（地质工程专业论文）滇藏铁路金沙江河谷段工程地质条件研究.pdf

中国地质科学院硕士学位论文 摘要 滇藏铁路是我国正在重点规划建设的铁路干线之一，目前采取分段实施的新思路。其中，滇藏 铁路丽江一香格里拉段经过的金沙江河谷区地质条件比较复杂，铁路如何跨越金沙江以及如何合理 地选择桥位，成为制约本段铁路线位走向的关键问题。鉴于此。本文选择滇藏铁路金沙江河谷段为 研究区，采用多学科理论和方法，在拟选金沙江大桥桥位稳定性分析的基础上，对滇藏铁路金沙江 河谷段工程地质条件进行综合评价研究。 本文在区域地质背景分析的基础上，阐述了研究区新构造运动和主要活动断裂的特征，认为对 金沙江河谷段铁路工程建设存在影响的活动断裂主要有中甸断裂和龙蟠一乔后断裂。同时，根据金 沙江河谷段的地形地貌、工程地质岩组、斜坡结构、水文地质条件和地质灾害发育状况等因素分析， 认为位于金沙江虎跳峡上峡口一带的下落鱼桥址工程地质条件相对较好。论文针对可能影响该桥位 安全的河谷两岸高边坡及左岸桥位上游冷都复杂斜坡体的稳定性进行了深入研究。工程地质分析和 弹塑性有限元模拟结果表明。在自重应力场作用和地震作用下河谷左岸坡脚附近岩体内存在塑性 区，右岸松散堆积体的下部也存在小范围的塑性区；在水库蓄水条件下，塑性区的位置集中分布在 左岸库水位与边坡接触带附近。位于桥址上游的冷都复杂斜坡体，在空间上可分为三个部分：香格 里拉三中一江口的斜坡带、长胜一核咱古滑坡发育区和石布各东北部的基岩发育区。作者采用瑞典 条分法、简化b i s h o p 法和j a n b u 法，对长胜一核咱古滑坡体在天然状况、地震作用、蓄水以及降雨 作用等多种工况下的稳定性分别进行了计算分析。结果表明，该古滑坡体在目前状况下处于稳定状 态，稳定系数为1 2 5 7 1 a 1 3 ，在降雨条件下稳定系数稍低，为0 9 2 9 1 0 4 3 ，在7 9 级地震作用 下该古滑坡体稳定系数值分布在0 9 6 0 1 3 1 5 之间但在地震和降雨联合作用下稳定性变得很差， 稳定系数为o 8 6 1 o 9 6 0 。为了验证上述结果，作者采用条分法数值解和m o n t e c a r l o 模拟法相结合 对长胜一核咱古滑坡的可靠度进行了计算。通过上述计算和综合分析认为从工程地质条件角度。 下落鱼桥位基本上是适宜的。 为了更好地指导铁路规划和指导今后的工程地质勘察工作，在金沙江大桥桥位确定的基础上， 采用基于g i s 层次分析法原理，综合考虑地形坡度、工程地质岩组、斜坡结构、地质灾害发育现状、 地震动峰值加速度，活动断裂发育状况、微地貌类型、人类工程活动、降水量( 主要考虑垂直降水 量差别) 、距离沟谷距离等1 0 个方面的因素，在专家打分的基础上用层次分析法计算出各影响指标 权重，借助m a p g i s6 7 和a r c g i s9 1 软件平台，完成了研究区工程地质条件分区评价。将研究区划 分为工程地质条件好、较好、中等和差4 类。根据分区结果，下落鱼桥位主要通过工程地质条件较 好和工程地质条件中等区，说明前文的分析和计算是正确的。本文所采用的技术方法和研究思路对 其它地区相似工程地质问题的研究具有一定的参考价值和借鉴意义。 关键词：滇藏铁路，金沙江河谷，高边坡复杂斜坡体，工程地质条件分区 中国地质科学院硕士学位论文 a b s t r a c t t h ey u n n a n 币b e tr a i l w a yi so n eo f t h em o s ti m p o r t a n tp l a n n i n gr a i l w a y so f c h i n a - a n di th a sb e e n a p a r t o dt os e v e r a ls u b s e c t i o n sa n de a c hs u b s e c t i o nw i l lb ec o n s t r u c t e di n d i v i d i u a l y t h ej i n s h ar i v e rv a l l e y , w h i c hi so nt h er o u t eo f t h el i j i a n g s h a n g r i l as u b s e c t i o na n dt h eg e o l o g i c a lc o n d i t i o n sa r ec o m p a r a t i v e l y c o m p l e x h o wt o 州d g i n g o v e ra n dw h e r et ol o c a t et h eb r i d g ea r ct h ek e yi s s u e sw h i c hr e s t r i c tt h er a l l w a y o r i e n t a t i o n t h e r e f o r e ，t h i ss t u d ys e l e c t st h ej i n s h ar i v e rv a l l e ya st h es t u d ya r e aa n da p p l i e sm u l t i - s u b j e c t s t h e o r i e sa n dm