（水利水电工程专业论文）李家峡坝前滑坡成因机理及稳定性分析.pdf

中文摘要 水库库岸稳定是在建坝过程中应引起高度重视的重大工程地质问题之一。由于 受自然环境( 如地形、气象、地层岩性、地质构造以及水库运行方式) 的制约，使 滑坡的诱发和形成变得复杂多样，因此很难用一种简单的模式进行类比或用简单的 数学模型来计算。正因为库岸滑坡有其特殊性和多样性，有必要对水库库岸滑坡进 行深入全面的研究，特别是对其地质结构体的深入研究，结合现有的监测资料分析， 进行物理力学稳定性计算和评价，具有十分重要的现实意义。 李家峡水电站在西北电网中起着举足轻重的作用。坝前i 、i i 号滑坡体的稳定 性直接影响电站的正常施工、大坝安全和保证出力，全面分析研究i 、i i 号滑坡体 的稳定性和失稳后的滑动方式( 规模、速度、方向) 十分必要。 本文分析了李家峡水电站坝前i 、i i 号滑坡体的勘察资料及变形监测资料，对 滑坡形成的工程地质特征、溃屈破坏机理进行了分析与实验模拟，对滑坡在施工期 和初期蓄水期的监测资料进行了全面系统分析，对滑坡的复活和蠕变特性进行了探 讨，对水库蓄水前后滑坡的稳定性采用m s a r m a 法进行了计算和分析。 分析结果表明，坝前i 、i i 号滑坡体在旌工期和水库运行期均处于极限平衡和 缓慢的蠕滑状态，整体失稳产生剧滑的可能性不大，仅会出现小规模解体式的缓慢 滑移。在水位达到正常蓄水位之前对滑坡进行适当处理后，将不会给大坝的安全带 来危害。本文的研究方法和研究结果除对李家峡工程具有现实和指导意义外，对其 它边坡工程也有一定的借鉴作用。 关键词：滑坡成因机理变形稳定性李家峡电站 a b s t r a c t t h es t a b i l i t yo fr e s e r v o i rb a n ki so n eo ft h em a j o rp r o b l e m so fe n g i n e e r i n gg e o l o g y t h a ts h o u l db eh i g h l yr e g a r d e d r e s t r i c t e db yt h ee n v i r o n m e n t ，s u c ha st e r r a i n ，w e a t h e r , s t r a t u m l i t h o l o g y , g e o l o g i c c o n s t i t u t i o na n dr u n n i n gm a n n e ro fr e s e r v o i r , t h e d e f o r m a t i o nm e c h a n i s mo fl a n d s l i d eb e c a m ec o m p l e x s oi ti sh a r dt oa n a l o g yb ya s i m p l em o d eo rc a l c u l a t eb yas i m p l em a t hm o d e l b e c a u s eo ft h ep a r t i c u l a r i t ya n d d i v e r s i t yo fr e s e r v o i rb a n kl a n d s l i d e ，t h ed e e ps t u d yo nr e s e r v o i rb a n kl a n d s l i d e ， e s p e c i a l l yi t sg e o l o g i cs t r u c t u r ei sn e c e s s a r y i th a sv e r yi m p o r t a n tr e a l i s t i cm e a n i n gt h a t w em a k ec a l c u l a t i o na n de v a l u a t i o no ft h ep h y s i c sm e c h a n i c ss t a b i l i t yi n t e g r a t i n gw i t h t h ee x i s t i n gi n s p e c t i o nd a t a l i j i a x i ah y d r o p o w e rs t a t i o nh o l d st h eb a l a n c es t a t u si nn o r t h w e s te l e c t r i c i t yn e t t h e s t a b i l i t y o f t h e l a n d s l i d e n o la n d n 0 2 i n f r o n t o f t h ed a m a f f e c t t h e p r o j e c tc o n s t r u c t i o n ， d a m s e c u r i t ya n dg u a r a n t e ec o n t r i b u t i o no f p o w e r s t a t i o nd i r e c t l y i ti sv e r yi