某水库边坡稳定性分析与加固治理水利工程等专业毕业设计毕业论文.doc

本科生毕业论文 某水库边坡稳定性分析与加固治理某水库边坡稳定性分析与加固治理 The some reservoir side slope Stability analysis and Reinforce to manage 指导教师： 学 院： 专 业： 年级： 论文提交日期： 答辩日期： 某水库边坡稳定性分析与加固治理某水库边坡稳定性分析与加固治理 摘摘 要要 边坡稳定性问题一直是岩土边坡一个重要研究内容。它涉及水电工程、铁道工程、 公路工程、矿山工程等诸多工程领域，能否正确评价其稳定性直接关系到建设的资金 投入和人民的生命财产安全。因此，如何设计经济、安全可靠的边坡工程和分析评价 天然边坡的稳定性，其重要意义显得越发突出。边坡稳定性分析与加固方法很多，不 同的方法又各具特点，有一定的适用条件。如何根据具体的边坡工程地质条件及分析 目的与精度要求，合理有效地选用与之相适应的边坡稳定性分析与加固方法，是一项 很重要的工作。从边坡工程研究发展历程可见，边坡稳定性研究发展的过程，同时又 是一个边坡稳定性分析与加固方法不断发展的过程。 本文首先介绍了边坡稳定性分析方法的发展现状和目前各种边坡加固措施，以及 分析了影响边坡稳定性的各种因素，对目前边坡工程中常用的各种稳定性分析方法进 行了系统的总结，阐述了它们各自的主要原理、特点和适用范围，着重探讨了目前工 程上最为常用的条分法。最后结合某水库边坡工程，对其进行稳定性分析及加固方案 设计，总结边坡防护与加固的基本原则、基本思路以及常用的边坡防护加固方法，并 进行了综合比较。 关键词关键词：边坡；稳定性分析；防护加固 The some reservoir side slope Stability analysis and Reinforce to manage ABSTRACT The slope stability problem has been the rock soil slope an importance research contents.It involves electricians distance of water, the railroad engineering, the highway engineering, the mineral mountain engineering waits many engineering realms, can be right to evaluate its stability to relate to the funds devotion of the construction and the life property safety of the peoples directly.Therefore, how design the stability that the economy, the safe and dependable slope engineering and analysis evaluates the natural slope , its important meaning seem to be more and more outstanding.The slope stability analysis with reinforce the method a lot of, different method again each characteristics, have to certainly apply the condition.How according to the concrete slope engineering geology condition, analyze the purpose and accuracies request in a specific way, reasonable choose availably use with it mutually adapt of the slope stability analysis with reinforce the method, is a very important work.From the slope engineering research development process it is thus clear that, the process of the slope stability research development, at the same time again is a slope stability analysis with reinforce the method to develop continuously of process. This text introduces the development present condition of the slope stability analysis method to reinforce the measure with various slope currently first, and analyzed stable various factor of the influence slope , to currently the slope engineering in various in common use stability