e t h o d st oa s s e s st h ej i n s h ar i v e rv a l l e yg e o l o g i c a lc o n d i t i o n s , a n da n a l y s e st h cs l o p e s t a b i l i t yo f t h ep o t e n t i a lb r i d g el o c a t i o na sw e l l b a s e do nt h ea n a l y s i so ft h er e g i o n a lg e o l o g i c a lb a c k g r o u n d t h i sp a p e rr e v i e w st h ef e a t u r e so ft h e n e o t e c t o n i cm o v e m e n t sa n dm a i na c t i v ef a u l t si nt h es t u d ya r e a , a n dr e v e a l st h a tt h ez h o n g d i a nf a u l ta n d t h el o n g p a n - q i e o h o uf a u l ta r e 协em a i na c t i v ef a u l t sw h i c ht os o m ee x t e n ta f f e c tt h ej i n s h ar i v e rb r i d g e p r o j e c t 1 1 他a n a l y s e so ft h et o p o g r a p h yf e a t u r e s g e o l o g i c a la n dh y d r o g e o l o g i c a lc o n d i t i o n sa n dt h e g e o - h a z a t d sd i s t r i b u t i o no f t h ew h o l es t u d ya r e ai n d i c a t e st h a tt h 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 so f t h e x i a l u o y ub r i d g eo e a tt h es h a n g x i a k o uo ft i g e rl e a p i n gg o r g ei sr e l a t i v eb e t t e r t h i sp a p e rl u c u b r a t et h e s t a b i l i t yo f t h eh i g hs l o p e so f t h ev a l l e ya n dt h el e n g d uc o m p l e xs l o p eb o d yw h i c ha f f e c tt h eb r i d g e 嘶 e n g i n e e r i n gg e o l o g i c a la n a l y s i sa n dt h ee l a s t i c - p l a s t i cf i n i t ee l e m e n ts i m u l a t i o nr e s u l t si n d i c a t et h a t ：1 ) t h e r ei sp l a s t i cz o n ei nt h ei e f tv a l l e yb o t t o ms l o p ew i t ht h ee f f e c t so f g r a v i t ya n de a r t h q u a k e a n dt h e r ei s s m a l lp l a s t i ca r g oa tt h el o w e rp a r to ft h er i g h tv a l l e yl o o s ed e b r i s ；2 ) w h e nt h ep o r t e n t i a ld e r w n r a v e r r e * r v o i rw e r eo nt h eh i g hw a i s tl e v e l t h ep l a s t i cl o e a t i o ne o n c o n 懈i nt h ei e f ts i d ea tt h ev i c i n i t yo f t h e s a m eh i g h to ft h ew a t e rl e v e l 1 1 1 el e o g d uc o m p l e xs l o p eb o d yc a nb ed i v i d e di n t ot h r e ep a f f s ：t h es l o p e s e c t i o nf r o mt h es h a n 鲥l an o 3h i g i ls c h o o lt ot h ee s t u a r y , t h ea n c i e n tl a n d