性，因此本文尝试将工程地质类比法及有限差分法引入到滑坡稳定 性分析中，以对滑坡稳定性的综合工程地质类比分析为基础，结合极限平衡法及 有限差分法进一步对滑坡在不同工况下的稳定性及应力应变场分布特征进行了分 析评价，计算了滑坡的推力，依此为据对滑坡防治方案进行了初步研究。 通过本次研究，得到了如下结论： 1 按滑坡边界、变形特征及成生关系的不同，刘家湾滑坡可分为刘家湾老滑 坡及新滑坡两部分，其中刘家湾老滑坡体积约7 9 3 1 0 4 m 3 ，为一大型岩质滑坡，老 滑坡整体无变形迹象。新滑坡规模达1 2 2 x 1 0 4 m 3 ，变形迹象较明显，滑坡近期变形 以蠕滑为特征，表现为牵引式滑移失稳模式。 2 刘家湾老滑坡形成的主要受地层岩性、地质构造、地形地貌、坡体结构及 气象与水文条件等多因素的影响，其形成是这些因素共同作用的结果。而新滑坡 的形成则与区内不合理的人类工程活动密切相关。 3 刘家湾老滑坡具典型的“弯曲一拉裂型”变形破坏模式，滑坡发生之前岩体 经历了弯曲、拉裂直至岩层折断、压碎的过程。新滑坡的形成主要由于在滑坡前 缘大开挖及在坡体上不合理地堆填弃土改变了坡体形态和结构，破坏了其原有的 自然平衡。加速了老滑坡体前缘的演变进程，在持续的暴雨的诱发下产生了刘家 湾新滑坡，新老滑坡具有明显的继承性。 4 滑坡稳定性及应力应变场有限差分法分析表明：滑坡在降雨作用下稳定性 较差，其中老滑坡处于稳定状态，新滑坡则处于临界平衡状态；滑坡体浅表面局 部存在着拉应力分布区，而剪应力则明显在坡脚地带集中；滑坡体位移集中在浅 表层的中前部，位移方向平行坡面向下，发生破坏失稳的可能性极大。 s 综合工程地质类比法分析表明，刘家湾老滑坡处于稳定状态，刘家湾老滑 重庆大学硕士学位论文 坡综合判别系数为1 5 2 ，其判别系数分级为稳定；新滑坡现处于极限平衡或蠕滑 阶段。 6 采用极限平衡法计算可知：老滑坡在天然状态下与雨季状态下，f s = 1 1 6 1 2 8 ，滑坡处于稳定状态，在地震状态下，f s = 0 9 9 1 0 ，滑坡处于不稳定状态或 极限平衡状态；新滑坡在天然状态下，f s = i 0 5 1 1 1 ，滑坡处于暂时稳定状态， 在雨季状态下，f s = 0 8 9 o 9 6 ，滑坡处于不稳定状态；在地震状态下，f s = o 8 3 5 0 9 0 3 ，滑坡处于不稳定状态。当安全系数取1 2 5 时，在雨季状态下，新滑坡剪出 口的最大剩余下滑力为1 8 8 7 5 k n m 。 7 结合稳定性分析、应力应变场分布特征及推力计算结果，通过多方案对比 分析，确定了以保证新滑坡稳定为治理的重点，采用地表排水和堆填压脚相结合 的综合治理方案。 关键词：刘家湾滑坡，综合工程地质类比，f l a c ，稳定性分析，治理方案 英文摘要 a b s t r a c t l o c a t e di nt h et r a n s i t i o nz o n eb e t w e e nt h es e c o n da n dt h i r df l i g h to fs t a i r so f c h i n a st o p o g r a p h y , s t r e t c h i n go v e rb o t hl o wh i l l yr e g i o no fe a s ts i c h u a n sp a r a l l e l m o u n t a i n sa n dv a l l e y sa n dg o r g e - d o m i n a t e da r e a sb o r d e r i n gs i c h u a na n dh u b e i p r o v i n c e ，t h et h r e eg o r g e sr e s e r v o i ra r e ai sc h a r a c t e r i z e db yv a r i e dg e o l o g i c a lc o n d i t i o n s a n di sp r o n et of l o o d sa n dr a i n s t o r m s ，h e n c eo n eo fn a t u r a lc a l a m i t y s t r i c k e na r e a si n o u rc o u n t r yw i t hh i g hf r e q u e n c y l i u j i a w a nl a n d s l i p ，t y p i c a lo fi t sk i n d ，s i t u a t e di n f e n ec o u n t yw h i c hi sn o t o r i o u sf o rf r e q u e n to c c u l t d i c e so fg e o l o g i c a ld i s a s t e r si nt h e t h r e eg o r g e sr e s e r v o i ra r e a , i sp o s i n gg r e a tm