地质灾害防治的理论与实践(黄润秋)

第一讲第1张,地质灾害防治的理论与实践,黄润秋,成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室,第一讲第2张,内容,概述滑坡、边坡灾害的特点岩石高边坡稳定性问题地质灾害治理工程设计地质灾害治理工程的几个关键理论问题分析基于变形理论的地质灾害防治工程设计SlopeCAD简介典型实例,第一讲第3张,概述,我国是一个地质灾害频繁发生的国家,尤其是西南西北地区,特殊的地域环境(青藏高原的东部)和地质条件，致使地质灾害肆虐。据不完全统计，我国仅滑坡、崩塌等崩滑地质灾害所造成的直接经济损失每年就在250亿元人民币以上，并且，随着近年来人类工程活动的深度和广度的不断增加，上述统计数字还在呈加速增长的趋势。,第一讲第4张,复杂的地貌景观,第一讲第5张,活跃的岩石圈动力环境,断裂的强活动性高地震烈度背景高地壳应力环境,第一讲第6张,复杂的场地地质条件,高陡地形条件复杂的构造演化历史及断裂体系多变的岩（土）体结构特征不均匀的地下水赋存状况高地应力环境强烈的河谷下切历史,第一讲第7张,极不均匀的降雨分布,Warmandhumidairflow,Dryandcoolairflow(northwestmonsoon),(Southwestmonsoon),第一讲第8张,退化的生态环境,第一讲第9张,西电东送,青藏铁路,西气东输,南水北调,第一讲第10张,地质灾害防治与地质环境保护的主题,人类活动正从不同的方面影响着我们居住的岩石圈地壳表层，从而给原本脆弱的地质-生态环境带来巨大的冲击。这种冲击来自于以下几方面的效应：开挖与堆填效应；大型水体效应；生态退化效应；环境变异效应。对这些效应的估计不足或处置（控制或规避）不当，其结果往往导致地质环境的变异，从而反过来作用于人类活动这个主体，导致灾害的发生。这就是“人-地”关系的失调。,概述,第一讲第11张,地质灾害防治与地质环境保护的主题,协调“人地”关系,目标和任务,社会经济的可持续发展,概述,第一讲第12张,概述,中国东部丘陵，平原地面变形为主,中国北部大兴安岭北段山区和西部青藏高原岩土冻融为主,中国北部内陆高原、盆地沙漠化、盐渍化,中国中部高原，山地斜坡变形为主,第一讲第13张,概述,第一讲第14张,溪口滑坡,位置:重庆华蓥溪口镇日期:1989.7.1体积:1,000,000m3边坡类型:反倾+风化壳诱发因素:暴雨损失：死221人,第一讲第15张,易贡滑坡,易贡乡位于波密县境内念青唐古拉山脉的深切峡谷之中，海拔2200米左右,气候湿润,原始森林茂盛,植被覆盖好。两侧高山海拔5000米以上，冰川发育。,第一讲第16张,2000年4月9日20时05分，西藏自治区波密县易贡乡扎木弄沟发生巨大山体崩滑，约3000万立方米的崩滑体强大的冲击力触发了沟内沉寂多年的松散堆积物，瞬间形成高速-超高速块石碎屑流。,第一讲第17张,这一高速滑坡体以锐不可挡之势，扫荡沟谷两侧山体,在短短的2-3分钟里,垂直运距近3000米，水平运距约8500米，倾泻于易贡湖出口处，形成了长达4.6km,前缘最宽近3km，高达60m的一道喇叭状的天然“大坝”，堆积方量约3亿米3。,第一讲第18张,“大坝”使易贡藏布断流，引起易贡湖水上涨，水位日平均涨幅0.95米，最高涨幅达2.37米。至6月10日19时50分，湖水面水位上涨达55.36m,拦蓄水量达30亿米3以上，湖区面积达70平方公里。此次在易贡乡扎木弄沟暴发的特大型崩塌滑坡,规模之大,速度之快,为国内之最，世界罕见。,第一讲第19张,上涨湖水淹没的村庄,第一讲第20张,第一讲第21张,抢险救灾，开渠疏浚,6月8日6时40分，易贡湖水沿导流明渠开始下泄。流速为2.0米/秒，流量为2.43米3/秒。当日8时50分，泄流顺利通过通麦大桥。但由于上游来水过大，明渠导水有限，导致泄水后62小时内易贡湖水仍持续上涨了5.94米，同时渠尾开始下切，局部出现坍塌。,第一讲第22张,第一讲第23张,云阳滑坡,位置:云南陨阳日期:1996.6.1体积:500,000m3边坡类型:缓反倾诱发因素:暴雨+采矿损失：死300余人,第一讲第24张,岩口滑坡,YingjiangCity,WujiangRiver,Site:Yinjiangriver,GuizhouProv.Date:July18,1996Volume:7,000,000m3Slopetype:SubsequentMansactivity:Quarryingatslopefoot,位置:贵州印江日期:1996.7.18体积:15,000,000m3边坡类型:顺倾诱发因素:采矿损失：3000人受灾,第一讲第25张,岩口滑坡,第一讲第26张,Rockfilldam,70m,Capacity:60,000,000m3,第一讲第27张,沙冲路滑坡,位置:贵州贵阳日期:1996.12.4体积:20,000m3边坡类型:顺倾诱发因素:修路切坡损失：死38人,第一讲第28张,公路边坡、滑坡,九十年代以来，随着我国经济建设的发展和西大开发战略的实施，高等级公路得到了飞速的发展，联通全国主要大中城市的“五纵七横”国家高速公路网正在形成；西部地区长达1.5万公里的高等级公路也正在加紧建设之中。