（环境工程专业论文）三峡库区巴东黄土坡滑坡成因机制及变形稳定性研究.pdf

摘要 摘要 三峡工程，举世瞩目，。工程浩大。随着水库回水和库区移民城镇基础设施建 设的不断发展，三峡库区地质环_ 晓条件发生重大变化，地质灾害体的诱发及孕育 新生有喇的变化过程，呈现出新的变形破坏特征，地质灾害的产生也将形成 个高峰期。滑坡是发生频率最高，对人类危害最严重的种自然灾害，已引起 世界大多数国家的高度重视。滑坡变形破坏还是个不再重现的历史过程。因此， 深入探讨回水条件下的滑坡形成条件及成因机制，实现k 地、水的相互协调、 和谐发展具有十分重要的意义。 本次研究选择黄土坡滑坡作为实例，黄土坡滑坡位于黄土坡小区，是巴东 县首选的迁建新址，历经十余年的建设，目前已是巴东县金融、商贸和医疗中心， 包括在校学生在内已达1 8 万人。研究采用的思路是：紧密结合地质灾害防治实 践，在有关资料搜集、整理和综合分析的基础上，进行黄土坡滑坡变形破坏特征 分析，追踪分_ 昕i 臌形破= 踊据，主要是研究滑坡的形成条f 牛与成因机制、分 析历时变形监测数据的，在j 嵯石出匕进行不同工况下滑坡稳定性计算，利阑f l a c 进行应力应变二维数侄莹眵封烈，最终对结果进行分析 = 匕较总结。其结果对深化认识 和推动、指导面匕地质灾害防治具有十分重要的理论和实践意义。 关键词：滑坡；形成条件；成因机制；变形；稳定性 a bs t r a c t t h ep r o j e c to ft h r e e g o r g e sr e s e r v o i r ( t g 】妁i sw e l lk n o w nf o ri t sm a j e s t i c a n di m p o r t a n c e ，a st h ef l u c t u a t i o no ft h et g rw a t e rl e v e la n dt h ec o n s t r u c t i o no f t h eb a s i cf a c i l i t i e sa r ec h a n g i n gt h eh y d r o l o g i c a le n v i r o n m e n ts e v e r e l y , t h e o c c u r r e n c eo fg e o h a z a r e dh a sc a m et oan e wp e r i o d a saf r e q u e n ta n d d e s t r u c t i v e g e o h a z a r e d ，l a n d s l i d e h a sc a u s e dw i d ea t t e n t i o ni nt h e w o r l d ， l a n d s l i d ei sa l s oap r o c e s so fh i s t o r yt h a tc a nn o tb er e d u p l i c a t e d s oi th a sg r e a t s i g n i f i c a n c ef o rc o o r d i n a t e da n dh a r m o n i cd e v e l o p m e n to ft h es o c i e t yt os t u d y t h ef o r mc o n d i t i o na n df o r m a t i o nm e c h a n i s mo ft h el a n d s i d e 。 h u a n g t u p ol a n d s l i d e ，w h i c hi ss t u d i e di nt h i sp a p e r ，i st h eh e a r t l a n do f t h e f i n a n c e 、b u s i n e s sa n dm e d i c a t i o no f b a d o n gc o u n t r y ，a n d t h e r ea r e18 0 0 0p e e p l e l i v e di ni t ，f o ri tb e c a m eai l e wr e l o c a t e dc o m m u n i t yf o r10y e a r s b a s e do nt h e p r a c t i c eo fg e o h a z a r e di n v e s t i g a t i o n , a n dt h er e s e a r c ho fi n f o r m a t i o nt h a th a d b e e nc o l l e c t e d , t h ea u t h o r a n a l y z e d t h ec h a r a c t e r i s t i c so fd e s t r u c t i v e d e f o r m a t i o n e s p e c i a l l yd i s c u s s dt h ef o r mc o n d i t i o n 、f o r m a t i o nm e c h