（水利水电工程专业论文）观音岩水电站铅厂滑坡稳定性分析.pdf

s t a b i l i t ya n a l y s i si nq i a n c h a n gs l o p eo f g u a n y i n y a nh y d r o p o w e rs t a t i o n b y a iz i x i n b e ( c h a n g s h au n i v e r s i t yo fs c i e n c e & t e c h n o l o g y ) 2 0 0 8 at h e s i ss u b m i t t e di np a r t i a ls a t i s f a c t i o no ft h e r e q u i r e m e n t sf o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro fe n g i n e e r i n g w a t e rc o n s e r v a n c y & h y d r o p o w e re n g i n e e r i n g i n c h a n g s h au n i v e r s i t yo fs c i e n c e & t e c h n o l o g y s u p e r v i s o r a s s o c i a t ep r o f e s s o ry uh e p i n g a p r i l ，2 0 1 1 长沙理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的 研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写的成果作品。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后果由本人承担。 作者签名：坡掀 日期：矽f 年s 月夕日 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。本人授权长沙理工大学可以将本学位论文的全部或部分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论文收录到中国学位论文全文数据库，并 通过网络向社会公众提供信息服务。 本学位论文属于 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密q 。 ( 请在以上相应方框内打“、”) 日期：洌1 年f 月易驴日 日期：矽f 年专月够日 砍吁 苔 铷 坡喻 名 名 签 签 者 师 作 导 摘要 滑坡是工程建设中比较常见的、重大的自然灾害，边坡稳定性分析研究仍是岩土工 程界的一个热点和难点问题。如何合理地分析边坡稳定性，并在此基础上采取经济可靠 的防护措施是一项具有重要理论和实践应用价值的研究工作。 本文以观音岩水电站铅厂滑坡为研究对象，采用基于g e o s l o p e 极限平衡法和基 于a n s y s 有限元强度折减法求其安全系数进行稳定性分析。本文的主要研究内容和研 究成果为： ( 1 ) 简单介绍了边坡稳定性分析两类计算方法，即极限平衡法和数值分析法的发 展历程及其优缺点； ( 2 ) 详细介绍了基于g e o s l o p e 极限平衡理论的b i s h o p 法和j a n b u 法的基本 原理，阐述了基于a n s y s 有限元强度折减法的基本原理及其屈服准则选取和边坡破坏 判据选用； ( 3 ) 选取具有典型意义的铅厂滑坡勘探线剖面图、勘探线上游剖面、勘探线下游 剖面进行研究，运用基于极限平衡理论和有限元强度折减法计算滑坡的安全系数并分析 其稳定性。 关键词：边坡稳定；极限平衡法；g e o s l o p e ；有限元折减法；a n s y s a b s t r a c t s l o p ei sav e r yc o l n n l o na n ds i g n i f i c a n tn a t u r a ld i s a s t e ri nt h ec o n s t r u c t i o np r o j e c t ，t h e r e s e a r c ho f s l o p es t a b i l i t ya n a l y s i si ss t i l lah o ta n dd i f f i c u l ti s s u ei ng e o t e c h n i c a le n g i n e e