e n a c et of i n i s h e dp r o j e c t sc o n s t r u c t e df o r m i g r a t i o n , s l o w i n gt h ed e v e l o p m e n to fn e wc i t ya r e af o rm i g r a t i o na n dh a san e g a t i v e i m p a c to ns o c i e t y h e n c e ，t h e r ei sn ot i m e t od e l a yf o ri t sc o m p r e h e n s i v et a c k l i n g b a s e do nt h es u r v e yo f g e o l o g i c a lc o n d i t i o n st r i g g e r i n gl a n d s l i pa n df e a t u r e so f t h e l a n d s l i d ea n dt h r o u g hv a r i e dr e c o n n a i s s a n c em g a n s t h i sp a p e r ,s t a r t i n gw i t h c o m p r e h e n s i v ea n a l y s i so fi t sg e o l o g i c a ls u r r o u n d i n g s ，t h o r o u g h l yd i s c u s s e sh o wt h e l a n d s l i pc o m c si n t ob e i n g i t si n d u c i n gf a c t o r sa n dc o l l a p s ec a d s e s 。h lv i e wo ft h ef a c t t h a ta n a l y s i so fal a n d s l i d es t a b i l i t yi si n f l u e n c e db yv a r i e df a c t o r sa n das i n g l em e t h o d h a sc e r t a i nl i m i t a t i o n s 。t h ep a p e ra t t e m p t st oi n t r o d u c et h ea n a l o g yo fe n g i n e e r i n g g e o l o g ya n dl i m i t e dd i f f e r e n c ei n t ot h es t a b i l i t ya n a l y s i so fl a n d s l i p ，o nt h eb a s i so f a n a l o g i c a la n a l y s i so fc o m p r e h e n s i v ee n g i n e e r i n gg e o l o g i c a lc o n d i t i o n sf o rl a n d s l i d e s t a b i l i t ya n dc o m b i n e dw i t hm e t h o d so fl i m i te q u i l i b r i u ma n dl i m i t e dd i f f e r e n c e ，m a k e s f l l r t h e r a n a l y s i sa n da s s e s s m e n tf o rt h el a n d s l i d e ss t a b i l i t ya n dt h ed i s t r i b u t i o n c h a r a c t e r so fs t r a i na n ds t r e s sf i e l du n d e rd i f f e r e n tw o r k i n gc o n d i t i o n sa n dc a l c u l a t e st h e t h r u s ta c t i n go nt h el a n d s l i po nt h eb a s i so fw h i c hat e n t a t i v ep r e v e n t a t i v ep r o g r a mi s p u tf o r w a r d t h i sr e s e a r c hl e a d st os u c hc o n c l u s i o n sa sb e l o w l i u j i a w a nl a n d s l i d ec o n s i s t so ft w op a r t s ，t h eo l dl a n d s l i d ea n dt h en e wo n ei n t e r m so fi t sb o u n d