（水工结构工程专业论文）复杂条件下库岸土石混合堆积体稳定性研究.pdf

中文摘要 摘要 本文就库岸土石混合堆积体的工程地质特性、渗流场仿真、稳定计算分析方法和安 全监控等问题开展了较为深入的研究，并将其应用到实际工程中。主要研究内容如下： ( 1 ) 系统研究了库岸土石混合堆积体的成因类型、空间形态和结构形态特点，归 纳总结了滑坡堆积体和崩塌堆积体的土层结构特征。基于室内试验成果，应用土颗粒质 量分布原理，描述了土石混合料颗粒分布的分形特征，提出了利用分维数大小判断其颗 粒粗细程度和不均匀特征的方法。 ( 2 ) 以实测变形监测资料为基础，分析了库岸土石混合堆积体变形破坏的主要控 制因素和蠕滑机理，研究了其表层位移矢量场的变化规律，总结归纳了滑坡堆积体和崩 塌堆积体的基本失稳破坏模式。 ( 3 ) 基于统计和试验结果，研究了土石混合堆积体的渗透特性，建立了可考虑降 雨入渗和库水位变化的非稳定渗流数学模型及其三维有限元模式，并研制了相应的分析 计算程序。 ( 4 ) 结合工程实际，提出了降雨模型、库水位调控模型及其组合作用模式的确定 方法，根据该方法可建立库岸土石混合堆积体在库水涨落与降雨联合作用下的非稳定渗 流场，以及其稳定性分析中的地下水响应过程和外动力边界条件。 ( 5 ) 基于室内试验结果，研究了土石混合堆积体的抗剪强度特性，提出了可考虑 饱和度和基质吸力影响的土石混合体非饱和抗剪强度数学表达式，据此建立了库岸土石 混合堆积体稳定分析的刚体极限平衡计算公式；此外，运用动态规划理论，研究了库岸 土石混合堆积体关键滑动面的搜索优化方法，并编制了相应的计算分析程序。 ( 6 ) 提出了可体现对变形具影响作用的降雨因子和能反映库岸土石混合堆积体蠕 滑效应的时效因子，据此构建了库岸土石混合堆积体变形监控的多因素时变模型和统计 混沌混合模型，并提出了其变形转异评判方法。 关键词：库岸土石混合堆积体颗粒分形特性位移矢量场库水涨落与降雨联合作用 多因素时变模型统计混沌混合模型 英文摘要 a b s t r a c t t h i sp a p e rp u t sc o m p 踟纵i v e l yd e e pr e s e a r c ho nd i f f i c u l ti s s u e so ft h ea c c u m u l a t e dr o c k s o i l a g g r e g a t e si ne m b a n k m e n ts l o p eo fr e s e r v o i ri n c l u d i n gt h eg e o l o g i c a lp r o p i 玳y ，u n s t e a d ys e e p a g e a n ds t a b i l 埘c a l c u l a t i o n ，s 觚e 够m o n i t o r i n gm o d e la i l ds oo n t h em a i nr e s e a r c hc o n t e n t sa r e a sf o l l o w s ： ( 1 ) t l l ee n g i n e e r i n gg e o l o g i c a lp r o p e r t y ，f o m a t i o n 帅e s ，s p a c e 啊l e sa n ds o i l 灿c t u r e d i s t r i b u t i n gc h a r a c t e r i s t i c so ft h er e s e r v o i re m b a nk m e n tr o c k s o i la g g r e g a t e sa c c u m u l a t i o n s l o p e a r er e s e a r c h e db a s e do ns u l m a r i z e do ft h et o p o g r a p h y ，p h y s i o g n o m y 鼬r a t l l m ， e n g i n e e r i n gg e o l o g ya i l dh y d r o l o g yg e o l o g yc o n d i t i o n s t h es o i lp a r t i c l e 曲c t a lp r o p e i r t y d e s c r i p t i o n 锄dt t l ei u d g i i l e mm e t h o do ft h ec o m e n t ，n o n 蚰i f o 珊d e 盯e eo ft 量l er o c k s o i l a g g r e g a t e sa r eb r o u g h to u tb a s e do nm ep a r t i c l es i z ed i s t r i b u t i o na n dm a s sd i s t r i b u t i o n p r i n c i p l e ( 2 ) t h em o v e m e mp r o p e r 吼m a i l l l yd e f o m a t i