s l i d es e c t i o nf r o mc h a n g s h a n g t 0h e z a n , a n dt h eb e d r o c ks e c t i o na tt h en o r t h e a s to fs h i b u g e 1 1 1 ea u t h o rc a l c u l a t e sa n da n a l y s e st h e s t a b i l i t yo f t h ea n c i e n tl a n d s l i d es e c t i o nf r o mc h a n g s h e n gt oh e z a nu s i n gt h es w e d i s hs l i c em u t h o d j a n b u m e t h o da n dt h es i m p l i f i e db i s h o pm e t h o d ，w i t ht h ec o n d i t i o n so ft h ec u r r e n ts t a t u s ，c a r t h q u a k e , w a t e r s t o r a g ea n dr a i n f a l l i 矗eq u a n t i t a t i v ec a l c d a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h ea n c i e n tl a n d s l i d e si ss t a b l ea n do f h i g l lr e l i a b i l i t yw i t ht h es a f i yc o e f f i c i e n to f1 2 5 7 一1 4 1 3i nc u r r e n ts t a t u s ，a n dt h es t a h i l i t yd e c r e 笛et o o 9 2 虬1 0 4 3a n d0 9 6 0 一1 3l5u n d e rt h ec o n d i t i o no fr a i n f a l la n d7 9d e g r e ee a r t h q u a k e w h i l en l es a l t y c o e 最c i e n tt u r nt o0 8 6 1t o0 ，9 6 0u n d e rt h ec o m b i n e do f e a r t h q u a k ea n dr a i n f a j l a n dt h i sm e a n su n s t a b i | i t y i no r d e rt ov a l i d a t et h ea b o v em e n t i o n e dr e s u l t s t h es l i c en u m a r i c a js o l u t i o nm e t h o da n dt h em o n t e - c a t l o s i m u l a t i o nm e t h o dw e r ec o m b i n e dt oc a l c u l a t et h es t a b i l i t yo ft h ec h a n g s h e n g h e z a na n c i e n tl a l l 出l i d e t h ea b o v ec o l e u l a t i o na n da n a l y s i sr e v e a lt h a tt h es e l e c t e di o c a t l o no f x i a l u o y ub r i d g ei sa p p r o p r i a t ew i t h r e s p e c tt ot h ee n 百n e e r i n gg e o l o g i c a lc o n d i t i o n s i no r d e rt 0g u i d et h er a i l w a yp l a n n i n ga n de n g i n e e r i n gg e o l o g i c a ls u r v e y , t h i sp a p e rc a r r yo u tt h e e l l g l n e e r i n gg e o l o g i c a l c o n d i t i o nz o n a t i o na s s u m e dt h ej i n s h ar i v e rb r i d g el o c a t i o nw e r ed e c i d e d ， a p p l y i n ga n a l y t i c a lh i e r a r c h yp r o c e s sa n dg i s ，w h i c hb a s eo nt h ep l a t f o r mo fm a p g i s6 7a n da r c g i s 9 1 a n dt e r r a i ns l o p e , e n