（地质工程专业论文）耒水小东江电站左岸岩质边坡稳定性分析与滑坡治理研究.pdf

摘要本文对岩质边坡稳定性进行了简单分析，以及耒水小东江电站左岸滑坡治理两大方面进行了广泛而较深入的研究。主要内容概括如下：1 通过对岩质边坡主滑控制界面( 带) 、主滑带的饱和抗滑阻力余度、边坡失稳的主诱发因素、岩体结构及地质作用等因素的定量或定性的描述，将岩质边坡的稳定性分五个等级。分析岩质边坡失稳的主要动力源是古地震、古洪水、河流的改道及伴随其发生的倾向侵蚀及公路、铁路、建筑切坡脚。但边坡具备变形、失稳条件时，原地质构造应力场和自身重力场将出现新的调整，变形岩体在应力场与重力场调整过程中出现失稳，以求得该部位边坡新的平衡、稳定状态。分析岩体结构、地应力、爆破动力、水的因素、坡高、坡角、地震、边坡开挖技术等其它因素对岩质边坡稳定性的影响。2 通过对耒水小东江电站左岸滑坡体工程地质条件、性状等的研究，对其滑坡成因进行了分析。根据滑坡体稳定性分析计算结果，从安全可靠、技术可行、经济合理多方面综合比较分析，采用格构式加固体系的加固方案对滑坡体进行加固治理，并建立完善的排水系统，滑坡体施工期及运行期监测系统。关键词：边坡稳定，稳定分析，滑坡，加固a b s t r a c tac o m p r e h e n s i v ea n di n - d e p t hs t u d yo nt h et w oa s p e c t s ，i e ，t h er o c k s l o p es t a b i l i t ya n a l y s i sa n dt h el a n d s l i d eh a r n e s s e da b o u tt h el e f tb a n ko fx i a od o n gr i v e re l e c t r i cs t a t i o ni nt h el e ir i v e ri sm a d ei nt h ep a p e r t h em a i nc o n t e n ta r ea sf o l l o w s ：1 t h o u g hr a t i o n a la n dq u a n t i t a t i v ed e s c r i p t i o no fs o m em a i nf a c t o r s ，s u c ha st h er e s i s t a n c es u r p l u so fs a t u r a t e ds l i d ei nm a i ns l i d ec o n t r o l l i n gs u r f a c e ( b e l t ) a n di nm a i ns l i d eb e l t ，a n dt h ep r i m a r yc a u s e so ft h es l o p el o s i n gi t ss t a b i l i t y ，r o c ks t r u c t u r e ，g e o l o g i c a l e f f e c ta n ds oo n ，t h es t a b i l i t yo fr o c k - s l o p ei dd i v i d e di n t of i v eg r a d e s t h em a i ns o u r c e so fp o w e rt h a ta n a l y z et h er o c k s l o p el o s i n gs t a b i l i t ya r ea n c i e n ts e i s m i c ，a n c i e n tf l o o d ，r i v e rd i v e r s i o nt o g e t h e rw i t hi t sc r e d e n c ee r o s i o n ，a n dt h ef o o to fs l o p ec u tr e s u l t i n gf r o mt h ec o n s t r u c t i o no fr o a d s ，r a i l w a y sa n db u i l d i n g s w h e nt h es l o p eh a st h ec o n d i t i o n so fd e f o r m a t i o na n ds t a b i l i t yl o s t ，t h eg e o l o g yc o n s t r u c t i o ns t r e s sf i e l da n dt h es e l f g r a v i t yf i e l dw i l lb e g i nt oa d j u s tt h e m s e l v e sa g a i n i nt h ec o u r s eo fa d j u s t i n gt h es t r e s sf i e l da n dg r a v i t yf i e l d ，t h ed e f o r m a t i o nr o c kb o d ya p p e a rt ol o s ei t ss t a b i l i t yt oa c h i e v en e wb a l a n