大量的高等级公路要穿越地形条件复杂的山区，尤其是西部地区的高等级公路。实际上，在我国已修建的山区高等级公路中，几乎是“无路不坍、无路不垮”，特别是在雨季，公路的坍方、滑坡等地质灾害更为普遍。可见，地质灾害的防治已成为我国山区高等级公路建设中的重大工程问题。,满洲里,哈尔滨,乌鲁木齐,呼和浩特,二连浩特,北京,沈阳,长春,丹东,大连,青岛,连云港,济南,徐州,淮阴,上海,宁波,南昌,台北,长沙,衡阳,南宁,海口,香港,澳门,广州,韶关,同江,绥芬河,厦门,高雄,昆明,霍尔果斯,格尔木,拉萨,瑞丽,河口,友谊关,北海,湛江,桂林,西安,重庆,银川,太原,石家庄,天津,烟台,西宁,兰州,成都,珲春,三亚,唐山,国道主干线,南京,合肥,武汉,郑州,杭州,福州,贵阳,珠海,深圳,第一讲第30张,公路滑坡,第一讲第31张,公路滑坡,照片108过境段K10边坡锚索破坏,第一讲第32张,照片广南K28右下边坡挡墙错位,照片广南K28边坡基坑中近水平擦痕,公路滑坡,第一讲第33张,三峡工程,DAM,FENGJIE,CHONGQING,Beijing,三峡库区地质问题远比坝区复杂，库区存在近1500个较为重要滑坡、崩塌，如重庆、丰都、忠县、开县、万县、云阳、奉节、巫山、巴东、秭归和兴山等迁建城镇不同程度地受到地质灾害的威胁。今后遇到的重大问题往往是不良地质条件所致。,第一讲第35张,三峡库区的地质灾害可划分为三大阶段：1993年以前，主要以自然地质灾害为主，包括人为工程活动；19932003年，由于大规模的移民迁建，出现了大量的高陡边坡和大量的人工弃碴，特别是为数不少的自然滑坡被切脚或拦腰斩断，促使了滑坡的进一步失稳；2003年以后，特别是20032009年期间，库水位将由135m上升至175m，加上第三期60万移民迁建安置，滑坡等灾害形成高潮，这一过程将延续到2020年以后。,三峡工程,黄土坡滑坡,二道沟、三道沟滑坡1995年6月10日发生的二道沟（平湖路）滑坡（4.6万m3），从勘查、治理获取的资料分析，系地下水排泄不畅，形成的小型浅层滑坡。1995年10月29日发生的三道沟滑坡（12.8万m3），从勘查获取的资料分析，系冲刷陡岸在江水位迅速下降情况下形成的小型浅层滑坡。,鸡冠岭滑坡1994.4.30,地质灾害发生的频率越来越高，损失也越来越大，我们应认真应对可能出现的各种灾害，对已查明的地质灾害应抓紧治理。,朱镕基总理关于三峡库区地质灾害防治工程项目建设的指示精神是“快调查、快规划、快立项、快实施”。确保人们生命财产的安全。在这些灾害中，尤其以滑坡、高边坡为主。,第一讲第42张,LandslideOverviewMapoftheConterminousUnitedStates-reproducedfromU.S.GeologicalSurveyOpen-fileReport97-289.Differentcolorsdenoteareasofvaryinglandslideoccurrenceandsusceptibility.,第一讲第43张,国外灾害,SlideMountain,Nevada-BoulderspartiallyburyahousefromadebrisflowtriggeredbyrapidsnowmeltinlateMay1983.Therapidlymovingdebrisflowemergedfromacanyonandkilledoneperson,injuredseveralothers,destroyedorseverelydamagedfivehomes,andburiedahighway.AmapdelineatinggeologicalhazardsinthisareapreparedadecadeearlierbytheUSGSincooperationwiththeNevadaBureauofMinesandGeologyidentifiedthehazardzonethatwaspartiallyinundatedbythisdebrisflow.PhotographbyU.S.GeologicalSurvey.,第一讲第44张,第一讲第45张,国外灾害,The1983ThistlelandslideatThistle,Utah-Thislandslidebeganmovinginthespringof1983inresponsetogroundwaterbuildupfromheavyrainsthepreviousSeptemberandthemeltingofdeepsnowpackforthewinterof1982-83.WithinafewweeksthelandslidedammedtheSpanishForkRiver,obliteratingU.S.Highway6andthemainlineoftheDenverandRioGrandeWesternRailroad.ThetownofThistlewasinundatedunderthefloodwatersrisingbehindthelandslidedam.Totalcosts(directandindirect)incurredbythislandslideexceeded$400million,themostcostlysinglelandslideeventinU.S.history.PhotographbyR.L.Schuster,U.S.GeologicalSurvey.,第一讲第46张,第一讲第47张,国外灾害,Slide10.