analyzes the summary that the method carried on the system, elaborating them each from of main principle, characteristics and apply the scope, emphasize to inquiry into the engineering to ascend the most in common use to divide the method currently.Combine a reservoir slope engineering finally, as to its carry on the stability analysis and reinforce the project design, tally up the slope protection with reinforce of basic principle, basic way of thinking and the in common use slope protection reinforce the method, and carried on the comprehensive comparison. Key words：slope；stability analysis；protecting and reinforcement 目 录 1 目 录 1 前言 1 1.1 课题设计的意义 1 1.2 边坡稳定性分析方法的发展现状 1 1.3 边坡加固措施综述 3 1.4 本文的主要内容 5 2 边坡稳定性的影响因素 5 2.1 地质构造 5 2.2 地层岩性 5 2.3 汇水域及地表、地下水文 6 2.4 地震作用 7 2.5 小结 8 3 边坡稳定性的计算分析方法 8 3.1 边坡稳定性的数值计算分析 8 3.1.1 边坡稳定性的有限元分析 9 3.1.2 边坡稳定性的离散元分析10 3.2 边坡稳定性的极限平衡分析10 3.2.1 边坡滑动稳定性的 Sarma 法11 3.2.2 边坡滑动稳定性的条分法11 3.3 小结12 4 边坡稳定性分析程序13 4.1 Stab 及 Emu 边坡分析软件的程序说明 13 4.1.1 Stab 软件的程序说明13 4.1.2 Emu 软件的程序说明 15 4.2 理正岩土边坡分析软件程序说明17 4.3 Flac3D 软件有限元分析 18 4.4 ANSYS 软件非线性有限单元法分析 19 5 某水库边坡稳定性分析与加固治理20 5.1 工程概况20 5.2 设计工程地质概况20 5.3 软件在边坡工程中的稳定性分析21 5.3.1 计算成果分析21 5.3.2 稳定性分析22 5.4 边坡的加固治理22 5.4.1 加固方法的比较22 目 录 2 5.4.2 加固措施23 5.5 小结25 6 结论及建议26 参考资料27 致 谢28 附 录29 某水库边坡稳定性分析与加固治理 1 某水库边坡稳定性分析与加固治理某水库边坡稳定性分析与加固治理 1 前言 1.1 课题设计的意义 边坡稳定性问题一直是岩土边坡一个重要研究内容。它涉及水电工程，铁道工程， 公路工程，矿山工程等诸多工程领域，能否正确评价其稳定性直接关系到建设的资金投 入和人民的生命财产安全。因此，如何设计经济、安全可靠的边坡工程和分析评价天然 边坡的稳定性，其重要意义显得越发突出。边坡稳定性分析与加固方法很多，不同的方 法又各具特点，有一定的适用条件。如何根据具体的边坡工程地质条件，具体地分析目 的与精度要求，合理有效地选用与之相适应的边坡稳定性分析与加固方法，是一项很重 要的工作。从边坡工程研究发展历程可见，边坡稳定性研究发展的过程，同时又是一个 边坡稳定性分析与加固方法不断发展的过程。 本文首先介绍了边坡稳定性分析方法的发展现状和目前各种边坡加固措施，以及分 析了影响边坡稳定性的各种因素，对目前边坡工程中常用的各种稳定性分析方法进行了 系统的总结，阐述了它们各自的主要原理、特点和适用范围，着重探讨了目前工程上最 为常用的条分法。最后通过具体的边坡工程地质条件，结合各种边坡稳定性分析与防护 加固方法，因地制宜对某水库边坡工程进行了综合分析，采取各种防护加固措施，并对 各种防护加固方案进行了经济效益性和适用可靠性评价。说明了要进行岩土边坡稳定性 分析与加固治理应做好调查岩土边坡的岩土类别、岩性条件等工程地质条件，根据边坡 的地貌形态、地质构造、水文地质条件等初步判定边坡的稳定性、可能破坏的形式等， 用现场实地调查的结果对边坡岩体进行室内物理力学性质试验和滑坡的机理进行分析确 定计算方法，选取合适而可行的边坡加固方案等工作。做好边坡稳定性分析和加固治理 贯穿于整个边坡工程，同时它也是边坡工程的重中之重。 1.2 边坡稳定性分析方法的发展现状 1 23 边坡稳定性研究的基础理论是建立在土力学和岩石力学之上的，所以土力学和岩石 力学的成就与发展决定了对边坡研究的完善程度。发展过程可表述为 5 个阶段，即借助 于古典土力学的稳定性分析阶段、50 年代偏重于稳定性描述与分析的地质历史分析阶 段、60 年代考虑时效过程的稳定性分析阶段、80 年代后期以数值模拟、模型试验为主 某水库边坡稳定性分析与加固治理 2 的半定量分析阶段和 90 年代以后的现代边坡工程学阶段。 目前国内外边坡稳定性分析的主要方法有：极限平衡法和数值模拟法，数值模拟法 主要有有限模拟和离散元模拟，极限平衡法主要有瑞典条分法、BISHOP 法、余推力法、 JANBU 法、SARMA 法等。