c ea n ds t a b i l i t ys t a t u s t h er o c ks t r u c t u r e ，c r y s t a ls t r e s s ，d e m o l i s hp o w e r , t h ee f f e c to fw a t e r ,s l o p e h e i g h t ，s l o p e a n g l e ，e a r t h q u a k e ，t h et e c h n o l o g yo fs l o p ee x c a v a t e da n do t h e rf a c t o r st h a ta f f e c tt h er o c k - s l o p es t a b i l i t ya r ea n a l y z e dh e r e ，2 t h o u g ht h es t u d yo f t h ee n g i n e e r i n gg e o l o g yc o n d i t i o n sa n dp r o p e r t i e so ft h el a n d s l i d ea b o u tt h el e f tb a n ko fx i a od o n gr i v e re l e c t r i cs t a t i o ni nt h el e ir i v e r b a s e do nt h ec a l c u l a t i n gr e s u l ta n df r o mt h ep o i n to ft h es a f er e l i a b i l i t y , t e c h n i c a la v a i l a b i l i t y , e c o n o m i cr a t i o n a l i t y , e t c ，t h ea u t h o rm a k e su s eo ft h er e i n f o r e e ds c h e m eo fn e t w o r kb e a mt or e i n f o r c ea n d h a r n e s st h el a n d s l i d eb o d y , a n ds e tu pp e r f e c td r a i n a g es y s t e ma n ds u p e r v i s i o ns y s t e md u r i n gc o n s t r u c t i o na n du t i l i z a t i o nk e y w o r d s ：s l o p es t a b i l i t y , s t a b i l i t ya n a l y s i s ，l a n d s l i d e ，r e i n f o r c e原创性声明本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工怍及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特另q j j i 以标注和致谢的地方夕、，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中甫大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在在论文中作了明确的说明。作者签名：关于学位论文使用授权说明本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 果留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全：部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文：学校可根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。z 仁者签名：导师签硕士学位论文第一章概述第一章概述1 1 岩质边坡稳定性分析与治理概况岩质边坡稳定性问题是岩土工程领域一大主要课题之一作为岩体力学的一个重要组成部分，其出现和发展与人类工程活动的迫切需要和有关学科的迅速发展紧密相关岩体力学发展初期，在研究岩体力学问题对，基本上采用了材料力学和简单的均质弹性理论为基础的土力学的原理和方法土质边坡稳定性的计算分析方法，被应用于岩质边坡稳定性问题的研究在这个时期，边坡稳定性的计算分析方法，其半经验理论性质及假定滑动面具有某一固定位置和形状为其显著特点例如，1 7 7 3 年的库仑( c o u l o m b ) 理论，1 8 2 0 年的法兰西斯( f r a n s a i s ) 和1 8 6 6年库尔曼( c u l m a n ) 的平面滑动面的分析方法。1 9 1 6 年彼得森( p e t t e r s o n )的只考虑粘聚力的圆柱滑动面的分析方法，1 9 2 2 年瑞典国家委员会发表的并在以后为费勒纽斯( f e l l e n i u s ) 和太沙基( t e i z a g h i ) 等人发展了近似圆弧滑动面的分析方法，1 9 2 6 年费勒纽斯的以同时考虑摩擦阻力和粘聚力及边坡土体条分为基本内容的著名的瑞典圆弧稳定分析法以及由费勒纽斯和泰勒( t a y l o r ) 等人的摩擦圆法为代表的图表解析法等等，均为世界各国所普遍采用由于第二次世界大战后世界各国水利、交通和建筑等工程的大量兴建。