a n i s ma n d d e f o r m a t i o nm o n i t o r i n gd a t ao f t h el a n d s l i d e ，a n dt h e nr e s r a r c h e dt h es t a b i l i t yi n s o m ed i f f e r e n ts i t u a t i o n s ，u s e df l a ct os i m u l a t e dt h e2 dn u m e r i c a ls t r e s sa n d s t r a i n t h er e s u l tc a nw o r kf o rt h ep u r p o s et or e c o g n i z i n ga n di n s t r u c t i n go ft h e p r e v e n t i o na n d c o n t r o lo ft h eg e o h a z a r e di nt g r k e y w o r d ：l a n d s l i d e ；f o r mc o n d i t i o n ；f o r m a t i o nm 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 i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究 r 作及取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外， 苓论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对 本文的研究做出贡献的个人和集体，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结果由本人承担。 学位论文作者签名：陶t 表两 - z , o d 8 辎月乡口日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解我校有关保留、使用学位论文的规定， 口：我校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 扳，允许论文被查阅。本人授权武汉工程大学研究生处可以将本学位 念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。 保密o ，在年解密后适用本授权书。 苯论文属于 不保密o 。 ( 请在以上方框内打“) 学位论文作者签名：陶宏亩 矽吕年莎月z , e i 指导教师签名：彦 裤多矽日 第一章引言 1 1 研究目的及意义 1 引言 本选题来源于湖北省重点科技攻关计划项目，课题编号为 2 0 0 5 a a 3 0 8 8 0 2 ，课题名称“三峡库区回水条件下的斜坡变形调查研 究”，本论文是该课题研究的一部分。 三峡水库回水是库区地质环境变化的重大转折点，库水位变化诱 发滑坡的地质过程机制及相应的评价方法研究受到特别关注，是滑坡 防治中的一个难题。 水库水位变动条件下，滑坡的应力边界条件和渗流边界条件都在 发生改变，当水位变化较大时，滑体、滑带土的性质将受到何种程度 的影响、变化规律如何，这些变化对滑坡稳定和变形将产生何种影响， 都是一个紧密联系的有机整体和过程。因此，研究库水作用下滑坡 变形破坏的过程机制的必要性和重要性是显而易见的。库区回水条件 下的滑坡变形破坏还是一个不再重现的历史过程，巴东黄土坡滑坡是 三峡库区巴东型滑坡的典型代表，是一个由临江崩滑堆积体、变电站 滑坡、园艺场滑坡组成的多期崩滑形成的复合变形体，三峡水库蓄水 后，该滑坡临江崩滑体约有二分之一被库水淹没。在库水位动力、 人类活动及降雨等不利因素的影响，使滑坡产生变形，对其上部人口 密集的新城区坡体带来不利影响。本论文是对滑坡在回水条件下的变 形过程进行仿真数值分析，+ 联系实际，通过理论分析与实践创新相结 合，将研究成果运用到滑坡治理中去。滑坡变形过程动态仿真是在滑 坡形成与变形地质过程机制分析的基础上，利用勘查、现场监测获得 滑坡状态和结构内部信息，通过数值模拟对滑坡的变形过程进行分析 与预测，在滑坡变形异常时发出预警信号，为临灾处置提供依据，达 到防灾减灾的目的。 武汉工程大学硕士学位论文 1 2 国内外研究现状 1 2 1 水库滑坡的研究现状 水库库岸滑坡作为一种特殊型滑坡，在水利工程建设及运行中会 经常遇到，水库水位变化和降雨入渗是诱发该类滑坡的主要因素，库 水位变化和降雨诱发滑坡的机理及相应的评价方法的研究历来是工 程界十分关注，也是滑坡治理中一个难题，水库库岸滑坡的稳定性研 究对确保水利工程建设的顺利进行及其正常运行具有重大意义。 据统计，9 0 以上的边坡破坏与地下水的作用有关。而水库的建 立极大地改变了库区的地质环境，库水位的升降引起库岸_ 定范围内 地下水位的升降，改变了渗流场的分布，进一步影响岩土体内的应力 分布，从而诱发滑坡的产生，这一现象十分普遍p 卅。其中，1 9 6 3 年 l o 月9 日，在意大利瓦依昂( v a i o n t ) 水库左岸发生的大滑坡举世震惊。 