o nc o n t r o l l i n gf i a c t o r s ，c r e e ps l i d i n g m e c h a n i c so ft h ea c c 啪u l a t e dr o c k s o i la g 擘，e 霉r a t e si n 锄b a n k m e n ts l o p eo fr e s e r v o i r 锄ea 1 1 a l y z e d ， a n dt l l ec h a 】1 9 el a 、so fd i s p l a c e m e n tv e c t o rf i e l da n d l eb a s i cf a i l u r em o d e s 硼es t u d i e d ，t o o ( 3 ) t h ec o n d l l c t i v i t ) ，p m p e r t ) ro fr o c k s o i la g g r e g a t e si sa i l a l y z e db a s e do nt h ei 衄e rt e s t r e s u l t s s t u d yo nt l l es e e p a g ep r o p e n i e so fc o m p l e xs e e p a g ef i e l di sl 姗c h e db a s e do nt i l e a n a l v s i so n 1 ec o n d i t i o n so fi n n u e n c eu n s a 嗽t e ds o i lr a i n f a l li n f i l n a t i o na n du n s a n l r a t e d s o i l1 1 y d r a u l i cp a 】锄e t e r s t h e3 du n s t e a d ys a ：t l l r a t e d u n s a l 删e ds e e p a 留en 哪嘶c a l p r o g r 锄u n s e e p a g e 3 d fw l l i c hc o u l dc o i l s i d e rr a i n f a l li i l f i l 把a t i o na n dw a t e rl e v e lc h a i l g e w i t l lt i m ei sd e v e l o p e d ，a l l dt h i sp r o 伊a mi s 印p l i e dt 0 也ep r a c t i c a le n g i n e e r i n g ( 4 ) r a i n f 乱lm o d e l ，w a t e rl e v e lr e g m l a t i o nm o d e l 锄dt h e i rc o m b i n e da c t i o nm o d e sf o r s t a b i l i t ya 1 1 a l v s i so f 也er e s e r v o i re m b a n k m e n tr o c k s o i la 9 9 1 e g a t e sa c c u m u l a t i o ns l o p ea r e e s l a b l i s h e db a s e do nn l ep r a c t i c a le n g i n e e r i n g ，r e s p e c t i v e l y ；、 ，h i c hc o u l dd e t e n n i n ei t s d y n 锄i cu n d e r g r o u n dw a t e rc o n i e s p o n d i n gp r o c e s s ，a n dt l l i sa l s og a v eab e t t e r 疳锄ea n di d e a f o rh o wt oe s t ；a b l i s h i n gr e s e r v o i re m b a n k m e ms l o p e ss e e p a g ef i e l d ( 5 ) t h es h e a rs t r e n g t hp r o p e r t yo fr o c k - s o i la g g r e g a t e si ss t u d i e db a s e do nt h ed i r e c ts h e a r t e s tr e s u h s ，t l l eu n s a t u r a t e ds h e a rs n e n 甜hf o m l u l a t i o no fr o c k - s o i la g 汀e g a t e sm a tc o u l d c o n s i d e rs u c t i o na i l ds a t i l r a t i o nd e g r e ei n n u e n c ei sp u tf o r 、) i ，a r d ，a i l dt h er i g i