以及五十年代采矿事业的迅速发展，提出了大量的岩石力学研究课题，其中许多矿石边坡。路基路堑边坡，大坝坝肩和河谷岸坡等人工和自然的岩质边坡稳定性闯题也急待解决。在吸取了前阶段应用土力学原理和方法于岩质边坡工程所产生的不良效果的基础上，以及有关数学力学科学的一定发展，人们普遍认识到系统开展岩石力学研究的重要性。同时也使人们感到有必要和有可能引进一些较新的理论和方法，在这个阶段中，斯替尼( s t i n i ) ，米勒( m u l e e r ) 、罗卡( r o c h a ) 、杰格尔( j a e g e r ) 、塔洛布尔( t a l o b e r ) 、萨乌斯多维奇( s a l u s t o w i c z ) 等人开展了许多岩石力学研究工作，为岩石力学奠定了基础。这个基础，是以均质体塑性理论的极限平衡理论的普遍应用，均质体光弹试验和模拟材料模型试验的开展，以及室内小块岩石的物理力学试验大量进行为其主要特点在这一阶段中，岩质边坡稳定性问题相对于其它岩石力学课题的研究显得较差1 9 5 4 年索柯洛夫斯基( c o k o j i o b c k n n ) 根据松散介质极限平衡原理提出的边坡稳定性的数学计算方法，有别于以往的任何方法而向前迈进了一步，引起了硕士学位论文第一章概述普遍的重视。在岩质边坡稳定性问题的研究中也得到较多的应用。这种方法是以通过严格的数学推导来解决边坡在极限状态时坡面和滑动面的形状和位置为其主要内容。由于其计算工作比较复杂和繁重，实际应用也有一定的限制，因此，木欣( m y x n m ) 、斯拉戈维奇( c p a r o b n h ) 、戈鲁什克维奇( f o j i y mk e b n h ) 和费先科( q n c e h k o ) 等在原基础上进行了一定的简化，以方便应用但是，这种方法所根据的原理严重地脱离了岩体的结构特点和力学状态，其计算结果与岩质边坡的实际滑动面不相符合，从而显露出其严重缺陷。与此同时，费先科考虑了岩体中软弱结构面对滑动面的控制作用和根据松散介质极限平衡原理提出了一套岩质边坡稳定性的计算与分析方法，在研究和解决矿山边坡稳定性问题中起到一定的作用。但是，此法中采用了不够合理的静力学学条分法，从而使其计算分析结果也往往与实际情况的差别较大当在岩质边坡稳定性研究工作中，其计算分析方法存在一定的困难和问题的时候，岩质边坡稳定性的光弹性试验和相似料模拟试验则得到一定的重视。虽然所依据的试验原理不完全符合岩质边坡中的岩体结构特性和力学状态，但是，仍然取得了一定的直观的和定性或半定量的效果六十年代以后，采矿、水利、交通和建筑等工程建设更加蓬勃发展，所形成的矿山边坡，大坝坝肩和水库岸坡、铁路和公路的傍山斜坡等其规模之大，数量之多，条件之复杂是空前的法国塔罗布尔于1 9 5 7 年，1 9 5 8 年先后编著的岩石力学和岩石力学在j = g t 程中的应用两书正式出版，较系统地阐述了岩石力学研究的理论、方法和重要意义，简述这些因岩体失稳而造成的严重事故以及工程建设中出现的重大岩质边坡稳定性问题和岩石力学专著的出版等，进一步促使世界各国认识到岩体力学研究的重要性以及对岩质边坡稳定性问题研究的迫切要求。因此，为了解决工程实践中出现的岩石力学问题和促进岩石力学的进一步发展，全面地、深入地开展了将岩体视为粘弹性、弹塑性或具有裂缝的脆性介质等方面的研究，岩体的非均匀性，各向异性和非连续性的研究，岩体的流变特性及其它时间效应的研究，岩体应力应变关系和破坏机制的研究岩体的非连续性介质力学的研究，利用物探、红外线、电磁波等方法开展原地深部岩体和工程扰动区岩体的变形特性和应力状态的澳4 试研究，利用大面积高加荷能力设备开展了现场岩体力学实验研究，利用遥测技术进行现场岩体的变形、位移特征的澳5 试研究以及引进了以快速电子计算机技术为基础的有限单元法进行岩体力学的计算分析等等，这一切都标志着岩体力学进入了全面、深入的崭新的发展阶段。这些岩体力学问题的研究和测试技术的应用，促使了岩质边坡稳定性以及其它岩体力学问题等得到更有效的解决。硕士学位论文第一章概述国际性的和世界各国的有关岩体力学组织及岩体力学学术活动，对岩质边坡稳定性f 司题的研究均给予一定的重视由葡萄牙罗卡发起的世界规模最大的岩石力学组织，曾于1 9 6 6 年，1 9 7 0 年、1 9 7 4 年分别在里斯本，贝尔格莱德和美国的丹佛召开了三次国际性岩石力学大会，分别以。天然边坡和开挖边坡”，。斜坡稳定”及。地表工程”等专题对岩质边坡稳定性进行了学术交流和讨论。1 9 6 2 年在奥地利萨尔斯堡成立了。国际岩石力学学会”，在其成立前召开过多次国际岩石力学讨论会，宣读过不少有关岩质边坡稳定性问题方面的论文，例如属于这个学会的比较重视地质因素学者奥地利学派的米勒，1 9 6 1 年l o 月在萨尔斯堡召开的。岩石力学第十二次讨论会”上宣读的关于平行表面的裂缝的形成论文，就对河谷岸坡岩体应力和平行于岸边的裂缝的形成进行了较详细的讨论世界大坝会议及各种国际性的工程或学科的有关专门会议，也发表过不少有关岩质边坡稳定性问题的研究资料和论文另外，在奥地利、葡萄牙、法国、南斯拉夫、美国，苏联、日本、加拿大以及世界其他各国的有关岩石力学研究机构和大专院校，针对本国特点开展了有关岩质边坡稳定性问题的研究和教学，并取得了一定的成绩从上述有关会议提出的论文和世界各国有关机构研究的内容可以看出，自六十年代以后。