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学号_ 密级_ 武汉大学本科毕业论文 白鹤滩左岸边坡稳定性分析院（系）名 称：水利水电学院专 业 名 称 ：水利水电工程学 生 姓 名 ：常智慧指 导 教 师 ：荣冠 教授 二一三年六月郑 重 声 明本人呈交的学位论文，是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果，所有数据、图片资料真实可靠。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包含他人享有著作权的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确的方式标明。本学位论文的知识产权归属于培养单位。本人签名： 日期： 摘 要 白鹤滩左岸地质条件复杂，各种层间层内错动带和裂隙、断层等形成了许多不稳定的块体，这些不稳定块体的稳定性严重影响这工程的安全，因此对其进行深入的分析拥有理论意义和应用价值。 本文将介绍边坡稳定性分析的几种方法，指出其运用于边坡稳定性分析的特点，着重介绍楔体稳定性平衡和三维极限平衡分析方法，并以此两种方法进行计算，分析左岸边坡的稳定性。关键词：稳定性；边坡；三维极限平衡楔体稳定性平衡 英文摘要示例： ABSTRACT (Times New Roman 小2加粗)This paper is carried out on the basis of the 211 project-Ssmi-physical simulation system for ship motion control. (Times New Roman 小4号) Key words: motion control； autopilot； neural ；GIS（Times New Roman体小4 加粗） 目录第一章绪论11.1选题目的及意义11.2本文主要研究内容31.3边坡稳定分析方法概述31.3.1定性分析方法31.3.2 定量分析方法41.4本文研究思路及技术路线6第二章边坡稳定分析三维极限平衡方法82.1三维极限平衡方法的研究现状82.2三维楔体稳定极限平衡分析方法122.3改进的三维极限平衡方法15第三章白鹤滩水电站左岸边坡工程地质条件193.1 地形地貌193.2 地层岩性203.2.1 二叠系上统峨眉山组玄武岩（P2）203.2.2 第四系（Q）213.3 地质构造223.3.1 断层223.3.2 层间错动带233.3.3 层内错动带243.3.4 裂隙243.4 岩体质量及参数25第四章白鹤滩左岸控制性边界条件及失稳模式274.1 雾化区主要结构面分布及特征274.1.1 层间错动带274.1.2 层内错动带294.1.3 断层314.1.4 卸荷裂隙（缝）314.2 左岸主要结构面力学特性324.3 变形失稳模式33第五章左岸边坡稳定性计算355.1 计算软件的简介355.2 左岸边坡三维模型375.3 左岸边坡边界条件及组合块体395.4 块体稳定性的计算395.3.1 左岸边坡1#块体405.3.2 左岸边坡3#块体415.3.3 左岸边坡4#块体435.3.4 计算工况及参数取值455.3.5 计算结果及评价455.3.6 加固建议46第六章 结论与建议48参考文献49致谢53第一章 绪论1.1 选题目的及意义根据全国水力资源复查成果，全国水力资源理论蕴藏量为6.94亿千瓦时，年理论电量6.08亿千瓦时；技术可开发装机容量为5.42亿千瓦，技术可开发年发电量为2.47万亿千瓦时；经济可开发装机容量为4.02亿千瓦，经济可开发年发电量为1.75万亿千瓦时。全国水力资源总量，包括理论蕴藏量、技术可开发量和经济可开发量，均居世界首位。近年来，我国水电事业持续发展，为国民经济发展和人民生活提高做出了巨大贡献。我国水能资源，集中分布在西部地区。据有关方面统计，西部10省（自治区、直辖市）水能资源理论蕴藏量约5.58亿kW，占全国的84%，而从开发程度来看，西部不足10%，中东部已超过50%，东部有些省份已基本开发完毕1。其中尤以西南地区水能蕴含量最多，而西南地区多高山峡谷，给水电站的建设带来了相当大的困难。使得边坡稳定性问题成为水电站建设过程中必然要处理的问题，西南地区特殊的地形决定了大部分水电站都修建在高山峡谷区，不可避免的会遇到岩石高边坡问题，因此在水电站的建设和运行期，边坡的稳定性关系到工程的安全，一旦处理不当很可能引发极其严重的后果。工程中遇到的高边坡有天然高边坡以及人工开挖高边坡两种。边坡的处理不当，很可能引起滑坡，严重的直接造成严重的生命财产损失。