a r i e s ，d e f o r m a t i o nf e a t u r e sa n df o r m a t i o n t h eo l do n ei s c h a r a c t e r i s t i co fl a r g er o c ks l i d ew i t hn os i g n so fd e f o r m a t i o na n di t sv o l u m eb e i n g7 9 3 1 0 4 m 3 ，w h e r e a st h en e wo n eh a sas l i d i n gv o l u m eo f1 2 2 1 0 4 m s ，d e f o r m sa p p a r e n t l y ， a n di t sr e c e n td e f o r m a t i o ni so f w r i g g l i n gs l i p t h eo r i g i n a ll a n d s l i pi nl i u j i a w a nr e s u l t sf r o mi n t e r a c t i o nb e t w e e ns t r a t u mr o c k p r o p e r t i e s ，g e o l o g i c a ls t r u c t u r e ，t o p o g r a p h ya n dp h y s i o g n o m y , t h es t r u c t u r eo fs l o p ea n d i i i 重庆大学硕士学位论文 c o n d i t i o n so fw e a t h e ra n dh y d r o l o g y , w h i l et h en e wl a n d s l i pi si n d u c e dd i r e c t l yb y p e o p l e si r r a t i o n a lc o n s t r u c t i o ne n g i n e e r i n ga r o u n di t t h eo l dl a n d s l i po fl i u j i a w a ni st y p i c a lo ft h em o d eo fb e n d r i pd e f o r m a t i o na n d d a m a g e ，i t sr o c km a s se v o l v i n gf r o mb e n d ，t e n s i l ec r a c k , t or o c ks t r a t u mb r e a k a g ea n d c r u s hb e f o r es l i p p i n g h o w e v e r , t h ef o r m a t i o no f t h en e wl a n d s l i pc o n s i s t sm a i n l yi nt h e e x c a v a t i o no nl a r g es c a l ei nf r o n to fl a n d s l i d eb o d ya n di r r a t i o n a l l yd u m p i n gag r e a t a m o u n to fs o i lo nt h es l o p ew h i c ha l t e r e dt h ec o n f i g u r a t i o na n ds t r u c t u r eo ft h es l o p e ， u p s e ti t so r i g i n a lb a l a n c e ，a c c e l e r a t e dt h ee v o l v e m e n to f t h e f r o n tp a r to f t h eo l dl a n d s l i p b o d ya n di n d u c e dt h en e ws l i d i n gw i t l lt h eh e l po f s u c c e s s i v er a i n s t o r m h e n c et h en e w l a n d s l i pi sf e a t u r e da p p a r e n t l yw i m i n h e r i t a n c e t h er e s u l t so fa n a l y s i su s i n gf i n i t ed i f f e r e n c eo ft h es t a b i l i t yo fl a n d s l i pa n di t s f i e l do fs t r e s sa n ds t r a i ns h o wt h a tw h e ni tr a i n st h el a n d s l i d ei sl e s ss t a b l et h a nw