m p o r t a n tt o a n a l y s i st h es t a b i l i t ya n dt h eg l i d em a n n e ra f t e rl o s i n gs t a b i l i t yo fl a n d s l i d en o la n d n 0 2 ，s u c ha ss i z e ，s p e e da n dd i r e c t i o n w i t ht h es u r v e yd a t aa n dd e f o r m a t i o ni n s p e c t i o nd a t ao ft h el a n d s l i d en o la n dn 0 2 i nf r o n to ft h i sh y d r o p o w e rs t a t i o n ，t h ec h a r a c t e r i s t i c so fe n g i n e e r i n gg e o l o g ya n d d e s t r o ym e c h a n i s mo ft h el a n d s l i d ea r ea n a l y z e da n de x p e r i m e n t a l l ys i m u l a t e di nt h e p a p e r t h ei n s p e c t i o nd a t ao fl a n d s l i d e sc o l l e c t e dd u r i n gc o n s t r u c t i o na n de a r l yw a t e r h o l d i n gp e r i o da r ea n a l y z e dr o u n d l ya n ds y s t e m a t i c a l l y , t h er e s u r r e c t i o n a n dw i s p y d e f o r m a t i o nc h a r a c t e ri sd i s c u s s e d ，t h es t a b i l i t yo fl a n d s l i d e sd u r i n gw a t e rh o l d i n gp e r i o d i sc a l c u l a t e da n da n a l y z e dw i t ht h em s a r m am e t h o d t h ea n a l y s i sr e s u l t si n d i c a t et h a tt h el a n d s l i d e so fn o la n dn 0 2i si nl i m i tb a l a n c e a n ds l a c kw i s p yd e f o r m a t i o nd u r i n gc o n s t r u c t i o na n dr e s e r v o i rr u n n i n gp e r i o d ，t h e p o s s i b i l i t yo fl a r g eg l i d i n gc a u s e db yw h o l es t a b i l i t yl o s i n gi ss m a l l ，j u s ts o m es m a l l s c a l e d i s a s s e m b l ys l a c kw i s p yd e f o r m a t i o nw o u l da p p e a r i tw i l ln o tb r i n g h a z a r dt ot h es a f e t y o fd a mw h e nt h el a n d s l i d e sa r ed i s p o s e dp r o p e r l yb e f o r ew a t e rl e v e lr e a c ht h en a t u r a l w a t e rh o l d i n gl e v e l t h er e s e a r c hm e t h o da n dr e s u l t sh a v er e a l i s t i ca n dg u i d es i g n i f i c a n c e t ot h i sp r o j e c ta n dc a r lb eu s e df o rr e f e r e n c et oo t h e rs l o p ee n g i n e e r i n g k e yw o r d s ：l a n d s l i d e ，m e c h a n i s m ，d e f o r m a t i o n ，s t a b i l i t y , l i j i a x i ah y d r o 。