1989年1月7日，正在建设的云南省大型水电站漫湾工程在开挖左坝肩的过程中突然发生一次高达100m的岩质边坡滑坡，其总体积为10.8万m，这一滑坡使电站推迟一年发电，直接经济损失超过亿元2。锦屏一级水电站左岸拱肩部位谷坡高陡，绝大部分基岩裸露。边坡中高程以上发育规模较大的软弱结构面，2 000 m高程以上部位普遍出现倾倒拉裂变形特征，边坡岩体质量差，岩体破碎，严重影响着工程的安全3。小湾枢纽区位于深山峡谷的高地震烈度区，河谷地形狭窄，岸坡陡峻，建筑物密集。为满足建筑物的布置以及施工场地的需要，形成较多的高陡工程开挖边坡，给施工带来巨大的安全隐患4。正是由于边坡的稳定在工程建设中的重要性，使其在水电站建设过程中占据突出重要的地位。边坡破坏的主要形式也是滑坡，触发滑坡的因素是多种多样的。降雨和地震是最常见的滑坡灾害的外因，人类工程活动也是导致滑坡的重要原因。常见的工程活动是边坡开挖,地下开挖也会触发地面沉降和滑坡，此外岩质边坡自身的地质条件，如岩层的走向、夹层、裂隙、岩性等，都会影响边坡的稳定性。特别是在高边坡的情况下，髙应力、陡坡度、大扰动使得问题更加复杂。水库的蓄水和放水、泄洪和自身重力对原有岩石的的影响，也有可能造成边坡失稳。金沙江白鹤滩水电站位于金沙江下游河段，位置如下图1.1。设计正常蓄水位 825 m，电站装机容量 14 004 MW。白鹤滩水电站坝型为混凝土双曲拱坝，最大坝高289.0m。泄水建筑物采用挑流消能方式，水库泄洪过程中将在下游形成强雾化降雨，这对雾化区边坡特别是左岸边坡的稳定性将造成不利影响。同时坝址区属中山峡谷地貌，地势北高南低，向东南侧倾斜。左岸为玄武岩流顺向坡，地形呈阶梯状，崩塌、卸荷等不良地质作用发育，给左岸边坡的稳定性造成较大影响，技术难度大。本文致力于研究左岸边坡的稳定性问题的分析，主要运用三维极限平衡方法来分析问题。图1.1 白鹤滩水电枢纽位置示意图1.2 本文主要研究内容本文研究内容为基于白鹤滩水电站左岸边坡的三维稳定性分析问题，涉及白鹤滩左岸边坡的地质构造、岩体质量、控制性结构面、三维楔体和三维极限平衡方法的介绍，白鹤滩左岸不稳定块体的计算，主要包含以下几个方面的内容（1）白鹤滩左岸边坡工程地质条件的确定根据已有的白鹤滩水电站的工程地质条件的资料，包括白鹤滩水电站的CAD平面图和切面图及其他地质资料，确定白鹤滩左岸的层间、层内错动带，断层，裂隙等控制性结构面的分布，确定其倾向倾角，以此为依据确定白鹤滩左岸边坡的不稳定块体的位置。（2）边坡稳定性分析方法的简介根据查阅的各种资料，对已有的边坡稳定性方法做简单的介绍，着重介绍本文中用到的三维楔体极限稳定分析方法和改进的三维极限平衡分析方法以及本文中用到的边坡分析软件Wedge和3D-slope。（3）白鹤滩水电站左岸边坡不稳定块体的计算根据已有的白鹤滩水电站的CAD平面图，建立ansys边坡模型，然后根据控制性结构面的位置在ansys模型中切出所需要的不稳定块体，运用Wedge软件和3DSlope软件计算安全系数，根据计算结果分析白鹤滩左岸的稳定性，并提出加固意见。1.3 边坡稳定分析方法概述评价边坡稳定性有多种理论与方法5，但每种方法均有优缺点。大致可以分为两大类:定性分析方法和定量分析方法,其中定量分析方法又分为确定性分析方法和不确定性分析方法。1.3.1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,从而给出被评价边坡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。常用的定性分析法见表1.1。表1 边坡稳定性定性分析法名称原理发展动态自然（成因）历史分析法分析边坡历史演变中各种变形破坏成因、规律及影响因素,依此判断和评价边坡的稳定性采用“将今论古”追溯边坡演变过程,常用于评价天然斜坡的稳定性图解法诺模图法采用诺模图表示影响边坡稳定性参数间的关系,并求出边坡稳定安全系数,作为边坡稳定性评价参考依据结合相应的参数反分析其他参数(如稳定坡角、极限坡高及结构面倾角等),目前主要应用于土质或强全风化的边坡稳定性赤平极射投影法利用赤平极射投影原理2,通过作图反映边坡失稳边界条件评价边坡稳定性得出可能产生的滑移面与坡面空间关系及稳定性,一般用于评价岩质边坡稳定性工程数据库工程类比法参照已有工程边坡稳定性状况及其影响因素,并结合有关设计与治理等经验,通过类比相似性与差异性评价边坡稳定一般在中小型工程中应用广泛,在复杂的大型工程中还存在缺陷,需与其他方法融合应用专家系统基于计算机储存的大量边坡工程资料及相关学科不同专家的知识与经验,通过计算机的模拟优化技术路径分析稳定性应能提高决策水平、节约时间,但固定的推理规则动态与复杂的系统难以适应其变化,亦不能学习与改进过去处理工程实例的方法范例推理法参照已有的工程分析研究现有的新对象,将实际工程称为源范例、研究的新对象称为目标范例由于源范例增多,可能导致相互之间不相容,还有待于研究与解决 1.3.2 定量分析方法 该法是采用土力学、岩体力学及理论力学的理论与方法,基于经典的数学物理方程与计算机技术求解稳定安全系数、计算滑坡结构体内的应力应变关系分析边坡稳定性。