h e ni t d o e sn o tr a i n ，自n r t h e rt h eo l dl a n d s l i ps t a y ss t i l li nas t a b l es t a t e ，w h e r e a st h en e wo n ei s i nac r i t i c a ls t a t eu n d e rs u c he o n d i f i o n t h a tt h e r ee x i s t sat e n s i l ea r e an e a rt h es u r f a c eo f t h es l i d i n gb o d ya n das h e a rz o n ea ti t sf o o t a n dt h a tt h em o v e m e n to ft h es l i d i n gb o d y t a k e sp l a c ea tt h ec e n t r a la n df r o n tp a r tw i t hi t so r i e n t a t i o nd o w nt h es l o p ea n dh e n c ea m g hp r o b a b i l i t yo f c o l l a p s e t h ea n a l y s i su s i n gc o m p r e h e n s i v ea n a l o g i c a lt e c h n i q u ef o re n g i n e e r i n gg e o l o g y s h o w st h a tt h eo l dl a n d s l i ps t a y ss t a b l ew i t hi t sc o m p r e h e n s i v es t a b i l i t yi n d e xb e i n g 1 5 2r a n k e d 舒s t a b l e ，a n dt h a tt h en e w s l i p p i n gb o d y i si nac r i t i c a ls t a t eo f e q u i l i b r i u m o rt e n d st os l i d ei nac r e e p i n gw a y t h ec a l c u l a t i o nr e s u l t su s i n gc r i t i c a le q u i l i b r i u mt e c h n i q u es h o wt h a tu n d e rn a t u r a l o rw e ts e a s o nc o n d i t i o n s ，f s = 1 1 6 1 2 8 ，t h eo l dl a n d s l i d ei ss t a b l e ；w h e ne a r t h q u a k e o c c u r s ，f s = o 9 9 1 0 ，i ti si ni n s t a b i l i t yo ri nac r i t i c a ls t a t eo fe q u i l i b r i u m ；u n d e r n a t u r a lc o n d i t i o n , t h en e ws l i d i n l n gb o d ys t a yt e m p o r a l l ys t a b l ew i t hf s = 1 0 5 1 1 1 w h e ni tr a i n s ，f s 0 8 9 o 9 6 ，i ti sa su n s t a b l e 船w h e ne a r t h q u a k eo c c u r sw i t h f s - - o 8 3 5 0 9 0 3 3 a 矿h e ni nw e ts e a s o n ，t h er e s i d u a ls l i d i n gf o r c ef o rt h es h e a r d i s r u p t i o ni s18 8 7 5k n mw i t hs a f e t yc o e f f i c i e n tb e i n g1 2 5 o nt h eb a s i so f a n a l y s e sm e n t i o n e da b o v e ，t h i sp a p e rh a sp u tf o r w a r dac o m p r e h e n s i v e s e to f f a t h e r i n gp r o g r a m sw h i c hl a y se m p h a s i so nt h es t a b i l i 哆o f t h en e ws l i p p i n gb o d y t h r o u g hs u r f a c ed r a i n a g ea n dt h er e i n f o r c