g i n r i n gg e o l o g i c a lr o c kg r o u p s ，s l o p es t r u c t u r e ，t h eg e e - h a z a r d sd i s t r i b u t i o n ， e a r t h q u a k ep e a ka c c e l e r a t i o n , a c t i v ef a u l t , t i n yp h y s i o g n o m y , h u m a na c t i v i t y , r a i n f a l l ( m a i nd i f f e r e n c e si n v e r t i c a l ) a n dt h ed i s t a n c et ot h ed r a i n g e sw e r es e l e c t e da si n d i c e sa n dq u a n t i f i e dw i t he x p e f co p i n i o n sf o r t h ez o n a t i o o a c c o r d i n gt ot h eg i sc a l c u l a t i o n , t h es t u d ya t g ai sd i v i d e di n t o4e n g i n e e r i n gg e o l o g i c a l c l a s s e s ：b e s lb e t t e r , m i d d l ea n dp o o r , a c c o r d i n g | 0t h ez o n a t i o n t h ex i a l u o y ub r i d g em a i n l yb r i d g eo v e r t h eb e t t e re n g i n e e r i n gg e o l o g i c a la r e aa n dt h em i d d l ee n g i n e e r i n gg e o l o g i c a la r e a , w h i c hp r o v e st h a tt h e f o r m e ra n a l y a i sa n dc a l 吼n a t i 0 1 3a 北r e a s o n a b l e t h et e c h n i q u e sa n dm e t h o d e l e g yu s e di nt h i ss t u d yc a nb e r e f e r e n c e dw h e ns t u d y i n gt h es i m i l a re n g i n e e r i n gg e o l o g i c a ls u b j e c l si no t h e r r e g i o n s k e yw o r d s ：y u n n a n t i b e tr a i l w a y , t h ej i n s h ar i v e rv a l l e y , h i | g hs l o p e ，c o m p l e xs l o p e ，e n g i n e e r i n g g e o l o g i c a lc o n d i t i o nz o n a t i o n 中国地质科学院硕士学位论文 独创性声明 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和取得的研究成 果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研 究成果，也不包含为获得主垦垫廑叠鲎瞳或其他教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示 了谢意。 学位论文储繇磊长宝 签字只期：k 磅年月阳日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解主旦些廑盘茎睦有关保留、使用学位论文的规定。特授权 主垦些廑壁堂堕可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意土国些廑盘茔堕向国家有 关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适应本授权说明) 学位论文作者签名：吉长亟 签字日期：潲年，月劢日 导师虢彬咖以 签字日期：叼年f 月哆日 ， 中国地质科学院硕卜学位论文 1 前言 1 1 选题依据 滇藏铁路是目前我国正在重点规划建设的铁路干线之一，也是国家实施西部大开发战略的重要 组成部分。规划和建设中的滇藏铁路从云南大理站出站后向西北经丽江、香格里拉、德钦、林芝至 拉萨。由于滇藏铁路由东而西穿越云贵高原西部横断山区、青藏高原东南部线路通过区新构造运 动强烈、地震活动频繁，铁路工程建设在很大程度上受到新构造运动及内外动力地质作用产生的各 类地质灾害的制约( 蒋忠信，2 0 0 2 ；唐川，2 0 0 3 ；吴云生，2 0 0 2 ) 因此，该工程的规划建设采取分 段实施的新思路：大理一丽江段己开始动工；丽江一香格里拉段在进行可行性研究；拉萨一林芝段 已开始进行方案研究；香格里拉一林芝段由于地质条件极其复杂基本上作为中长期规划对待，最 后实现全线贯通。 