岩质边坡稳定性的研究基础理论和方法等有着较大进展，在岩质边坡稳定性的计算分析方面，基本上沿着两种途径进行，一种是以极限平衡理论为基础，考虑岩体中断裂结构面控制因素，利用图解法或数学计算分析法，最后求得。安全系数”或类似“安全系数”的概念来进行岩质边坡稳定性的定量评价，如太沙基1 9 6 2 年的陡坡的稳定论文中提出的临界边坡理论 ，约翰( 1 ( w j o h n ) 1 9 7 0 年的节理岩石边坡的三维稳定性分析论文中提出的。以刚体极限平衡理论为基础的半球体图解计算分析方法”另一种途径则是以有限单元法近似地分析计算边坡岩体的变形特征和应力状态。这是一种目前公认的比较先进和有前途的计算分析方法当前还正在进一步探讨一个有别于“安全系数”的定量评价准则以及岩体作为弹塑性介质、流变介质和具有更复杂的多裂缝复合介质等的计算模型及模拟方法的研究，以促使其更加完善另外，利用物探原理进行潜在的滑动面的探测，利用应力接触法等进行坡体应力状态的测试以及开展了锚固、灌浆及其它物理化学和工程力学等的防治处理措施的研究等等。以上各种研究的特点和概况，显示了此阶段岩质边坡稳定性问题研究的新进展但是，由于边坡岩体的基本力学特征、坡体的力学状态和应力特征等研究得不够，因此，给计算分析等技术均带来一定的困难，因而目前通过各种计算分析方法所得到的结果与实际情况均有一定的差异，还必须大力研究和向前发展我国的岩体力学研究工作，解放后才有了蓬勃发展尤其在采矿，水利，交硕士学位论文第一章概述通、建筑和国防等社会主义工程建设上日新月异，提出了大量的岩质边坡稳定性等岩体力学课题急需研究解决。数学、力学和地质学以及近代测试，数值计算等技术的进展，推动了我国岩体力学工作不断前进。现阶段在理论研究和工程时间应用中均有较大的发展。在以地质力学为方向的岩体力学，偏重数学力学测试计算的岩体力学和偏重施工防治处理措施研究的岩体力学等三方面均取得了较大成绩。静力学和动力学，工程岩体稳定性和区域岩体稳定性( 包括地震) 等课题的同时开展，宏观和微观，物理力学和物理化学，测试和分析计算等的相互结合，表明了我国岩体力学进入了一个全面、深入地发展阶段，这些均为岩质边坡稳定性研究奠定了坚实基础。客观存在的地应力，对岩质边坡稳定性的直接影响和具体作用，正在引起世界各国的重视。我国在某些大中型有关岩质边坡工程建设中明显地存在地应力的作用问题，采用了地质力学和其它的分析计算方法以及有关地应力测试技术等进行的综合研究取得了良好的效果在进行岩质边坡稳定性问题研究中啪1r 2 1 j 恤1 ，我国普遍开展了有关的现场和室内的力学试验，现场物探和爆震试验，地应力测量，利用钻孔测定岩体的变形参数，光弹和相似材料的模拟试验，以及边坡岩体的长期强度和流变特性的试验研究，具有软弱夹层或多组裂隙时岩体的应力状态和破坏规律运用一定的计算模型研究等等，均取得了较大的成绩。对于岩质边坡稳定性的防治措旖以及有关防治加固材料的试验研究也取得了一定的进展岩体工程地质力学，是以地质力学相结合为其理论基础，以研究和解决与工程建设有关的岩体稳定性闯题的学科，按岩体工程地质力学的观点进行岩质边坡稳定性问题的研究时，主要是抓住岩体的结构面和结构体，采用我国杰出科学家李四光所开创的先进的地质力学原理和改进了赤平投影方法等进行岩质边坡稳定性的定性定量分析目前，某些有关单位在已有基础上，正在更深入地开展有关分析计算方法和定量评价准则等方面的研究，这是一种有别于世界各国常用方法和有发展前途的新方法由于我国露天矿山较多，采矿较大，因而在与露天矿岩质边坡的滑坡、崩塌等斗争的实践中，积累了一套岩质边坡稳定性的分析评价方法，其主要内容利用地质力学方法鉴定出控制性结构面，以力学观点分析结构面产状与边坡面产状之间的关系，确定可能的滑动面，采用平面课题的极限平衡理论以图解或数学分析对有可能的滑动面进行试算，求得具有最小稳定系数的滑动面，从而进行岩质边坡稳定性的评价在我国几个大中型露天矿运用，效果良好，目前在其他工程中也经常采用。工程实践表明，岩质边坡稳定性问题一般是属于三维课题。多种形状的滑动4硕士学位论文第一章概述楔体往往是沿着两个或两个以上不同产状的结构面滑动，并分别具有线性滑动，非线性滑动，旋转滑动或倾覆等复杂的运动状态。波尔丁( p a u l d i n g ) 、杰格尔和霍克( h o k e ) 等人以极限平衡理论为基础，提出了主要是针对四面楔形体的线性滑动的分析方法和解析方法。非线性滑动的五面体极限平衡方法，是在研究我国露天矿岩质边坡稳定性问题中。针对实际情况提出的其主要内容是利用地质力学方法确定可能滑动的结构面组合类型，也即确定可能滑动的楔体的形状和尺寸，通过分析计算确定具有最小抗滑稳定安全系数的楔体的尺寸大小，从而进行岩质边坡稳定性评价。在用于其它几何条件相类似的五面体的非线性滑动体时，可参照这种方法提供的基本原理和分析计算程序的原贝| j ，根据实际情况作出具体分析。在工程实践基础上，有学者提出了与江布( j a n b u ) 、摩根斯顿( m o r g e n s t e r n )等人相似的岩质边坡稳定性数值解析方法，并根据实践经验，提出了计算稳定安全度指标的两种基本方法。