e m e n to ff o o to f t h es l i d i n gb o d y k e yw o r d s ：l i u j i a w a nl a n d s l i d e ，c o m p r e h e n s i v ee n g i n e e r i n gg e o l o g ya n a l o g y ，f l a c ， s t a b i l i t ya n a l y s i s ，f a t h e r i n gp r o g r a m i v 1 绪论 l 绪论 1 1 选题依据 随着近年来我国社会经济的高速发展，各类对地质环境产生扰动破坏的人类 活动日益增强，由此而诱发的滑坡、危岩崩塌等地质灾害更是屡见不鲜，对不稳 定斜坡从不同角度、按不同方式进行稳定性研究已成为目前岩土工程界研究的热 点问题之一。 长江三峡库区地处我国地形第二阶梯和第三阶梯的过渡带，地跨川东平行岭 谷低山丘陵区和川鄂低中山峡谷区，库区自然地质条件复杂，环境容量有限，暴 雨、洪水频繁，是我国地质灾害高易发区之一。根据三峡库区地质灾害防治规划， 从三斗坪到重庆的近6 0 0 公里的长江河谷两岸，发育各类地质灾害共计2 5 4 8 处。 其中崩滑体2 4 9 0 处，体积4 4 8 5 x 1 0 8 m 3 ，泥石流4 7 条，塌陷6 个，地裂缝5 条【l 】。 大量地质灾害的存在不仅对三峡工程建设运行、移民迁建和库区人民生命财产安 全构成严重影晌，而且制约了库区社会经济的稳定及可持续发展。典型的如巴南 区麻柳嘴滑坡，造成1 6 1 户村民的1 3 0 5 间住房垮塌，周边3 5 6 8 户1 3 9 8 6 间居民 住房成危房；云阳县帆水乡大面村滑坡，损坏房屋1 2 0 0 余间，危及3 4 0 户1 0 0 0 余人的生命财产安全；云阳鸡扒子滑坡滑入长江2 3 0 1 0 4 m 3 土石体，抬高河床近 3 5 m ，最终投入近亿元资金进行大规模整治后才恢复通航1 2 】。 目前三峡库区正处在经济和社会的持续快速发展时期，大规模建设方兴未艾， 尤其是库区移民后靠安置，人与自然矛盾加剧，地质环境压力持续增加，人为诱 发地质灾害曰趋严重，人为和自然发生的地质灾害将处于高发期，因此及时有效 地防治长江三峡库区地质灾害已成为三峡工程建设的重要任务之一。奉节县是三 峡库区内地质灾害多发地区之一，刘家湾滑坡为其中具代表性的一个，刘家湾滑 坡为一大型岩质滑坡，体积7 9 3 x 1 0 4 m 3 ，1 9 9 7 年刘家湾开始大规模的开发建设， 由于在滑坡前缘大开挖及在坡体上的不合理堆填弃土，破坏了坡体的自然平衡， 在1 9 9 8 年8 月7 日长江流域持续暴雨的诱发下产生了一规模达1 2 2 x 1 0 4 m 3 的新滑 坡，目前该滑坡稳定性较差，地面拉裂、滑塌等变形破坏迹象明显，其对滑坡区 广大人民群众的生命财产安全及已建的移民迁建工程构成了严重威胁，制约了奉 节县新县城区的规划建设，对社会造成了巨大的影响，对其在稳定性评价的基础 上进行综合治理已刻不容缓。因此选择该滑坡作为三峡库区滑坡稳定性分析和防 治方案研究的对象非常有必要。 重庆大学硕士学位论文 1 2 国内外研究现状 1 2 1 滑坡变形破坏机制研究 滑坡的变形破坏机制是研究滑坡的关键之一，有关滑坡变形破坏机制的研究 一直都是各国学者多年来致力研究的重要课题，对此我国许多学者针对不同类型 的滑坡提出了不同的模式，其中晏同珍从地质力学的角度研究滑坡，根据滑坡发 生的初始条件、滑动原因及方式等的差异将滑坡变形机制划分为八种变形破坏机 制【3 】= 孙玉科等将边坡变形机制分为水平剪切变形、顺层剪切变形、顺层逆剪变形 及反倾逆剪变形四种类型【4 】；张倬元等将斜坡变形机制分为六种模式：蠕滑一拉 裂、滑移一压致拉裂、滑移、滑移一弯曲、弯蓝拉裂、塑流一拉裂，这六种模 式在空间上可以复合，在过程是还可以相互转化，可以解释更为复杂的斜坡变形 机制阿。 虽然滑坡的变形破坏机制多种多样，但其都是建立在通过对滑坡形成地质环 境条件的认真研究，对滑坡地质模型进行分析、抽象与概化的基础上所提出来的， 因此这些变形破坏模式对于研究滑坡变形破坏的内因及其宏观表现形式均具有很 好的指导意文。 1 2 2 滑坡与水陋，7 8 吼l o , 1 1 1 2 , 1 3 】 在岩土工程界历来有“十滑九水”之说，由此可见水在滑坡稳定性分析中所占的 重要份量。对库区滑坡而言，水对滑坡稳定性的作用既包括地表水的作用，又包 括地下水的作用，二者共同影响滑坡的稳定性。目前对滑坡中水的研究主要侧重 于水对滑坡体的物理、力学作用，在科研中，地下水计算也正尝试运用数值计算 方法来模拟。 地表水对滑坡的作用主要指水对滑坡岩土体的软化、泥化作用、动水压力作 用、静水压力作用、冲刷作用、波浪作用、浮力减重作用以及超空隙水压力作用 等。 地下水可对滑坡岩土体产生物理、化学和力学三个方面的作用，其中地下水 对滑坡稳定影响主要体现在滑带土力学性状的变化和渗透压力的变化上。