p o w e rs t a t i o n 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，也不包含为获得天津大学或其他教育机构的学位或证书而使 用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明 确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名 彳签字魄嘭影月谚曰 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解丞洼塞堂有关保留、使用学位论文的规定。特授权 天津大学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。同意学校向国家有关部 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用本授权说明) 学位论文作者签名 戎饶哇 签字日期：印弓年? 月扩日 导师签名 签字日期日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 问题的提出与研究意义 1 1 1 李家峡工程概况 李家峡水电站是黄河上游龙青河段规划的第三座大型梯级电站，位于青 海省东部化隆县与尖扎县交界处的李家峡谷中段。电站最大坝高1 5 5 m ，正常蓄 水位2 1 8 0 m ，总库容1 6 5 亿m 3 ，总装机容量4 4 0 0 m w ，年设计发电量5 9 亿度。 电站已于1 9 9 6 年实现首台机发电，目前承担着向西北电网送电和调峰、调频任 务，已成为西北电网的骨干电源点。为此，确保李家峡水电站大坝的安全和运行 的可靠性，保证电站正常出力，最大限度地提高发电效益，显得十分重要。 1 1正在建设和运行中的李家峡水电站 李家峡坝前存在有i 、i i 号滑坡，分别位于大坝上游右岸9 0 一6 3 0 m ，和 左岸8 3 0 - - 2 0 9 0 m ，其方量分别为6 9 2 i 0 b m 3 和1 8 4 5 xi 0 m 3 。( 见图1 2 ) i 号滑坡为深切层滑坡，i i 号滑坡为顺层滑移溃屈破坏滑坡，均属于有现代活动 的老滑坡。两滑坡体积大，离坝近、稳定性低、并曾有过突发性大位移变形。两 滑坡在水库蓄水前后，都有不同程度的变形和位移。在水库到达正常蓄水位时， 两滑坡分别仍有3 4 ( 体积约2 4 0 i 0 6 m 3 ) 和2 8 ( 体积约5 2 0 1 0 m ) 留在水面 以上，如果两滑坡在外界触发因素的影响下，有可能产生剧冲性滑动冲入水库， 苎二至堡丝 将使水库产生巨大涌浪，给大坝的安全带来重大的不利影响。是电站发电运行中 的一大隐患，也是电站能否在高水头下运行亟待研究和解决的问题之一。 图l 一2 李家峡水电站坝前滑坡平面位置图 1 1 2 问题的提出与研究意义 水库蓄水前，为论证i 、i i 号滑坡可能发生的滑坡涌浪危害，曾进行过大 量的专题研究和论证，预计i 、i i 号滑坡在蓄水过程中可能失稳下滑而产生水库 涌浪，为保证大坝在蓄水后的安全，在施工期已对两滑坡进行了适当的整治和工 程处理，并曾建议大坝蓄水初期预留1 5 m 以上的高度进行防范，同时加强蓄水前 后对i 、i i 号滑坡的变形动态监测。 水库蓄水前两滑坡处于匀速蠕滑的临界稳定状态，随降雨和河( 库) 水位的变 化而有蠕滑速度的增减，地表月位移一般在3 3 0 m m 之间。1 9 9 6 年1 2 月2 6 日 下闸蓄水后，在河水位抬高近9 0 m 达到2 1 4 5 m 初期运行水位过程中，两个滑坡都 发生了由表及里的开裂，解体变形和位移量较小的滑动，其位移量大多为0 5 3 5 【 ，没有发生明显的涌浪，自1 9 9 7 年元月下旬库水位稳定在2 1 4 5 m 高程以来， i 、i i 号滑坡以相当于蓄水前数倍到数十倍的速率继续缓慢滑移，蓄水近2 1 个月后，1 9 9 8 年9 月，i 号滑坡地面各测点速率为0 2 5 o 9 5 m m d ，i i 号滑坡 地面各测点位移速率为0 5 0 0 8 0 m m d ；1 9 9 8 年l o 1 2 月库水位由2 1 4 5 m 上升 到2 1 5 0 m ，1 9 9 9 年8 月6 日2 0 日库水位由2 1 5 0 m 上升至2 1 5 9 m ，两滑坡的位移 速率也未发生明显变化。在缓慢减速的同时，解体变形的差异性也逐渐减小，裂 缝及滑动面有逐渐向深部延伸的可能性。 尽管这两个滑坡目前没有整体失稳的迹象，但通过水库初期蓄水期间对两个 第一章绪论 滑坡的监测，两滑坡仍处在变形状态。2 0 0 2 年初水库水位已到达正常蓄水位 2 1 8 0 m 左右，若再加上自然环境场的变异，两滑坡是否会整体失稳产生剧滑( 水 库涌浪) ，失稳后会不会给大坝安全产生影响，电站能否在正常蓄水位下运行， 这直接关系到李家峡电站的安全和经济效益的充分发挥。为此，对电站近坝库岸 滑坡体在水库蓄水后稳定性进行分析，从而为电站的安全、经济运行以及是否需 对两滑坡做进一步处理提供可靠的决策依据，具有现实的指导意义。 众所周知，任何建筑物的建设都与地质环境有关，随着国内外高大建筑物的 相继建设，各国学者及地质工程师越来越重视人类工程活动与周围地质环境之间 的相互作用，为此无论在工程建设的前期，还是在工程建设的过程当中，对工程 地质环境研究和评价的重要性显得十分突出。