-SinkholeatWinterParkFlorida-Sinkholes,althoughnotclassifiedaslandslides,areanotherformofgroundsubsidencethatcanhappencatastrophically.Thissinkholeoccurredin1981,inthetimespanofoneday.ThecityofWinterParkstabilizedandsealedthesinkhole,convertingitintoanurbanlake.Thisformofsubsidenceoccurswhencarbonatelayersthatliebelowthesurfacedissolve.Whentheweightoftheoverlyinggroundbecomestoogreat,orthedissolvedareatoolarge,thesurfacecollapsesintothevoid.ThesefeaturesoccurinwhatisknownaskarsttopographywhichiscommoninFlorida,Kentucky,Missouri,Pennsylvania,andTennesseeandalsooccursinmanyotherplacesaroundtheworld.PhotographbyA.S.Navoy.,第一讲第48张,第一讲第49张,国外灾害,AlandslidenearMcClurePass,Colorado,in1994-ThisareaoftheRockyMountainshaschronicproblemswhereroadscrosslandslideareas.TheStatehasfoundthatthebestsolutioninthiscase,istorepairtheroadasitbecomesdamaged.Thiscarplungedintothelandslideinthemiddleofthenight,afterthelandslideoccurred.Fortunately,noonewasinjured.PhotographbyTerryTaylor,ColoradoStatePatrol.,第一讲第50张,第一讲第51张,内容,概述滑坡、边坡灾害的特点及稳定性评价岩石高边坡稳定性问题地质灾害治理工程设计地质灾害治理工程的几个关键理论问题分析基于变形理论的地质灾害防治工程设计SlopeCAD简介典型实例,第一讲第52张,滑坡灾害的特点,1.1、基本概念滑坡,斜坡上岩、土体以各种方式顺坡向下的运动，统称为滑坡；滑坡是地表起伏不平的地形形成过程中经常发生的一种地质作用。由于人类工程经济活动对地表地形的改造已经超过了自然营力，人为活动引起的滑坡的数量已大大超过自然产生的滑坡（大约70%的滑坡是人为因素引起的）。,滑坡灾害滑坡作用对人民生命财产和国家经济建设事业造成的危害被称为滑坡灾害，前者为致灾作用，后者为受灾对象。,1,B,A,19,A,5,16,B,18,17,12,15,14,20,10,11,19,6,3,4,7,8,9,2,（1）冠；（2）主断壁；（3）顶；（4）头；（5）次断壁；,（12）滑覆面,（15）加积带,（16）减损坳陷,（17）减损体,（18）加积体,（19）侧翼,（20）原始地面,（14）减损带,（13）滑移体,（10）破坏面；（11）破坏面趾,（6）主滑体;（7）足;（8）趾尖;（9）趾,1.2.1、滑坡的表面形态及结构,B,A,A,B,1,3,4,5,6,7,2,1.2.2滑坡的度量,第一讲第55张,活动滑坡（1）,暂停滑坡（2）,复活滑坡（3）,静止滑坡（5-8）,1,2,3,1.2.3滑坡的运动特征,1.2滑坡的基本特征,第一讲第56张,5,6,7,8,1.2滑坡的基本特征,1.2.3滑坡的运动特征,第一讲第57张,（1）前进（延）（2）后退（延）（3）扩大（4）缩小,1,2,1,1,2,2,3,1,2,1,2,4,1.2滑坡的基本特征,1.2.4滑坡的滑动扩展方式,第一讲第58张,1.2.4滑坡的滑动扩展方式,（5）约束（6）迁移的（7）展宽的,5,1,6,2,7,1,2,1.2滑坡的基本特征,第一讲第59张,1.2.5滑坡的类型,（1）崩塌,（2）倾倒,1,1.2滑坡的基本特征,第一讲第60张,1.2.5滑坡的类型,（3）滑动,（5）流动,（4）扩离,1.2滑坡的基