滑带力 学参数是影响滑坡稳定的最关键因素之一，由于地下水的长期浸泡，使滑体物质 软化，导致力学强度降低，而对于处于饱水状态的滑带中的粘土，其不仅粘聚力 降低，同时也减少了土体内摩擦角，降低了土颗粒之间的摩擦阻力，因此导致滑 带土体抗剪强度大大降低，从而降低了滑坡的稳定性。地下永渗透压力是影响滑 坡稳定的敏感因素，滑坡计算分析表明，地下水每升高0 1 h w ( 滑坡体厚) ，其增大 的渗透压力可导致滑坡稳定系数降低o 0 5 o 0 7 。 1 2 3 滑坡的稳定性研究【1 描o 】 滑坡稳定性研究由来己久，最早的滑坡稳定性计算可追溯到1 8 世纪未，1 7 7 6 2 1 绪论 年法国工程师库仑( c a c o u l o m b ) 提出了计算挡土墙土压力的方法标志着土力学 雏型的产生，朗肯( w j m r a n k i n e ，1 8 5 7 ) 在假设墙后土体各点处于极限平衡 状态的基础上建立了计算主动和被动土压力的方法库仑和朗肯在分析土压力时采 用的方法后来被推广到地基承载力和边坡稳定分析中形成了一个体系，这就是极 限平衡方法。欧美国家多从土力学和土质学观点出发，研究滑坡地层的土力学性 质，稳定性计算方法和理论，以揭示滑坡的机理而提出防治措旋；苏联则多偏重 在地质基础的研究，强调滑坡的成因、分类、性质，也研究稳定性计算方法和防 治措施。目前虽有采用综合研究方法的趋势，即综合应用工程地质、水文地质、 土力学、土质学、地质力学和岩石力学等学科的基本理论和方法研究滑坡，但各 国仍有侧重。日本则对滑坡地震勘探、测试技术和预报方面的研究发展迅速，也 有一定的成效。 到目前为止，国内外学者已提出的滑坡稳定性计算方法有数十种之多，有的 已不再使用，有的还有待迸一步完善。总的来讲，目前常用的各类稳定性评价方 法可大体归纳为两大类：定性分析方法和定量分析方法。其中占主导地位的是极 限平衡法和数值分析法，尤其是数值分析法以其特有的优势，越来越成为现在研 究的主流。另外，近年来，人们在前两种分析方法的基础上，又引进了一些新的 学科、理论等，逐渐发展起来一些新的边坡稳定性分析方法，如可靠性分析法、 模糊分级评判法、系统工程地质分析法、灰色系统理论分析法等，这里可暂且称 之为非确定性分析法。另外，还有地质力学模拟等物理模型方法和现场监测分析 方法等。 1 、定性评价方法 定性评价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可能 的发展趋势的定性解释和说明。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发展趋势作出评价。定性分析方法主要有：工程地质 分析法、边坡稳定性分析数据库和专家系统法及图解法等。 ( 1 ) 工程地质分析法 工程地质分析法主要包括自然( 成因) 历史分析法和工程类比法两种。 自然( 成因) 历史分析法主要根据边坡的地质环境条件和边坡变形破坏的基本 规律，追溯边坡演变的全过程，进而预测边坡稳定性发展总趋势及其可能破坏方 式，该分析方法适用于天然斜坡整体的稳定性评价。 工程类比法则是以边坡地质条件为基础，把已有边坡研究设计经验应用到条 件相类似的新边坡，它需要对边坡进行详细的调查研究，全面分析其与已有边坡 的相似性和差异性，同时还应考虑工程的规模、类型及其对滑坡体的特殊要求等。 重庆大学硕士学位论文 该方法虽是一种经验方法，但具有一定的可靠性，在中小型边坡工程分析中常用。 从总体上讲，工程地质分析法以定性评价为标准，因此应用起来有较大的随 意性，不便于设计应用( 如病害边坡加固处理设计等) 且需要使用者有较丰富的工程 经验。 ( 2 ) 边坡稳定性数据库和专家系统 边坡工程数据库是收集已有的多个自然斜坡、人工边坡实例的计算机软件。 它按照一定的格式，把各个边坡实例的发育地点、地质特征、变形破坏影响因素、 形式、过程、加固设计以及边坡的坡形、坡高、坡度等收集进来，并有机地组织 在一起。建立边坡工程数据库的目的主要是进行工程类比和信息交流。利用边坡 工程数据库可以更好地指导实践，节省费用。 专家系统就是一种按照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、物理模型、现场监测等行之有效的知识和方法 有机地组织起来，建成一个边坡工程知识库，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) 来模拟并实现人( 专家) 脑的思维( 推理与决策) 的全过程，吸 收其合理的知识结构，寻求优化的技术路径，同时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，对所研究的对象进行稳定性评价。 ( 3 ) 图解法 图解法是通过分析结构面、岩性、地下水、坡度等因素的变化，根据相应的 公式制成图表，这样可快速、直观地分辨出控制滑坡体的主要和次要结构面，确 定出稳定类型，判定不稳定块体的形状、规模及滑动方向。图解法可进一步分为 诺模图法和赤平极射投影图法。 诺模图法：该法是利用一定的诺模图或关系曲线来表征与滑坡体稳定有关 参数间的关系，并由此求出滑坡体稳定安全系数，或根据要求的安全系数及一些 参数来反分析其它参数、c 、结构面倾角、坡度、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强风化 的具弧形破坏面的滑坡体稳定性分析。 