滇藏铁路丽江一香格里拉区经过的金沙江河谷段工程地质条件比较复杂，铁路如何跨越金沙江 以及如何合理地选择桥位，成为制约本段铁路线位走向的关键问题。从野外调查和初步分析来看， 位于虎跳峡上峡口一带的下落鱼附近工程地质条件相对较好，可以作为拟选桥位。但是，该桥位仍 可能存在一些地质问题，例如：( 1 ) 与桥位相连的陡峻边坡( 6 0 8 0 0 ) ，坡高超过1 0 0 0 m ，斜坡岩 体主要由层状一薄层状绿泥石化玄武岩、片理化玄武岩构成，且在构造作用、风化和卸荷作用下， 岩体破碎程度较高作为桥基的两侧边坡在不同条件下是否稳定值得深入研究。( 2 ) 位于硕多岗河 与金沙江汇合处的冷都大型复杂斜坡体，距该桥位仅1 o k m 左右，虎跳峡水电站高坝建成蓄水后。 水位将大幅度提高，使斜坡体前缘没入水下，该斜坡体是否可能失稳及失稳后能否对铁路大桥安全 构成威胁，是不可忽视的问题。此外，深切河谷区的工程地质评价一直是国内外工程建设中普遍重 视的问题，也是难点问题，因此，开展滇藏铁路金沙江河谷段铁路沿线工程地质条件分区评价研究， 不仅可以更好地指导铁路规划，而且对今后的工程地质勘察工作具有重要的指导作用。 鉴于此本论文紧密结合中国地质调查局项目“滇藏铁路沿线地壳稳定性调查评价”，选择滇藏 铁路金沙江河谷段为研究区，采用多学科理论和方法，在拟选金沙江大桥桥位边坡稳定性分析的基 础上，对滇藏铁路金沙江河谷段工程地质条件进行综合评价研究，不仅具有重要的理论价值而且 具有重要的实际工程意义。 1 2 国内外研究现状 我国岩石高边坡理论与实践主要是伴随2 0 世纪6 0 7 0 年代以来西南地区水电开发、铁路建设 和金川、抚顺等大型露天矿山开采的需求而发展起来的，岩石高边坡稳定性问题也是我国2 1 世纪在 西部地区进行水利水电建设、铁路建设和公路建设所面临的- 【程地质问题之一( 王思敬，1 9 8 2 ；黄 润秋，1 9 9 1 ，2 0 0 2 ；夏金梧，1 9 9 9 ) 。在大规模工程建设中，岩石高边坡一方面作为工程建( 构) 筑 物的基本环境工程建设会在很大程度上打破原有自然边坡的平衡状态，使边坡偏离甚至远离平衡 状态，控制与管理不当会带来边坡变形与失稳，形成边坡地质灾害；另一方面，它又构成工程设施 的承载体工程的荷载效应可能会影响和改变它的承载条件和承载环境，从而反过来影响岩石边坡 的稳定性。因此，岩石高边坡的稳定问题不仅涉及到工程本身的安全，同时也涉及到整体环境的安 全：岩石高边坡的失稳破坏不仅会直接摧毁工程建设本身，而且会通过环境灾难对工程和人居环境 带来间接的影响和灾害( 殷跃平，1 9 9 5 ：邹俊，2 0 0 4 ) 。 1 2 1 岩体高边坡的变形破坏机制 岩体高边坡变形破坏机理。是岩体高边坡稳定性评价的重要理论基础，同时，也是高边坡变形 与稳定性控制的重要依据，因此，变形破坏机理研究在岩石高边坡工程中一开始就受到高度重视( 孙 玉科1 9 8 8 ) 。对于斜坡岩体的变形破坏机制国外许多学者提出了不同的模式。2 0 世纪6 0 7 0 年 代以来，通过西南地区水电建设的前期勘测工作和金川露天矿等大型工程实践，我国的学者围绕边 滇藏铁路金沙江河谷段工程地质条件研究 坡稳定性和地下工程稳定性问题也提出了相应的理论和方法，这一方面最为重要的理论贡献就是岩 石边坡变形破坏基本地质力学模型和以此为依据的边坡变形机制分类体系的建立。代表性的有孙广 忠( 1 9 8 8 ) 的“岩体结构控制论”，张倬元、王士天、王兰生( 1 9 8 3 ) 等提出的“地质过程的机制分 析一定量评价”黄润秋( 2 0 0 4 ) 提出的捎墙溃决模式、“超级强夯”模式等理论。孙广忠等认为： 岩体边坡的变形是结构体变形和结构面变形的综合，岩体边坡破坏是岩体变形发展到一定阶段导致 材料结构改组的一种现象，岩体边坡的稳定性取决于岩体材科的力学性质、岩体结构的力学效应及 环境因素力学效应的共同作用。张侔元( 1 9 9 4 ) 等将斜坡变形机制分为6 种模式：蠕滑一拉裂、滑 移一压致拉裂、滑移、滑移一弯曲、弯曲一拉裂、塑流一拉裂，这6 种模式相互复合可以解释更为 复杂的斜坡变形机制。黄润秋( 2 0 0 4 ) 在分析1 9 8 9 年7 月发生丁- 四川溪口滑坡时提出其破坏模式为 挡墙渍决模式- 而认为2 0 0 0 年发生的易贡滑坡则为“超级强夯”模式。此外，晏同珍( 2 0 0 0 ) 教授 从地质力学的观点，提出滑坡发生的8 种机制。孙玉科教授( 1 9 8 3 ) 等将斜坡变形机制分为水平剪 切变形机制、顺层剪切变形机制、顺层逆剪变形机制和反倾逆剪变形机制4 类。d o u d s t e a da n d e b e r h a r d t 在总结露天矿离边坡的破坏机制时。将其分为6 类：( i ) 殿结构面破坏( 8 i l l n c a r s l a b f a i l u r ) ： ( 2 ) 犁起破坏( p l o u g h i n g ) ；( 3 ) 弯折破坏( b u c k l i n g ) ：( 4 ) 逐步破坏( s t e p p a t h ) ：( 5 ) 平面型失 稳( p l a n a r f a i l u r e ) ：( 6 ) i h 有构筑失效( o l dw o r k i n gc o l l a p s e ) ，这个分类方法直观易懂，值得借鉴。 