瓦依昂双曲拱坝坝高2 6 1 6 m ，是当时世界上最高的大坝之一，当水 库蓄水至2 2 5 4 m 时，左岸山体突然下滑，体积达2 7 3 0 1 0 8 m 3 ， 滑速达2 8 m s ，水库中有5 0 0 1 0 4 m 3 的水体被挤出，激起2 5 0 m 高的 巨大涌浪，高1 5 0 m 的洪波溢过坝顶冲向下游，约有3 0 0 0 人丧生。 该水库开始蓄水时，就发现左岸山体蠕滑变形，但未引起水工人员的 注意，随着库水位的抬高，滑动面上孔隙水压力的加大，从而导致整 个滑体的下滑，水库也因滑坡体的淤积而失效p 1 。这些事例表明- 由于 水库蓄水而引起渗流场变化加速水库库岸滑坡破坏的可能性，对滑坡 的稳定性有着巨大的作用和影响。 库岸滑坡研究的主要目的是预测水库蓄水和运行后是否产生新 滑坡，以及原有滑坡是否复活，因而其核心内容就是稳定性评价；而 要取得合理的稳定性评价结果，必须搞清楚滑坡变形破坏的力学机 制。在长期的斜坡稳定性研究中，形成了一套系统的理论方法体系， 其技术路线为：斜坡环境条件研究斜坡稳定性计算评价斜坡 滑动时空预报斜坡变形破坏的力学机制及发展演化过程研综合 评价及处理措施决策1 。其中关键环节是斜坡变形破坏机制及发展演 化过程研究。因此，水库库岸滑坡研究的难点和重点问题，就是库水 位变动，特别是库水位下降条件下的变形破坏机制和稳定性评价问 第一章引言 题。 _ 些学者从水岩相互作用角度系统论述了水库蓄水引起地质环 境变化的机制。王士天等p 1 开展了大型水域水岩相互作用及其环境效 应研究，归纳了库岸及枢纽区浅部岩体水岩相互作用的类型：软化 及泥化作用、干缩湿胀与崩解、渗透变形、冰冻膨胀作用、化学潜蚀 与溶蚀、动水压力作用、空隙水压力效应。其研究表明，在大型水库 的建设和营运过程中，这类由水岩相互作用导致的灾变地质作用强 度高，时空尺度大。 王思敬等睁1 认为水岩作用，主要是力学作用，是水库区地质环 境变化的重要机制。地质环境由岩土环境和地下水环境系统所构成， 水库首先改变水环境系统特征，同时通过水岩作用影响到岩土环境系 统，使其受到扰动。水库区地质灾害就是水库周围岩土介质和地下水 在失去平衡及恢复平衡过程中产生的环境和灾害问题。 从影响滑坡稳定的角度分析，库水对滑坡的影响机制主要集中在 以下几方面：正常蓄水位的影响。由于库水对滑坡体的浸泡，会对岩 土体产生物理、化学和力学作用。物理作用主要是软化和泥化岩土体 中软弱夹层物质或滑带，从而使岩土体的强度降低；化学作用主要是 通过水岩土体离子交换溶解水化等作用来改变岩土体的结构而降低 强度；力学作用主要通过孔隙静水压力和孔隙动水压力改变水对岩土 体的作用；由于库水的浮托作用，作用于滑面的有效应力降低。水库 运行水位波动的影响。水位下降时，坡体内被抬高的地下水来不及排 除，形成较高的动水压力。波浪的冲刷淘蚀作用，较原来河流的侵蚀 冲刷作用更为强烈。各种因素对滑坡稳定影响的程度是不同的，取决 于滑坡所处的地理位置及稳定形态，滑床的形态及高程，滑坡的结构 及物质组成，坡体排水条件及水库调度方式等因素。边坡土体饱水后 基质吸力降低，土体强度降低，诱发滑坡失稳h 厶1 6 1 。尽管如此，目前 水库诱发滑坡的作用机制研究都存在较大的空间。 1 2 2 滑坡稳定性研究现状 滑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 量分析方法。 1 定性分析方法 武汉工程大学硕士学位论文 定性分析方法主要是通过工程地质勘察，对影响滑坡体稳定性的 主要因素、可能的变形破坏方式及破坏失稳的力学机制等的分析，对 已变形地质体的成因及其演化史进行分析，从而给出被评价滑坡体一 个稳定性状况及其可能发展趋势的定性的说明和解释，其优点是能综 合考虑影响滑坡体稳定性的多种因素，快速地对滑坡体的稳定状况及 其发展趋势做出评价。其中常用的分析方法主要有以下几种。 自然( 成因) 历史分析法 该方法主要根据岸坡发育的地质环境，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，对滑坡体稳定性的总体状况、趋势和区域性特征作出评价 和预测，对已发生滑坡的滑坡体，判断其能否复活或转化，主要用于 天然斜坡的稳定性评价。 工程地质类比法 该法是将已有的天然滑坡体或人工边坡研究经验，包括稳定的或 破坏的，用于新研究滑体的稳定性分析，坡角或计算参数的取值等。 此法具有经验性和地区性的特点，应用时必须全面分析已有滑坡体与 新研究滑坡体两者之间的地貌、地层岩性、结构、水文地质、自然环 境、变形等主导因素及发育阶段等方面的相似性，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。 图解法 图解法用于岩质滑坡体的稳定分析，并考虑了多种因素如岩性、 地下水、坡角等的变化，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，图解法的主要方法是赤平极 射投影图法：该法就是利用赤平极射投影的原理，通过作图来直观地 表示出滑坡体变形破坏的边界条件，分析不连续面的组合关系，可能 失稳岩土体形态及其滑动方向等，进而评价滑坡体的稳定性，并为力 学计算提供信息。