赤平极射投影图法：该法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、可能失稳岩体形态及 其滑动方向等，进而评价边坡的稳定性。该方法目前主要用于被结构面切割成块 体状的岩质边坡的稳定性分析。 2 、定量分析方法 定量分析方法是通过力学原理对边坡进行稳定性分析，严格地讲，边坡稳定 1 绪论 性分析还远没有达到完全的定量这一步，目前它只能算是一种半定量的分析方法。 不同的定量分析方法对应不同的力学模型，但其总体上又可分为极限平衡分析方 法和数值分析方法两种，其中极限平衡分析方法在工程实践中使用最多，而数值 分析方法则更多地应用在对边坡应力应变特征及变形破坏机理的分析评价。 ( 1 ) 极限平衡分析方法 极限平衡分析方法是最精典的确定性分析方法，极限平衡方法是通过分析在 临近破坏状况下，岩土体外力与内部所提供抗力之间的静力平衡，根据莫尔 ( o m o l a r ) - 库仑( c c o u l o m b ) 强度准则计算出岩土体在自身和外荷载作用下的边 坡稳定性的一种定量方法，其通常以边坡稳定系数来表达边坡的稳定程度。其基 本特点是只考虑静力平衡条件和土的摩尔库仑破坏准则，也就是说通过分析土体 在破坏那一刻的力的平衡来求得问题的解，当然在大多数情况下问题是静不定的， 极限平衡方法处理这个问题的对策是引入一些简化假定使问题变得静定可解，这 种处理使方法的严密性受到了损害但是对计算结果的精度损害并不大，由此而带 来的好处是使分析计算工作大为简化。由于该方法具有模型简单、计算公式简捷、 可以解决各种复杂剖面形状、能考虑各种加载形式的优点，因而在工程中获得了 广泛应用。 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 u b u 法、 m o r g e n s t e m p r i n e e 法、s p e n c e r 法、楔体极限平衡法、斯宾塞法、不平衡推力法和 s a r m a 法等。各类方法有其不同的适用条件，其中s a r m a 法适用于滑面呈圆弧形或 折线形的滑体，f e u e n i u s 法和b i s h o p 法仅适用于滑面呈圆弧形的滑体，楔体极限 平衡法则主要用于岩质边坡中由不连续切割的各种楔形体稳定性分析，不平衡推 力法为规范推荐的边坡稳定性分析方法，其中s a r m a 法为极限平衡分析方法的最 新成就f 几十年来，边坡稳定分析都是将边坡简化为二维平面应变问题，再采用一 b i s h o p 、j a n b u 等极限平衡分析方法进行分析，然而实际上边坡的失稳破坏是一个 三维空间问题，特别是在可能的滑动面周围，存在三维滑动这一物理边界的情况 下，具有明显的三维效应，m o r g e n s t e i nd l m c a n 等人认为，当前边坡稳定分析的研 究方向应转向三维领域，目前已有研究者尝试将极限平衡分析方法引入三维空间 来计算滑坡的稳定性。 极限平衡法对边坡稳定性分析作出了巨大的贡献，但是该方法由于在模型建 立、计算参数选取、边界条件等方面作了一些简化假设处理，而将滑体视为刚体 也过于简化，故其只能提供边坡宏观的稳定性，不能对边坡的应力分布、变形大 小作全面的分析，同时对于复杂的边坡，如当边坡由非均质和各向异性材料组成 时，或边坡是由开挖再回填形成的等等，极限平衡法就无能为力了，其计算分析 结果与实际情况往往有较大的差距，有时甚至得出错误的结论。 重庆大学硕士学位论文 ( 2 ) 数值分析方法 2 0 世纪7 0 年代后，随着数值计算理论和计算机科学的发展，很多数值计算方 法都已运用到边坡稳定性分析中，现在数值分析法已成为边坡稳定性分析中应用 极为普遍的方法，目前常用的边坡稳定性数值分析方法主要有有限单元法( f e m ) 、 离散单元法( d e m ) 、快速拉格朗日分析法( f l a c ) 、不连续变形分析法( d d a ) 、块 体理论( b t ) 、无单元法、边界元法( b e m ) 、无界元( i d e m ) 、流形元法、遗传进化 算法及人工神经网络评价法等。 有限单元法( f e m ) 有限单元法( f e m ) 是最早得到应用，同时也是目前应用最广泛的一种数值分析 方法，目前已开发了多个二维及三维有限元分析程序。该方法的优点是部分地考 虑了边坡岩体的非均质性和不连续性，可以给出岩体的应力、应变大小与分布， 能使我们近似地从应力应变角度去分析边坡的变形破坏机制。其缺点是不能很好 地求解大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够理想。 离散单元法( d e m ) 离散单元法是一种适用于模拟离散介质的数值计算方法，其突出特点是它在 反映岩块之间接触面的滑移、分离与倾翻等大位移的同时，又能计算出岩块内部 内部的应力和变形分布。其对块状结构、层次破裂或一般破裂结构岩坡较为合适。 