r e ，g o o d m a r i ( 1 9 7 6 ) 则重视岩体结构特性对边坡稳定性的影响。h u d s s o nj a ( 1 9 9 2 ) ，b r u n n e r , e k ( 1 9 7 3 ) ，k a | l d e i a ( 1 9 8 0 ) ，m a r t i n d e n n i sc ( 1 9 9 0 ) ，z i s c h i n s k yu ( 1 9 6 6 ) 等也分别讨论了岩土 边坡的破坏形式。 从上述看出尽管斜坡岩体的变形破坏机制模式多种多样，但都是建立在对地质原型的分析抽 象、物理模拟和数值模拟的基础上提出的，这些理论均从不同的侧重点刻划了斜坡岩体变形破坏的 内在原因和宏观表现形式。 1 2 ，2 边坡稳定性分析方法 边坡稳定性分析一直是岩土工程的一个重要研究内容。边坡稳定性分析的一般流程为：实际边 坡力学模型数学模型计算方法结论。其核心内容是力学模型、数学模型、计算方法的研究， 即边坡稳定性分析方法的研究。不同的边坡工程常赋存于不同的一【程地质环境中不同的边坡稳定 性分析方法又各具特点有一定的适用条件。因而，如何根据具体的边坡【：程鲍质条件，合理有效 地选用与之相适应的边坡稳定性分析方法，是值得深思的问题。近年来，新的边坡稳定性分析方法 不断出现，古老的方法又不断得到改进，且逐步由定性向半定量、定量的方向发展。边坡稳定性评 价方法大致可以分为两大类。即定性分析方法和定茸分析方法。此外，人们在前萄两种分析方法的 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，这里暂且称之为非确定 性分析方法。 1 2 2 ，1 定性分析方法 定性分析方法又称为工程地质类比法或地质比拟法，主要是通过丁程地质勘察，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的分析，对己变形地质体的成圆及其演化 史进行分析，从而给出饺评价边坡一个稳定性状况及其可能发展趋势的定性说明和解释。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。缺点是 类比条件因地、因时而异，经验性强，无数量界限。常用的方法主要有自然( 成因) 历史分析法、 类型比较法、边坡评比法、图解法等( 陈租煜。2 0 0 3 ；h o c l e ，1 9 7 7 ) 。此外还有边坡稳定性分析数 据库和专家系统法以及用于评价岩坡稳定性的s m r 法。 定性分析法是在长期的工程经验积累的基础上提出的，一般的边坡设计也常采用该方法但由 于不同部门具有其各自的特点，因此公路、铁路及水利等部门所采用的经验方法又各有差异在实 际应用中有诸多不便。目前，这类方法的使用已越来越少。 2 中国地质科学院硕t 学位论文 1 2 2 2 定量分析方法 当地质条件十分复杂时，仅使用定性分析方法是难以作出准确的评价和估计的。这时就需要进 行必要的力学验算分析，给出定量的评价。力学分析以工程地质条件分析为前提，在对边坡稳定性 机理分析的基础上，通过数学力学分析得出结论。力学分析验算法认为，坡体稳定性的丧失是由于 岩土体内部发生剪切作用并形成了贯通的滑裂面，使岩土体沿此面滑动而破坏。因此研究剪切面 上的应力条件是岩土体稳定性分析的关键。 严格地讲边坡稳定性的定量分析还远远没有达到完全定量它只能算是一种半定量的分析方 法。常用的边坡稳定性定量分析方法主要有下述几种： ( 1 ) 极限平衡分析法 该方法是工程实践中应用最早、也是目前应用最普遍的一种定量分析方法。极限平衡理论的主 要思想是将滑动土体进行条分，根据极限状态下土条受力和力矩的平衡来分析边坡的稳定性( 陈祖 煜，2 0 0 3 ：刘立乎，2 0 0 0 ) 。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 mp r i n c e 法、h o e k 楔体极限平衡分析法、s a r m a 法等( 表卜1 ) 。近年来，人们都己经 把这些方法程序化了，有的还把有限元方法引入到极限平衡分析法中，先通过有限元方法计算出可 能渭面上各点的席力，然后再利用极限平衡原理计算滑面上各点的安全系数及沿整个滑面滑动一破 坏的安全系数。与其它方法相比，极限平衡法的缺点是在力学上作了某些简化假设。 表1 1 部分极限平衡法的主要特点 分析方法应用条件及步骤力学分析实用范围及特点 1 圆弧滑面滑坡 f d l c n i u s 法 圆弧滑面，定转动中心，各块间作用 整体力矩平衡 2 ) 垂直条分滑体 ( 又称瑞典条分法) 合力平行于滑动面3 ) 计算简单稳定系数偏小 ( 1 9 2 7 ) 4 ) 只适于简单均质土坡 圆弧滑面定转动中心各块问作用”任意彤杭的滑面 合力平行于滑动面；非圆弧滑面，拟 ”整体力矩平衡与静力 b i s h o p 法( 1 9 5 5 平衡 2 ) 垂直条分滑体 合圆弧与转动中心，各块闻作用力水 3 1 稳定系数略大 平，条间切向力x 为零 2 ) 条间垂向作用力为零 4 ) - 。