特别是由于水工建筑物受当地自然 条件的制约，在对水工建筑物选址、设计、施工过程中，结合岩土工程和岩体力 学相关理论和方法来深入研究，对降低工程造价和工程风险，提高工程质量，加 快工程进度都具有十分重要的意义。 其中对水电站周围岸坡的稳定性分析和评价，是工程地质环境问题研究的重 点之一。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，如我 国的长江三峡水利工程、黄河小浪底水利枢纽工程、雅砻江二滩水电站工程、金 沙江溪落渡水电站工程、英国的b i g h o r n 水库、加拿大的r e v e l s t o o k 工程、法国 的v e r n e y 水库等等。特别是目前，人们总期望在水电工程建设中获得更高的性 价比，使单位投资所产生的综合效益最大化，这种效益主要体现在：水库淹没小、 装机容量大、库容大且具有调节能力、移民搬迁少等方面。为此，使得库岸边坡 稳定性成为一个非常突出的问题。 水电站周边滑坡所带来的危害大致包括以下几个方面：( 1 ) 大量的岩( 土) 体滑入水库中，减少了水库的有效库容，甚至把水库变成石( 泥) 库而使水库废 弃( 如瓦依昂水库) ：( 2 ) 滑坡直接摧毁人类工程构筑物，如大坝、厂房等建筑 物；( 3 ) 滑体高速滑入水库，造成巨大的涌浪，直接危及大坝与下游生命、财产 安全。( 4 ) 水电站下游产生滑坡，堵塞下游河道，使尾水位上升而使发电机出力 减少，甚至会造成水淹厂房使电站全面停机的事故。 正因为水库库岸滑坡存在着普遍性、危害性，同时还伴随有各类突发事件的 发生，一旦发生难以控制和防范，故在大中型水利水电工程的建设和运行过程中， 应对库岸滑坡的稳定性给予高度重视。 斜坡变形破坏的发展及其相应的稳定状态取决于斜坡本身所赋存的地质环 境，当斜坡所赋存的地质环境发生变化时，斜坡变形破坏发展及其稳定状态必然 相应地发生变化。因此水库库岸滑坡除具有一般山地滑坡的基本特征外，其特殊 性在于水库蓄水及水库运营使滑坡所赋存的地质环境不断发生变化，主要表现在 第一章绪论 如下几个方面：( 1 ) 水库蓄水造成岩土体的强度软化效应和悬浮减重效应而可能 改变滑坡体的稳定性态：( 2 ) 库水位的骤然变化( 升降) 产生动水压力可能诱发 滑坡体的变形与破坏；( 3 ) 水库的蓄水可能会诱发地震，而地震可能触发滑坡的 变形和破坏。 另外，各电站所处的地形气候条件、地层岩性、地质构造以及水库运行方式 各不相同，使产生滑坡的破坏机理、动态特征和滑动方式变得极为复杂，诱发滑 坡的因素也各种各样，各电站出现的滑坡难以类比。正因为水库库岸滑坡有其特 殊性和多样性，因此有必要对水库库岸滑坡进行深入全面的研究。 1 2 研究现状 目前，水库库岸滑坡的研究主要包括以下几个方面：( 1 ) 研究水库岸坡的水 文地质环境；( 2 ) 分析滑坡的变形破坏机制；( 3 ) 计算及评价滑坡的稳定性；( 4 ) 对滑坡变形破坏作出预测预报；( 5 ) 制定经济而又合理的滑坡防治措施”1 。下面 就从这五个方面对库岸滑坡的研究现状作一简要的介绍。 1 2 1 水库蓄水后岸坡的水文地质环境研究 水库岸坡水文地质环境研究，以查明库岸斜坡水文地质结构及其补给、径流、 排泄条件，从而了解坡体内水头、流量的分布特征为基础。特别是对水库岸坡， 由于水库蓄水及水库运营过程中库水位的不断变化，改变库岸斜坡补给和排泄条 件，形成人工干扰地下水渗流场，这对库岸斜坡的稳定十分不利。d u n c a n e t a l ( 1 9 9 0 ) 曾对库水位快速下降时边坡的稳定性作了研究。1 9 9 3 年i c o l d 委派了 来自数十个国家和地区的专家也曾研究了水库蓄、泄水对岸坡水文地质环境改变 的影响。目前更多是用模拟计算的方法来研究水库岸坡的地下水分布特征。 自1 8 5 6 年法国学者达西根据在沙柱中水的渗透试验首先总结出水在孔隙介 质中运动的渗透规律后，1 9 世纪末和2 0 世纪初各国学者相继提出了许多具体的 计算公式来研究含水层中地下水运移规律，如法国裘布依提出的水平埋藏含水层 的潜水平面运动和地下水向完整井运动公式等。 1 9 3 5 年，美国学者泰斯把温策尔和迈因策尔两位学者通过抽水试验获得的 成果用热传导方程首次提出了实用的非稳定流公式，即著名的泰斯公式。随后雅 可比、汉图什等学者又提出了越流补给条件下非稳定井流公式及后来出现的考虑 潜水含水层滞后疏干效应及非完整井的非稳定流公式，使得非稳定井流公式的应 用十分广泛。许多学者曾经把这些理论引入水库岸坡地下水惨流的研究计算中， 并作出有益的尝试。 随着快速、大容量电子计算机的出现和广泛使用，数值计算方法( 主要为有 4 第一章绪论 限差分法与有限单元法) 在地下水计算中得到推广。美国地质调查局的m c d o n a l d 和h e r b a u g h 于2 0 世纪8 0 年代开发出的一套专门用于孔隙介质中地下水流动数 值模拟的软件- - m o d f l o w ( m o d u l a rt h r e ed i m e n s i o n a lf i n i t e d i f f e r n c eg r o u n d w a t e rf l o w m o d e l ) 。