快速拉格朗日分析法( f l a c ) 快速拉格朗日分析法基本原理类似于离散单元法，但它却能象有限元那样适 用于多种材料模式与边的非规则区域的连续问题求解。其可以准确地模拟材料的 屈服、塑性流动、软化直至大变形，尤其在材料的弹塑性分析、大变形分析以及 模拟施工过程等领域有其独到的特点，该方法较有限元法能更好地考虑岩土体的 不连续性和大变形特征，求解速度较快。 不连续变形分析法( d d a ) 不连续变形分析法是石根华提出的分析不连续变形问题的一种新的离散型数 值计算方法，它兼有有限元法和离散元法之部分优点。该方法可以反映岩体连续 和不连续的具体部位，考虑了变形的不连续性和时间因素，既可计算静力问题， 又可计算动力问题，既可计算破坏前的小位移，也可计算破坏后的大位移特别适 合于边坡极限状态的设计计算。但该方法还有待进一步优化提高。 无单元法 无单元法是有限元法的一种推广，其采用滑动最小二乘法所产生的光滑函数 近似场函数，保留了有限元法的一些特点，又克服了有限元法的一些不足，无单 元法只需结点信息而不需要单元信息，处理简单，计算精度高，收敛速度快。 遗传进化算法 6 1 绪论 遗传进化算法是一种新发展起来的全局搜索的算法。其首先随机生成一组模 型，将模型的每个参数表示为二进制数码，然后对种群内各模型根据具体问题所 给出的目标函数决定其生存概率，来进行优胜劣汰，再把剩余的较优的个体进行 交换和变异，最终完成一次对种群的繁殖，反复循环，来模拟生物进化的规律。 它的特点是在检索了少部分搜索空间后便能迅速地收敛于最优解。其克服了传统 方法容易陷入局部极小值的缺点，是一种全局优化的算法。 人工神经网络评价法 人工神经网络评价法是指由大量简单神经元经广泛互连构成的一种计算结 构，是一种广义的并行处理系统。神经网络用于边坡工程具有其独特的优势，神 经网络利用，可以尽可能多地将各种影响因素作为输入变量，建立这些定性或定 量影响因素同边坡安全系数与变量之间的高度非线性映射模型，最后用模型来评 价边坡的安全性。 3 、非确定性分析方法 ( 1 ) 可靠性分析法 可靠性分析法是目前边坡稳定性分析中应用最广的非确定性分析方法。边坡 可靠性分析就是基于对边坡岩土体性质、荷载、工程地质条件、计算模型等的不 确定性的认识，首先通过现场调查，以获取影响边坡稳定性因素的多个样本，然 后进行统计分析，求出它们的概论分布及其特征参数，再利用某种可靠性分析方 法，如可靠指标法、统计矩法、随机有限元法等来求出边坡岩土体的破坏概论即 可靠度。用可靠度比用安全系数在一定程度上更能客观、定量地反映边坡的安全 性，分析中采用的破坏概率又是某种意义上的风险概率，因此边坡可靠性分析对 于边坡工程的经济风险分析和优化决策具有现实意义。但是可靠性分析目前还缺 少一个统一的可以接受的风险阀值，同时极少发生概率的事件往往容易被忽视， 而这又极可能产生严重后果，因此如不结合具体工程进行分析，将大大影响该方 法的应用与推广。 ( 2 ) 模糊分级评判方法 影响边坡稳定性的诸因素除了具有前述的可靠度外，还具有一定的模糊不确 定性，采用模糊分级评判或模糊聚类方法对边坡稳定性作出分级评判，其具体做 法是先找出影响边坡稳定性的各个因素，并赋予它们不同的权值，然后根据最大 隶属度原则来判定边坡的稳定性。实践证明，模糊分级评判方法为多变量，多因 素影响的边坡稳定性分析提供了一种行之有效的手段，该方法适用于大型边坡整 体稳定性的评价。但模糊分级评判法中对边坡稳定性的评价较为笼统，同时其隶 属函数是依据一些基本原则确定、权重又是根据经验来确定，其主观性较大。 目前，除了以上两种常用的非确定性分析方法外，系统工程分析方法、灰色 7 重庆大学硕士学位论文 系统理论方法、突变理论方法、神经元法、损伤断裂力学理论、分叉与混沌理论 等也在边坡稳定性评价中得到不同程度的应用，这些新理论新方法的应用为边坡 稳定性分析及预测提供了新的途径。 1 2 4 滑坡监测与预报 滑坡监测主要在于提供滑坡的稳定状况，位移和变形的规律等，为滑坡预报 提供依据。滑坡监测主要是对滑坡在发育过程中所表现的各种特征现象进行监测， 监测内容主要包括：滑坡形变监测、滑坡变形破坏的相关因素监测及滑坡诱发因素 监测。滑坡监测方法可分为五大类型：宏观简易地质监测法、大地精密测量法、仪 器仪表监测法、g p s 法、综合自动遥测法。其中前三种为目前滑坡监测主要采用 的方法，自2 0 世纪9 0 年代中、后期开始，计算机仿真、遥测技术与“3 s ”技术应 用于滑坡的监测预报，其中g p s 法将空间定位系统( g p s ) 技术应用于滑坡监测， 利用g p s 静态相对定位原理，建立起高精度测量控制网，监测滑坡变形与位移， 国外从2 0 世纪9 0 年代开始用g p s 进行滑坡监测，目前在三峡库区部分崩滑体 上已进行了应用。g p s 法与综合自动遥测法具有全天候、全自动、精度高、选点 不受限制等优点，其优点是传统监测方法所无法替代的，代表了未来滑坡监测发 展的主要方向。 滑坡的预测预报也是近年来滑坡研究中的一个热点问题。从2 0 世纪6 0 年代 日本学者斋藤o d s a t i o ) 率先提出了滑坡预报经验公式以后，滑坡预报研究工作开 始了一个新的起点。在此之后，经过广