r i n g i ti sar e s e a r c ht h a th o wt or a t i o n a l l ya n a l y s i st h es l o p es t a b i l i t ya n dt a k i n ge c o n o m i ca n d r e l i a b l ep r o t e c t i v em e a s u r e sw i t hi m p o r t a n tt h e o r e t i c a la n dp r a c t i c a lv a l u e i nt h i sp a p e r , t h ea u t h o rr e s e a r c h e st h es l o p eb e h i n dt h eq i a n c h a n gs l o p eo fg u a n y i n y a n h y d r o p o w e rs t a t i o n ，a n da d o p t sl i m i te q u i l i b r i u mm e t h o du s i n gg e o s l o p es o f t w a r ea n d f i n i t ee l e m e n t - b a s e ds t r e n g t hr e d u c t i o nm e t h o du s i n ga n s y st o a n a l y s i st h es t a b i l i t y a c c o r d i n gt h es a f e t yf a c t o r t h em a i nr e s e a r c hc o n t e n t sa n dr e s u l t sa l e ： ( 1 ) t h ed e v e l o p m e n tp r o c e s sa n dt 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 f s l o p es t a b i l i t y m e t h o d sw e r es i m p l yi n t r o d u c e d ，w h i c ha r el i m i te q u i l i b r i u mm e t h o da n dn u m e r i c a la n a l y s i s m e t h o d ； ( 2 ) d e t a i l so fb a s i cp r i n c i p l e so ft h es i m p l i f i e db i s h o pm e t h o da n dj a n b um e t h o d w e r ei n t r o d u c e d ，w h i c hb e l o n gt ot h el i m i te q u i l i b r i u mt h e o r yb yg e o - s l o p es o f t w a r e t h e b a s i cp r i n c i p l e s ，t h es e l e c t i o no fy i e l dc r i t e r i o na n dt h e s l o p ef a i l u r ew e r ee l a b o r a t e db a s e d o nf 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 nb ya n s y s ； ( 3 ) t h r e et y p i c a la n a l y s i sp r o f i l e sw e r es e l e c t e d ，a n dt h e yw e r et h ep r o s p e c t i n gl i n e p r o f i l e ，i t su p s t r e a ma n di t s d o w n s t r e a mp r o f i l e s l i m i te q u i l i b r i u mm e t h o da n df i n i t e e l e m e n t b a s e ds t r e n g t hr e d u c t i o nm e t h o dw e r ea d o p t e dt oa n a l y z et h es t a b i l i t ya c c o r d i n