定量分析法可分为确定性与不确定性分析方法。（1）确定性分析方法极限平衡方法该法主要思想是将有滑动趋势范围内的边坡岩体按某种规则划分为一个个小块体,通过块体的平衡条件建立整个边坡平衡方程来分析边坡的稳定性。边坡稳定的极限平衡法可以分为二维极限平衡法和三维极限平衡法6。极限平衡分析方法很多,主要包括:Fellenius法、Bishop法、Janbu法、Morgenstern-Price法7、Spencer法、滑楔法、不平衡推力法、Sarma法8-9等。由于极限平衡法将滑体作为刚体分析其沿滑动面的平衡状态,使得计算简单。但由于边坡体的复杂性,计算时模型的建立与参数的选取不可避免地使计算结果与实际结果不吻合。 数值分析法随着计算机硬件技术的发展,很多数值分析方法开始应用于边坡稳定分析。该法在处理非均质、非线性、复杂边界边坡时,通过计算机处理获得岩土体应力应变关系,且能模拟边坡的开挖、支护及地下水渗流等以分析岩土体间及与支护结构间的相互作用。主要包括有限元法、离散元法、有限元强度折减法、DDA法等。 有限元法10是一种十分成熟的数值方法，该法为边坡稳定分析中采用较多的方法11-12,可用于求解弹性、弹塑性、粘弹塑性、粘塑性等问题。将连续系统分割为有限个分区或单元,对每个单元提出一个近似解,再将所有单元按标准方法组合为一个与原有系统近似的系统,基于等价于微分方程的积分原理组建节点平衡方程组,并利用虚功原理与最小势能原理求解。有限单元法部分地考虑了边坡岩体的非均质和不连续性，避免了极限平衡法中将话题视为刚体而过于简化的特点，能使我们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位和需要首先进行加固的部位等13。但该法受物理参数选取影响较大,不能解决岩体内大量的节理与不连续面问题,尤其不利于求解大变形、大位移、无限域、应力集中等问题. 不连续变形分析法（DDA）假定岩体由许多节理裂隙切割形成的各种形状的块体组成的不连续系统，采用变分原理建立系统平衡方程,基于最小势能原理对势能泛函取最小值求得，由石根华在1988年提出14。由于它允许块体之间相对运动,必须满足连续和不连续材料两者的物理定律。当计算的位移和变形大到足够明显的程度时,破坏机理和最终破坏模式可表现出来,因此特别适用于对块状岩体结构的稳定状态和变形破坏模式的定性评估15-17。但在分析问题时常将研究对象完全离散,不太适合连续与半连续问题的分析,同时由于岩体种类繁多、性质复杂,计算的时步对结果影响很大且耗用大量的计算机内存及计算时间.（2）不确定性分析方法 可靠度评价法它是将影响边坡稳定性的因素作为随机变量,用分布函数表达并求出其各自概率分布和特征参数,依据工程可靠性分析方法求解边坡岩体的破坏概率即可靠度18,19. 祝玉学等20对边坡随机分析进行了系统研究,为边坡可靠性分析作了大量基础工作。黄志全等21,严春风等29对岩体力学参数和强度参数的可靠性问题进行了研究。 灰色系统评价法22灰色系统理论认为,在决定事物的诸因素中若既有己知的,又有未知的或不确定的,它们所在系统则称为灰色系统23. 基于灰色关联度分析原理,通过数据处理建立描述灰色量的数学模型,确定边坡各影响因素的影响程度,并利用叠加分析评估边坡的稳定性. 陈新民24等提出了一种基于经验的边坡稳定性灰色系统分析方法,该方法所得的结果与边坡实际状态相一致,并且,该方法直观、简单、可操作性强。 模糊评价法模糊综合评价是应用模糊变换原理和最大隶属度原则,综合考虑被评事物或其属性的相关因素,进而进行等级或类别评价25。优点是能得到边坡稳定性等级分类指标,据此判断出边坡的稳定性情况,但分析中权数的取值带有经验性、主观性,考虑影响要素不全1.4 本文研究思路及技术路线本文的研究思路白鹤滩左岸边坡稳定性分析边坡稳定分析方法的简介楔体及三维极限平衡方法的介绍分析总结白鹤滩左岸边坡地质条件建立白鹤滩左岸边坡稳定性模型切出不稳定块体导出数据，运用wedge和3Dslope软件进行计算分析结果分析和比较,技术路线图如下：边坡稳定分析方法的简介白鹤滩左岸边坡稳定分析楔体及三维极限平衡方法白鹤滩左岸边坡地质条件白鹤滩左岸边坡模型白鹤滩左岸不稳定块体计算块体的稳定性结果整理第二章 边坡稳定分析三维极限平衡方法2.1三维极限平衡方法的研究现状为了更好的理解三维极限平衡方法，有必要对二维极限平衡方法有一个很好的了解二维极限平衡法分为垂直条分法和滑移线法。