本特征,第一讲第61张,1.3.1地质条件塑性软弱材料敏感材料湿陷性材料风化材料受剪力破坏材料节理或裂隙材料岩体不连续面（层理面、片理面、劈理面）的不利定向构造不连续面（断层面、不整合面、挠曲层间错动面及沉积接触面）的不利定向渗透性差异及其对地下水的影响刚性差异（刚性、致密材料下伏塑性材料）,1.3与滑坡成因有关的因素,第一讲第62张,1.3.2地貌条件构造上隆火山上隆冰川消融回弹流水侵蚀坡趾波浪侵蚀坡趾冰川侵蚀坡趾侵蚀侧边界潜蚀（溶解或管涌斜坡上或其顶部沉积加载植被的去除（侵蚀、森林火灾或干旱）,1.3与滑坡成因有关的因素,第一讲第63张,1.3.3自然作用,1.3与滑坡成因有关的因素,强烈短期降雨积雪快速融化长时间强降水洪水、高潮后或天然坝溃决引起的水位迅速消落地震火山爆发火山口湖溃决多年冻结融化冻融风化膨胀土的膨胀风化,第一讲第64张,1.3.4人为作用,斜坡或其趾被开挖斜坡上或其顶部加载水位消落（水库）灌溉排水系统维护不善排水系统维护不善,给排水漏水（供水管、下水道及排水沟等）植被去除（毁林）采矿与采石（露采坑、地下巷道）形成极疏松废弃堆积物人工振动（车辆、打桩、重型机械）,1.3与滑坡成因有关的因素,第一讲第65张,1.4变形破坏机理,斜坡岩（土）体变形破坏有六种基本地质力学模式，即斜坡变形破坏机制。下面分别讨论各类变形破坏地质力学模式的形成和演化，以及它们在时间和空间上的复合和转化。,a蠕滑-拉列,第一讲第66张,滑移-压致拉裂,弯曲拉裂,1.4变形破坏机理,第一讲第67张,塑流-拉裂,滑移-弯曲,1.4变形破坏机理,第一讲第68张,这类变形导致斜坡岩体向临空方向发生剪切蠕变，气候发育字坡面向深部发展的拉裂。主要发育在均质或似均质中，倾内薄层状体坡中也可能发生。一般发生在中等坡度（40度）斜坡中。在变形发展过程中，坡体内有一受最大剪应力面分布状况控制的潜在滑移面。,蠕滑拉裂,1.4变形破坏机理,第一讲第69张,演变过程可以划分为相继的三个阶段：表层蠕滑，岩层向坡下弯曲，后缘产生拉应力。后缘拉裂，这种破裂也可能在地震或人工爆破的触发下突然发生。通常造成反坡台阶。后缘拉裂后，造成潜在剪切面上剪应力进一步集中，促进剪切变形的发展。,1.4变形破坏机理,第一讲第70张,潜在剪切面剪切扰动。随剪切变形进一步发展，中部剪应力集中部位可被扰动扩容，使斜坡下半部分逐渐隆起。随着变形体开始发生转动，后缘明显下沉，拉裂面由开始的张开转为逐渐闭合，裂面互错方向与前一阶段恰好相反。这些迹象预示变形进入累进性破坏阶段，一段潜在剪切面被剪断贯通，则发展为滑坡。,1.4变形破坏机理,第一讲第71张,滑移压致拉裂,这类变形过程可以分为三阶段：卸荷回弹阶段，一般在斜坡或边坡形成过程中完成，造成锁固点或错列点附近的应力集中；滑移面贯通阶段：变形进入累进性破坏阶段。变形体开始明显转动，陡倾的阶状裂面成为剪应力集中带，陡换转角处的嵌合体逐个被剪断、压碎，并伴有扩容，使地面微微隆起。待陡倾裂面与平缓滑移面构成一贯通性滑移面，则导致破坏。这类变形体在暴雨作用下，还可造成平推式滑坡。,1.4变形破坏机理,第一讲第72张,1.4变形破坏机理,第一讲第73张,滑移拉裂主要发生在缓倾外层状坡体和块状体斜坡中。斜坡岩体沿下伏软弱面向坡前临空方向发生滑移，并使滑移体拉裂解体。受已有软弱面控制的这类变形，其进程取决于作为滑移面的软弱面的产状与特性。当滑移面向临空方向倾角已足以使上覆岩体的下滑力超过该面的实际抗滑力，则在成坡过程中该面一经被揭露临空，俟后缘拉裂面一出现即迅速滑落，蠕变过程极为短暂。,1.4变形破坏机理,第一讲第74张,当下滑力接近抗滑力时，变形可向滑动逐渐过渡，发展为由坡前向顶缘逐步解体的块状（迷宫式）滑坡。滑移块体的一侧，如因某种原因（如滑移面产状的变化、侧向切割面的限制等）受阻，可以表现为平面旋转式的滑移拉裂。,1.4变形破坏机理,第一讲第75张,滑移弯曲主要发育在中陡倾外层状体斜坡中，尤以薄层状岩体及延性较强的碳酸盐类层状岩体中为多见。这两类斜坡的滑移控制面倾角已明显大于该面的峰值摩擦角，上覆岩体具备下滑条件。但由于滑移面未临空，使下滑受阻，造成坡脚附近顺层板梁承受纵向压应力，在一定条件下可使之发生弯曲变形。在高山峡谷区，尤其在高地应力地区，这类变形的发育深度可以很深。变角倾外（椅状）层状体斜坡中，也可以发生类似的变形如瓦伊昂库区滑坡。,1.4变形破坏机理,第一讲第76张,轻微弯曲阶段：强烈弯曲、隆起阶段:切出面贯通阶段:,1.4变形破坏机理,第一讲第77张,“椅”形滑移面情况与平直滑移面有所不同，其强烈弯曲部位发生在滑移面转折处，且不需形成切出面而沿原有靠椅面滑动。此外，岩层倾角大于斜坡坡角时，也可能发生类似变形。金龙山滑坡、瓦伊昂库区滑坡、霸王山滑坡、铁西滑坡,1.4变形破坏机理,第一讲第78张,弯曲拉裂（倾倒）主要发育在陡立或陡倾内层状体组成的中极陡坡中。主要发生在斜坡前缘，陡倾的板状岩体在自重弯矩作用下，于前缘开始向临空方向作悬臂梁弯曲，并逐渐向坡内发展，弯曲的板梁之间互相错动并伴有拉裂，弯曲体后缘出现拉裂缝，形成平行于走向的反坡台阶和槽沟。板梁弯曲剧烈部位往往产生横切板梁的折断。