常用的有赤平极射投影图法，实体比例投影图法等 【5 l o 2 定量分析方法 常用的边坡稳定性定量分析方法主要有极限平衡法、数值分析方 4 第一章引言 法、概率分析法。 极限平衡法 极限平衡法是将滑体视为刚性体，不考虑其本身的变形，除楔形 破坏外，其余的破坏多简化为平面问题，选取有代表性的剖面进行计 算，滑坡体岩土的破坏遵从库仑摩尔定律，并认为当滑体的稳定系 数为1 时，滑体处于临界状态。 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，目前已有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、剩余推力法、s a r m a 法、楔 体极限平衡分析法等等。与其它方法相比，极限平衡法的优点是计算 简单，使用方便。滑面确定后能有效地确定滑体的稳定性系数，而其 缺点是在力学上作了一些简化假设，该方法抓住了问题的主要方面， 且简易直观，并有多年的实用经验，若使用得当将得到比较满意的结 果，它是目前在国内外应用最多的一种分析方法。 数值分析法 数值分析方法是目前岩土力学计算中使用最为普遍的定量分析方 法，可分为基于连续介质模型的数值方法：包括有限元( f e m ) 法、。： 边界元( b e m ) 法、快速l a g r a n g i a n 分析( f l a c ) 法等；基于不连续 介质模型的数值方法：包括离散单元( d e m ) 法、不连续变形分析 ( d d a ) 等。 概率分析法 概率分析法是将滑体稳定问题视为一随机问题，把影响稳定性的 各种因素，如岩石构造、抗剪强度及地下水位等，均视为随机变量。 通过调查、试验及分析求得各变量的函数分布，并确定出滑体稳定状 态的概率值h 7 1 。 在工程中应用于边坡稳定分析最常用的方法是传统的极限平衡 分析方法，传统极限平衡分析法以饱和土的有效应力为基础，即采用 有效抗剪强度参数来计算土坡的安全系数，对于地下水位以上非饱和 区土体压力水头提供的抗剪强度不予考虑。在考虑降雨情况下边坡稳 定时，也只是主要着眼于因为降雨入渗坡体内部浸润面抬高，土体饱 和容重增加而导致土体抗剪强度的降低，也未考虑负压区抗剪参数的 武汉工程大学硕士学位论文 降低。近年来，随着人们对土体力学性质的进一步了解，一些学者开 始了对非饱和土力学性质的研究，测量技术的发展为精确地量测土体 吸力提供了条件，人们逐渐对非饱和土的力学性质和强度特征有了深 入的了解，此时我们不能再忽略负压区土体在抗滑方面的作用，而应 将整个渗流域的抗滑能力作为一个整体考虑，而不应该将饱和区和非 饱和区土体简单的割裂开来考虑或是作出简单的假定。就现有的对边 坡稳定的各种分析方法来看，尤其在工程应用方面，未考虑非饱和区 土体的抗滑作用，这是不合理的。有些学者在传统的极限平衡法的基 础上也作了一些有益的探索和改进。 f r e d l u n d 等即反复强调负孔隙水压力对土坡稳定性的影响，并重 新研究了边坡稳定分析中的安全因数计算公式，以便把正的和负的孔 隙水压力都包括进去。他通过香港陡坡的算例进行了暴雨情形下的瞬 态渗流分析和边坡稳定分析。分析中采用模拟降雨前稳态渗流条件下 的孔隙水压力分布作为暴雨期间瞬态分析的初始条件。渗流分析中假 定孔隙空气压力不变，用g a l e r k i n 有限元法模拟稳态和瞬态渗流场， 通过渗流分析可以得出暴雨开始后不同时刻的孔隙水压力分布，从而 分析土坡在不同时刻的稳定性。分析结果表明：由于临界滑动面比较 浅，负孔隙水压力在抗剪强度发挥中起主要作用，所以暴雨期间安全 因数下降很显著，并有可能导致斜坡的破坏。 朱冬林等n 卅在分析库水位与滑坡稳定性的一般规律的基础上，对 某水库滑坡进行了考察，分析其初期蓄水过程中滑坡的位移动态和代 表性测点位移的规律，确定最危险水位，在此基础上考虑地下水渗透 的滞后性，进而预测了未来蓄水及潜在的库水位下降情况下滑坡稳定 性与库水位的关系。 郑晓晶等口川运用非饱和土力学的渗流和抗剪强度理论，对滑坡稳 定性进行了分析，得出在库水位涨落和降雨条件下滑坡渗流和稳定性 的变化规律。结论得出土体饱和渗透系数和土一水特征曲线共同决定 水位涨落时滑坡内孔隙水压力的大小和分布。在库水位上升过程中， 滑坡体内地下水位会出现短暂的“倒流”现象，稳定系数减小，在库 水位下降过程中，地下水位与河水位基本同步，稳定系数先减小后增 大。 第一章引言 魏进兵曙心1 以三峡库区泄滩滑坡为研究对象。根据监测资料对降 雨及库水位上升条件下滑坡体地下水位变化规律和变形响应进行了 分析，并对滑坡体地质模型进行了修正和概化，最后，对考虑渗透力 作用的滑坡稳定性极限平衡分析方法和有限元分析方法进行了研究， 对库水位变化时滑坡体水动力学演变及滑坡体变形和稳定性进行了 分析和预测。 章广成等田1 以赵树岭滑坡为例模拟了长江水位以不同速度从 1 7 5 m 下降到1 4 5 m 时该滑坡的渗流场，对每种工况不同时刻的滑坡稳 定性进行了计算。实例分析结果表明，库水位下降过程中稳定性系数 会出现极小值，库水位下降速度越大，稳定性系数极小值越小，出现 极小值的时刻也越早。 魏丽敏口卅以某滑坡为工程背景，根据工程勘察和位移监测结果确 定滑动面形状与位置，同时考虑地下水的影响，采用推力传递系数法 对滑坡进行稳定性分析，其滑动面强度指标( 粘聚力和内摩擦角) 根据 最d x - 乘法和反分析确定。