由于滑坡时确实存在一个明确的滑移面,天然边坡包含十分复杂的土质和边界条件,滑移线法很难实行，而条分法具有能够适应复杂的坡体几何形状,各种岩土体和孔隙压力条件的优点，因此目前边坡稳定分析领域，普遍采用垂直条分法26-28。自条分法诞生以来，经过不断改进，发展出了数十种方法,诸如Fenenius法、Krey法、Bishop简化法、 Janbu法、Spencer法和Morgenstem一Priee法等。目前,二维极限平衡法中的最新方法是sarma法,该方法的优点是可用来评价各种类型滑坡的稳定性.各个方法在分析边坡稳定的过程中，都是对整个滑动楔体及其每个条块考虑力和力矩的平衡，并结合 “摩尔一库仑”破坏准则来解决问题,但由于未知数的个数大于方程的个数，并不能充分解出所有未知 数29-33。为了使问题静定可解，不同的方法提出了不同的假定，以增加方程数目减少位置数数目。总结起来主要涉及两个方面：（1）土条间作用力方向、位置的假定；（2）滑面上反力分布假定。运用这些不完全的假定，各条分法提出各自计算安全系数的表达式。下面为二维极限平衡条分法一般情况下受力与定解条件。见表2.1，其中n为所划分条块数。不同的方法满足不同的平衡条件，如有的仅满足力矩平衡，有的只满足力的平衡，有的力和力矩平衡都满足。各条块条间侧面作用力的位置及关系的假设条件也不同，有的假定条件作用力合力与滑面平行，有的假定垂直条间作用力等于零。这就要求我们根据滑坡体的情况，选择条件相似的计算公式。Duncan等(1996)通过实例研究表明:对于满足所有平衡条件(力平衡和力矩平衡)的方法,其假定对安全系数的影响不大;而对于满足力平衡条件的方法,其安全系数在很大程度上受到表2.1一般二维极限平衡法的定解条件未知量及个数方程及其个数安全系数F1x方向力平衡方程n各土条底部法向反力ny方向力平衡方程n法向反力位置n土条力矩平衡方程n各土条底部的剪切力n满足“摩尔一库仑”准则方程n各土条界面的法向合力n-1各土条界面间合力n-1各土条界面的合力作用点n-1合计6n-2合计4n条间侧向力方向的假设不同的影响。同时其他研究者(如Speneer,1967:Sarma1979:ChingandFryman,1983:LenshehinskyandHuang1991,等),对上表所列部分二维极限平衡方法及其稳定性计算方法的计算精度也做了大量分析研究工作,结果表明对于滑坡体以简单平面应变问题考虑,对多余未知量进行某种假定而求出一系列安全系数后发现:凡是假设满足合理性要求的,其相应安全系数相互差别都不大。也就是说,从工程实用角度看,在众多方法中引进的假设对于最终求得的安全系数值影响不大,因而我们评价滑坡体稳定性时,只要选条件相类似的计算公式就能得到较为合理的安全系数34-37。近年来一些研究者(ehsng 1992；zhang 1992 1994；Miehalowski 1995)把弹塑性理论引入方程，将有限元思想和极限平衡思想相结合，使该模型满足所有的平衡条件，屈服条件和条间协调条件，不需要对条间力做任何假设。这方面国内外许多学者(丰定祥等,1990;栾茂田等，1992,1995；张雄,1994；杨松林等,1999)已做过大量研究探讨,得出一些有益的成果。用这些改进的方法,使得计算结果更为可靠,更能较真实的反映滑坡体所处状态38394041。目前为止，二维极限平衡方法虽然已经发展的想当完善，但由于边坡滑动本来就是三维问题，使得二维极限平衡方法必然会有局限性及不完善性。一个显而易见的缺点就是用一个剖面的稳定性来代替整个滑坡的稳定性，这很难反映整个边坡的稳定性情况；忽略滑体两端的抗滑力，在滑体较短时会产生显著影响；不能够考虑滑面曲率的影响，也不能够考虑滑坡边界的地形、地质和其他条件对滑体的稳定性影响，而且在某些情况下必须要用三维分析方法，二维极限平衡分析方法并不适用。对于边坡稳定三维极限平衡法的研究，已有众多的相关研究和文献,Duncan(1996)曾经总结了20篇文献资料,列举了这些方法的特点和局限，详见表2.2。可以看出,为了使问题变的静定可解,各种三维极限平衡方法均引入了大量假设42。Lam & Fredlund 计算了以物理和力学要求为基础可建立的方程个数，给出了滑坡体剖 分为 m 行 n 列时条柱未知量和已知量的关系，其中，已知量为 4mn+2，未知量为 12mn+2，需要引入 8mn 个未知量43（Lam，Fredlund DG，1993）。