,1.4变形破坏机理,硬而厚的板梁，其变形的发展可划分为三个阶段：卸载回弹，陡倾面拉裂阶段；板梁弯曲，拉裂面向深部扩展并向坡后推移阶段阶段。如果坡度很陡，此阶段大多伴有坡缘、坡面局部崩落；板梁根部断裂、压碎阶段。岩块转动、倾倒，导致崩塌。由于随板梁弯曲发展，作用于板梁的力矩也随之增大，所以这类变形一旦发生，通常均显示累进性破坏特征。,第一讲第79张,1.4变形破坏机理,第一讲第80张,薄而较软的层状岩体，由于弯曲变形角度可以很大，最大弯折带常形成倾向坡外断续的拉裂面，岩层中原有的垂直层面的裂隙转向坡外倾斜。继续的变形将主要受这些倾向坡外的破裂面所控制，实际上已转为滑移或蠕滑拉裂变形。,1.4变形破坏机理,第一讲第81张,塑流拉裂这类变形主要发生在软弱基座类斜坡中。下伏软岩在上覆岩层压力作用下，产生塑性流动并向临空方向挤出，导致上覆较坚硬的岩层拉裂、解体和不均匀沉陷。风化作用以及地下水对软弱基座的软化或溶蚀、潜蚀作用，是促进这类变形的主要因素。,1.4变形破坏机理,第一讲第82张,在软弱基座产状近于水平的斜坡中，上覆硬岩的拉裂起始于软弱层的接触面，这是由于软岩的水平变形远远超过硬岩所致。斜坡前缘可出现局部坠落。随着上覆坡体的拉断解体，则发展为侧向扩离，或块体（迷宫式）滑坡。当上覆岩层也具有一定塑性时，被下伏呈塑性流动的软岩载驮的坡体向临空方向漂移，并于其后缘某处产生拉裂造成陷落带，形成整体式的侧向扩离。上述两种形式的变形体，也可在特大暴雨作用下产生平推式滑坡。,1.4变形破坏机理,第一讲第83张,软弱基座倾向内的陡崖，变形过程表现为另一种方式，其过程大体如下：卸荷回弹造成应力分异，陡立裂缝由坡缘拉应力带向纵深扩展；软弱基座被切露，在上覆岩层的强大压力作用而被压缩和向临空方向挤出，使上覆岩体产生自坡面向内其值递减的不均匀沉陷，因而造成上覆硬岩被拉裂，或使原有裂缝进一步扩展；随着基座软层的发展，拉裂缝出现部位由坡缘向后侧推移。被分割的高大岩柱或板梁，其根部可因此被剪裂或压碎，使变形向蠕滑拉裂方式转化。一旦后缘拉裂面转而闭合，则预示进入潜在滑移面贯通阶段，变形将发展为崩塌或滑塌。如乌江渡黄崖斜坡的变形。,1.4变形破坏机理,第一讲第84张,通过大量的野外工作、试验及工程地质类比，获得边坡变形破坏机制的概念模型。由于现象的不完备性和认识的局限性，从现象提取的内部作用过程信息也是不完备的，需要采用一定的理论和方法，在模拟地质过程内部结构及发生边界的情况下，重现地质体演化的全过程。从而一方面验证“概念模型”的正确性和合理性；另一方面从理论上、整体上和内部作用过程上获得对地质体演化机理的更深入认识；,1.5变形破坏研究,第一讲第85张,再者，也可以在此过程中，通过对地质体已有表现特征的“拟合”，从而建立（变形破坏）演化的地质数学力学模型，通过对这一模型的时间延拓，获得对地质体将来演化趋势的认识，达到预测的目的。这个过程统称为“地质过程模拟”。就斜坡变形破坏机制的研究而言，目前通常采用的变形破坏全过程模拟手段有相似材料地质力学模拟和数值模拟。前者是采用与地质原型介质符合一定相似比例的材料（相似材料），塑造出与地质原型满足相似理论的模型，然后，在模拟地质原型的实际边界条件的基础上，再现地质体的演化过程。,1.5变形破坏研究,第一讲第86张,而后者则是在建立地质体工程地质模型及力学性态本构模型的基础上，运用数值分析方法，求解地质体（随时间的）变形（位移）、应变、应力及破坏状态的变化过程，从而达到对地质体变形破坏、乃至运动进行全过程描述。数值模拟由于使用方便、模型相似强、可操纵性大、输出结果丰富、费用较低等特点，以及现代数值理论水平的提高、计算机的发展和图形处理技术的长足发展，而更加成熟、完备和实用。,1.5变形破坏研究,第一讲第87张,1.6稳定性分析,稳定性分析,定性分析,定量分析,地质过程的机制分析,工程地质类比法,极限平衡法,第一讲第88张,地质过程的机制分析是从研究边坡的变形和破坏规律入手，对边坡的演变全过程开展系统的研究。其所得结果虽然是定性的，但因为它往往是区域性或趋势性规律，对工程活动的战略布局有很重要的指导意义，也是进一步定量评价的基础。,1.6稳定性分析,1.6.1定性分析,第一讲第89张,工程地质类比分析：研究表明，在地质条件、地貌条件以及气候条件相似地区，斜坡演变规律也会具有相似性。这种基于自然边坡的工程地质类比法，简称为自然边坡类比法。基于自然边坡类比法，通过提取斜坡的正确的岩体力学模型进行室内物理模拟，可以在较短时间内重现作用发生发展的全过程，经与原型和现象观测相对照，如能达到拟合，即可判断边坡的稳定性现状、发展阶段和趋势。,1.6稳定性分析,1.6.1定性分析,第一讲第90张,极限平衡分析法基本假设有两点：一是认为当坡体的强度指标降低Fs倍以后，坡体内存在一达到极限平衡状态的滑面，滑体处于临界失稳状态。这里，Fs为坡体的安全系数。第二点是认为对滑体进行剖分后，各条块为刚性块体，只发生整体运动而不变形。,1.6.2定量分析：极限平衡分析法,1.6稳定性分析,第一讲第91张,在进行稳定性分析时，一般采用比较特殊的垂直条分方式。