采用的考虑地下水对滑坡稳定性影响的方 法，能定量分析水位降低后的安全系数。 刘才华体乱等人认为地下水恶化了库区边坡岩土体的物理力学参 数，主要表现在由于水的润滑作用，土体颗粒间的摩阻系数及胶结能 力降低，边坡潜在滑动抗剪参数降低，进而降低了坡体的抗滑力。库 水对边坡岩土体产生浮托作用。浮托力对边坡稳定性的影响是两方面 的。一方面，浮托力减小了滑体的有效重量，它降低了滑面的阻滑力， 对边坡的稳定性带来不利的影响；另一方面，滑体重量的减小使其下 滑力减小，有助于边坡的稳定。 1 2 3 滑坡变形过程数值模拟研究现状 对于滑坡的变形破坏机制，许多学者提出了不同的变形模式。晏 同珍刚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；孙玉利2 刁等将边坡变形机制 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；张障元、王士天、王兰生等p 1 提出滑坡的 基本变形模式为；蠕滑( c r e e p ) 、拉裂( f r a c t u r i n g ) 、弯曲( b e n d i n g ) 和 塑流( p l a s t i cf l o w i n g ) 等几种模式，这些模式在空间上还有不同的组合 武汉工程大学硕士学位论文 形式：蠕滑( 滑移) 一拉裂( c r e e p s l i d i n ga n df r a c t u r i n g ) 、滑移一压致拉 裂( s l i d i n ga n dc o m p r e s s i o nc r a c k i n g ) 、滑移一弯 由( s l i d i n ga n d b e n d i n g ) 、弯曲一拉裂( b e n d i n ga n df r a c t u r i n g ) 、塑流一拉裂( p l a s t i c f l o w i n ga n df r a c t u r i n g ) 等，并且它们在空间上还可复合，在发展过程 中还可以转化。国外d o u 9 1 a s s t e a d 和e b e r h a r d t 在总结露天高边坡的破 坏机制时，将其分为如下6 类；( 1 ) b 结构面破坏( b i l i n e a rs l a b f a i l u r e ) ： ( 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 rf a i l u r e ) ：( 6 ) i e i 有构筑失效( o l d w o r k i n gc o l l a p s e ) 。 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，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 坏的内在的本质原因及其宏观表现形式。 影响滑坡变形破坏过程的因素具有复杂性和多变性，要合理评价 和预侧滑坡的动态发展过程，深入的地质调查是基础，地质分析不仅 能为其它分析方法的正确使用提供资料，而且能直接对滑坡的变形破 坏发展过程作出定性的判断，在此基础上建立力学模型，采用数值模 拟进行定量计算，可进一步从本质上去把握滑坡变形破坏的发展规 律。因此，只有采用定性地质分析与定量力学计算相结合的研究方法 才能正确揭示滑坡变形破坏动态过程。 数值分析方法是目前岩土力学计算中使用最为普遍的定量分析 方法，可分为基于连续介质模型的数值方法：包括有限元( f e m ) 法、 边界元( b e m ) 法、快速l a g r a n g i a n 分析( f l a c ) 法等；基于不连续 介质模型的数值方法：包括离散单元( d e m ) 法、块体理论( b t ) 、 不连续变形分析( d d a ) 等镐1 。现分述如下： ( 1 ) 有限单元法( f e m ) ：该方法是目前应用最广泛的数值分析 方法。其优点是部分地考虑了边坡岩体的非均质、不连续介质特征， 考虑了岩体的应力应变特征，可以避免将坡体视为刚体；过于简化边 界条件的缺点，能够接近实际地从应力应变分析边坡的变形破坏机 制，对了解边坡的应力分布及应变位移变化很有利。其不足之处是： 数据准备工作量大，原始数据易出错，不能保证整个区域内某些物理 第一章引言 量的连续性；对解决无限性问题、应力集中问题等其精度比较差。 ( 2 ) 边界单元法( b e m ) ：该方法只需对已知区的边界极限离散 化，具有输入数据少的特点。其计算精度较高，在处理无限域方面有 明显的优势。其不足之处为：一般边界元法得到的线性方程组的关系 矩阵是满的不对称矩阵，不便应用有限元中成熟的对稀疏对称矩阵的 系列解法。另外，边界元法在处理材料的非线性严重不均匀的边坡问 题方面，远不如有限元法。 ( 3 ) 离散元法( d e m ) ：是由c u n d a l l ( 1 9 7 1 ) 首先提出的。离散单 元法可以直接地反映岩体变化的应力场、位移场及速度场等各个参量 的变化，可以模拟边坡失稳的全过程。该方法特别适合块裂介质的大 变形及破坏问题的分析。