该软件在许多行业和部门得到了广泛的应用，成为最为普及 的地下水运动数值模拟的计算程序。虽然m o d f l o w 本身仅限于模拟地下水在孔隙 介质中的流动，但大量实际工作表明，只要恰当使用，m o d f l o w 也可用于解决许 多地下水在裂隙介质中流动的问题。”3 。 1 2 2 滑坡变形破坏机制研究 对于滑坡的变形破坏机制，许多学者提出了不同的模式。晏同珍从地质力学 的角度研究滑坡，按滑坡发生的初始条件、滑动原因及滑动方式等，划分为八种 滑坡机制；孙玉科等将边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四种类型；杜永廉提出弯曲倾倒变形机 制；张倬元、王士天、王兰生等提出滑坡的基本变形模式为：蠕滑、拉裂、弯曲 和塑流等几种模式，这些模式在空间上还有不同的组合形式：蠕滑( 滑移) 拉 裂、滑移压致拉裂、滑移弯曲、弯曲拉裂、塑流拉裂等，并且它们在空 间上还可复合，在发展过程中还可以转化“。 尽管滑坡的变形破坏机制多种多样，但都是建立在详细了解滑坡的地质环境 的前提下，在对地质原型的分析与抽象、物理模拟和数值模拟的基础上提出的， 这些理论都是从不同的侧重点刻划了滑坡变形破坏的内在原因和宏观表现形式。 1 2 3 滑坡的稳定性研究 滑坡稳定性的计算研究可追溯到一百多年前，到1 7 1 前为止，已提出了几十种 方法。虽然有的方法已不再使用，有的方法还有待于完善，但大致分归为五类： ( 1 ) 定眭分析方法；( 2 ) 定量分析方法；( 3 ) 非确定性分析方法；( 4 ) 物理模 型方法；( 5 ) 现场监测分析法。 12 3 1 定性分析方法 定性分析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进行分析，对已变形地质体的成因及其演 化史进行分析，从而给出被评价边坡的一个稳定性状况及其可能发展趋势，来定 性的说明和解释。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。常用的方法主要有下面几种： 1 、自然( 成因) 历史分析法 第一章绪论 该方法主要根据边坡发育的地质环境、边坡发育历史中的各种变形破坏迹象 及其基本规律和稳定性影响因素等的分析，追溯边坡演变的全过程，对边坡稳定 性的总体状况、趋势和区域性特征作出评价和预测，对已发生滑坡的边坡，判断 其能否复活或转化。它主要用于天然斜坡的稳定性评价。 2 、工程类比法 该方法实质上就是利用已有的自然边坡或人工边坡的稳定性状况及其影响 因素、有关设计等方面的经验，并把这些经验应用到类似的所要研究边坡的稳定 性分析和设计中去的一种方法。它需要对已有的边坡和目前的研究对象进行广泛 的调查分析，全面研究工程地质因素等的相似性和差异性，分析影响边坡变形破 坏的各主导因素及发展阶段的相似性和差异性，分析它们可能的变形破坏机制、 方式等的相似性和差异性，兼顾工程的等级、类别等的特殊要求。通过这些分析， 来类比分析和判断研究对象的稳定性状况、发展趋势、加固处理设计等。在工程 实践中，既可以进行自然边坡间的类比，也可以进行人工边坡之间的类比，还可 以在自然边坡和人工边坡之间进行类比。因而，可以说它是目前应用最广泛的一 种边坡稳定性分析方法。 3 、边坡稳定性分析数据库和专家系统 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( 工程地质图、钻孔 柱状图、岩土力学参数等) 、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、坡角等收录进来，并有机地组织在一起。建立边坡工程数据 库的目的仍然主要是进行工程类比、信息交流。它可以直接根据不同设计阶段的 要求和相关的类比依据，方便快捷地从中查得相似程度最高的实例进行类比，从 而能更好地指导实践、节约费用。我国在“八五”国家科技攻关期间，已初步建 立了“水电工程高边坡数据库”“。 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、物理模拟、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) 来模拟并再现人( 专家) 脑的思维( 推理与决策) 过程，吸收其合理的知识结构， 寻求优化的技术路径，同时，它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( 边坡) 进行稳定性评价。 4 、图解法 图解法可以分为诺模图法和投影图法。 诺模图法该法就是利用一定的诺模图或关系曲线来表征与边坡稳定有关参 6 第一章绪论 数间的关系，并由此求出边坡稳定安全系数，或根据要求的安全系数及一些参数 来反分析其它参数( c 、叭结构面倾角、坡角、坡高等) 的方法。它实际上是 数理分析方法的一种简化方法。自1 9 3 7 年t a y l o r 首次提出稳定分析图表以来， b i s h o p 和m o r g e n s t e r n ( 1 9 6 0 、1 9 6 3 ) 及s p e n c e r ( 1 9 6 7 ) 陆续设计出了各种图表。 