db o d yl i m i t s e q u i l i b r i 啪c a l c u l a t i o nm e t h o d so ft h ea c c 啪u l a t e dr o c k s o i la g g r e g a t e si ne m b a n k m e ms l o p eo f 陀s e r v o i ri se s t a b l i s h e d m e a l l w h i l e ，d y n 锄i cp r o 龋l r r 眦i n go p t i m i z a t i o nt e c l l l l i q u ei sa d o p t e d t od e f i n et h ec r i t i c a ls l i ps u r f i a c es u c c e s s 如l l y ( 6 ) t h er a i n f a l “n 6 1 t r a t i o ni n n u e n c ef a c t o rt h a tr e n e c t i n gd e f o 肌a t i o na c t i o n ，a n dt i m i n g e f f e c ti n n u e n c ef a c t o rt h a tr e n e c t i n gc r e e pe 丘e c t i sb r o u 擘蛳f 0 n a r d ，r e s p e c t i v e l y a n dt l l e m u l t i p l vf a c t o r st i m i n ge f r e c td e f o 姗a t i o nm o i l i t o r i n gm o d e lo ft h ea c c u m u l a t e dr o c k s 0 i l a g g r e g a t e si ne m b a n k m e n ts l o p eo fr e s e r v o i rw l l i c hc o u l db e 印p l i e dt op r a c t i c a le n g i n e e r i n gi s e s t a b l i s h e d t h es t a t i s t i c c h a o sh y b r i df o r e c a s t i n gm o d e li se s ta _ b l i s h e db a s e do nm u l t i p l y f a c t o r st i m i n ge 丘e c tm o n i t o r i n gm o d e l ，f h l c t a li n t e r p o s i n gm e t h o da n dc k 的t i ct h e o r y k q 唧o r d s ：a c c u m u l a t e dr o c k - s o i la g g r e g a t e si ne m b a l l l ( m e n ts l o p eo fr e s e n r o i r ；p a i t i c l ef k t a l p m p e r t y ；d i s p l a c e m e n tv e c t o rf i e l d ；u 1 1 i t i n ga c t i o no f w a t e rl e v e lc h a i l g ea i l d m i n f a u ；i i 】【u l t i p l yf a c t o r st i m i n ge 丘e c tm o d e l ；s t a t i s t i c c h a o sh y b r i dm o d e l l i 前言 上j 一 刖吾 近坝库岸的稳定性直接关系到大坝安全。库岸土石混合堆积体是水电工程库区岸线 的重要组成部分，其物质组成是一种既不同于岩体又不同于土体、分布极其广泛而又需 要在工程中妥善处理的地质材料，目前国内外对其物理力学特性研究较少。另一方面， 水库运营后，一般都采用“冬蓄夏泄”的水位调度方式，其间库水位升降幅度大且涨落频 繁，这必将引起库岸第四系松散土石混合堆积体地下静、动水压力发生较大变化。同时 库水位频繁调控的季节往往也是集中降雨的季节，降雨入渗又将引起库岸土石混合堆积 体稳定性的降低。因此，在库水涨落与降雨联合作用下的库岸土石混合堆积体稳定性问 题，是许多水电工程建成投入正常运行后不可回避的现实难题。 本文结合国家重点基础研究发展规划项目“灾害环境下重大工程安全性的基础研 究”的第七课题“多因素相互作用下地质工程系统的整体稳定性研究( 2 0 0 2 c b 4 1 2 7 0 7 ) 和国家自然科学基金委员会、二滩水电开发有限责任公司雅砻江水电开发联合研究基金 项目( 5 0 5 3 9 0 3 0 1 3 ) ，以三峡库区泄滩滑坡和江西某大( 二) 型水库库岸堆积体为例， 以室内外试验成果、实测变形监测资料、库水位变化和降雨资料等为基础，对上述复杂 问题进行了理论研究，提出了库水涨落与降雨联合作用下的库岸土石混合堆积体动态稳 定性问题，建立了其安全监控模型。