其缺点是计算时步需要很小，阻尼系数难以 确定。 ( 4 ) 块体理论( b t ) 是由g o o d m a n 和s h i ( 1 9 8 5 ) 提出的，该方法利 用拓扑学和群论评价三维不连续岩体稳定性。其建立在构造地质和简 单的力学平衡计算的基础上。块体理论为三维分析方法，随着关键块 体类型的确定，能找出具有潜在危险的关键块体在临空面的位置及其 分布。 ( 5 ) 快速l a g r a n g i a n 分析( f l a c ) 法 f l a c 数值分析方法基本原理同离散单元法，但它却能象有限单 元法那样适用于复杂的问题，f l a c 采用显式有限差分析方法求解运 动方程，在求解过程中，它又采用离散单元的动态松弛法。它有很大 的优点，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，并且能模拟岩体沿某一软弱面产生的滑动变形，有着广泛的应用 前景噼卵。 除以上几种方法外，数值方法近年来有很大发展，如无界元 ( i d e m ) 、不连续变形分析( d d a ) 等方法。此外，随着数值计算的发展， 由于工程实践的需要，出现了大量的各种数值方法的耦合算法。 工程地下水的计算中，但很多时候都是将渗流场与应力场作为两。 个单独量进行研究的。实际上，许多工程问题都无法回避渗流过程中 多孔介质变形与孔隙流体流动的耦合作用。如地下水开采引起的地表 沉降问题，库水位骤降引起的滑坡变形破坏问题。因此，要将渗流力 武汉工程大学硕士学位论文 学和岩土力学等学科紧密结合起来才能较好地解决这类问题。采用数 值模拟技术研究滑坡的应力一变形一渗流和稳定性是前沿课题。 对库水位影响滑坡的机制来讲，b i o t 固结方程是进行有效应力分 析的理论基础，它从较严格的土体固结机理出发推导了孔隙水压力消 散与土骨架变形的相互关系。最早研究流体一固体变形耦合现象的是 t e r z a g h i 。他首先将可变形、饱和的多孔介质中流体的流动作为流动 一变形的耦合问题来看待，提出了有效应力的概念，并建立了二维固 结模型，它在土力学中得到了广泛应用。b i o t ( 1 9 4 1 ，1 9 5 6 ) 进二步研 究了三向变形材料与孔隙压力的相互作用，并在一些假设条件下建立 了比较完善的三维固结理论。而后b i o t 又将此理论推广到各向异性 多孔介质( 1 9 5 4 ) 和动力分析( 1 9 6 2 ) 。近几十年来，国内外学者在研究 软土b i o t 固结的有限元分析计算研究方面，已做了大量卓有成效的 工作，但对于滑坡的渗流、变形和稳定性状的有效应力分析，尚缺乏 广泛和深入的研究。主要是利用某种方法求边坡的应力分布和变形情 况，研究滑体中应力和应变的变化过程，由此判断滑坡的变形情况。 殷坤龙h 珊u 应用非连续变形分析方法对长江三峡库区新滩滑坡的 运动全过程进行了数值模拟研究，模拟方案充分依据该滑坡的地质、 地形特征，按不同岩土体和地质结构面类型进行块体单元的划分，代 表性块体单元的位移变化曲线和滑动速度变化曲线反映了滑动过程 中滑坡体块体系统的变形是非连续的，各处块体的运动形态各异，从 而很好地再现了新滩滑坡的整个动态过程，揭示了滑坡的运动机制。 张雪东p 刁利用f l a c - 3 d 软件对天然状态下和蓄水条件下呷爬滑坡 的变形进行数值模拟研究。根据模拟所得的计算结果，从滑坡主剖面 上特征点的位移值和位移矢量图分析，得出滑坡体在天然状态下和不 同蓄水高程下的变形特征，确定滑坡变形特征与滑坡稳定性之间的联 系。 朱继良p 习通过三维有限元f l a c 一3 d 对其蓄水后滑坡体的稳定性状 况进行数值模拟分析，结果表明滑坡在蓄水初期，滑坡体的变形量小， 滑坡体的整体稳定性较好。随着蓄水位的增加，其变形量也逐渐呈增 大的趋势。 第一章引言 1 3 研究内容与技术路线 1 3 1 研究内容 1 黄土坡滑坡是三峡库区重大滑坡之一，形成与变形地质过程 机制复杂。其形成是与三峡区构造强烈隆升、河流急剧下切、斜坡重 力卸荷等各种作用相伴生的地质过程和结果。在全面分析黄土坡滑坡 工程地质特征，研究地层岩性、构造、水文地质条件等对滑坡发育、 分布的控制作用下，对滑坡形成条件及成因机制作系统归纳总结。 2 整理已有的监测资料，做出滑坡各监测点的位移一时间、水 位一时间等历时曲线，找出变形与时间、变形与水位之间的规律，为 滑坡变形数值仿真结果提供检验依据，为变形预测提供基础。 3 通过对影响滑坡稳定性的各种因素进行综合分析，采用传统 经典的极限平衡法计算滑坡稳定系数。 4 通过对影响滑坡稳定性的各种因素进行综合分析，应用f l a c 软件模拟地下水位变动条件下滑坡内的应力场、形变场的耦合问题， 实现滑坡的动态变形过程仿真。 。 1 3 2 技术路线 研究技术路线见图卜1 查阅文献资料， 总结前人工作 黄土坡滑坡形成条 件及成因机制分析 二维极限平衡法稳 定计算分析 基于f l a c 的应力应变 二维数值模拟分析 综合分析得出 正确结论 i 。：。j 图卜l 研究技术路线图 f i g1p r o c e s so fr e a s e r c h 一一一一一一一一 一一一一一一一一 武汉工程大学硕士学位论文 2 黄土坡滑坡形成条件与成因机制研究 2 1 黄土坡滑坡概况 黄土坡滑坡位于巴东县新城区五个组团中东部的黄土坡组团，由 临江崩滑堆积体、变电站滑坡、园艺场滑坡及近期发生的小滑坡组成， 统称为“黄土坡滑坡”。