在过去的三十多年间,已有许多学者致力于滑坡稳定性的三维分析方法研究。1969年Anagnosti最早提出用楔形体来代替Morgenstern一Priee法(1967)中的二维条分,扩展为三维分析,求得的安全系数提高了50%。其后,又有各种方法产生,其分析思路主要有两类:一种是将滑体作为整体来分析,确定其安全系数;另一种是将坡体剖分成一个个小单元体(三棱柱和四棱柱),以小单元体作为研究对象,利用极限平衡条件进行分析,计算其稳定系数44-47。我国学者在这方面也做了大量工作，冯树仁等在(1999)年提出的三维极限平衡法可看为二维简化Janbu法在三维条件下的扩展,在满足每个条块沿垂直方向力的平衡,并根据沿下滑方向的整体力的平衡求解安全系数4849。陈祖煜等(2001)年提出方法是二维Spenoeer法在三维条件下的扩展。是在保证滑坡体三个方向的静力平衡的同时,还增加了一个整体力矩平衡条件50。Huang和Tsai(2000)首先定义了一系列安全系数,忽略条柱间沿竖直方向的所有剪力,然后只考虑沿竖直方向的静力平衡,此方法可以看为二维BIShop法在三维条件下的扩展,条柱的滑动方向也作为求解的一部分51。滑坡三维极限平衡计算方法发展至今，虽然有了一定的发展,但这些方法有的存在计算精度的问题,有的存在实用性的问题。因为现有的滑坡稳定性三维极限平衡分析所运用的条柱法,都可认为是一种简化方法,这些方法大多忽略条柱间作用力,并且这些简化方法的运用都是基于二维极限平衡法分析时所获得的经验，这也导致了许多方法存在局限性。 表2.2 三维边坡稳定分析方法(Duncan,1996)作者方法强度边坡/滑面几何条件三维效应Anagnosti(1969)改进Morgenstern & Price法c,均无限制有算例得F3=1.5F2Baligh and Azzouz(1975)改进圆弧法=0简单边坡/旋转面F3F2Giger and Krizek(1975)理想塑性的上限定理c,有角边坡/对数曲线F3F2Giger and Krizek(1976)理想塑性的上限定理c,边坡同上,坡顶有荷载F3F2Baligh et al.(1977)改进圆弧法=0简单加载边坡/旋转面F3F2Hovland(1977)改进普通条分法=0均无限制某些情况下F31.071.3F2Chen and Chameau(1982)改进 Spencer 法和有限元法c,均无限制Spencer 与有限元结果接近Chen and Chameau(1983)改进 Spencer 法c,均无限制某些情况下F3F2Dennhardt andForster(1985)滑面假定 sc,边坡加载/无限制某些情况下F3F2Leshchinsky et al.(1985)极限平衡和变分法c,无限制F3F2Ugai(1985)极限平衡和变分法c,垂直边坡/圆筒形F3F2Leshchinsky andBaker(1986)极限平衡和变分法c,在第 3 维上限制/无限制F3F2，当c0F3=F2,当c=0Baker andLeshchinsky(1986)极限平衡和变分法c,圆锥形/无限制F3F2Cavounidis(1987)极限平衡法c,无限制F3F2Hungr(1987)改进 Bishop 法c,无限制/旋转面F3F2Gens et al.(1987)改进瑞典圆弧法=0简单边坡/旋转面F3F2Leshchinsky andMullett(1988)极限平衡和变分法c,有角垂直边坡/无限制F3F2Ugai(1985)改进普通条分法和Bishop，Janbu 和 Spencer法c,无限制F3F2普通条分法除外Xing(1988)极限平衡法c,无限制/椭圆形F3F2Michalowski(1989)塑性极限动力分析理论c,无限制F3F2Seed et al.(1990)二、三维 Ad hoc 法c,特例:Kettleman 山破坏F3F2相关内容参考有关文献2.2 三维楔体稳定极限平衡分析方法先建立一个空间直角坐标系，设z轴与重力方向相反，x和y分别为正东和正北方向。图2.1为某一楔体稳定性分析的示意图，其交棱线的矢量为J。这里我们引入一个符号ma,b,向量a在向量b上的投影可以用该两向量的点积ab来代表。定义为 ma,b=ab （2.1）图2.1楔体稳定性分析示意图图2.2 作用在与交棱线j垂直的剖面上的力假定楔体底滑面滑动的剪切力平行于交棱线，这样，我们考察一个与交棱线j垂直的剖面，将作用在改楔体上的力投影到这个平面上，可得到以下两个方程。