主要创新成果有： ( 1 ) 较系统地研究了库岸土石混合堆积体的成因类型、空间形态和土层结构特点； 基于质量分布原理描述了其颗粒组成的分形特征，提出了利用分维数大小判断其颗粒粗 细程度和不均匀特征的方法。 ( 2 ) 结合工程实际，提出了降雨模型、库水位调控模型及其组合作用模式的确定 方法，根据该方法可建立库岸土石混合堆积体在库水涨落与降雨联合作用下的非稳定渗 流场，以及其稳定性分析中的地下水响应过程和外动力边界条件。 ( 3 ) 提出了可考虑饱和度和基质吸力影响的土石混合体非饱和抗剪强度数学表达 式：利用动态规划理论，实现了其稳定计算中关键滑裂面的搜索与优化。 ( 4 ) 基于实测位移与降雨量的时空关系、降雨影响作用下的滑移理论、典型粘弹 塑性模型的蠕变方程，提出了可反映库岸土石混合堆积体变形的降雨影响因子和体现蠕 滑效应的时效因子，据此构建了其变形监控的多因素时变模型和统计一混沌混合模型。 学 的 不 究 本 学 中 件 文 论 究生院办理。 论文作者( 签名) ：薹望皇刀扩年，月形日 河海大学博+ 学位论文 1 1 研究的目的和意义 第一章绪论 1 1 1 研究背景 滑坡，通常泛指山体斜坡在自重和其它自然或人为因素的作用下，发生变形失稳的 自然现象，也指正在变形中的岸坡、崩、滑堆积体和处于稳态的崩、滑堆积体，是工程 建设中经常遇见的问题和山区常见的地质灾害【1 4 1 。我国是一个多山国家，从而也是滑 坡广泛分布的国家，每年特别是雨季都要发生若干滑坡，常常给人民的生命财产造成重 大损失，给工程建设带来很大影响l l 羽。据中科院特别支持领域“山地灾害泥石流、 滑坡基础研究专家委员会”办公室资料【4 】，中科院编目的具有一定规模的泥石流沟有5 万余条，其中危害严重的有8 5 0 0 条，滑坡3 0 万个，其中灾害性滑坡1 5 万个，近1 0 年来每年由地质灾害造成的经济损失平均在2 0 5 0 亿元之间，每年有5 0 0 1 0 0 0 人伤生。 随着水利水电建设的迅速发展，在上述滑坡灾害中，库岸边坡稳定问题越来越突出， 国内外已建和拟建的水电站绝大多数都存在库岸边坡稳定性问题【5 。1 3 1 ，其中有一类由滑 坡堆积、崩塌堆积、残积层、冰溃堆积、坡积物等组成的土石混合松散堆积体，即主要 受重力作用堆积而形成的第四系覆盖层边坡，在我国尤其是三峡库区和西南地区分布广 泛，由于其特殊的边界条件、物质组成、变形特性以及对水作用的敏感性，使得人们较 难把握其稳定性及其变形发展趋势，故在国内水电建设工程中发生滑坡并酿成重大灾害 的情况时有发生。据统计【8 1 4 _ 6 1 ，我国三峡库区已发生的崩滑地质灾害中，第四系松散 堆积滑坡占滑坡总数的4 2 8 5 ( 如图1 1 1 的新滩滑坡) ，滑坡总体积达2 3 5 1 0 8 m 3 ， 占滑坡总体积的1 7 7 3 。长江青干河上的千将坪滑坡( 见图1 1 2 ) 是三峡工程蓄水后 首次出现的一个大规模斜坡失稳事件，滑坡体形成的堆石坝高达1 4 9 1 7 8 m ，造成1 4 人 死亡，1 0 人失踪【1 7 1 。 2 0 世纪8 0 年代以来，我国西南地区发生的典型崩滑地质灾害也绝大部分发生在堆 积或风化、松散土石体中( 见表1 1 1 ) 。随着西部大开发战略的逐步实施，西南地区一 系列大型乃至巨型水电站( 如金沙江溪洛渡、向家坝、白鹤滩水电站、雅砻江锦屏水电 站，澜沧江小湾水电站以及黄河拉西瓦水电站等) 相继开工建设，在复杂地质环境和大 规模工程活动、水库蓄水及暴雨等复杂条件下，均有可能存在大量的松散土石混合堆积 发生变形甚至失稳破坏的情况。目前在建大型水电工程如雅砻江锦屏i 级水电站仅近坝 库岸就分布有呷爬滑坡、水文站滑坡、四家人滑坡、杨家滑坡、赵家滑坡及洪积堆积物 等o j 。澜沧江小湾水电站左岸坝前土石混合堆积体【i8 】是枢纽区规模最大、紧邻坝基的堆 积体，水库蓄水后的稳定性对大坝安全至关重要，而右岸大椿树沟土石混合堆积体的变 形、稳定状态也直接关系其支护设计、施工安全及电站的正常运营。 第一章绪沦 图1 1 1新滩滑坡全貌( 1 9 8 5 a ) f i g 1 1 1t h ep a n o r a m ao f x i n t a nl a n d s l i d e 图1 1 2千将坪滑坡全貌( 2 0 0 3 a ) f i g 1 1 2t h ep a n o r a m ao f q i a n j i a n g p i n gi a n d s l i d e 表1 1 1 2 0 世纪8 0 年代以来我国西南地区发生的典型崩滑地质灾害事件一览表【1 9 】 体积 滑坡名称位置发生日期 类型诱发冈素人员伤亡 ( 1 0 4 m 3 ) 中阳村滑坡 重庆巫溪 1 9 8 8 0 1 1 07 6 5 0 层状石灰岩暴雨 3 3 颠覆 铁两滑坡+四川喜德 19 8 8 0 9 0 24 0 堆积松散体暴雨 列车 昭通滑坡+云南昭通 1 9 9 0 0 6 1 0 0 0 堆积体暴雨 1 0 0 中一陡反倾斜 鸡冠岭岩崩重庆武隆 19 9 4 0 4 3 04 2 4 地卜采矿1 6 坡 二道沟滑坡湖北巴东 1 9 9 5 0 6 1 06 0 0 强风化斜坡洪水位 5 郧刚滑坡半 云南1 9 9 6 一0 6 0 15 0 0 0 堆积散体采矿 2 0 0 岩口滑坡贵州印江 1 9 9 6 0 7 一1 81 5 0 0 0 斜顺倾斜坡坡脚采石 3 沙冲路滑坡贵州贵阳 1 9 9 6 1 2 0 42 0 顺倾斜坡坡脚切坡 3 5 双牛滑坡t西筒彳i 宝镇 2 0 0 0 0 6 0 62 0 堆积松散体暴雨 1 3 搬迁 盈江滑坡+云南盈江 2 0 0 0 0 8 1 40 2 混合残坡积土暴雨 5 0 0 0 人 兰坪滑坡+ 云南! 