殷适用于土坡 非圆弧滑面，精确计算各条块滑动平 1 ) 分块力矩平衡1 ) 垂直条分滑体 衡条间力，按推力线定法向力的作 j a n b u 法( 1 9 5 6 ) 2 ) 分块力平衡2 ) 用于复合滑坡 用点；简化条问切向力x = o ，然后对 3 ) 考虑条间作用力3 ) a l 适于非均质土坡 稳定性系数进行修改 圆弧滑面或拟合中一1 5 圆弧x e 为一个”分块力平衡 i ) 任何形状滑面滑坡 s p 蒯( j 9 6 7 ) 2 ) 垂直条分块体 给定常数值2 ) 分块力矩平衡 3 ) 岩质滑坡或土滑坡 m o r g e n s t e r n - s p e n c e r圆弧或非圆弧揖动面，x ，e 与水平方向 1 ) 考虑分块力矩平衡1 1 垂直条分滑体 2 ) 考虑分块切向力平衡2 ) 用于任何形状滑面滑坡 法( 1 5 )坐标存在着函数关系x e = a f ( x ) 与法向力平衡3 ) 适于土坡 h o c k 楔体分析法 楔形滑动面，各滑面均为平面以各 滑面总抗滑力与楔体总下滑力来确定整体力平衡 适于岩质楔形滑坡或土滑 ( 1 9 7 3 ) 坡 稳定安全系数。 认为除平面和圆弧面外，滑动体必须 先破裂成相互滑动的块体后才能滑 i ) 可以任意条分块体 s m 法( j 9 7 9 )分块力平衡2 ) 适于任何形状滑面滑坡 动，该方法根据块体处于极限平衡状 态来确定稳定系数 3 ) 适于岩质滑坡或土滑坡 不平衡推力法圆弧或非圆弧滑动面条块同合力方1 ) 各分块力平衡 1 ) 任何形状滑面滑坡 ( 又称传递系数法)向与上一条块滑面平行。即x i e i =2 ) 考虑了分条面上的剪 2 ) 垂直条分块体 3 ) 岩质滑坡或土滑坡 ( 1 9 7 7 ) | o 搬l 力 4 ) 滑动嘣倾角不宜过陡 ( 2 ) 数值分析方法 数值分析方法是目前岩土力学计算中使用比较普遍的一类分析方法。主要有：有限元( f e m ) 法、边界元( b e m ) 法、离散元( d e b t ) 法、快速l a g r a n g i a n 分析法、块体理论( b t ) 与不连续 3 滇藏铁路金沙江河谷段工程地质条件研究 变形分析( d d a ) 、无界元( i d e m ) 法等( 表1 2 ) ( o r i 币t h s d v ，1 9 9 9 ；王国强，2 0 0 0 ；z o uj z ， 1 9 9 5 ；d u n c a n ，1 9 9 6 ；d a w s o nem ，1 9 9 9 ；宋二祥，1 9 9 7 ：赵尚毅郏颖人2 0 0 2 。2 0 0 4 ) 。 其中，有限元( f e m ) 法在边坡岩土体的稳定性分析中得到最早应用也是目前使用最广泛的 一种数值分析方法。该方法的基本原理为，将边坡士体离散为很多小单元体，根据单元体的应力应 变关系及平衡条件建立变形协调方程，然后根据单元体间的变形协调关系及边坡边界条件建立边坡 整体稳定的应力和位移方程，最后通过计算机求解，得出边坡体中的应力、应变及位移。目前，己 经开发了多个二维及三维有限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土体的非均质和不连续性，可以给出岩七体的应力、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何和需要首先进行加同的部位等( 郑 宏，2 0 0 5 ，张露渝，2 0 0 2 ) 。但它还不能很好地求解人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。 表1 2 部分数值分析方法的主要特点 分析方法 运行机制使用特点存在缺陷 离散岩土介质为多个单元，荷载移植可以用来求解弹性、弹塑性、牯弹塑 有限元法至节点插值函数考虑连续条件，采性、粘塑性等问题：部分地考虑，土 对大变形、小连续位移、 ( f e m ) 用矩阵位移法或力学求解岩土介质应体均质、不连续性，可以给出岩土体 无跟域、应力集中等问题 的求解不理想 力场和位移场。 应力、应变的大小与分布 将介质边界离散为边界单元把边界 只对研究区的边界进行离散，数据输 要求事先知道控制微分方 边界元法微分方程转换为线性代数方程组，求 入量较少，对处理无界域、半无界域 程的基本解，在处理非线 【b e m )解边界应力和位移解再由解析法计 等问题较为理想。 性、小均匀性、模拟分步 算域内任一点的解开挖等方面不如有限元 考虑岩十体小连续性、大变形特征计算边界、单元网格的划 f l a c 法有限差分原理。 求解速度较快。分具有很又随患性。 将区域离散为单元，但单元结点可以 动态性，考虑了岩体的1 f 均质、不连 离散元法分离单兀问的作用力可由力j 位移 续和大变形等特点允许块体闭发生只对块状、层状破裂或一 ( d e m ) 的关系求出。个别单元的运动由牛顿 平动、转动甚至相互脱离，呵形象反股碎裂结构岩体比较适 映应力场、速度、位移等力学参量的合 运动定理确定。 全程变化 采用了一种特殊的形函数及位移插值 函数能反映在无穷远处的边界条件， 适合于非线性、小连续和动力等问题 无界元法近年来己比较广泛地应用于非线性问 求解，能有效解决有豫元的“边界效一般要与其他方法，如有 题、动力问题、不连续问题等的求解 应”及人为确定边界的缺点在动力限元联合应用 问题中犹为突出。 