黄土坡滑坡平面上分布于二道沟与巴东港新 码头之间，面积1 3 5 1 0 4 2 m ，体积6 9 3 4 1 0 4 m 3 。临江崩滑堆积体分布 于高程2 1 0 - - 2 6 0 m 以下，三道沟将其分割为东西两个崩滑堆积体，三 道以西为i 临江i 号崩滑堆积体，三道沟以东为临江i i 号崩滑堆积体 ( 图2 1 ) 。 图2 - 1 黄土坡滑坡组成分布图 f i 9 2 1d i s t r i b u t i o no fh u a n g t u p ol a n d s l i d e 第二章黄土坡滑坡形成条件与成因机制研究 临江i 号崩滑堆积体，西侧边界沿巴东港东侧至神农溪职业高中 至加油站延至县医院一线，东侧边界为三道沟。后缘被园艺场滑坡覆 盖，大致在县医院至金龄中学一线。后缘高程2 9 0 - - 2 5 0 m ，前缘直抵 长江，高程9 0 一7 0 m 。崩滑堆积体南北最大长度7 7 0 m ，东西宽4 5 0 一 5 0 0 m ，面积3 2 5 0 1 0 , m 2 ，体积2 2 5 5x1 0 4 m 3 。 临江i i 号崩滑堆积体，东侧边界沿二道沟西侧上延至巴东宾馆、 县政府，西侧边界为三道沟东侧，后缘被变电站滑坡覆盖，大致由县 政府向西径巴东一中，而后向金龄中学与i 号崩滑堆积体后缘连成一 线，高程2 1 0 _ _ 2 5 0 m 左右，前缘高程5 卜8 0 m 。南北向纵长自东向 西渐增，东部约为3 8 0 m ，中部约为5 0 0 m ，西部5 1 0 m ，东西向宽后 缘4 0 0 m ，前缘6 5 0 m ，面积3 2 0 x 1 0 4 m 2 ，体积1 9 9 2 1 0 4 m 3 。 变电站滑坡，平面形态总体呈“靴子”形，前缘高程1 6 0 - 2 1 0 m ， 后缘高程6 0 0 左右，滑体南北纵长12 0 0 m ，横宽4 4 0 - 2 5 0 m ，面积3 8 1 x1 0 4 m 2 ，一般厚2 0 n 3 5 m ，最大厚度5 8 m ，。体积1 3 3 3 5 1 0 4 m 3 。滑 坡被高程3 8 0 m 带的t 2 b 3 1 泥质灰岩组成的近东西向的“基岩硬坎” 分成上下两段，下段以源于t ：b 2 的紫红色泥岩为主的散裂岩超覆源 于t z b 孓1 的浅灰色白云质灰岩为主的散裂岩之上。滑坡前缘地带的碎 块石土超覆于临江i i 号崩滑堆积体之上。 园艺场滑坡，。分布于三道沟与四道沟之间，前缘高程2 2 0 2 4 0 m ， 后缘高程5 2 0 m ，主滑方向为一弧线，全长1 1 0 0 m ，面积3 2 6 1 0 4 费， 体积1 3 5 2 9 1 0 4 m 3 。滑坡最显著的特点是源于t 2 b 2 紫红色粉砂质泥岩 与t 。b 浅灰色白云质灰岩块裂岩相间堆积。滑坡后部与变电站滑坡 被宽不足3 0 m 的t 2 b 2 基岩隔断，前部东界已超覆于变电站滑坡，滑坡 前缘地带的碎块石土超覆于临江i 号崩滑堆积体之上p 3 洲。 临江崩滑堆积体是斜坡在重力作用下，经历长期变形、倾倒、剪 切破坏、崩滑堆积的产物。园艺场滑坡和变电站滑坡是在前缘崩滑的 基础上叠加形成的顺层岩质滑坡。 2 2 黄土坡滑坡形成条件与成因机制分析 2 2 1 黄土坡滑坡形成的主要控制条件分析 ( 1 ) 地层岩性是崩滑体形成的主要物质条件 武汉工程大学硕士学位论文 易滑地层是崩滑体形成的主要物质基础，黄土坡滑坡发育于巴东 组第二段( t 。b 2 ) 中厚层紫红色泥岩、泥质粉砂岩及第三段( t 。b 3 ) 中 厚层浅灰色灰岩、白云质灰岩与灰绿色泥质灰岩、泥灰岩中，岩层总 体产状为3 0 。z 2 5 一- 3 2 。；岩性软硬相问，t ：b 2 泥岩、泥质粉砂岩主 要矿物成份为粘土矿物、石英、纳长石等，。其中粘土矿物成份含量 4 0 - - 6 5 ，主要由伊利石、绿泥石及少量高岭石组成，与层理呈基本 一致的定向排列；胶结物主要为泥质、钙质。由于岩石中以伊利石为 主的粘土矿物含量普遍较高，决定了岩石有较强的亲水性，并具有易 风化、软化等特性，而t 2 b 3 碳酸盐岩类相对坚硬，易产生脆性变形破 坏，受区域构造影响m 5 1 。岩体破坏，完整性较差，正是这种软硬相 间的地层组合，为黄土坡滑坡区崩滑体的发育提供了物质条件。 ( 2 ) 构造形迹控制了崩滑体的边界条件 受区域构造影响，黄土坡地区发育有多组断裂、裂隙与劈理，其 中近东西向及近南北向裂隙一般具有密度大、延伸长的特征。，区内北 东东、北西西向裂隙与坡面走向近于平行，倾向与坡向基本一致，为 崩滑体后缘壁的形成提供了优势切割面；北北东向和北西西向裂隙与 坡面倾向近于一致，为滑坡两侧边界的形成提供了控制面p 卵q 。零星 发育的与坡面平行或斜交的缓倾裂隙，当倾向与坡面一致时，为坡体 追踪结构面逐渐贯通形成滑面提供了有利条件。 ， ( 3 ) 长江深切形成的岸坡结构为崩滑体的形成提供了有利的地形 条件 据区域地质研究，中更新世鄂西山地处于强烈隆升期，长江深切 形成峡谷地形，为崩滑体的形成提供了良好的临空条件p7 1 。