坪2 0 0 0 0 9 0 32 0 0 0 顺倾斜坡暴雨不详 注：+ 表示发生在堆积体或风化、松散体的脏滑地质灾害事件 一般说来，地质环境主要由岩土体环境、地应力环境和水环境构成。在自然条件下， 它们之间有着密切的、始终处于不断变化的动态平衡中 4 】。水库的修建引起地表水和地 下水环境及其动力作用系统的变化，从而通过改变库岸岩土体的状态、结构或成分，不 断恶化岩士体的性质，最终导致库区岸线不能继续保持与剧围环境的原有平衡而发生灾 变，从而达到与周围环境新的平衡。故要准确地把握库岸土石混合堆积体的稳定状态， 必须掌握其物质组成的工程地质特性、变形影h 向因素和规律，并采取可靠的监测手段和 科学的预报方法对其进行安全监控，反馈设计和施工。 1 1 2 研究的目的和意义 近坝库岸的稳定性直接关系到大坝安全，而土石混合堆积体又是水电工程库区岸线 的重要组成部分，是介于岩体和土之问的一类特殊地质介质，目前国内外对其工程地质 特性包括抗剪强度特性、渗透特性等研究较少。另一方面，在实际工程中一般只单独考 河海大学博十学位论文 虑库水位变化或对降雨影响对其稳定性的影响，但在很多水库近坝库岸区，降雨集中的 季节往往也就是库水位频繁调控的季节( 如我国的三峡库区等) ，故在库水涨落与降雨 联合作用下的库岸土石混合堆积体稳定性问题，是许多水电工程建成投入运行后不可回 避的现实难题。 因此，对库岸土石混合堆积体滑坡灾害防治而言，迫切需要在前人的研究成果基础 上，结合典型库岸土石混合堆积体的地形地貌、发育地层和岩性、坡体结构和物质组成 等，分析其工程地质特征和运动规律；利用室内外试验成果，研究其抗剪强度特性和渗 透特性；根据水库所在地区的降雨特征和运营方式，分别提出其降雨模型、库水位调控 模型及其组合作用模式的确定方法，建立可同时考虑降雨和库水位涨落的库岸土石混合 堆积体非稳定渗流场数值计算模型和稳定分析方法；同时研究并提出其安全监控模型， 以实现对其稳定性进行有效监控和科学预报。 通过上述问题的研究，对于如何评价复杂条件下库岸边坡稳定性问题无疑具有现实 意义，同时对于学科的发展和完善，确保库区及大坝安全，反馈边坡加固设计理论和施 工方法，充分发挥工程效益具有重要价值。 1 2 文献回顾和相关研究进展 1 2 1 边坡稳定分析方法研究进展 我国在地质灾害研究方面做过很多工作l l 4 j ，如早在1 9 7 4 1 9 7 6 年，铁道部就成立 了“滑坡分类与分布”专题协作组，对全国铁路沿线滑坡进行了普查。“六五”期间，地质 矿产部立专题“西南西北崩滑灾害山区斜坡稳定性研究”；1 9 9 1 年中科院编绘了“中国泥 石流灾害分布与危险区划图”，1 9 9 6 年编制了“四川省滑坡危险度分区”；国家水土保持 委员会在“八五”期间进行了“长江上游水土保持重点治理区三峡库区片滑坡泥石流预警 系统选点详查”( 1 9 8 9 1 9 9 0 年) 和“长江上游水土保持重点治理区滑坡泥石流发育程度 区划研究”( 1 9 9 1 1 9 9 4 年) 。为配合国际减灾十年计划，中国地质灾害研究会于1 9 9 0 年成立出版地质灾害与防治学报，国家地质灾害防治与地质环境保护专业实验室也 同时出版了地质灾害与环境保护学报等。所有这些都为边坡稳定的研究提供了重要 的基础性资料，在一定程度上也促进了边坡稳定分析方法的研究。 目前，边坡稳定的分析方法有很多种，但总的说来，工程界对边坡稳定性的评价， 大体有定性评价和定量评价两大类。定性评价包括历史分析法和工程地质类比法，其要 点是【2 0 2 2 l ：( 1 ) 对边坡的发育历史进行分析，从过去看现在，并推测其未来的稳定趋势； ( 2 ) 对影响边坡稳定的诸多影响因素进行分析，在大量调查研究的基础上，根据类似 的边坡稳定状况评价本边坡的稳定状况，并推测其未来的稳定趋势。其优点是能综合考 虑各种因素，无需试验和计算，即可快速对边坡的稳定状况进行推测，为勘测、定量评 价和综合治理创造条件，但该方法仅适用于简单边坡，而对复杂地质条件和边界条件下 的边坡稳定性分析，仅能提供初步参考依据。这里主要讨论边坡稳定分析的定量方法。 第一章绪论 1 2 1 1 刚体极限平衡法及其研究进展 边坡稳定的定量评价常采用刚体极限平衡法，其基本假定是【2 1 。2 2 】：视岩土体为刚体， 不产生变形但传递力。在此假定的基础上，通过力和力矩的平衡分析，获取滑动面的反 力，进而计算相应的安全系数。刚体极限平衡法概念清晰，使用时间长，积累了丰富经 验，但在理论上存在诸多不足，主要有：( 1 ) 没有考虑岩土体内部的应力应变关系，边 坡失稳与变形无确定性联系，滑动面底部应力可能失真。