它目前主要用于全强风化的具弧形破坏面的边坡稳定性分析。 投影图法该法就是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，并为力学计算提供信息。常用的有赤平极射投 影图法、实体比例投影图法、m a r k l a n dj j 投影图法等。它目前主要用于节理 化岩体边坡的稳定性分析。 5 、s m r 方法 岩体质量能够综合反映岩体中各种主要特征参数对岩体稳定性的影响效果， 它有助于我们认识岩体的固有特性，分析岩体工程的稳定性，为工程设计提供重 要信息。r o m a n am ( 1 9 8 5 、1 9 8 8 、1 9 9 2 ) 在b i n i a w s k iz t 提出的r m r 岩体质量 评价方法的基础上，综合考虑边坡工程中不连续面产状与坡面间的组合关系，以 及边坡的开挖方式等，提出了边坡岩体质量计算公式。 利用s m r 方法来评价边坡岩体质量的稳定性，方便快捷，且能够综合反映各 种因素对边坡稳定性的影响。该方法也有些不足，如它没能考虑边坡坡高等因 素，对大型的岩质边坡的整体稳定状况还不能够作出有效的分析，在各个参数的 具体取值过程中，还会带有很大的经验性，常会因人而异。 1 2 3 2 定量分析方法 严格地讲，边坡稳定性分析还远远没有达到完全定量程度，目前只能算是一 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、也是目前最普遍使用的一种定量分析方法。 它是通过分析在临近破坏状况下，岩( 土) 体外力与内部强度所提供抗力之间的 平衡，计算岩体( 土) 在自身和外荷作用下的边坡稳定性程度，通常以边坡稳定 系数( 安全系数) 表示。极限平衡法的基本假设是将滑体视为刚体，即不考虑其 变形，只考虑滑体沿滑面的位移，滑体的位移是剪切破坏，遵守m o h r - - - c o u l u m b 法则，边坡变形破坏时其破坏面( 可以是平面、圆弧面、多级折面、不规则面等) 满足破坏准则。极限平衡法最有代表性的计算方法有瑞典条分法、b i s h o p 法“、 j a n b u 法n 2 3 、s d e n c e r 法“、m o r g e n s t e r n - - p r i c e “”法、不平衡推力传递法、楔 体分析法、s a r m a 法“”。近期又有学者提出最小安全系数的改进条分法”，零力 第一章绪论 分块法和无限条分法等。这些方法的不同之处在于各自的边界条件和假设不同 主要反映在滑面形状、分条方法及各条之间作用力处理等，见表1 1 。 表1 1 各种稳定系数计算方法的比较 妻阮h1 ) 嵋】， 式中：o ，、r ，、卧、厶分别为第j 个滑动面上第个单元的法向 正应力、剪应力、渗透压力，以及第个单元滑动面上的内摩擦力、粘聚力和长 度。 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，并有多年的实用经验，若使用得当，将得到比较满意的结 果。缺点是没有考虑岩体本身的应力一应变关系和实际工作状态，所求出的岩体 分条间的内力和岩体分条底部的反力均不能代表岩坡在实际工作条件下真正的 内力和反力，更不能求出变形，只是利用人为的虚拟状态求出安全系数而已。 近年来，有人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 算出可能滑面上各点的应力，然后再利用极限平衡原理计算滑面上的点安全系数 及沿整个滑面滑动破坏的安全系数，如式( 1 1 ) 所示“”。或者是通过对滑体参数 进行强度折减，应用有限元法计算直到不收敛为止，其折减的倍数目为安全系数羽踟。 对绝大多数山区和丘陵地区的滑坡，一般采用符合实际情况的折线形，将 i i 臣 第一章绪论 滑动面区分为牵引、主滑和抗滑三段。在目前边坡滑动面的确定方法中，由于 s a r m a 法和不平衡推理传递系数法适用于折线型滑动面的稳定系数计算，所以在 滑动面上的稳定系数计算大都采用这两种方法。 2 、数值计算法 由于刚体极限平衡法无法模拟边坡旋工、开挖地应力释放引起的二次应力 场、加固措施引起的三次应力场、渗流固结引起的运行后期的应力场以及地震等 作用的影响。而数值方法则可以解决以上问题，所以自从1 9 6 6 年美国的c l o u g h 和w o o d w a r d 应用有限元法分析土坡稳定性问题以来，数值计算方法在边坡工程 中的应用发展迅速，并取得了巨大进展。比较成熟的数值方法是有限单元法 ( f e m ) 、边界单元法( b e m ) 、离散单元法( d e d ) 、有限差分法( f d m ) 等。目前正在深 入研究的是块体系统连续变形分析方法( d d a ) 和流形元法( n m m ) 。 有限单元法，该法是一种十分成熟的数值方法，它几乎可适用于所有的 计算领域。其最大优点是可分析任何形状的几何体，不但能进行线性分析还可进 行非线性分析。有限元法是边坡稳定分析中用得较多的一种数值方法“7 。“1 2 。 该法部分地考虑了边坡岩体非均质和不连续性，可以给出岩土体的应力、应变大 小和分布，能近似地从岩土体的本构关系去分析边坡的变形破坏机制，分析最先 和最容易发生屈服破坏的部位和需要首先进行加固部位等。