gt h e s a f e t yf a c t o r k e y w o r d ：s l o p es t a b i l i t y ；l i m i te q u i l i b r i u mm e t h o d ；g e o - s l o p e ；f i m i t ee l e m e n t r e d u c t i o n ；a n s y s i i 目录 摘j i 要i a b s t r a c t f i i 第一章绪论 1 1 研究的意义和目的1 1 1 1 研究的背景1 1 1 2 研究的意义：1 1 2 滑坡稳定性计算方法的研究2 1 2 1 极限平衡法2 1 2 2 数值分析法3 1 3 本文主要研究的内容8 第二章边坡稳定分析方法 2 1 基于g e o s l o p e 极限平衡法9 2 1 1g e o s l o p e 软件9 2 1 2 极限平衡法基本原理1 0 2 2 基于a n s y s 有限元折减法1 2 2 2 1a n s y s 软件1 2 2 2 2 有限元强度折减法j 1 4 2 3 本文模型2 0 2 3 1 模型建立2 0 2 3 2 计算方法。2 0 2 4 本章小结2 1 第三章基于极限平衡法的滑坡稳定分析 3 ，1 概况2 2 3 1 1 工程概况：2 2 3 1 2 地质概况2 3 3 1 3 气候特征2 4 3 1 4 地震条件2 5 3 1 5 岩体力学参数2 6 3 2 稳定计算条件矗2 7 3 2 1 计算剖面2 7 3 2 2 计算边界及模型2 8 3 2 3 计算荷载及计算工况2 9 3 2 4 安全系数标准3 0 3 3 稳定计算结果及分析3 0 3 3 1 工况一稳定分析、3 0 3 3 2 工况二稳定分析3 l 3 3 3 工况三稳定分析3 3 3 3 3 工况四稳定分析3 4 3 4 小结。3 6 第四章基于有限元强度折减法的滑坡稳定分析 4 1 稳定计算条件3 7 4 1 1 计算边界及模型3 7 4 1 2 计算边界条件3 9 4 1 3 计算参数。3 9 4 2 稳定计算结果及分析。4 0 4 2 1 工况一稳定分析。4 0 4 2 2 工况二稳定分析4 9 4 2 3 工况三稳定分析5 8 4 2 4 工况4 稳定分析6 7 4 3 稳定分析综合评定6 7 4 3 1 工况因子对安全系数的影响6 7 4 3 2 计算方法对安全系数的影响6 8 4 4 j 、结6 8 第五章结论与展望 5 1 结论7 0 5 2 展望7 0 参考文献7 2 致 射7 7 附录攻读学位期间发表论文目录。7 8 1 1 研究的意义和目的 1 1 1 研究的背景 第一章绪论 滑坡是指由于岩土体受自重、动静水压力、降雨、水位变化、渗流及地震等因素的 影响，使得山体斜坡的部分岩土体沿着结构软弱带而下滑的现象。由于我国地域广阔， 人口众多，地形的多样，水资源相对丰富，使它成为了一种重要的、破坏性大的地质灾 害，给人类生命财产造成巨大损失。1 9 6 3 年，意大利瓦依昂水库大坝漫顶事故，致使水 库下游一村庄被毁，2 0 0 0 多入被剥夺生命，事故是由水库周围山体发生滑坡，大量的滑 坡体滑入水库，激起百米巨浪，随即浪漫坝顶直驱而下引起。1 9 8 3 年3 月7 日，降雨 诱发甘肃果园乡的洒勒山发生滑坡现象，滑移的碎石及泥块速度之快、规模之大，瞬间 致使周围的三个村庄彻底摧毁，2 3 7 人被夺去生命。1 9 9 1 年8 月6 日，三峡区巴东城关 滑坡事件，滑体夹带着大量的碎石和泥块从5 0 0 - 6 0 0 m 的山上滑下，致使数人被夺去生 命，并损失数千万元。2 0 1 0 年9 月2 日至5 日，危地马拉持续3 天的强降雨诱发山体滑 坡灾害，致使5 万人受灾，至少4 5 人被夺去生命，造成3 7 5 亿到5 亿美元的经济损失。 据中国地质灾害灾情通报报道：2 0 0 5 年，全国共发生造成人员伤亡或较大经济 损失的滑坡灾害3 3 5 起，造成2 7 2 人受伤、3 8 2 人失去生命、1 1 3 人不知所踪，直接经 济损失超过1 5 亿元i l 】：2 0 0 7 年，除北京、天津、内蒙、上海外，全国2 7 个省( 区、市) 发生了滑坡地质灾害共1 5 4 7 8 起1 2 1 ；2 0 0 8 年，全国共发生滑坡灾害1 3 4 5 0 起【3 1 ；2 0 1 0 年 1 5 月，全国共发生滑坡2 9 1 5 起【4 】；7 月全国共发生地质灾害6 4 5 6 起，共造成1 8 5 人 失去生命、1 9 4 人不知所踪、9 4 人受伤，直接经济损失达1 4 5 5 亿元【5 】；9 月全国共发生 滑坡灾害4 6 7 起。