Nl+Ul+mnr,nlNr+Ur+mw,nlW+mv,nlV+mt,nlT=0 （2.2）Nr+Ur+mnl,nrNl+Ul+mw,nrW+mv,nrV+mt,nrT=0 （2.3）从中可解出Nl和Nr：Nl=qW+rV+sT-Ul （2.4）Nr=xW+yV+zT-Ur （2.5）对于楔体上力的符号做如下规定：W楔体重量，单位向量为w，Nl平面A上的有效法向反力，沿平面A的内法线方向，单位向量为nl；Nr平面B上的有效法向反力，沿平面B的内法线方向，单位向量为nr；Ul平面A上的水压力；Ur平面B上的水压力；V拉裂缝的抗拉力和拉裂缝中水压力总和；单位向量为v,T外力，包括表面分布或集中荷载、地震力、锚固力以及拱推力单位向量为t；S沿着交棱线方向的下滑力，单位向量为j上式中：q=(mnl,nrmw,nr-mw,nl)/(1-mnl,nr2) （2.6）r=(mnl,nrmv,nr-mv,nl)/(1-mnl,nr2) （2.7）s=(mnl,nrmT,nr-mT,nl)/(1-mnl,nr2) （2.8）x=(mnl,nrmw,nl-mw,nr)/(1-mnl,nr2) （2.9） y=(mna,nbmv,na-mv,nb)/(1-mnl,nr2) （2.10）z=(mnl,nrmt,nl-mt,nr)/(1-mnl,nr2) （2.11）沿交棱线向下作用的下滑力S由作用在楔体上的力通过在j方向上的投影求出： S=mw,jW+mv,j+mt,jT （2.12） 边坡的安全系数F由下式定义。F=clAl+crAr+Nltanl+NrtanrS （2.13）式中：c和分别为滑面上的凝聚力和摩擦力。2.3改进的三维极限平衡方法(1) 坐标系与滑体剖分三维极限平衡方法采用垂直条分法。坐标系如图2.3所示，OXY在水平面内，X轴与滑动方向一致，与Y，Z轴构成右手系，Z轴铅直向上。以一组等间距的、平行于OXZ的平面，与另一组等间距的、平行于OYZ的平面将滑体剖分成垂直条块组成的体系。图2.4所示任意一个条块，其顶面是坡面的一部分，底面则是滑动面的一部分。和分别为条块底边OA和OC与水平面的夹角，为条块底面法向与铅垂向夹角。 图2.3 滑体与坐标系 图2.4 铅垂条块与受力情况(2) 作用在条块上的力忽略条块四个侧面上的垂直向剪力，当考虑滑体的重力、静水压力以及水平地震惯性力等荷载情况时，作用在条块上的力如图2.4所示。其中：条块的重力；条块底面（即滑面）上的水压力；与X轴正交的两个侧面上水压力代数和（沿X轴方向为正）；条块顶面（即坡面）上水压力（垂直于坡面的方向为正）；沿X轴向（即主滑向）的投影，与OX方向相反时为正；沿Z轴向（即铅垂向）的投影，向下为正；水平地震惯性力（沿x轴方向为正）；条块底面上的抗滑力；条块底面上的法向反力；分别为条块四个侧面上的法向力；分别为条块四个侧面上的水平剪力。(3) 计算公式利用铅垂方向力的平衡条件，以及沿滑动方向（）力的平衡条件，在整个滑体范围内，确定安全系数。设分别为条块滑面的粘结力、摩擦系数、条块的底面面积。 (2.14)由铅垂向力的平衡： (2.15)可得到 (2.16)沿方向力的平衡，对于条块（），可写出 (2.17) (2.18)条块间相互作用成对出现，大小相等，方向相反： (2.19)对全部条块块求和，有 (2.20)可以得到安全系数三维公式： (2.21)安全系数K值通过迭代求解。由于公式使用力的平衡条件，所以适用于一般形状的滑面，也适用于球面滑面。(4) 滑动面类型三维计算模型中有多种曲面，包括坡面、水位面、岩层分界面、天然不连续面以及断层、岩脉、节理裂隙等地质结构面的组合。有的呈规则形状的光滑数学曲面，即可以用简单的数学公式在计算模型中表述；有的形态复杂，建立计算模型时，只能通过离散点数据进行函数拟合，以近似的数学曲面逼近复杂的地学曲面。在计算模型中可以考虑的潜在滑面主要包括如下3种类型：已知滑裂面，即不连续面；由剪切作用的球面或椭球面；由不同结构面形成的组合滑裂面。(5) 滑动方向滑动方向主要取决于滑体的几何形态、结构面产状特征及其与荷载作用相互关系。工程地质调查和勘探可以初步判断滑动方向，若要精确定量确定滑动方向，还要进行主滑方向搜寻计算。根据地质资料和实践经验，相对X轴选取范围作为潜在主滑向搜寻范围，从中搜寻出安全系数最小者对应的滑动方向，即为滑体主滑方向。第三章 白鹤滩水电站左岸边坡工程地质条件3.1 地形地貌白鹤滩坝址在区域上位于青藏高原东南缘，该区总体可分为两大地貌单元，以锦屏山小金河断裂为界，西北属于青藏高原，主要由海拔4000m以上的高山和高原组成；东南属于云贵高原，由海拔15004000m的高原和中高山组成。区内地貌呈现出西北高而东南低的特征。