从而使其结果具有较符合客观实际的效果在岩质边坡稳定性研究中，岩体力学引进了以电子计算机快速计算为基础的有限单元法，标志着岩体力学计算分析技术向前迈进了一大步，根据理论研究和实践经验，对岩体稳定性有关问题编制了有限单元法分析计算程序，对岩质边坡稳定性问题进行了分析计算，对问题的解决得到较好的效果，并提出一些新的内容。近年来，在边坡稳定性分析方面，人们采用平面有限元法或空间三维有限元法成功的进行了某些基岩上的大、中型混凝土重力坝和矿山、库区复杂岩体边坡变形和稳定性分析呻】【“埘自从1 9 7 0 年c u n d a l 首次提出离散单元法d e a 汹1 ( d i s t i n e te l e m e n tm e t h o d ) 模型以来，这一方法已在岩土工程数值计算与工程应用方面取得了长足的进展，离散单元法的一个突出的功能是它在反映岩块之间接触面的滑移、分离与倾翻大位移的同时，又能计算岩块内部的变形与应力分布因此，任何一种岩体材料的本构模式都可以纳到模型中。d d a ( d i s c o n t i n u o u sd e f o r m a t i o na n a l y s i s ) 法是基于岩体介质非连续性发展起来的一种崭新的数值分析方法，以自然存在的节理面( 或断层等) 切割岩体形成不同的块体单元，单元的形状可以是常见的规则形状，也可以是较为复杂多面体，以各个块体的位移为未知量，通过块体问的接触和几何约束形成一个块体系统因此d d a 法可模拟出岩石块体的位移、转动、张开、闭合等全部过程据此，可见判定岩体的破坏程度、破坏范围，从而对岩体的整体和局部稳定性作出正确的评价8 0 年代以来，神经网络理论和应用研究呻儿伽在岩土工程领域得到了迅速发展，利用人工神经网络分析方法和理论，可以尽可能的将各种影响边坡稳定性和硕士学位论文第一章概述变形的各种因素分别作为输入变量，建立这些定性定量影响因素同边坡工程的安全系数中的变形量之间的高度非线性映射模型，然后用模型来预测和评判边坡的安全性，即给出其稳定和变形状态。近2 0 年来，滑坡研究特点已由过去的单个滑坡现象的描述，分类治理，发展到现在以定性描述为基础的定量预测预报研究。在各种边坡稳定性分析计算方法中都将其边界条件大大地进行了简化。计算中选用的各种参数被认为是确定的或线性变化的。对复杂现象的简单处理方法，在具体的工程实例中起到了一定的作用然而，暴露出来的缺点也勿庸置疑。实际上，不仅边坡中的各种计算参数是不确定的，而且边坡系统本身就是一个不平衡、不稳定、充满复杂性的复杂系统，其与外界环境有着不断的物质、能量、信息的交换，具有类似于天气预报的不可长期确定性预报性和短期统计失效的复杂特点。由此产生了对边坡稳定性分析评判的新思路、新理论，包括混沌理论、分形理论伽】、灰色系统m 】，数学模糊理论m 】、突变理论口”等由于党和国家的重视，在中国科学院和各产业部门的有关研究单位以及有关生产单位，或设置了边坡稳定性问题的专门研究机构，或开展了边坡稳定性问题的专题研究在地质、水电、交通、采矿和建筑等大专院校开设的有关岩体力学课程中，对岩质边破稳定性问题也有专述瞄】 剐c s s 啪3 多次召开了全国性和地区性的边坡问题的专业会议脚1c 2 7 在其他有关的学术会议上也宣读过不少的有关论文以上所述，显示了我国在岩质边破稳定性问题的研究上具有了一定的理论基础和较丰富的实践经验哺1c s g p 在社会主义建设中起到了较大的作用。随着人们对岩质边破稳定性分析研究的不断深入及工程实践经验的不断积累，人们已充分认识到边坡系统是一个极其复杂的动态的开放系统，不仅影响稳定性的因素多，而且因素之间的关系复杂，且往往是非线性的，很难或不可能用明确的数学、力学方法进行准确的描述和求解。因此，用传统的方法建立稳定性评价模型时，常常人为地作了很大的简化，仅仅选择了可测的起控制作用的主要的因素，建立函数关系，通过求解包括若干因素的状态方程，用得到的数值解作为评价边坡稳定性状态的指标，得到的评价结果显然是不完全可靠的，这些精确的分析计算方法在很多情况下是不适宜的，因为大多数的工程只需对边坡进行广义的危险性识别，对边坡作出精确的稳定性评价。正如英国伦敦皇家矿业学院e h o k e 教授在一篇总评岩质边坡和基础设计方法的文章中得出结论说阻h 设计工程师的职责不是去进行精确计算，而是进行正确的判断”在实际工作中，边坡稳定性分析有许多不确定性问题，不仅具有随机性，而且具有模糊性，很多问题都是“亦此亦彼”。因而，寻找一种能够综合众多因素且能充分发挥岩土工程专家经验的方法来解决复杂边坡工程的稳定性分析评价6硕士学位论文第一章概述问题，对边坡的稳定性分析及治理研究具有重要意义1 2 岩质边坡稳定性分析方法边坡稳定性分析方法很多，不同边坡可采用不同的力学模型与分析方法，不同的分析目的与精度要求也有不同的方法与之适应当分析精度要求不高时，可采用刚性块体稳定性分析法或s a r m a 法，分析精度要求高时，可采用有限元法或离散单元法，对滑动边坡可采用条分法，对于地震，爆破等荷载作用下边坡稳定分析采用有限元动力大位移模型分析本节介绍分析岩质边坡稳定性分析中较为普遍采用的几种方法1 ，2 1 