2 0 1 0 年地质灾害与去年同期相比，发生地质灾害数量有所增加，造成 的死亡失踪人数和直接经济损失大大增加1 6 j 。 1 1 2 研究的意义 从多年来频发的滑坡事故可以看出，由失稳引起的滑坡给人类带来了巨大生命财产 损失，给人们的心理造成了阴影，因此，如何抑制和减少滑坡事故的发生是面临难题。 其实人类与滑坡灾害作斗争的努力始终没有中断过，并已取得了显著的成绩，主要表现 在对滑坡机理的认识、边坡稳定分析理论和方法的完善、滑坡治理技术和滑坡预报的开 发等几方面。但是由于多种因素的影响，如边坡地形地质条件的复杂性、岩土体力学性 质的不确定性和周边环境的多变性，导致边坡的稳定性的准确分析判断成为了一种难 事。随着大开发的脚步迈进中国西部，显然大规模水电、公路等工程的边坡问题和工程 的成败紧密的联系在一起，因此边坡稳定性分析研究仍是一个重点、热点和难点问题， 如何有效、合理地分析边坡稳定性，并在此基础上采取经济可靠的防护措施是一项具有 重要理论和实践应用价值的研究工作。 1 2 滑坡稳定性计算方法的研究 1 2 1 极限平衡法 极限平衡法可以说是最古老、最经典、也是目前工程应用最多的确定性边坡稳定的 分析方法。1 7 7 6 年，挡土墙土压力的计算方法由法国工程师库仑提出，并成为了土力学 雏形的产生的标志。朗肯在以墙后土体各点处于极限平衡状态为假设条件，建立了主动 和被动土压力的计算方法。库仑和朗肯阴关于分析土压力时用到的方法，后来在地基承 载力和边坡稳定分析中得到了推广和应用，慢慢地形成了一个方法体系，即极限平衡法。 接下来，我们简要介绍下此方法的发展历程。 1 9 1 6 年，瑞典彼德森先生提出极限平衡法理论。1 9 2 7 年，f e l l e n i l l s 【8 l 在假定条块间 的相互作用力为零的基础上提出了瑞典圆弧法，该方法计算时不出现法向力对圆心取 矩，使工作量大大减少。1 9 5 0 年，毕肖普t 9 1 对传统的f e l l e n i u s 法做了重要的改进，主要 包括定义了安全系数f 、求出土条底的法向力( 假定土条间为水平作用力) 、根据力矩 平衡确定了安全系数。这是另一个新的起点，至此以后如何通过力的平衡来确定安全系 数成为了研究者们不断努力研究的方向。1 9 5 4 年，简布【1 0 】假定土条间的作用力为水平 方向的。1 9 5 9 年，洛韦t 1 1 1 建议条间力倾角取作土条顶部倾角和底部倾角的平均值。计 算机的开发及应用为严格的计算方法提供了支持，如何不假定滑裂面形状，并建立力和 力矩平衡方程成为了学者们努力的方向。1 9 6 5 年，摩根斯坦普莱斯法【1 2 1 和斯宾塞提出 了对任意形状滑裂面均适用的严格计算方法。1 9 7 3 年，简布提出了“通用条分法，此法 可同时满足力和力矩平衡。1 9 8 3 年，摩根斯坦教授和我国学者陈祖煜【1 3 1 对摩根斯坦普 莱斯法作了进一步改进：第一、对静力平衡微分方程闭合解进行了系统地推导出，数值 分析的收敛问题在根本上得到了解决；第二、提出满足剪应力成对原理，减少对土条侧 2 向力假定的随意性；第三、提出求解安全系数最大、最小值合理解的方法。 国内学者们在极限平衡法的研究方面也做了大量工作并取得了相应的成绩。1 9 7 8 年，潘家铮解释了极限平衡法的理论基础。1 9 8 1 年，张天宝采用解析法求解了圆弧滑裂 面临界滑裂面【1 4 1 。1 9 8 3 年，孙君实通过复形法确定了任意开关滑裂面确的最小安全系 数。1 9 8 4 年，周文通采用p o w e l l 法计算“改良圆弧法 最小安全系数。1 9 8 8 年，邵长 明和陈祖煜通过d f p 法、负梯度法和单形法确定了任意形状滑裂面的安全系数。 在这过去的半个世纪，随着计算机和计算技术的飞速发展，极限平衡法逐步从一种 经验性的简化方法发展成为一个具有完整的理论体系的、成熟的方法【1 5 1 。由于各种方法 前提假定条件的差异，从而适用范围和计算精度有所不同。1 9 9 6 年，邓肯对传统边坡稳 定分析的各种方法的计算精度和适用范围作了总结。表1 1 对各种方法进行了比较。 表1 1 极限平衡法各种方法比较 所满足的平衡条件计算手段 土 垂水 滑面 计算方法整体 条 条间力的假定条件 手机误 力矩力 直平 形式 力力 算算差 矩 假定不考虑土条两侧作用1 0 f e l l e n i u s 法 圆弧 力 2 0 假定条间力的合力是水平 b i s h o p 法 - 0 圆弧 - 5 的 j a n b u 法 _ 任意假定条间推力线位置已知 x 郅 假定水平力与切向力的比 s p e n c e r 法 0_0 任意 5 值为常数 假定法向条问力和切向力 m o 玛e n s t e m p r i c e -000 任意之间存在水平方向函数关 0 - 一应力矩阵； 【d 卜一弹性矩阵。 