坝址区自大寨沟沟口上游600m起，至神树沟沟口下游500m止，全长约2.5km。坝址区属中山峡谷地貌，地势北高南低，向东南侧倾斜，金沙江自南向北流经坝址。左岸为大凉山山脉东南坡，山峰高程2600m，整体上为向金沙江倾斜的斜坡地形，其中9001100m高程以下为陡崖区，以上则呈缓坡地形；由玄武岩似层面结构构成似层状边坡，为斜顺向坡。金沙江由南向北流入坝区，谷坡左岸相对缓慢，河谷呈不对称的“V”字型。枯水期水面宽51110m，上游水位约595m，下游水位约585m，水深918m不等，水流湍急，常年浑浊。由于第四纪地质历史以来河流剧烈下切，导致河谷两岸岸坡陡峻。左岸为玄武岩流顺向坡，地形呈阶梯状，崩塌、卸荷等不良地质物理地质现象发育，在陡壁底多见松散的崩积物。左岸边坡谷肩高程由上游至下游逐渐增高；谷肩以上总体表现为斜坡地形，被NW向陡崖切割成3块相对独立的斜坡，斜坡倾向SE，倾角20左右，沿岩流层层面发育；谷肩以下为临江陡壁与缓坡相间地形，陡壁高度由上游至下游逐渐增高。陡壁间发育有宽度相对较窄的缓坡台地，缓坡台地一般为某一岩流层间或层内剥蚀面，其上主要堆积了上一级陡壁岩体的崩坡积物。左岸冲沟不发育，呈季节性流水。河谷左岸，岸坡岩体受NW向及NE向节理切割，与层内缓倾结构面组合，受后期风化、卸荷作用及地表（下）水径流等综合作用下，局部岩体松弛，形成多处不稳定块体。图3.1 白鹤滩水电站左岸边坡3.2 地层岩性白鹤滩水电站左岸边坡主要出露二叠系上统峨眉山组玄武岩（P2），第四系松散堆积物主要分布于河床及缓坡台地上。地层分述如下：3.2.1 二叠系上统峨眉山组玄武岩（P2）坝址峨眉山组玄武岩，以岩浆喷溢和火山爆发交替为特征，具有多个喷发旋回，表现为中心式喷发及裂隙性、间歇性喷发等两类。根据喷溢间断和爆发次数共分为11个岩流层(P21P211)，坝址左岸边坡主要出露1 4岩流层。11个岩流层中，前六个岩性层的厚度较大，而后五个岩性层的厚度较小。在整个岩系中，熔岩（包括角砾熔岩）的累计厚度大于1489m，占总厚度的97.5%；火山碎屑岩的累计厚度为18.3m，占总厚度的1.2%；沉积火山碎屑岩的总厚度为20余m，占总厚度的1.3%。岩系向南东倾斜，倾角为1220。每个岩流层自下而上一般为熔岩、角砾熔岩，顶部为凝灰岩，熔岩主要为斜斑玄武岩、隐晶质玄武岩、少量微晶质玄武岩、杏仁状玄武岩，以及隐晶质玄武岩中发育的柱状节理玄武岩。玄武岩岩性主要分为含角砾(集块)玄武岩、斜斑玄武岩、隐晶(微晶)质玄武岩、柱状节理玄武岩、杏仁状玄武岩、角砾熔岩、玄武质碎屑砂岩、凝灰岩等八种3.2.2 第四系（Q）坝址区内的第四系地层主要有上更新统冲洪积、坡积形成的含泥碎石层（Q3apl）及全新统的冲洪积层（Q4al ）、洪积物(Q4pl)、崩坡积物(Q4col+dl)和残坡积物(Q4edl)。冲洪积层（Q4al ）：主要分布于金沙江河床内，为孤（漂）石及砾石层，局部为含泥砂砾石层。据河中钻孔及物探测试资料，冲积层最大厚度为58.60m。洪积物(Q4pl)：主要分布于华东院基地上游高程750850的缓坡，为表层含砂的碎(块)石，碎石杂乱堆积，局部成层，整体较密实。厚度510m。崩坡积物(Q4col+dl)：由块石、碎石等组成，成分为玄武岩。空隙间充填少量土壤，块石直径一般0.55.0m，厚度一般520m，广泛分布于两岸边坡陡壁的坡脚处。残坡积物(Q4edl)：黄褐、棕红色壤土夹碎石，碎石直径25cm，含量30%40%，结构稍密。厚度一般是25m，最厚达40m。主要分布于两岸边坡谷肩以上的缓坡、阶面上。图3.2 白鹤滩水电站左岸堪线地质剖面图3.3 地质构造白鹤滩水电站的大地构造位置处于扬子地台西南缘与青藏高原东南缘的结合部位。坝区外围东侧为莲峰巧家断裂，南侧为小江断裂带北部，西侧为凉山南北断裂带的南段和则木河断裂带的东南段，这些区域断裂带和北北西南南东方向的区域构造应力场控制了坝区地质构造的基本格架。白鹤滩坝址区岩层产状一般为N3555E，SE1520；左岸高程高程11001300m岩层稍有变陡趋势，岩层倾角为2225。坝址区地质构造主要有原生构造（流面、流线及柱状节理等）、断裂构造（断层、层间层内错动带、裂隙等）及褶皱构造等，以下主要对为断层、层间错动带、层内错动带和裂隙进行简要介绍。3.3.1 断层白鹤滩坝址区玄武岩喷发后的演化历史划分为燕山期和喜山期，断层按走向主要可分为主要发育N5070W、N1130W、N3160E等三组。断层的共同特征是：普遍具有60以上的陡倾角，性质以走滑为主，在地表的延伸长度一般不超过1.5km，在剖面上，深度一般不超过1.0km。坝址区主要断层分布见图3-3。坝区控制性断层在地表具有明显的冲沟地貌特征，左岸多在断层出露部位形成凹槽。