是有限元方法的推广。 几何学特征，利用拓扑学、群论原理，只考虑抗拉强度，不计节 块体理论 几何学原理与解析方法 适用于岩体稳定分析理变形、力矩作用。 通过小连续曲面的相互约束建立整个考虑了变形的小连续性，引入了时间 不连续变形系统的力学平衡条件，引入了非连续因素，可以计算静力、动力问题，可 网格的划分比较复杂 分析( d d a )接触和惯性力采用运动学原理解决以计算岩体破坏前小变形发破坏后 非连续的动力与静力问题大位移问题 另外，几种数值分析方法的耦合应用( 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模糊数学与数值方法的耦合等) 能在一定程度上 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。 i 2 2 3 非确定性分析方法 边坡稳定性工程地质评价是一项复杂的综合评价过程，由于边坡本身物质组成的复杂性、多样 性以及众多的影响因素，人们难以用确定性分析方法对它进行精确的描述，因而有学者提出了可靠 性分析法、模糊分级评判法、信息量模型法等不确定性分析方法并且为了克服边坡稳定性工程地 质评价的随意性和不确定性，人们尝试应用数学方法对整个评价过程进行定量或半定量描述，并获 4 中国地质科学院_ 颐l 学位论文 得了较大进展。 ( 1 ) 可靠性分析法 理论与实践均证明，影响边坡工程稳定性的诸多因素常常都具有一定的随机性，它们多是具有 一定概率分布的随机变量。7 0 年代中后期，加拿大能源与矿业中心和美国哑利桑那大学等开始把概 率统计理论引用到边坡岩体的稳定性分析中来。该方法的原理是首先通过现场调查，以获得影响边 坡稳性影响因素的多个样本，然后进行统计分析，求出它们各自的概率分布及其特征参数再利用 某种可靠性分析方法如m o n t e - c a r l o 法、遗传算法、可靠指标法、统计矩法、随机有限元法等来求 解边坡岩体的破坏概率( 许文达，2 0 0 4 ) 。祝玉学( 1 9 9 3 ) 把在规定的条件下和规定的实用期限内 安全系数或安全储备大于或等于某一规定值的概率，即边坡保持稳定的概率定义为可靠度。可见。 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。只要求出的可靠度足够 大，也即破坏概率足够小，小到人们可以接受的程度就认为边坡工程的设计是可靠的。近年来， 该方法在岩土工程中的研究与应用发展很快为边坡稳定性评价指明了一个新的方向。该方法的缺 点是：计算前所需的大量统计资料难于获取，各因素的概率模型及其数字特征等的合理选取问题还 没有得到很好的解决。另外，其计算通常也较一股的极限平衡方法显得困难和复杂。 ( 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随机不确定性外，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的稳定性作出分级评判其具体做法通常是：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，模期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。这一 方法主要应用于大型边坡的整体稳定性评价。 目前除了以上两种常用的不确定性分析方法外，信息量模型法、系统工程分析方法、灰色系 统理论方法、突变理论方法、神经网络方法、损伤断裂力学理论等也在边坡稳定性分析方面得到了 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。 1 2 2 4 斜坡稳定性研究中存在的主要问题 人类的工程活动，一方面依赖于地质环境，另一方面又影响和改变着地质环境。由于斜坡的稳 定性与诸多因素有关，这就使得斜坡的稳定性计算与评价具有很大的技术难度。目前斜坡稳定性研 究中存在的一些有待解决的问题主要有以下几个方面： ( 1 ) 关于斜坡稳定性定量评价标准 稳定性评价是斜坡稳定性研究的核心问蘧1 ：程实践中最常用稳定性系数来评价斜坡稳定与否 但前提条件是要准确的选取滑面的物理力学参数，而由于滑面的物理力学参数选取与地下水、滑带 的位置等因素有关使得准确选取滑面的物理力学参数极为困难，从而导致计算与实际情况有较大 的出入，相应地，用稳定性系数作为评判斜坡稳定与否的标准在有些情况下就与实际情况相差很大。 在有限元边坡稳定性分析中一般只能给出坡体中的应力，应变、位移及其分布规律，我国学者郑颖 人、赵尚毅( 2 0 0 2 ) 等提出了有限元强度折减法来给出边坡稳定系数，陈祖煜( 2 0 0 3 ) 、宋二祥( 1 9 9 7 ) 等也对有限元中边坡稳定系数有所讨论，但不同方法之间的差别较大还有待于进行深入讨论。 ( 2 ) 关于斜坡中水压力的考虑方式 在数值分析中对水的力学作用的考虑通常是同时考虑静水压力、动水压力及浮托力三个方面的 效应。但是从力学上分析，同时考虑这三个力，就造成了力学概念的混淆事实上，对于浸泡在水 中的物体，透水性的不同决定着