任取一垂直条分块体，其受力分析如图,1.6.2定量分析：极限平衡分析法,第一讲第92张,对于滑体的所有n个条块来说，在极限平衡状态下的未知量有：安全系数Fs，1个；条块底面上的法向力Ni,切向力Si及合力作用点，共3n个；条分面上的法向力Ei，切向力Ti及合力作用点,共3n-3个,1.6.2定量分析：极限平衡分析法,第一讲第93张,这样，整个滑体就有6n-2个未知量。而对于每一个条块而言，可以建立的方程有4个，其中有三个平衡方程：和一个在滑面上满足摩尔库仑准则的破坏方程：,1,2,3,4,1.6.2定量分析：极限平衡分析法,第一讲第94张,整个滑体可以建立4n个方程，未知量比方程数多2n-2个。这是一个超静定问题。求解此方程组有两条途径：一是引入变形协调条件，增加方程数。二是通过对多余变量或相互之间的关系进行假定，以减少变量数或增加方程数。极限平衡法采用第二种方法求解，并且一致认可当条块宽度足够小时，可以认为底滑面合力作用点位于地面中心，这样，就减少了n个未知量。目前的极限平衡各种算法的不同之处也就在于对剩下n-2个变量的处理上。,1.6.2定量分析：极限平衡分析法,第一讲第95张,对多余变量进行简化假定的合理性问题，一直受到人们的普遍关注。摩根斯坦普赖斯(MorgensternPrice)最早提出过解的合理性限制问题，即所获得的解必须满足以下两个假定：条块之间不允许出现出现拉力；条分界面上的剪应力不超过按摩尔库仑准则提供的抗剪强度。并认为，凡是合理的解的安全系数彼此相差不大。该原则尽管从理论上还没有严格的证明，但这并没有妨碍极限平衡条分法的广泛应用。,1.6.2定量分析：极限平衡分析法,第一讲第96张,1.6.2定量分析：极限平衡分析法,第一讲第97张,瑞典条分法：1916年，瑞典人彼得森首先提出了对均质边坡圆弧形滑面的极限平衡分析方法。其核心的假定条件是条块间没有作用力。原推导过程是在圆滑形滑面的假定条件下经过一系列的简化处理。而实际上，由于条间无作用力，前述方程就只有两个未知量Ni、Si，联立两方程可以解出这两个未知量,1.6稳定性分析,5,6,第一讲第98张,常见条分法,将式两边对n个条块求和后，再将上两式带入，有：由于没有考虑条间作用力，上述推导过程也没有依赖圆弧形滑面的假定，故瑞典条分法适用于任意滑面的情形。但是，不规则的滑面，条间作用力将起一定作用，计算结果偏于保守。,第一讲第99张,常见条分法,简化毕肖普法假定条间只有水平力作用，减少了n-1个未知量，方程组转为静定，可以求解。原推导过程基于圆弧形滑面假定，认为滑体满足整体力矩平衡条件。而实际上，即使在任意滑面条间下，对于整个滑体满足,第一讲第100张,1.6稳定性计算：常见条分法,对整个滑体，联立(1)、(2)、(4)和(5)，可以获得简化毕肖普法的计算公式推导过程没有假定滑面的形态，但假定条间无垂向作用力，要求滑体在运动过程中条间垂向的相对运动趋势尽可能的小，即滑体可以平动或微弱转动。所以该方法适用于平面或近平面滑面的滑坡稳定性分析。,第一讲第101张,常见条分法,摩根斯坦普赖斯法显然，对条间的未知量进行的简化工作都可以归为寻找条间变量间的某种函数关系。摩根斯坦和普赖斯将其表述为如下形式：,第一讲第102张,常见条分法,以上情况表明，T和E之间存在着某种关系，这种关系可能十分复杂，解的精确程度决定于关系式的可靠程度。但十分遗憾的是目前还没有被认为是很可靠的关系式，上述各种方法都是在一定程度上的近似。我们也可以继续假定，得到更多的算法，但从求解的精度和应用角度看，这似乎没有多大必要，而只需要在保证合理性要求的前提下，应用多种方法作对比分析，借鉴过去成功的经验和失败的教训，从而得出较为合理的计算结果。,第一讲第103张,1.7推力计算,滑坡推力计算可评价判定滑坡的稳定性和为设计抗滑工程提供定量指标数据。滑坡推力计算一般采用传递系数法。此外还有土压力理论。,第一讲第104张,传递系数法假定了条间作用力的方向。对于第I条块来说，其剩余下滑推力Ei平行于该条块的底滑面。其计算式如下式中，Ei-1为第i-1条块的剩余下滑力；Ei为第i+1条块产生的支撑力，等于第i条块的剩余下滑力；y为传递系数，其值为y=cos(ai-1-ai)-sin(ai-1-ai)tgfi；K滑坡推力安全系数，应根据滑坡现状及其对工程的影响等因素确定，一般可取=1.051.25。,1.7推力计算：传递系数法,当滑体条块上有特殊作用力作用时，应分别加入下滑力和抗滑力内进行计算。若所得某条块剩余下滑力为负值时，则说明自该条块以上的滑体是稳定的，并考虑其对下一条块的推力为零。,第一讲第105张,土压力理论主要用于挡土墙设计时求作用于挡土墙上的最大（被动）或最小（主动）土压力。当刚度很大的挡土墙建筑在坚硬的岩基上，或由于结构构造特点使挡土墙在土压力作用下不能移动和转动，挡土墙变形极小，墙后土体的变形也极小，此时，填土作用于墙后的侧向土压力称为静止土压力。三者的关系如图。在进行土压力分析时，一般视为平面变形问题。,1.7推力计算：土压力理论,第一讲第106张,静止土压力假设墙背光滑而垂直，且填土面为水平，对于墙背后深度为z的某一单元土体，垂向应力为最大主应力。