根据能量原理可以解出单元结点力与结点位移的关系式，即 f ) 。- - k 。 ( 2 1 4 ) 式中 【尼】。单元刚度矩阵； 万 。单元结点力列向量。 ( 4 ) 建立总平衡方程组 在每个结点i 上，都有两种力作用着：变形单元对结点的作用力- f ) 。；作用于 结点的外荷载 尸) 。根据平衡条件得出其合力应为零。即在一个结点i ，所有相邻单元 ( i 为单元的结点之一) 的i 点结点力之和与结点荷载平衡。列出全部结点的平衡条件， 便得出总体平衡方程组，即： 【k 】= 尸 ( 2 1 5 ) 式中 【k 卜一总体刚度矩阵，由单元矩阵组合而成，是一个稀疏的正定对称矩阵； 万) _ _ 部结点的位移列向量； 尸 全部结点的荷载列向量。 ( 7 ) 将几何约束方程引入方程2 1 5 ，消去总体刚性位移，矩阵求逆便可解出结点位 移： = 【k 】叫 p ) ( 2 1 6 ) 再利用式2 1 2 、式2 1 3 计算单元应力。 2 2 2 1 强度折减法基本原理及安全系数定义 边坡稳定分析的有限元折减法基本原理是：通过不断降低边坡岩土体抗剪强度参数 直到岩土体达到极限破坏状态为止，即：粘聚力c 和内摩擦角痧的正切值同时除以一个 折减系数，得到一组新的c 7 、妒7 值，然后作为新的资料参数输入，再进行计算，经 过不断折减，反复试算，直到满足相应的失稳判据，则对应的被称为坡体的最小稳 定安全系数，可见也是储备系数。此时坡体岩土体达到极限状态，处于塑性状态， 发生剪切破坏，根据塑性区分布图可得到坡体的破坏滑动面。经过折减后的剪切强度参 数c 和计算公式如式( 2 1 7 ) 和式( 2 1 8 ) 所示： 1 ，= c ( 2 1 7 ) 矿= a r c t a n ( t a n 痧) ( 2 1 8 ) r t 嘲 2 2 2 2 屈服破坏准则及参数选用 基于有限单元等数值分析方法和传统极限平衡进行边坡稳定分析时，通常因其采用 不同的屈服准则而使得计算的安全系数不相同，甚至相差很大。现主要介绍下目前岩土 材料常采用的两个准则：摩尔库仑( m o h r - c o u l o m b ) 屈服准则和d r u e k e r - p r a g e r 屈服 准则。 ( 1 ) m o h r - c o u l o m b 材料模型 莫尔库仑准则是传统极限平衡法采用的屈服准则，对岩土材料的强度特性的描述 效果俱佳，但该准则存在棱角奇异点，即在三维主应力空间中的屈服面存在6 条求导不 连续的角棱线，因此，给数值计算带来困难。设压应力为正，该屈服准则的数学表达式 为： ( c o s 吃- i - 万1s i n 吃s i n a ) 历一吾枷 。s 伊= o ( 2 1 9 ) v ， j 厶= q + 吒+ q ( 2 2 0 ) 以= 圭【( q 一吒) 2 + ( c r 2 一q ) 2 + ( 巳一q ) 2 】 ( 2 2 1 ) 式中：吃为洛德角；、如分别为应力张量的第一不变量和应力偏张量的第二不 变量。 ( 2 ) d r u k e r - p r a g e r 材料模型 d r u k e r - p r a g e r 准则在三维主应力空间中的屈服面为光滑的圆锥体，在万平面上的投 影为圆形，求导处光滑连续，且表述简单，更利于数值计算。目前，国际上流行的许多 大型有限元软件，除a n s y s 外美国m s c 公司开发的m a r c ，n a s t r a n 等均采用了 d p 准则，表达式为： 以+ a h = k ( 2 2 2 ) 式中：、以 分别为应力张量的第一不变量和应力偏张量的第二不变量；口、k 为与岩土材料黏聚力趴内摩擦角伊有关的常数。采用不同的屈服破坏准则将得到不同 的边坡稳定安全系数，下面来进一步探讨不同类型的d p 屈服破坏准则。 ( 3 ) d p 准则类型讨论 不同的屈服破坏准则的采用，对应的最小稳定安全系数也不同，赵尚毅和郑颖人【7 4 1 ( 2 0 0 6 ) 、杨雪和凌平平嘲( 2 0 0 9 ) 等学者通过采用不同d p 模型模拟了平面应变条件 1 6 下土体的破坏强度，并将所得安全系数与s p e n c e r 法计算结果进行比较，得出：d p i ( a n s y s 采用的材料模型) 求得的安全系数较大，结果较不安全；d p 2 给出了二维模 型下较为保守的安全系数和承载力；d p 3 模型( 从量化角度证明) 求出的土坡安全系数 明显过于保守，不能充分发挥材料的承载潜力；d p 5 和d p 6 两模型求出土坡安全系数 可能会更真实些，具体见图2 5 、表2 1 。 