( 2 ) 不能考虑岩土体与支挡结 构的共同作用及其变形协调。( 3 ) 假定条件较多，如土条条分假设，条间力及滑动面假 定等。 潘家铮院士用“最大最小原理”对极限平衡法的理论基础做出了解释【2 3 】：滑坡发生 时，其内力会自动调整，以发挥最大的抗滑力，而真实的滑裂面又是提供最小抗滑力的 那个。因此传统的极限平衡法中包含的静不定问题可以通过引入求解安全系数的最大值 这一约束条件来解决。 在土坡稳定分析中，常采用垂直条分法，因条块间作用力及其方向的假定不同，有 瑞典条分法、简化b i s h o p 法【2 4 1 、j a n b u 法【2 5 1 、s p e n c e r 法【2 6 1 、g l e 法【2 7 1 、工程师兵团法 和m o 玛e n s t e m 砸c e 法等【2 7 。2 9 1 ，其中m o 唱e n s t e m 一州c e 法是目前在工程被普遍认可的方 法，该方法同时满足条块力和力矩的平衡，适用于任意滑动面，并能保证较高的精度 1 2 l 垅】。近年来随着电算技术的进步，在计算方法上有了不少突破，使该方法得到进一步 的完善。如肖专文等【3 0 j 仍假设滑动面为圆弧形，用美国j o | 1 1 1h h u a i l g 教授首先提出的 遗传进化算法确定边坡最危险滑动面及其对应的最小安全系数，克服了传统分析方法容 易进入局部极小化的缺点，是一种全局优化算法。朱大勇【3 1 】基于最优控制理论，在引入 边坡临界滑动场概念的基础上，通过数值方法求解边坡的临界滑动场及相应的最小安全 系数。陈祖煜等1 3 2 】将边坡稳定分析的二维s p e n c e r 法扩展为三维极限平衡法，并应用于 工程实例。姜清辉等【3 3 】研制开发了边坡稳定分析三维极限平衡法的可视化系统软件等。 在岩质边坡极限平衡分析领域，s a 肌a 法具有重要的地位【3 4 】，这一方法采用斜条分 法，假定条块倾斜界面之间和底裂面均达到了极限平衡，这样，静力平衡方程和未知数 的数目恰好匹配，求解安全系数变为静定问题。由于岩体内通常都存在一组陡倾角结构 面，在发生滑动破坏时，一方面沿底滑面滑动，另一方面也沿这些陡倾角结构面错动， 因此s a n i l a 法被认为是一个分析岩质边坡较合理的方法。d o n a l d 和陈祖煜【3 5 】从理论上 证明了s 姗a 法与边坡稳定的塑性力学上限解的等效性。 1 2 1 2 数值分析方法及其研究进展 近3 0 年来，边坡工程数值分析方法得到迅速发展f 3 审4 3 1 。有限元是一种较为成熟的 数值方法，它几乎可适用于所有的计算领域，也是边坡稳定分析中用得较多的一种数值 方法。与极限平衡法相比，有限元法有如下优点：可同时进行稳定分析与变形分析；可 考虑土的非线性应力应变关系；可保证整个边坡同时满足力与力矩平衡条件；可考虑 河海大学博士学何论文 先期应力状态和模拟开挖或填筑等施工过程。目前有限元法分析边坡稳定性一般可分成 两类：有限元强度折减法和有限元与滑裂面优化搜索相结合的方法。如m a t s u i 等畔】通 过等比折减土的粘聚力和内摩擦角正切值的方法分析边坡的稳定性，把使边坡达到临界 稳定状态的材料强度折减系数值作为边坡的最小安全系数，并把该方法命名为“强度折 减技术”。郑颖人等【4 孓4 6 】采用有限元强度折减法进行土坡和岩坡的稳定分析。张鲁渝等 【4 7 制j 对有限元强度折减系数法计算土坡稳定安全系数的精度进行了研究。但是，有限元 强度折减法在计算分析前对土的强度参数进行了折减，取得的应力与变形结果无法反映 边坡实际的受力状态，因此该方法只限于边坡最小安全系数的评价，而且在边坡失稳判 据等方面仍值得深入研究。 为了更好地模拟边坡岩体的非连续变形行为，各国学者已开展了大量卓有成效的研 究工作。2 0 世纪7 0 年代初，有人把裂隙岩体看成被各种规模结构面切割成形状和大小 各异的块体系统，形成所谓的块状结构，并认为这些结构面控制了边坡岩体的变形和破 坏。目前已发展了多种不连续变形分析方法，如离散单元法、刚体元法、块体理论和非 连续变形分析法等。离散单元法【4 9 。5 0 】是以刚性离散元为基本单元，根据牛顿第二定律提 出的一种分析方法，随后又将其变为变形离散元，使之既能模拟块体受力后的运动，又 能模拟块体本身受力变形状态，这一方法在2 0 世纪8 0 年代中期被引入我国，目前已在 国内得到广泛应用。刚体元法1 5 i j 最早是由日本人川井提出的一种数值分析方法，这种方 法将变形体离散为一些刚体元和块体之间的可变形薄层( 节理单元) 的组合体，以刚体 运动学的基本理论为基础，建立刚性块体系统的平衡方程。块体理论是一种几何分析方 法，张子新【5 2 l 等把分形几何与块体理论相结合，提出了分形块体理论，建立了分形块体 理论赤平投影法，并将其应用于三峡永久船闸高边坡稳定分析中。石根华1 5 3 j 则提出根据 节理的倾向、倾角等地质勘测资料，找出被裂隙切割的、具有移动可能的关键块体，建 立了关键块体理论。石根华和g o o d m a n 等在1 9 8 5 年提出的不连续变形分析法即d d a 法f 5 4 1 ，是对块体系统的运动采用最小势能原理建立平衡方程，容许块体本身有位移和变 形，容许块体间有滑动、转动和张开等运动的一种方法。