有限元法还可以进一 步考虑层状介质边坡体的流变效应、渗流效应、孔隙水压力与土体颗粒之间的相 互作用、滑动面上的压、剪应力随时间的增减变化过程、塑性屈服过程、加工硬 化与膨胀软化过程等力学性态，但对于大变形求解、岩体中不连续面、无限域和 应力集中等问题的求解还不理想。 边界元法，该法是7 0 年代发展起来的一种数值方法，c r o n c hs l 在1 9 7 6 年首先将其应用于分析层状岩体的开挖稳定问题。与有限元方法不同，它只对研 究区的边界进行离散，因而它要求的数据输入量较少。该方法对处理无限域和半 无限域问题较为理想。它要求事先知道求解问题的控制微分方程的基本解，在处 理材料的非线性、不均匀性、模拟分步开挖等方面还远不如有限元法，它同样不 能求解大变形问题。因而，边界元方法目前在边坡岩体稳定性分析中的应用还远 不如在地下洞室中应用广泛o “。 离散单元法，该法1 9 7 0 年由c u n d a l l 首次提出，是将所研究的区域划分 成一个个分离的多边形块体单元，块与块之间没有变形协调的约束，但需满足平 衡方程。块体的运动不是自由的，它会遇到邻接块体的阻力。本构方程可以是线 性的，也可以是非线性的。这种方法用于解决非连续介质大变形问题，分析被结 构面切割的节理化岩体或碎裂结构的岩质边坡的变形和破坏过程是非常实用的。 其二维和三维可变形离散单元法分别于1 9 8 0 年和1 9 8 8 年问世，并迅速在数值模 9 第一章绪论 拟理论和工程应用方面取得显著进展。在我国，离散单元法的研究和应用始于 2 0 世纪8 0 年代中期，王泳嘉( 1 9 8 6 ) 首次把这一方法应用于节理岩体的数值分析 中。目前离散元分析在岩质边坡的稳定性分析中得到广泛应用 2 8 【3 2 】。 快速l a g r a n g i a n 分析( f l a c ) 法，为了克服有限元等数值分析法不能求解 岩土大变形问题的缺陷，由美国i t a s c a 咨询集团于1 9 8 6 年根据显式有限差分原 理研制推出f l a c 数值分析方法。该方法较有限元方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。其缺点是同有限元方法一样，计算边界、 单元网格的划分带有很大的随意性。 上述几种方法间的耦合应用，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，模糊数学与有限元等数 值方法的耦合等，这些方法的耦合应用能在一定的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。 1 2 3 3 非确定性分析方法 1 、可靠性分析法 理论与实践证明，影响岩质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。 2 0 世纪7 0 年代中后期，加拿大能源与矿业中心和美国亚利桑那大学等开始 把概率统计理论引用到岩体边坡的稳定性分析中来。该方法的原理是首先通过现 场调查，以获得边坡稳定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、可靠指标法、统计矩阵法、随机有限元法等来求解岩体边坡的破坏概率即可 靠度。祝玉学。”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。我国的岩 土工程勘察规范( g b 5 0 0 2 1 - - 2 0 0 2 ) 第3 6 1 1 条已明确指出，大型边坡设计除按 3 6 1 0 条边坡稳定系数值计算边坡的稳定性外，尚需进行边坡稳定的可靠性分 析，并对影响边坡稳定性的因素进行敏感性分析。只要我们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。”“3 ，为边坡稳定性 评价指明了一个新的方向和途径。但该方法的缺点是：计算前所需的大量统计资 料难以获取，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，其计算通常也较一般的极限平衡方法显得困难和复杂a 第一章绪论 2 、模糊分析方法 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“、 4 3 o 这一 方法主要应用于大型边坡的整体稳定性评价。该方法难点在于相关因素及各因素 的边界值的确定。 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 系统理论方法、突变理论方法、神经元方法、损伤断裂力学理论、分叉与混沌理 论等也在边坡稳定性方向上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。 1 234 物理模型方法 物理模型方法是一种发展较早、应用广泛、形象直观的边坡稳定性分析方法。 它主要包括光弹模型试验、底摩擦试验、地质力学模型试验、离心模型试验等。 这些方法通常能够形象地模拟边坡岩体中的应力大小及其分布、边坡岩体的变形 破坏机制及其发展过程、加固措施的加固效果等脚“。 