图2 5 各屈服准则在平面上的曲线 表2 1 各准则参数换算表及评价 编 准则种类 口 k评价误差 号 外角点外接2 s i n #6 c c o s # d p i偏危险2 5 d p 圆以( 3 一s i n # )压( 3 一s i n e ) 内角点外接2 s i n # 6 c c o s 安全系数和承载力较 d p 2 d p 圆 , f 3 ( 3 + s i n # ) x - 3 ( 3 + s i n # ) 保，时大时小 给出最小的安全系数， s i n 矽 3 c c o s 明显偏安全，不能充分 d p 3内切于d p 圆 x 3 x 3 + s i n 2 矽x 3 x 3 + s i n 2 矽) 发挥材料的承载潜力， 适用三维计算 莫尔库仑等 s i n c o3 c c o s c p d p 4 x 3 ( 3 + s i n 2c o ) 适应三维空间6 面积d p 圆 x 3 ( 3 + s i n 2c o ) 平面应变关 联法则下莫 2 , f 3 s i n ( a 6 x 3 c c o sc o 与传统安全系数非常 d p 51 一2 尔库仑匹配 、- 2 , 2 伊) ( 9 sin、3zt(9-2 伊) x 2 4 j 7 r ( 9 一s i n 2c o ) 接近，适用平面应变 d p 准则 平面应变非 关联法则下 s i n 缈 与传统安全系数非常 d p 6c o o s 91 莫尔库仑匹 3 接近，适用平面应变 配d p 准则 1 7 ( 4 ) 基于d p 准则安全系数转换 为了使d p 系列屈服准则能够很好地描述岩土材料的强度特性的m o h r - c o u l o m b 准 则，学者们通过深入及系统的研究，邓楚键【7 6 1 、何国杰、郑颖人、尚毅1 7 4 1 等提出了基于 口、k 实现各d p 准则间等价变换和相互转换的方法、给出了d p 系列准则间的安全系 数转换公式、建立了安全系数在两大准则下的关系式，通过对d p 系列屈服准则进行适 当的变化，并通过大量的算例证明其可以与m o h r - c o u l o m b 准则相匹配。a n s y s 有限元 软件屈服破坏准则为d p i 准则，对于均质和非均质边坡，基于d p i 准则求其余d p 准 则安全系数计算和转化程序不同【7 7 l 。 基于d p 系列准则均质边坡安全系数的转换：可先求出外接圆d p i 准则条件下的 安全系数，然后利用安全系数转换公式计算出各d p 准则条件下的安全系数，见式( 2 2 3 ) 式( 2 2 6 ) 。其中，c o 、为均质边坡初始强度参数，哆( f = l ，2 ，6 ) 为相应d p 准则 下的安全系数。 吐2 鸭_ j 逝五震斧业垫 鸭= j 亟匦萼磊一 魄2 ( 2 2 3 ) ( 2 2 4 ) ( 2 2 5 ) ( 2 2 6 ) 基于d p 系列准则非均质边坡( 多层土体) 安全系数的计算：先通过调整各层土 体的q 、鲵值，以实现d p 系列准则间的相互转换，再将其值带入a n s y s 作为输入参 数，计算得到各d p 准则条件下的安全系数具体转化公式见。q 、仍采用d p i 准则计 算与c o 、c o o 采用d p f 准则计算是等价的。 1 8 表2 2 各准则参数转换公式 准则黏聚力c内摩擦角妒 c oc o s c o o ( 3 s i n 够2 ) a r c s 似3 箬蠡， d p 2 ( 3 + s i n g , o ) c o s 够2 c o s 孽o o ( 3 一s i n 0 2 ) a r c s i n ( ) s i n ) d p 3 , 3 + s i n 2 c o s ( p 32 x 3 + s i n 2 + 2 s i n 呼o o 3 c oc o s 够o ( 3 _ s i n 0 4 ) a r c 一9sin口oosin( ) d p 5 、2 , f 3 7 r ( 9 一s i n 2q 0 ) c o sp , 粼 2 压( 9 一s i n z + 3 s i n , f 3 c oc o s 仍o ( 3 s i n 0 5 )口，。：。，3 s i n 仍o 、 d p 6 a r c s 嗡垢+ s i n ) 6 c o s q 5 2 2 2 3 边坡破坏判据 边坡失稳破坏的特征，当边坡失稳时，滑体滑出，滑体由稳定静止状态变为运动状 态，并伴随产生很大的且无限发展的位移。根据边坡失稳特征塑性区域的贯通性、部位 位移的突变性和数值计算中荷载的不收敛等判定边坡失稳，大致有三类。