流形元法【5 5 j 是在不连续变形分 析方法基础上发展起来的一种数值分析方法，这种方法既可考虑块体内部的变形关系， 又可考虑块体之间变形关系，是一种连续介质与不连续介质变形的耦合分析方法，集有 限元和d d a 分析方法优点于一身，近期受到广大工程研究人员的普遍关注。刘君、徐 艳华、张国新等都做了这方面的研究工作1 5 引。 边坡数值分析方法尽管有许多优点，但同时也存在一些固有缺陷，如建立合理反映 岩土体应力应变特点和破坏机理的模型较为困难、前处理复杂且工作量大、软件不规范、 计算结果因人而异、获取参数困难且类比工程经验不多以及稳定性评判无标准等。 1 2 1 3 非确定性分析方法及其研究进展 在边坡工程研究领域，非确定性分析方法主要包括基于可靠度理论的方法、基于风 险分析的方法和基于模糊数学理论的分析方法。 第一章绪论 1 、基于可靠度理论的分析方法 理论和实践均证明，影响边坡稳定性的诸多因素都具有一定的随机性，它们多是具 有一定分布形式的随机变量。鉴于此特点，人们常将边坡岩土体材料性能( 如弹性模量、 泊松比等) 、边坡几何尺寸( 如内部结构面、边坡边界尺寸) 以及边坡外部荷载( 如地 震力、重力场、渗流场等) 视为随机变量，采用概率论的方法来分析和评价边坡工程的 稳定性。 国外对于边坡工程可靠度的研究始于2 0 世纪7 0 年代末，而我国关于边坡可靠度的 研究始于2 0 世纪8 0 年代初。当前对边坡稳定可靠度的研究主要集中在将稳定分析中的 各种理论与设计方法进一步引入到可靠度研究中：l a d d 等1 5 9 j 研究了斜坡渐近破坏的可 靠性模型，并给出了抗剪强度在不排水条件下的空间变异性以及破坏概率。m o 咖等唧】 讨论了斜坡工程中的不确定性因素、变异性、岩土的概率模型、可靠性指标的确定以及 斜坡概率分析方法的发展趋势。1 h g w h 【6 1 】、q a l c 【6 2 1 、c i l r i s t i a i l 【6 3 】重点研究了边坡稳 定的可靠性指标确定问题。j s k n o e s e n 【6 4 】根据土坝失稳计算模型研究了概率安全量和可 靠度指标计算方法问题。c h o w d h u r y 【6 5 】、程心恕1 6 6 j 在总结前人土坡稳定可靠度计算方法 的基础上，建立了基于简化b i s h o p 模型、s p e n c e r 模型、m o r g e n s t e m p r i n c e 模型、f e l l i n u s 模型的极限状态方程，并利用j c 法对各模型进行了比较和分析。赵洪波【67 】利用极限平 衡分析构造学习样本，通过支持向量机学习，提出了边坡可靠性分析的支持向量机方法。 苏永华【6 8 j 引进差分方法近似求解偏导数和复合函数的求导方法，推导了采用验算点方法 求解s p e n c e r 模式下边坡稳定可靠度的计算公式和可靠度指标的线性逼近循环迭代方 法。孙树林【6 9 j 把随机概率模型引入块体理论，在考虑块体几何参数和力学强度随机分布 的条件下，采用蒙特卡罗法对大小不等的块体形成概率以及不同破坏模式下块体破坏概 率进行了随机模拟，为节理化岩质边坡的加固理论提供了参考依据。王平【7 0 j 根据土条间 的几何关系提出了土坡稳定分析研究辐向条分法，并利用高斯积分法计算出安全系数和 极限状态方程的系数，用改进的j c 法求出了边坡最小安全系数和最小可靠度指标。梧 松【7 l j 基于空间随机场理论，利用局部平均法研究了空间各向异性土坡的可靠度问题等。 由此可见，目前边坡稳定可靠度研究的重点都放在建立相关的可靠度计算方法和计 算格式方面，所采用的模型及状态函数都是基于常规的刚体极限平衡法。这种方法能给 出衡量边坡稳定性的定量指标，但其力学模型过于简单，不能考虑岩土体的变形特征及 本构关系，当滑动面是多折边时，不得不采用一些假定和简化。自2 0 世纪8 0 年代末开 始，日本的h a n d a 和n a l ( a 鲥等对随机有限元作了较为系统的研究。此后随机有限元理 论朝着两个方向发展：一是基于摄动展开的有限元统计分析；另一个则是随机场的局部 平均。曾晟等【7 2 】借助a b a q u s 的强大非线性功能和丰富的单元库，建立了平面破坏型 边坡有限元分析模型和基于自适应模糊神经网络模型的边坡稳定性系数求解方法，并用 m a t l a b 语言编写了可靠度计算程序。谢立全、于玉贞掣7 3 j 基于抗剪强度折减和蒙特卡罗 法相结合的随机有限元法，研究了土石坝边坡的整体稳定可靠度问题。谭晓慧等【7 4 】将结 构可靠度分析中的有限步长迭代法引入边坡稳定的有限元可靠分析，探讨了有限步长迭 河海大学博十学位论文 代法中初始步长及步长调整系数的取值方法。苏永华、赵明华等r 7 5 】将响应面中有限元数 值模拟以s 黜a 模式中隐含稳定性系数的迭代方法代替，将传统的响应面思路与s a n n a 模式结合起来，建立了边坡稳定可靠性响应面分析方法等。 从理论上说，随机分析方法是一种很好的方法，因为实际中没有绝对的确定性，都 具有随机性，但因随机因素较多，难以确定各因素的概率，目前还只是处于理论研究阶 段，要应用到边坡设计中还有很多工作要做。 