1 2 3 5 现场监测分析法 岩质边坡工程由稳定状态向不稳定状态的突变也必然具有某种前兆，捕捉这 些前兆信息并对其进行分析和解释，可更好地认识边坡岩体变形的发展过程和失 稳的征兆及其判据。通过现场监测所获得的信息如位移、速度、应力、声发射率、 氡气一n 、脉冲频率、地下水等有关特征，来对边坡岩体稳定性作出评价和预测， 为加固处理设计提供依据。同时，又能对加固措施的加固效果进行检验，为施工 的安全保护等提供信息。由于现场监测结果直观可靠，因而利用监测结果对边坡 的稳定性进行分析，已成为目前边坡工程中稳定性评价极其重要的一种方法、。 1 2 4 滑坡的预测预报研究 滑坡的预测预报包括三个方面内容：滑坡滑动的时间预报、滑坡活动的强度 预报及滑坡的危害预测。 自日本学者斋腾( m s a i t o ) 于1 9 6 5 年提出经验公式并成功预报了1 9 7 0 年1 月2 2 日发生在日本饭山线高场山滑坡后，各国研究者表现出了极大的兴趣， 近几十年来一直积极从事这方面的研究。特别值得一提的是，智利研究者对 第一章绪 论 c h u q u i c a m a t a 露天矿滑坡( 1 9 6 9 年2 月1 8 日) 、加拿大研究者对比w i 滑坡、我 国研究者对宝鸡卧龙寺新滑坡( 1 9 7 年5 月5 日) 、金川露天矿采石场滑坡( 1 9 8 3 年7 月9 日) 、湖北新滩滑坡( 1 9 8 5 年6 月1 2 日) 等的预报相继获得成功。 从预测预报方法上看，滑坡的预测预报经历了现象、经验预报统计预报 灰色预报非线性预报的历程。2 0 世纪6 0 年代，滑坡预报以现象预报和经验预 报为主，利用滑坡前兆现象：地裂缝、地声、地面沉陷、热风、井水浑浊、水位 突变、动物异常、局部坍塌等来预报；2 0 世纪8 0 年代，随着概率论、数理统计、 统计热力学、灰色理论引入滑坡预报领域中，相继提出了灰色预报模型、解析预 报模型、v e r h u l s t 模型等； 2 0 世纪9 0 年代，由于系统科学和非线性科学的发 展，一些学者提出了基于分形理论、突变理论、非线性动力学理论的预报模型， 如灰色尖点突变模型、灾变模型、协同预报模型等。当前国内外研究主要集中于 以下几种方法：( 1 ) 滑坡变形前兆的预测预报法。( 2 ) 位移时间曲线变化趋势 判断法；( 3 ) 斋腾法和改进的斋腾法：( 4 ) 统计数学模型法：( 5 ) 黄金分割法； ( 6 ) 非线性动力模型预报法；( 7 ) 降雨量参数预报法；( 8 ) 声发射参数预报法； ( 9 ) 多种参数预报法；( 1 0 ) 实时跟踪预报法。目前滑坡的预测预报正朝着系统 综合预报、全息预报、实时跟踪预报的方向发展”。 1 2 5 滑坡治理的研究 对于滑坡的防治，目前国际上根据其潜在危害和危害程度不同而采取不同的 工程措施，归纳起来主要有两种：( 1 ) 对于短期内不直接严重危害工程建设，但 又存在一定的潜在危害的滑坡，布置一些监测设施，加上适量的加固处理，达到 控制其变形速率的效果即可；( 2 ) 对于直接危害工程建设的滑坡，必须综合运用 各种加固处理措施，提高滑坡的稳定性，消除其危害。 对于具体滑坡采取何种措旌，则必须在综合考虑经济效益、环境效益和社会 效益等方面的基础上作出决策。目前治理加固措施有：第一类是通过改善坡体、 滑面( 带) 的物理力学性质来提高坡体的稳定性，这类方法包括电渗法、焙烧法、 灌浆法和离子交换法以及最常见的排水防水措施等；第二类是通过改变下滑力或 抗滑力来实现稳坡，包括削坡、压脚、减载、和修建支挡构筑物和设置加固构筑 物( 如抗滑桩、挡墙、预应力锚杆、锚索) 等1 。 无论采用何种方法，都是在详细研究滑坡的水文地质条件、变形破坏机制、 稳定性的基础上采取相应的方法，只有如此才能使得治理更经济更有效。 1 3 主要研究内容 第一章绪 论 本文主要对李家峡坝前i 、i i 号滑坡形成的工程地质条件、力学机制，滑坡 的稳定性以及滑坡的蠕滑和复活问题进行研究。主要研究内容如下： 1 、在对李家峡水电站坝前i 、i i 号滑坡的工程地质勘测和试验资料分析的 基础上，探讨分析滑坡的形成和破坏机制。 2 、根据对滑坡的主、次滑带土现场和室内进行物理力学测试资料分析，以 此来校验滑坡形成和破坏机制的合理性。 3 、以系统的原形观测资料为基础，按固体蠕变理论拟合滑坡的蠕滑，建立 力学模型进行简单的力学计算，以此来分析滑坡的蠕滑机制。 4 、针对滑坡的长期观测资料进行多因素相关分析，找出滑体变形和位移速 率与库水位、持续时间、地形变化和可能存在的岩土强度因剪切固结而强化的关 系。 4 、采用不同方法，在不同边界条件和参数组合下，对滑坡的实际变形和位 移进行验证，预测滑坡在库水位上升和长期运行条件下的动态变化，论证是否有 产生突变和剧滑的可能。 5 、采用m s a r m a 法分别对滑坡在未蓄水、初期蓄水及正常蓄水条件下的稳定 性及滑坡稳定性对地震，底滑面、侧滑面的内摩擦角、粘聚力的敏感性进行分析， 以此来验证在初期蓄水和正常蓄水位条件下，滑坡复活并产生剧滑的可能性。 第二章坝前滑坡概述 第二章坝前滑坡概述 2 1 工程地质条件概述 李家峡峡谷全长5 k m ，地处青藏高原东北边缘强烈下切的中山峡谷区。峡谷 形态呈“v ”字型，两岸坡角4 0 。6 0