左岸平硐内揭示的断层规模较大，其张开较宽，岩体破碎程度较高，数量较多； N5070W向的断层在坝区最发育，出露长度在3003000m；宽度0.55.0m；倾向NE或SW，倾角6590，雾化区的内F13、F14、F16、F20、F34、f114均属于该组。断层破碎带内普遍节理化及发育碎裂角砾岩等构造岩。N1130W向断层破碎带宽度一般在0.50m之内，带内岩石为碎裂角砾岩，延伸长度在800m之内，代表性的断层为F18、F19、F33、f110。N3160E向断层以F17为代表，断层内劈理化带、破碎岩及断层泥发育，并有石英及方解石脉，破碎带宽度0.33.0m，倾向NW为主，倾角6580。图3.3 白鹤滩坝区主要断层分布图3.3.2 层间错动带白鹤滩坝址二叠系玄武岩内发育的层间错动带是岩流层顶部较软弱的凝灰岩(或凝灰质角砾岩)在构造运动过程中发生破碎、错动，从而形成凝灰质的破碎夹层，并在地下水及风化作用下软弱甚至泥化，是各岩流层顶部的缓倾角、贯穿性结构面。层间错动带产状与岩流层产状一致（N4050E，SE1520），厚度1060cm，主要由角砾化构造岩及碎裂岩组成，局部夹断层泥，为坝区主要软弱结构面，是河谷边坡块体滑移的控制性底滑面。左岸山体主要由P23和P24岩流层构成，层间错动带主要为C3-1、C3，发育于谷肩以下第一个陡壁的坡脚，在地表形成斜坡地形，上覆其上部边坡的崩坡积物；谷肩以上构成斜坡面的C4已被剥蚀；C2地表出露与边坡的下游侧，在勘2线没入河床，坝基附近深埋于河床高程500m以下。3.3.3 层内错动带层内错动带是指玄武岩各岩流层内发育的顺层或小角度切层错动构造。各玄武岩层内存在岩性接触面、原生微裂隙带等，在构造作用下，形成层内错动带。与层间错动带相比，层内错动带的发育规模、分布、形态、形状等具随机性和复杂性、其发育程度与岩性、构造部位等有关。由于坝区玄武岩具有多层位、不同岩性层相互叠置且厚度变化大，其它构造的发育程度和卸荷、风化等后期改造程度的不同，使得层内错动带的发育、分布十分复杂。层内错动带大多沿角砾熔岩与隐晶质玄武岩的接触面发育，第三岩流层中部的柱状节理玄武岩中，错动带的发育程度明显高于其它地层，隐晶质玄武岩层内错动带较杏仁状玄武岩、斜斑玄武岩等岩层发育，角砾熔岩中层内错动带不发育。层内错动带在一定的范围内连续，延伸至两岸的不多，一般与岩流层产状近平行。错动带一般呈单条出现，局部以缓倾角裂隙带的形式出现。错动带的形态小范围内较平直，大范围则呈波状弯曲。左岸P232 P233层内错动带间距510m左右、其他层位为1017m。地表延伸长度100500m，LS331、LS337、RS336为代表。3.3.4 裂隙坝区裂隙按成因主要有三类：原生裂隙、构造裂隙和卸荷裂隙，其中原生裂隙主要为柱状节理玄武岩的柱状节理及柱体中的微裂隙，原生裂隙一般单条裂隙延伸长度有限，且仅限于单个柱体内，构造裂隙广泛发育于坝区范围内，而卸荷裂隙则主要沿顺河向或北西向陡壁发育，大多沿NNW、NE、NW向裂隙改造而成。总体而言，坝区裂隙的发育程度与岩性条件有关，角砾熔岩中裂隙极少，杏仁状玄武岩、斑状玄武岩发育少量节理，隐晶质玄武岩、柱状节理玄武岩中，裂隙较发育；同时，受缓倾角错动带的影响，在错动带上盘裂隙发育相对密集，下盘相对不发育；另外，岩体经风化后呈现扩张裂隙，弱风化带内的裂隙发育程度明显大于微风化带内的岩体。3.4 岩体质量及参数岩体是具有一定结构面的地质体，岩体质量主要受控于岩石性质、岩体结构、岩体的赋存环境，综合考虑这些因素的影响，坝址区二叠系峨眉山玄武岩岩体大体可分五类，其中和类岩体相对较稀少，岩体主要集中于、类，尤其以、类岩体为主，类、类岩体又细分为1类、2类，1类和2类等亚类，各主要岩体类别基本特征如下：1类：主要为斜斑玄武岩、隐晶质玄武岩、杏仁状玄武岩，岩质坚硬，无卸荷作用，岩体微新或弱风化下段，呈块状次块状结构。该类岩体声波波速4900m/s。2类：主要为第二类柱状节理玄武岩，岩质坚硬，无卸荷作用，岩体微新，呈镶嵌结构。该类岩体声波波速5300m/s。1类：对于斜斑玄武岩、隐晶质玄武岩、杏仁状玄武岩，若为微新无卸荷岩体，呈镶嵌结构，若为微新弱卸荷岩体，呈块状次块状结构，若为弱风化下段弱风化岩体，呈块状结构；对于角砾熔岩岩质则较坚硬，岩体紧密，微新状态，无卸荷，呈块状结构。该类岩体声波波速在45004900m/s。对于柱状节理玄武岩，第一类柱状节理玄武岩岩质坚硬，微新状态，无卸荷，呈柱状镶嵌结构；第二类柱状节理玄武岩岩质坚硬，若为微新弱风化下段无卸荷，呈镶嵌结构，若为微新状态弱卸荷，呈次块状结构。该类岩体声波波速在50005300m/s。坝区岩体从地形地貌、地