黄土坡地 区总体为坚硬、半坚硬及软弱岩层组成的顺向坡，坡高6 0 0 余米，斜 坡具有上、下陡、中部缓的形态特征。前缘临江地带t 。b 3 坚硬、半坚 硬岩层构成的岸坡由于长江急剧下切形成高陡临空面，在岩体自重、 降水入渗、风化等内外营力作用下，被各种结构面切割的危岩体不断 产生蠕变、倾倒、剪切破坏及崩塌，崩塌堆积体在加集的条件下会产 生局部滑移，同时于后缘处形成新的临空面。坡体中部紫红色泥岩、 泥质粉砂岩与泥质灰岩、白云质灰岩接触带处形成缓坡，其上由泥岩 构成的高陡斜坡在接触带处形成应力集中，使上部坡体近临空面处产 1 4 第二章黄土坡滑坡形成条件与成因机制研究 生滑移压致拉裂，坡体后缘处产生顺层蠕滑一拉裂。t z b 2 与t 。b 3 接触带处缓坡控制了滑坡向泥灰岩、白云质灰岩深部发展，并控制了 近临空面处的滑床形态。前缘处滑面变缓，逐步集成了滑动量的积累。 此外，t 2 b 2 软弱岩类构成的中上部斜坡，山高坡陡：垂直高差达2 0 0 余米，具有较大的位能，为滑坡的形成提供了巨大的能量。综合上述， 黄土坡地区特有的岸坡结构特征不但为斜坡变形提供了有利的地形 条件，也控制了其变形形式和发展演化过程。 ( 4 ) 古气候为斜坡变形破坏提供了有利的环境条件 鄂西山区在中更新世中期，气候温暖湿热，降雨丰沛，各种自然 风化营力作用强烈，形成了利于斜坡变形破坏的环境条件p 引。 2 2 2 黄土坡滑坡成因机制分析 ( 1 ) 临江崩滑堆积体成因机制分析 中更新世中后期，鄂西地区大面积隆升，长江急剧下切，在临近 现代长江一线形成1 5 0 , - - - 一2 0 0 m 的高陡临空面，其上部坡体发育有多条 近南北向冲沟。暴露地表的t z b 3 吨泥灰岩、泥质灰岩等岩层形成缓坡 谷地，出露于现巴东一中至变电站南一带的t z b 3 q 灰岩、白云岩等较 硬质岩层形成陡坡，软硬岩层相交部位应力集中，并产生应力回弹， 导致已有的构造裂隙扩展，并沿软硬岩层界面产生顺层裂隙逐步扩展 贯通，在岩体自重、降水入渗及风化作用等内外营力作用下，岩体沿 软弱层面及其它软弱结构面产生蠕变、倾倒，被剪切破坏的岩体产生 崩塌滑移，前缘临江一带的t 2 b 3 2 陡坡段大部崩滑入江，源于t ：b 3 q 岩 层形成的碎块石土堆积于现县木材公司一带由t 2 b 3 。2 岩层构成的平台 之上p 叼。其后缘高程2 5 0 2 9 0 m 一线形成新的高陡临空面，为其后上 部坡段的变形破坏提供了有利的地形条件。根据崩滑堆积体物质结构 特征及黄土坡地区正常地层层序分析判定，崩滑体物质水平位移距离 约为2 7 0 3 0 0 m ，其后在中更新世后期经多次应力调整，于距今4 0 1 0 4 a - - 3 8x1 0 4 a 、3 1 1 0 4 a - - 3 0 1 0 4 a 、2 2 1 0 4 a 1 8x1 0 4 a 发生了 三期较大的崩滑，最终于中更新世末期( 距今1 5 1 0 4 a 1 3 1 0 4 a ) 逐渐得以稳定。其后经长期地质时期变形演化及人工改造，形成了现 今陡缓相间、零星分布、多级缓坡平台的阶梯状岸坡地貌景观，崩滑 堆积体厚度受原始地形控制，显示出源于t 2 b 2 、t ：b 3 不同物源多层叠 武汉工程大学硕士学位论文 置堆积，风化状态不一，且分布有多个贯通性较差软弱面的多期次崩 滑堆积性状特征。 ( 2 ) 变电站滑坡、园艺场滑坡成因机制分析 综合勘查研究资料，变电站滑坡、园艺场滑坡成因机制及运动形 式基本二_ 致，仅园艺场滑坡发生时间略晚于变电站滑坡。由于前述临 江崩滑体的变形破坏，使坡体中上部t ：b 靴岩层崩滑殆尽，导致t 。b 2 紫红色泥岩、粉砂岩裸露地表，在其后缘高程2 5 0 , - - 一2 9 0 m 一线形成新 的高陡临空面，为滑坡的发育创造了良好的前缘临空条件，滑坡的形 成大致经历了蠕滑变形、拉裂变形及高速滑移三个阶段p 刚。 第一阶段，蠕动变形阶段。t 2 b 2 软岩坡体在坡脚产生应力集中， 发生卸荷回弹，导致已有裂隙扩展，在自重应力为主的坡体应力长期 作用下，坡体向临空方向产生塑性变形和蠕滑，同时后缘拉裂持续向 纵深发展，造成潜在剪切面上剪应力集中。 第二阶段，拉裂变形阶段。由于风化作用及蠕动变形的持续发展， 斜坡上部岩体松驰、扩容，在水流作用下变形加剧，后缘拉裂持续向 深部发展并追踪陡倾软层层面，弧形拉裂圈即基本形成，滑坡已具雏 形，在塑性变形和风化作用下，缓坡处平缓剪切破裂面向坡体内发展， 滑移面趋于贯通。 第三阶段，高速滑移阶段。在降水入渗作用下，后缘裂缝充水， 产生静水压力：导致滑带处岩土软化，抗剪强度降低。滑坡锁固段剪 应力高度集中，受源于岩体自重产生的巨大下滑推力作用，滑面贯通 产生高速滑动。这种早期崩塌，后期多次崩滑的变形破坏形式，经长 期的变形演化最终形成了现今陡缓相间零星分布多级缓坡平台的地 貌景观，以及下部以源于t 2 b 3 吨岩层的碎块石土为主，上部以源于t 2 b 3 。1 岩层碎石土为主，间夹多个不连续的软弱夹层，不同物质组分相互叠 置的特有崩滑堆积物质结构特点。 2 3 关于黄土坡滑坡变形模式的讨论与共识。 关于黄土坡滑坡的变形模式，目前主要有四种不同的认识，即： 黄土坡是大范围的滑坡，前缘高程在8 0 m 左右，后缘高程6 4 0 m ( 吴 永丰，长江委，1 9 9 6 ) 3 7 1 ；是