刚体极限平衡法刚体极限平衡法的基本思路是：假定岩土体破坏是由于滑体内滑动面上发生滑动而造成的，滑动面上土体服从破坏条件：假设滑动面已知，其形状是平面、圆弧面，对数螺旋面或其它不规则曲面，通过考虑由滑动面形成的隔离体的静力平衡，确定沿这一滑面发生滑动时的破坏荷载有的方法考虑隔离体整体平衡，有的方法把隔离体分成若干竖向的土条，并对条问力作一些简化，然后考虑每一土条的静力平衡，这样可以系统地求出一系列滑面发生滑动时的破坏荷载最小的破坏荷载就是要求的极限荷载，与之对应的滑动面就是最危险的滑动面1 2 2 岩质边坡s a r m a 法岩质边坡和失稳大都是沿各种软弱结构面发生滑体在滑动过程中侧向节理面也沉淀发生相对稳定，而且侧向( 竖向) 节理而并不总是垂直的，就象传统条分法那样这时应用传统条分法已不再适用，s a r m a 博士针对节理岩体边坡失稳这一特点，提出并推导了适应这种特点的s a r m a 分析计算方法，这种方法具有以下三个特点。1 ) 可根据滑体的地质特性，结构面构造，对滑体进行按节理构造的斜分条及不等距分条，使各条块尽量模拟实际风化岩体2 ) 可较详尽的模拟侧面节理、断层造成的滑体强度特点3 ) 滑体滑动时，不仅滑动面上的各种力达到了极限平衡，侧面也达到了极限平衡s 氆r m a 法虽然在传统的极限平衡法基础上有较大的改进，但其仍然无法考虑岩体内应力应变关系，所求的只是滑面上的平均安全系数，对于岩体非均质性、非连续性及岩体中的初始应力等问题均未能作出妥善地解决7硕士学位论文第一章概述1 2 3 有限单元法有限单元法是五十年代中期提出的，六七十年代后期得到迅速发展，成为工程界广为人知的强有力的数值分析法口小”，可用来分析所有的场域问题，包含所有力学、热导学和电磁学等该方法使许多过去看来无法或难以解决的复杂工程问题迎刃而解，而且由于前、后处理的技术发展和完善，计算效益非常高另外，以前许多需要模型试验或室内足尺试验和现场大型原位试验的研究和设计问题现在都可以采用有限单元法进行数值模拟，在实际工程中的应用越来越广泛众所周知，极限平衡法将岩土体视为刚塑性体，没有也无法考虑岩土体内部的应力一应变关系，所求系数，只是滑面上的平均安全系数实际上，认为边坡破坏时，滑面上的土体都同时达到其抗剪强度，而发生整体失稳。而实践证明，稳定和变形有着十分密切的关系，边坡的失稳破坏有着发生和发展的过程，滑裂面开始于岩土体中最薄弱位置，逐渐贯穿整个滑面，在滑裂面的形成至达到整体破坏之前，常随着相当大的垂直沉降和侧向变形采用有限单元法能克服极限平衡法的不足，可对边坡岩体内部的应力与应变进行分析，通过数值模拟可揭示出边坡岩体的变形情况或破坏过程可将稳定问题与岩体内部的应力和变形状态结合起来，因而，理论上较极限平衡法合理。近年来，在边坡稳定性分析方面，人们采用平面有限元法或空间三维有限元法成功地进行了某些基岩上的大、中型混凝土重力坝和矿山、库区复杂岩体n ，边坡变形和稳定性分析设计习叫c t j 伽c 5 3 有限单元法能进行边坡岩体内部的应力与应变进行分析，通过数值模拟可揭示出边坡岩体的变形和破坏过程，理论上较极限平衡法更为合理，它可以通过给各单元以不同的力学参数来考虑岩体的非匀质性，但对其岩体内初始应力状态的处理及各岩体中节理等不连续面的模拟等问题至今仍未能够很好的解决。1 2 4 离散单元法( d n e 法)自从1 9 7 0 年c u n d a l lc h 次提出离散单元d e n ( d i s t i n c te l e m e n tm e t h o d )模型以来，这一方法已在数值模拟理论与工程应用方面取得了长足的进展二维与三维中变形离散单元法呻】【“1 亦已问世，并在岩石工程与岩石力学中得到日益增长的应用。离散单元法的一个突出的功能是它在反映岩块之间接触面的滑移、分离与倾翻等大位移的同时。又能计算岩块内部的变形与应力分布。因此，任何一种岩体材料的本构模式都可引入到模型中，例如弹性、粘弹性、弹塑性或断裂等均可考虑。方法的另一个优点是它利用显式时间差分解法( 动态松弛法) 求解动力平衡方程，这一方法用于解非线性大位移与动力稳定问题具有先天的本能，运用此法，硕士学位论文第一章概述线弹性问题与于静力稳定向题的求解仅为两个简单的特例而已。在我国，离散元方法的研究应用始于8 0 年代中期，王泳嘉“盯哳1 首次在我国这一方法于节理岩体的数据分析中，研究了放矿的数值模拟于自然崩落机制魏群婵1 研究了椭圆颗粒的离散单元法，并进行了模拟试验验证随后，阵昌伟n ”、张楚汉提出利用离散元分析岩质边坡的失稳判别标准与定义安全系数王先伦、彭岗馏3 用尉块试验验证了刚体离散元的滑移杌理。鲁军、张楚汉汹】 引完成了三维离散元的自动剖分系统并初步应用于拱坝坝肩稳定分析张楚汉、p e k a u 、金峰n 胡等还将二维可变形离散元应用于三峡船闸边坡的地震稳定性分析中离散单元法( d e m 法) 既能计算分析岩体内部的应力与应变，又能反映岩块之问接触面的滑移、分离与倾翻等大位移，对于求解岩体稳定问题也有较强的功能，但其对于岩体的非连续性问题目前暂时缺乏妥善地解决方法。1 2 5d d a 法块体系统不连续变形分析( d i s c o n t i n u o u sd e f o r m a t i o na n a l y s i s 问称d d a )就是基于岩体介质非连续性发展起来的一种崭新的数值分析方法伽h 剐阻1 嘲d d a 理论的基本思想是：以自然存在的节理面( 或断层等) 切割岩体形成不同的块体单元，单元的形状可以是常见的规则形状，也可以是较为复杂的多面体，甚至可以是内部有空洞的多连通多面体，以各个块体的位移为未知量，通过块体问的接触和几何的约束形成一个块体系统；单元体受不连续面的控制，在单元块体运动的过程中单元之问可以接触。