文献【7 踯认为边 坡三种特征出现的先后顺利不同，哪类判据更为“合理的争论由引产生。 ( 1 ) i 类塑性区贯通 i 类以广义塑性应变或者等效塑性应变从坡脚到坡顶滑面塑性区贯通。理论上，边 坡的变形过程在理论上总会伴着一些物理量的出现和发展，像应力、等塑性应变和广义 剪应变等等，当这些物理量达到一定的值时，边坡失稳。国内一些学者对其进行了研究 和应用，连镇营、韩国城【7 9 】( 2 0 0 1 ) 等认为广义剪应变随增大而不断增加，当其自 边坡角底下方向坡顶上方贯通时，边坡已经失稳破坏，相应的为安全系数。栾茂田、 武亚军【8 0 1 ( 2 0 0 3 ) 等基于有限元基本原理、强度折减法概念和计算结果实时显示技术结 合，采用广义塑性应变分布和发展状态描述边坡失稳状态。这种判据无法确定边坡在三 种变量分布贯通前失稳还是之后失稳，而郑颖入等学者认为边坡塑性区贯通是边坡失稳 的必要非充分条件。 ( 2 ) i i 类位移、应变突变 i i 类是根据滑动面上的位移与应变将产生突变，产生很大的且无限制的塑性流动 【8 l 】。这种判别标准有明确的物理意义，其根据计算域内某一部位的位移、应变与折减系 数之间关系曲线变化特征确定失稳状态，当折减系数增大到某一特定值时，某一部位位 移或应变突然迅增大，则认为边坡发生失稳。郑颖人【嘲( 2 0 0 5 ) 认为当土体破坏的标志 1 9 是滑体出现无限移动，突变可作为破坏标志，并说明其准确性及可行性。文献 8 3 - 8 4 ( 2 0 0 7 ) 都通过算例得出以位移的突变及迭代计算的收敛性作为边坡稳定性的判别标准是可行 的，且两者具有明显的一致性。 ( 3 ) i i i 类迭代不收敛 1 1 1 类是有限元计算都不收敛，采用力或位移不收敛作为边坡破坏判据1 8 5 罐6 】。通过给 定的非线性迭代次数及限值条件，当最大位移或不平衡力的残差值不能满足所要求的收 敛条件，则认为边坡在所给定的强度折减系数下失稳破坏。赵尚毅、郑颖人【8 7 1 等研究认 为计算收不收敛是应变或位移是否突变的标志，边坡破坏则发生突变，此时计算不收敛。 文献1 8 8 - 8 9 】经工程算例分析，证明此收敛判据是可靠的。 裴利剑【9 0 j 认为三类边坡失稳判据是一致的、统一的，差异来源子人为误判和数值计 算误差。综上所述，判据i 在理论上不合理，判据i i 和判据i i i 具有明显的一致性。另外， 判据i i 在程序上比较繁锁，而判据i i i 使用最为方便，且真实可靠。 2 3 本文模型 2 3 1 模型建立 下： 本文根据工程边坡c a d 地质剖面图，进行模型地质概化，导入相应软件，过程如 c a d 成图 2 3 2 计算方法 竺壁竺墅吲：竺兰苎奎竺一 存入 g e o s l o p e 2 0 0 4 形成面域卜叫s a t 格式文件卜_ 叫 a n s y s l 0 0 2 6s l o p e w 2 0 0 4 操作界面 本文采用b i s h o p 、j a n b u 、s p e n c e 、o r d i n a r y 、m o r g e n s t e m p r i c e 五种极限平衡法和 有限元强度折减法求边坡的安全系数。基于g e o s l o p e 极限平衡法计算采用m c 破 坏准则，岩体物理力学参数取初始值。基于a n s y s 计算有限元强度折减法采用d p 6 准 则，岩体物理力学参数需将初始值按式进行转化，再通过不断折减直得到安全系数。 2 0 q ，6 = a r c s i n ( 习3 3 s + i n s 仍i n o ) 二、，) r s 儿l ， 2 , 3 c o c o s 仍o ( 3 - s i n c a 6 ) 6 c o s # a 6 另外，a n s y s 进行计算时，采用位移和力是否收敛做为边坡破坏的判据。 2 4 本章小结 ( 2 2 7 ) ( 2 2 8 ) 本章详细的阐述了基于g e o - s l o p e 极限平衡法和基于a n s y s 有限元折减法的基 本原理，为后续观音岩水电站铅厂滑坡稳定计算和治理仿真分析奠定了理论基础。 2 l 3 1 概况 第三章基于极限平衡法的滑坡稳定分析 3 1 1 工程概况 观音岩水电站位于云南省丽江地区华坪县( 左岸) 与四川省攀枝花市( 右岸) 的界 河塘坝河口附近，为金沙江中游河段规划的八个梯级电站的最末一个梯级，上游与鲁地 拉水电站相衔接。该工程以发电为主，兼顾防洪、灌溉、旅游等综合利用的水利水电枢 纽工程。 