2 、基于风险理论的分析方法 近年来，随着人们对边坡地质灾害引发的环境和安全问题的关注，边坡因各种不确 定因素引起的风险正日益受到重视，相关的风险分析和风险管理也逐渐应用于工程实际 当中。从2 0 世纪8 0 年代开始，国外的一些学者开始边坡工程的风险研究。如 w h i t m a i l 【7 6 1 、m o 曜e n s t e m 【7 7 】介绍了风险评价和风险管理方法在边坡工程中的应用。 b e r g g r e n 【7 8 1 介绍了瑞典的滑坡风险评价方法。f i n l a y 【7 9 1 根据香港地区大量的滑坡资料， 统计分析了香港地区各类边坡的灾害风险问题等。 我国比较系统深入的灾害评价研究是地震灾害研究，其代表性的工作成果是由国家 地震局完成的前后三版中国地震烈度区划及使用规定。2 0 世纪8 0 年代以后，随着地 质灾害领域相关理论的发展，风险评价开始应用于地质灾害评价中【加彤】。谢全敏、边翔 等瞰l 从系统理论的观点出发提出了滑坡灾害复杂大系统的概念，并以这一概念为基础探 讨了滑坡灾害风险特征及滑坡灾害风险评价的基本内容，提出了以滑坡危险性分析、承 灾体易损性分析和滑坡灾害风险评价的系统理论。丛威青、潘懋等【8 7 】在对4 种不确定性 推理方法进行原理分析的基础上，分别给出了其在斜坡类地质灾害危险性区划中的应用 思路，总结了一套基于不确定性推理开展滑坡类地质灾害危险性区划的方法体系等。 由此可看出，目前有关滑坡灾害风险研究的内容主要涉及滑坡失效概率评价、灾害 风险的易损性评价、滑坡灾害的可接受风险水平以及滑坡灾害损失估计等。随着防灾减 灾的发展需要和社会对灾害风险评价认识的提高，滑坡灾害风险管理及风险决策都将得 到进一步的发展，主要发展趋势表现在： ( 1 ) 研究内容进一步扩展，将逐渐形成跨学科、跨领域的相互交叉的综合研究体 系，并将不断向模型化、定量化方面发展。 ( 2 ) 研究方法和手段进行一步丰富和发展。除计算机技术得到广泛应用外，遥感 技术、卫星定位技术等多种高科技手段也将为滑坡灾害风险评价所利用。 ( 3 ) 理论研究将得到提高，逐渐形成自身的理论体系，与减灾规划、防治工程及 其它社会经济的结合越来越紧密，实用性越来越强。 3 、基于模糊数学理论的分析方法 由于边坡稳定性的界限具有相当的模糊性，故可采用模糊理论对边坡稳定性进行研 究。模糊理论是应用模糊变换原理和最大隶属度原则，综合考虑被评事物或其属性的相 关因素，进而进行等级或级别评价，其难点在于相关因素及各因素边界值的确定。模糊 数学分析方法在边坡稳定分析中已有一定的应用【8 8 9 1 ，国内纵多学者也进行了该方面的 第一章绪论 探索，如赵建军等凹l 针对评价指标分级的特点，将传统的两级模糊综合评判模型作适 当改进，在确定各评价指标选择依据和评价标准的基础上，建立了库岸边坡稳定性的二 次模糊综合评判模型。王秀丽、王艳红等【9 l l 采用多级模糊模式识别方法对黄土边坡进行 了稳定性分析，并建立了相应的判别准则。蒋建群【9 2 j 在引入正态模糊数描述计算参数区 间并确立边坡稳定安全系数置信函数的基础上，构造了边坡稳定安全系数的升岭形隶属 函数，提出了一种边坡稳定模糊随机可靠度计算方法。赵志峰【9 3 j 将盲信息的数学理论引 入到边坡稳定刚体极限平衡计算方法中，构建了一种利用盲数运算法则计算边坡稳定安 全系数的方法等。 1 2 2 边坡监测及滑坡预报研究进展 对滑坡进行研究的目的在于避免或尽可能降低滑坡地质灾害对人民生命财产的危 害及对工程建设的影响，提高对滑坡地质类型及其变形破坏规律的认识，对滑坡变形和 稳定性的发展趋势作出可靠的预测预报。在这方面既有成功的经验，亦有沉痛的教训。 1 9 8 5 年6 月1 2 日发生的新滩滑坡，2 0 0 0 1 0 4 m 3 的堆积体连带新滩镇一起滑入江中，可 是险区的居民却全部提前安全撤出，无一伤亡，是我国滑坡成功预测预报的典范。刘家 峡水电站库岸苏州崖边坡变形发展趋势的成功预测，对刘家峡水电站的生产、建设及运 营都起到了积极作用，也为滑坡研究及滑坡预测预报积累了宝贵的经验。 滑坡之所以能造成严重损害，其重要原因就是因为难以事先准确预报滑坡发生的地 点、时间和强度。长期以来，纵多学者对边坡失稳时间预报的苦心追求和探索，使边坡 失稳预报的理论和方法有了较大发展，经历了从现象预报、经验预报到统计预报、灰色 预报、非线性预报的历程，目前已经进入了系统综合预报、全息预报和实时跟踪预报的 阶段【2 圳。目前典型的分析方法主要有以下几种： 1 、斋滕法和改进的斋滕法【2 j 2 0 世纪7 0 年代，日本学者斋滕通过大量的室内试验和现场位移监测资料，提出了 均质土坡失稳时间预报的经验公式。随后，他又将加速蠕变曲线视为圆弧，利用曲线上 相邻点间相对位移量相等的三点，求出边坡失稳时间，此即著名的斋滕预报法。 斋滕法以土体蠕变理论为基础，以应变速率为基本参数，在一定程度上反映了滑坡 变形的本质，但“斋滕法”只适用于前缘不受阻力的土质滑坡，在应用上有一定的局限性。 2 、时间位移曲线及数理统计预报法【1 ，9 4 。9 8 j 基于边坡岩土体变形的蠕变( 流变) 特性，在滑坡变形的不同阶段，位移时间曲线形 态不同。在对监测资料进行深入分析的基础上，判断边坡位移变化的加速阶段，按变化 趋势在曲线上找出滑坡失稳时刻