式中，土体容重由于挡土墙无侧向位移，侧向压力为：K0为静止压力系数，对于正常固结土：K0值可以按下述经验公式估算：为土的有效内摩擦角,1.7推力计算：土压力理论,第一讲第107张,主动土压力Pa和被动土压力Pp如果挡土结构在推力作用下向前移动，或因地基不均匀变形引起挡墙向前转动，或两者兼而有之，致使填土的侧向压力减小。当挡土结构向前移动达到某一数值，使墙后填土应力状态达到极限平衡时，填土作用在墙背上的土压力称为主动土压力；如果挡土墙在某种外力作用下向填土方向推挤，填土对墙背的压力（阻止墙向填土方向继续变形的抵抗力）将由于土体剪切阻抗作用的发挥而变大，当墙的位移量达到某一数值，墙后土体达到极限平衡状态，此时填土作用在墙背上的土压力称为被动土压力。可见，土压力理论与前面极限平衡条分法的不同之处在于墙后一定范围内的土体全部达到极限平衡状态，而极限平衡条分法一般认为坡体中只有滑面（和条分界面）达到极限平衡状态。,1.7推力计算：土压力理论,第一讲第108张,对于非粘性土的主动和被动土压力计算，常采用库仑理论和朗肯理论。对于粘性土的土压力，对上述两理论加了一些补充假定进行估算。朗肯理论：其触发点是研究半无限弹性土体中处于极限平衡的应力状态。基本假设如下：挡墙自身是刚性的，墙背垂直、光滑；墙后填土体延伸至无限远，可以视为半无限弹性体；墙后土体全部处于极限平衡状态。,1.7推力计算：土压力理论,第一讲第109张,由于墙后土体处于极限平衡状态，根据摩尔库仑屈服条件：对于非粘性土，C=0。对于主动极限平衡状态，pa=s3，s1=gz；对于被动极限平衡状态；pp=s1，s3=gz当非粘性土的填土表面为倾斜状态时（倾角为），则对于粘性土，求主动土压力合力时，不考虑拉力部分。,1.7推力计算：土压力理论,第一讲第110张,内容,概述滑坡、边坡灾害的特点及稳定性评价岩石高边坡稳定性问题地质灾害治理工程设计地质灾害治理工程的几个关键理论问题分析基于变形理论的地质灾害防治工程设计SlopeCAD简介典型实例,第一讲第111张,二滩高拱坝工程小湾高拱坝工程溪洛渡高拱坝工程锦屏高拱坝工程瀑布沟高拱坝工程糯扎渡水电站堆石坝或重力坝,西部地区已建和拟建的250-300m级高坝工程：,高边坡问题,第一讲第112张,2.岩石高边坡稳定性问题,第一讲第113张,第一讲第114张,(3)复杂的变形历史和过程显现,第一讲第115张,右岸全景,第一讲第118张,导流硐进口边坡,高位边坡,水垫塘边坡,堆积体边坡,拱肩槽边坡,缆机平台边坡,泄洪洞边坡,第一讲第119张,第一讲第120张,1#、导流洞,混凝土堆石面板坝,紫坪铺水利枢纽工程布置图,第一讲第121张,第一讲第122张,引水洞,泄洪洞,导流洞,溢洪道,冲砂洞,第一讲第123张,第一讲第124张,左、右坝肩已开挖完成，趾板基础开挖正在进行,第一讲第125张,第一讲第126张,第一讲第127张,2#洞出口高边坡滑坡体治理主体项目已于2002年6月全部完工，该边坡安全得到了有效控制。,边坡处理抗滑桩共21根,主要工程量1、抗滑桩21根，669米；2、锚筋束17530米；3、框格梁砼及喷砼1184方；4、排水洞220米,第一讲第128张,1号、2号导流洞出口之间护坡混凝土和2号导流洞出口边坡将于2003年汛前完成。,第一讲第129张,右岸开挖IV标,溢洪道开挖,右岸开挖面貌,第一讲第130张,第一讲第131张,第一讲第132张,(1)边坡高陡,坡型复杂,2.1西部岩石高边坡工程的主要特点,第一讲第133张,(1)边坡高陡,坡形复杂,自然边坡:高度大:300-2000m,坡度陡:30-80人工边坡:高度大:200-700m,坡型复杂:往往多种工程边坡相互衔接.尤其对于大型水电工程，在施工过程中，往往多个不同类型的单体边坡构成一个庞大的边坡系统，他们相互关联，相互影响。很难将某一个边坡作为一个独立的构型而单独考虑。也很难将枢纽边坡或附属建筑边坡重要性做出严格的区别。,第一讲第134张,导流硐进口边坡,高位边坡,水垫塘边坡,堆积体边坡,拱肩槽边坡,进水口边坡,缆机平台边坡,泄洪洞边坡,第一讲第135张,(2)具有较大的超高比(Dh),超高比=边坡的总高度/主体建筑或构筑物高度Dh=1.0-1.3弱超高边坡，简单边坡环境Dh=1.3-2.0中等超高边坡，边坡环境一般Dh2.0超高边坡，复杂边坡环境,第一讲第136张,(2)具有较大的超高比(Dh),第一讲第137张,(3)复杂的变形历史和过程显现,是地质历史的产物，包含有各种变形破裂现象高边坡分析必须具备地质历史过程分析的观点无论是受结构面控制的边坡,还是坚硬完整的火成岩体边坡具有复杂的变形破坏机制具有相当的特殊性和个性，强调对机制的分析边坡的稳定性取决于边坡的变形破坏状态刚体极限平衡分析方法应用上具有很大的局限,第一讲第138张,右岸近坝库岸的扎卡变形体：一条延伸长1300m的张裂缝将黄河与拉西瓦沟之间的坡体切割为一巨大的变形体，高约300m，由印支期花岗岩构成。边坡后缘之裂缝由若干张裂带组成,不仅有明显的张裂，且有10-15m的下错变形。