右岸工程区上游距i i 勘线约l k m 有一铅厂沟滑坡体，滑坡体前缘高程1 0 9 0 m ，后 缘高程1 2 7 5 m ，沿江宽约3 5 0 m ，长约3 6 0 m ，平均厚约1 4 m ，最厚2 8 m ，一半位于水库 蓄水位以下，滑坡形态似圈椅状，后缘滑坡壁明显，坡度5 0 0 ，后壁最高点1 3 4 0 m ，滑 坡堆积体表面起伏，中部凸起，11 6 0 m 高程以下地形坡度相对较缓，坡度1 5 0 - - 2 0 0 ，以 上3 0 0 , - - , 3 5 0 ，估计体积约1 2 0 万m 3 。滑坡堆积体呈上游薄而下游厚，滑坡全貌图如图 3 1 所示。 图3 1 滑坡全貌图 从滑坡地面特征及前缓形态地质调查、分析，该滑坡体由两次滑动形成：第一次滑 动堆积在级阶地上，滑坡体厚度不大，滑坡体后缘山坡变陡，在重力作用下在原滑坡 的下游部位切割岩层产生第二次滑动，滑坡前缘在高程1 0 9 0 m 。滑坡分为i 区( 第一次 滑动残留部分) 、i i 区( 第二次滑动部分) 具体分布如图3 2 所示。 3 1 2 地质概况 图3 2 铅厂滑坡地形图 堆积体四周山坡均有基岩出露，经初步查明( 钻孔2 个，平硐1 个) ，基岩为侏罗 系蛇店组中、下段( j 2 s 2 、j 2 s 1 ) 为砂岩、砾岩、粉砂岩、泥质粉砂岩，中至厚层状， p d 5 0 1 中岩层产状n 1 3 。e ，n w z 2 5 。，铅厂沟背斜在滑坡前缘部位斜穿而过。铅厂沟 滑坡体地质剖面图如图4 3 所示。 图3 3铅厂沟滑坡体地质剖面图 滑坡堆积物为大块石，碎石夹泥组成，块石中普遍夹泥，块石径一般o 5 m 2 m ，最 大块度5 m ，成份多为砂岩、砾岩、含砾砂岩，架空现象明显。滑面：n 2 0 。e ，n w l 2 1 。，宽2 0 c m 3 0 c m ；底部见有软塑粘土夹碎石，宽2 c m - 5 c m ；其次为碎石夹粘土， 粒径l c m 一3 c m ；滑面潮湿，有渗水现象，胶结差。 3 1 3 气候特征 金沙江流域地跨l o 余个经度及纬度，地形地貌极为复杂，气候特征差异很大。大 气环流和影响天气的系统不一致，对流层中下层受太平洋副热带高压以及西南气流的影 响形成降雨，影响降雨的天气系统有低槽、切变、低涡及涡切变等。 直门达以上地处青藏高原，地势高，气候严寒干燥，雨量稀少，每年8 月9 月就 开始降雪，1 0 月结冰，1 1 月河流就开始封冻，直至次年5 月解冻，多年平均降水量约 在2 5 0 m m , - - - 4 7 0 m m 之间，多年平均气温在。5 3 之间，径流的来源以融雪为主。 直门达以下至攀枝花河段，地处横断山脉地带，地势由北向南倾斜，由于受地形影 响，该地区气候在水平和垂直方向上差异很大，立体气候明显。冬春季节主要受青藏高 原南支西风环流的影响，天气晴朗干燥，降雨少；夏秋季节西南暖湿气团加强，沿河谷 溯源入侵，形成降雨，故汛期雨量多、强度大。降雨及气温的总趋势由上游向下游递增， 奔子栏以上地区年平均气温在6 1 0 ，年平均雨量在5 0 0 m m 左右。攀枝花附近以 华坪为例，多年平均气温1 9 8 ，多年平均降雨量1 0 7 8 1 m m 。 攀枝花以下河段，在昆明静止锋和西南气流影响下，阴湿多雨，雨日较多，如绥江 气象站多年平均降雨日数可达1 8 0 6 天。 金沙江流域的暴雨比较小，在青藏高原区，由于地势高，山脉呈西北一东南走向， 阻挡了孟加拉湾水汽的输入，可降水少，因而一日最大降水大部分地区在4 0 m m 左右。 流域内横断山纵谷区最大一日降水由北向南递增，大部分地区在5 0 m m l o o m m 之间。 宁蒗附近为一大暴雨中心，一日最大暴雨2 2 6 9 m m 。流域内云贵高原区最大一目降水变 化不大，一般在l o o m m - 1 2 0 m m 之间。金沙江中、下游最大一日降水远大于上游，其 他时段的暴雨分布情况也基本如此。 从青藏高原至横断山脉，年平均蒸发量( 口径2 0 c m 蒸发器) 大致为l l o o m m 2 5 0 0 m m ，云贵高原区年平均蒸发量在2 0 0 0 m m - - 3 6 0 0 m m 之间。 金沙江流域云南省境内上、中、下游河段主要气象站有：中甸、宁蒗、丽江、永胜、 华坪、元谋、巧家、绥江等，多年气象特征值见表3 1 。 2 4 表3 1 金沙江流域气象特征值统计 项目 中甸 宁蒗永胜丽江华坪元谋巧家绥江 多年平均 5 61 2 71 3 51 2 61 9 82 1 72 1 o1 7 8 气温 ( ) 极端最高2 5 63 1 43 1 63 2 34 1 8 4 2 o4 2 7 3 8 8 极端最低- 2 7 41 0 311 21 0 3 2 1o 80 41 7 多年平均( 彻) 6 2 4 59 2 4 69 3