也可以分离，单元体之间的力通过块体接触作用而相互传递，其大小可以根据力位移关系求解；在块体运动过车工内中，严格满足块体问不侵入和无拉伸条件，将边界条件和接触条件等一同施加到总体平衡方程；总体平衡方程是由系统的最小势能原理求得；求解方程组中块体当前时步的位移场、应当场及块替问的作用力反复形成和求解总体平衡方程式，即可得到多个时步后块体的位移应力及变形情况。通过这些计算，也可求得块体系统最终达到平衡时的应力场及位移场等情况以及运动过程中各块体的相对位置及接触关系因此，d d a 法可模拟出岩石块体的位移，转动、张开、闭合等全部过程。据此，可以判定岩体的破坏程度，破坏范围，从而对岩体的整体和局部的稳定性作出正确的评价块体系统运动原理；块体系统中各块体闯接触形式是多样的，其接触情况与块体本身的形状密切相关，形状越复杂，接触关系越复杂初始时，块体系统各块体按照节理相互咬合排列，按一定的形式与其它块体接触每个块体在空间上都有其固定的位置，块体间相互作用，相互约束，整个系统处于平衡状态当作用在系统上的作用力或条件发生改变时，打破了块体的原有平衡状态一些块体9硕士学位论文第一章概述在自重和外力作用下将产生加速度以及位移增量。这些块体单元的位置和形状改变将影响其它块体的受力状态，导致其它块体的变形和运动。随着块体单元的平移、转动和变形，允许调整各块体间的接触关系，接触关系的不同，其受力状态亦不同。直到作用在块体上的力与力矩都达到平衡时，块体停止运动或作匀速运动。认为岩体是非连续的介质体，其解决问题的方法与求解连续介质的方法不同，连续介质解题时，除满足边界条件时，还要求有三组方程必须得到满足，即：平衡微分方程、变形协调方程、物理方程。变形协调方程保证变形后的物体不会发生某些部分相脱离或侵入情况。本构关系即物体应力与应变之间的物理关系。在d d a 方法中不满足变形协调方程，本构关系与连续介质情况下的本构方程不同在单个块体内部满足连续介质的变形协调方程和本构关系但块体间不满足变形协调方程，块体同的本构关系是通过假定刚度来实现，块体所受的合外力与块体位移之间的关系即d d a 法中的本构关系d d a 法不仅与离散元法( d e i a ) 有许多相似之处，而且与有限元法( f e m ) 也有不少相似特点其一个时步内的求解过程更像有限元法，而在块体运动学求解方面更类似于离散元法。因此，d d a 法是兼有限元法与离散元法二者的部分优点的一种数值计算方法d d a 法既具有有限元理论基础的严密性，又具有离散元法可计算块体位移的特点，是一种很有发展前途的数值计算方法但其分析计算一般假定岩体是弹性体，对塑性、粘性体目前尚不适用，它比较适合于岩块体自身小变形的情况1 2 6 人工神经网络分析法神经网络又称并行分布式处理( p a r a l l e ld i s t r i b u t e dp r o c e s s i n g ) ，是在生物技术基础上借鉴人脑的结构与工作原理，事业数学方法，利用计算机技术发展起来的一项智能技术它具有许多引人注目的特点：大规模微电子技术系统，具有很强的适应能力，自学习，自组能力和高度线性动态处理能力，这种能力可以代替复杂的、耗时的传统算法，使信息处理过程更接近于人的大脑思维活动。h e e h t - n i e l s e n 定义人工神经网络如下噙1 ：人工神经网络是由人工建立的以有向图为拓扑结构的动态系统，它通过对连续或断续的输入作状态响应而进行信息处理神经网络理论和应用研究的迅速发展和神经网络所特有的信息处理机理，给我们在解决诸多应用领域的问题方面展示了诱人的前景可以认为，在岩体边坡工程系统分析领域内采用神经网络技术具有独特的优势n ”c 1 4 。对边坡工程的研究，传统的方法往往是在地质勘测的基础上，进行大量的试硕士学位论文第一章概述验及测试工作，逐渐量化和确定岩体的各种物理力学性态参数，确定工程荷载，依据岩体的本构模型及各种力学规律，通过解析和各种数值的分析方法，来确定材料或结构的响应，其中对岩体的各种力学规律的掌握以及对各种力学状态的描述具有严格的要求其实质是根据试验确定参数，处理本构关系，在特定条件下求解，通常的研究集中在岩体的本构( 关系) 及力学性质上，而这种性质往往又是模糊的、灰色的、不完全的，这是由边坡工程岩体是一个客观复杂系统所决定的，其已成为实际岩体工程边坡勘测施工工程分析中的瓶颈j 坷题。8 0 年代以来提出的以位移反分析为代表的岩体反分析法，基于岩土体开挖施工而表现出来的若干性态，通过确定的本构关系等力学规律而反演工程岩土体的若干力学形态指标9 0 年代以来以潘家铮院士为代表的学者，提出岩石工程反馈设计的问题，也有的称这为信息法施工方法其基于施工期逐渐明朗的地质条件及检测结果，对岩体工程进行动态设计，达到优化设计的效果反馈设计是弥补精确的分析与。粗糙”的模型假定和近似的输入信息问差距的重要途径。其中前提是对原设计的正确分析，并在反分析的基础上进行反馈设计，逐步调整以符合客观实际，从而是使工程达到安全、经济、优质、高速的良好效益高陡岩体边坡工程反馈设计研究中最重要的工作是对边坡工程施工( 或运行阶段) 所获得的全方位经验知识的学习、判断、后续施工阶段( 运行阶段) 岩体边坡工程的工作状态特别是安全进行预测，以调整优化原设计，序贯地动态反复进行反馈设计“胡瞄1 “学习”。