,坝区左岸高边坡，由花岗岩组成，后缘张裂深达110m,前缘缓裂蠕滑，形成II号变形体，变形体高220m，体积约100万方,(3)复杂的变形历史和过程显现,第一讲第139张,第一讲第140张,第一讲第141张,第一讲第142张,(3)复杂的变形历史和过程显现,第一讲第143张,第一讲第144张,第一讲第145张,(4)具有较高的地应力状态和复杂的应力环境,区域应力量级可达:10Mpa河谷集中应力量级可达:30-55Mpa边坡应力量级可达:22Mpa,第一讲第146张,岩心,第一讲第147张,研究表明，伴随河谷的下切过程，岩石高边坡变形和失稳是一个动态的地质历史过程，这种过程的地质-力学行为表现在两个方面：一是岩质高边坡形成过程中，伴随河谷的下切或地貌的改造过程，河谷构造应力释放，从而驱动边坡岩体产生变形和破裂，以适应新的平衡状态，这个过程我们称之为表生改造。,2.2.1高边坡发育的动力学过程,2.2高边坡发育的动力学过程及边坡岩体结构的表生改造,第一讲第148张,当边坡由于表生改造而完成应力场的调整，边坡应力场转为以自重应力场为主的状态，这时，边坡可能形成新的稳定结构而处于平衡状态，也可能由于不良的地质条件，而在自重应力场的驱动下，继续发生随时间的变形，这个变形过程我们称之为时效变形。最后是潜在滑动面以累进性破坏方式贯穿，坡体物质下滑的边坡破坏阶段。,2.2高边坡发育的动力学过程及边坡岩体结构的表生改造,第一讲第149张,结构面的表生改造对谷坡岩体的工程地质特性有重要的影响。理论论上，任何的河谷高边坡都是在经历这一过程后，才进入后续的时效变形阶段，直至最终失稳产生滑坡。表生改造一方面起到释放坡体应力，促进河谷应力场形成的作用；另外一方面，它劣化了岩体的工程地质条件，主要表现在：形成了岸坡浅部的卸荷松弛带，破坏了岸坡岩体结构，导致岩体和结构面强度的降低，形成岸坡继续变形的几何和力学边界条件等。,2.2高边坡发育的动力学过程及边坡岩体结构的表生改造,第一讲第150张,河谷高边坡动力学过程的宏观规律,河谷的动力学过程具有明显的垂直分带性和水平方向的递进性。在垂向方向上，往往是低高程和近谷地部位处于表生改造阶段，河谷还在通过表生改造力图释放内部的应力；中高程部位处于时效变形阶段，在这一部位，谷坡应力已得到充分的释放，各种时效变形现象开始充分发育和展现；而在谷坡的高高程部位，岸坡往往已结束了时效变形阶段的演化，表现出各类破坏现象，尤以大型滑坡的发育为典型。,2.2高边坡发育的动力学过程及边坡岩体结构的表生改造,第一讲第151张,（1）强烈变形破坏区（2）时效变形区（3）表生改造区（4）应力约束区,破坏区,时效变形区,表生改造区,应力约束区,（2）,（3）,（4）,（1）,2.2高边坡发育的动力学过程及边坡岩体结构的表生改造,第一讲第152张,河谷下切和开挖过程中，随着边坡侧向应力的解除，边坡的应力将产生相应的调整，其结果是在边坡一定深度范围内形成二次应力场分布区。边坡二次应力场也包括了应力降低区()和原岩应力区（=0，实际为不受开挖卸荷影响的区域）。边坡应力随深度的这种分布形式我们称之为“驼峰应力分布”。其中，应力降低区和应力增高区（“驼峰区”）对应了岩体卸荷的影响范围（图1-2）；对岩体工程地质性质影响最为显著的是应力降低区。,2.2.2卸荷过程中边坡应力场的形成与分带,第一讲第153张,2.2.2卸荷过程中边坡应力场的形成与分带,第一讲第154张,2.2.2卸荷过程中边坡应力场的形成与分带,第一讲第155张,2.2.3边坡岩体结构的表生改造边坡卸荷带的形成,第一讲第156张,应力降低区最为显著的特征是岩体的应力状态发生了不利于边坡稳定性的变化，即最小主应力发生向垂直坡面方向偏转，在距坡面一定深度的范围降低为拉应力区；而最大主应力始终保持平行坡面方向作用，并向坡脚方向逐渐增大。因此，在应力降低区内，也对应了三个不同应力状态的区域:(1)双向拉伸区、(2)一向受压，一向受拉的拉-压应力组合区，(3)另一个是双向受压的压-压应力组合区，位于拉-压应力组合区与应力增高区之间。,2.2.3边坡岩体结构的表生改造边坡卸荷带的形成,第一讲第157张,2.2.3边坡岩体结构的表生改造边坡卸荷带的形成,第一讲第158张,近坡面一定距离的拉-压应力组合区内，可能出现以下三种形式的破坏：（1）当最小主应力超过岩体的抗拉强度时，所发生的平行坡面的单向拉裂破坏。尤其当坡体中有平行坡面的陡倾裂隙发育时。,沿贯通结构面的,2.2.3边坡岩体结构的表生改造边坡卸荷带的形成,第一讲第159张,卸荷条件下岩体的破坏及卸荷带的形成,沿断续构面的,2.2.3边坡岩体结构的表生改造边坡卸荷带的形成,第一讲第160张,（2）在单向拉伸情况下，受平行坡面最大主应力控制的压致-拉裂破坏，即应力条件满足格林菲斯准则后，所产生的受压应力控制的张裂破坏。这种张性破裂面基本上也是平行坡面（沿最大主应力方向）发展的，常可以见到弧型裂面。,2.2.3边坡岩体结构的表生改造边坡卸荷带的形成,第一讲第161张,（3）在单向拉伸情况下受平行坡面最大主应力控制的剪切破坏（Morh-Columb型破坏）。这种有单向拉伸参与的剪切破坏，与双向受压情形下的剪切破坏不同的是，剪切破坏面上作