预测”工作是高陡岩体边坡工程反馈设计方法体系中十分重要的一个方面，也构成了方法体系中的“瓶颈”人工神经网络理论由于具有强大的规模自适应，自学习、自组织并行处理能力，具有解决这一关键技术问题的能力边坡稳定及变形与分析历来是边坡工程设计及旆工中十分重要的两大问题。在边坡工程中，由于岩体自然特性的复杂性和其力学上的不完善性以及工程上的特殊性，沿用传统的方法进行岩土边坡工程稳定和变形分析，遇到很大困难，往往出现理论不尽( 难以) 符合实际的局面。而利用人工神经网络分析方法和理论，则可以尽可能地将各种影响边坡稳定和变形的各种因素分别作为输入变量。可以建立这些定性定量影响因素同边坡工程的安全系数和变形中的变形量之间的高度非线性映射模型，然后用模型来预测和评判边坡的安全性，即给出其稳定和变形状态，在此基础上给出边坡工程反馈设计优化成果人工神经网络分析法关键是样本的真实可靠性，它要求体检测或体识别的对象要尽可能地与学习样本相似，尽管神经网络具有联想的特征，但对陌生的样本识别的会出现错误硕士学位论文第一章概述1 2 7 模糊分析法自然界是一个决定性与随机性共存的复杂体。但是，传统的经典科学只看重其中的一面，其基本属性之一是严格决定论，即：假设小的扰动可以忽略不计。现代复杂性理论及“新三论”( 耗散结构理论、协同论、突变论) 的问世，打破了长期禁锢人们思维的桎梏。近2 0 年来，滑坡研究特点已由过去的单个滑坡现象的描述，分类治理，发展到现在以定性描述为基础的定量预测预报研究。在早期的边坡稳定性分析、评价、预测中，尽管方法多样，但其总体理论指导是刚体极限平衡理论或改进的极限平衡理论，而且滑坡的边界条件大大地进行了简化，计算中选用的种种参数被认为是确定的或线形变化的对复杂现象的简单处理方法，在具体工程实例中虽然也起到一定的作用，然而暴露出来的缺点也勿庸置疑。实际上，不仅滑坡体的种种计算参数是不确定和随机的，而且斜坡系统本身就是一个不平衡、不稳定、充满复杂性的复杂系统，其与外界环境有着不断的物质、能量、信息的交换，具有不可长期确定性和短期统计失效的复杂特点边坡工程中的很多问题都是。亦此亦彼”的，如认为边坡属。基本”稳定，滑体结构面“比较”发育，滑床。一般”顺层，c 值。基本”为零等等含糊不清的术语，用经典的数学手段是难以描述的，更不可能据此作复杂运算在模糊数学了提出了“隶属度”的概念，用从0 - ! 来描述由。肯定”到。否定”的过渡，这样，任何个不是完全“肯定”但也不是完全“否定”的量都可以用隶属度来度量，使这些模糊的尺度可用定量的数学方法来描述边坡稳定性分析是不确定性问题，不仅具有随机性，也具有模糊性。传统的分析方法多为定值分析法，较少考虑实际存在的不确定性，所给的安全系数，并不能反映分析对象真实的安全度和可靠性由于影响边坡稳定的因素很多，又具有很强的模糊性，因而采用模糊分析方法对边坡稳定性分析具有明显的优势。1 3 岩质边坡稳定性分析与治理研究的意义随着国民经济的发展，矿山开采，交通运输，水利水电建设和国防工程等建设工程中所遇到的岩质边坡稳定性闯题也相应的增多，为了使采掘工业适应经济建设高速发展的需要，新的大型露天矿山不断开发，原有矿山露天采场逐年加深，使边坡岩体稳定性问题更为突出。由于工程的需要，往往在一定的程度上破坏或扰动原来较为稳定的岩体而形成新的人工边坡，因而普遍的存在着许多边坡工程问题需要解决显然，从安全观点出发，要求边坡坡角越小越安全，但从经济方面看，却要求边坡具有较大的坡角因此。正确的评价在新的条件下的边坡稳定硕士学位论文第一章概述性，是工程建设符合安全、经济合理的原则，是十分重要的随着社会生产发展的要求和科学的进步，优先考虑露天开采方法已成为发展采矿工业的主要原因之一事实上，在采矿工业中露天开采所占的比重在迅速的增加，露天矿的开采深度也越来越深例如，我国某大型露天矿山，设计开采深度达6 0 0 多米。因而出现了相应深度的高边坡，这种高边坡的设计中即使比合理的边坡角缓l 度，也会造成时间和经济上的巨大浪费又如，我国某大型露天矿山，根据试验研究成果，调燕有关采场设计后，不但安全上比以前更加可靠，而且还能在减少废石剥离的情况下达到多采矿石的经济效果，为国家节省大量投资，相反，有些矿山或其他工程，由于设计不合理而造成边坡岩体移动和破坏，造成了干扰矿山正常生产和工程建设的顺利进行，给人民生命财产带来了巨大的损失，这种事例，在国内外都大量存在过去我国有些露天矿山由于不重视科学研究，盲目采用不合理的设计规范而造成巨大的浪费现象是惊人的例如某露天煤矿，于1 9 3 6 年曾发生边坡滑动事故，而当时露天开采深度仅8 0 米左右，1 9 4 5年南邦又发生了滑坡，并切断了东西提升机的运输路线，损失很大后来在1 9 5 2年至1 9 6 4 年问不仅在南邦地区先后发生规模大小不等的几次滑坡，而且西帮，西北帮也都发生过滑坡事故水利水电工程、公路、铁路的修建在施工和使用期间都发生过滑坡事故自然边坡的破坏有时也造成重大损失，例如我国某地发生第一次大滑坡，规模相当巨大，期滑落高度越1 0 0 0 米水平长度约6 7 公里，宽约2 公里，滑落面积约1 2 平方公里，滑坡堆积物约1 8 0 1 0 a 立方米边坡失稳破坏产生的滑坡、滑动、沉陷、泥石流、岩崩，这些在表面上看似斜坡岩体运动的不同表现形式，但随时都有可能带来