其中瑞典条分法的基本原理是将滑动土体分成若干竖直土条， 求各土条对滑动圆心的抗滑力矩和滑动力矩，各取其总和，计算安全系数；毕肖普法的 基本原理是假定滑动面是以圆心为 O，半径为 R 的滑弧，从中任取一土条为分离体，其 分离体的周边作用力为：土条重引起的切向力和法向反力，并分别作用于底面中心处， 土条侧面作用法向力和切向力，根据静力平衡条件和极限平衡状态时各土条力对滑动圆 心的力矩之和为零等，可得求土坡稳定系数的普遍公式；SARMA 法是 Sarma(1979 年)提 出对滑坡体进行斜分条的极限平衡分析法，该法假定沿条块侧面也达到了极限平衡，这 样，通过静力平衡条件即可唯一地确定边坡的安全系数或加载系数。 在边坡稳定极限分析方法方面自瑞典条分法以来，边坡稳定性分析已经获得了长足 发展。主要进步包括：满足所有平衡条件的完备的通用条分法的诞生，不同工作条件下 强度指标、孔隙水压力等方面有效确定方法的建立，基于塑性力学能量法和上限定理的 2D 数值分析方法出现，3D 力学模型的成熟，以及由确定性分析向概率分析框架的过渡 完成。在边坡稳定极限分析方法的整个发展过程中，可以说计算机的广泛应用起了极为 关键的作用。 近几年来国内外在边坡稳定性分析方法研究方面取得了很多新的进展，其主要表现 为: 确定性分析方法的发展、随机分析方法的蓬勃发展、计算机模拟技术在边坡中的应 用等。虽然国内外在此领域的研究取得了较大的成就，但还需进一步进行边坡稳定性分 析实验研究，完善确定性分析方法特别是复合法，大力发展边坡稳定性分析的随机方法 和模糊方法。 边坡稳定性分析方法的发展趋势：一、随着数值分析方法的不断发展，不同数值方 法的相互耦合成为一大发展趋势。如有限元，离散元与块体元等的相互耦合，数值解和 解析解的结合，这些方法的耦合能充分发挥各自的优点，解决更复杂的边坡问题；二、 利用突变理论的观点研究边坡系统有广阔的发展前景，然而应用单一的突变理论解决复 杂的边坡问题有其一定的局限性，需要将模糊数学、概率论、灰色系统理论和现代计算 机技术与突变理论相结合，应用数值模拟手段模拟复杂系统的动态演化全过程，这是有 待深入研究的课题；三、把边坡及其所处的环境看成一个大系统，从系统的观点出发， 综合考虑各子系统之间的相互作用与联系，采用系统控制论等理论方法对边坡的失稳机 某水库边坡稳定性分析与加固治理 3 理的特性进行研究分析，也是一个大的发展趋势；四、边坡系统是一个开放的系统，它 不断与周围环境进行着物质和能量的交换。边坡系统的失稳是一个不可逆的热力学过程， 从热力学角度研究边坡系统失稳应具有十分重要意义；五、采用反分析法来研究边坡系 统的失稳也是发展的一大趋势。一般研究边坡系统的失稳总是从边坡受力的角度研究， 但如果转化思维，可以从边坡系统的变形分析出发，寻求边坡的变形失稳判据并进行稳 定性评价；六、由于影响边坡系统各因素的复杂性，不确定性等，依托于计算机技术， 形成集成式智能评价系统也将成为未来的发展趋势。 由于边坡的稳定性对于人类工程的安全可靠起着至关重要的意义，所以对边坡稳定 性分析的过程就是对人类工程安全性评价的过程。因此稳定性分析和评价便成了边坡工 程的重要核心内容之一。但是，自然边坡是由漫长的地质作用造成的，是一个受多因素 影响、随时空变异的复杂动态系统，所以对边坡稳定性的分析和评价，单纯强调定性分 析或定量评价都是难于真正解决问题的。由于边坡工程的稳定性分析与设计具有可变性、 不确定性、没有原型和数据有限等特点以及地质环境的复杂性和时空动态性，所以边坡 稳定性分析的主要目的应该是“理解机制” ，而并非精确的定量计算。在把现场勘察、 工程部位分区、局部破坏模式认识、评价方法选取同等重视的情况下，充分开发、挖掘 和利用已被验证了的边坡的成功经验对稳定性分析有着重要的实际意义。 1.3 边坡加固措施综述 4 当边坡的稳定安全系数不能达到要求时，就需要采取工程措施提高安全系数，以满 足安全运行的需要。边坡加固的基本原则是减少边坡土体的下滑力、提高其抗滑力，其 措施按功能分为两类，一类是以减小或消除影响边坡稳定条件的各种不利因素为主的措 施，另一类是提高边坡性能为主的主要措施。常用的措施有：一、开挖和压脚: 上部开 挖，下部压脚；二、地面排水: 水沟网；三、地下排水: 排水孔、排水垫层等；四、坡 面支护: 干砌石、浆砌石、植被、刚性框格等；五、深层加固: 土锚索(杆)等。其中采 用预应力锚索进行边坡加固，具有不破坏岩体，施工灵活，速度快，干扰小，受力可靠， 且为主动受力等优点，加上坡面岩体抗压强度高。采用卸荷、坡趾压载、排水等常用措 施，在边坡稳定分析方面，不增加任何新的内容，可以按已有的分析方法进行分析和复 核，当没有条件进行上述工程措施或采取了上述措施后，仍不能使安全系数达到允许数 值时，就需要使用结构性工程措施对边坡进行加固。 ORourke和Jones（1990年）将土体的加固体系分为外部加固和内部加固两大类， 某水库边坡稳定性分析与加固治理 4 同时提出外部加固和内部加固两种类型的典型例子。在20世纪60年代以前，土体的加固 主要依赖于外部加固。随着技术的进步，越来越多的内部加固措施在土方工程中得到了 应用，内部加固依赖于施加在土体内的加筋构件，如锚杆、锚索、土工布等，这些构件 通常应插入潜在滑裂面以后的稳定土体中。 用于边坡加固的技术多种多样,而如何因地制宜地利用好这些技术并非易事，由于 对地质条件缺乏足够的认识,或者因加固技术本身存在某些缺陷,出现了一些失败的边坡 加固工程实例,并带来较大经济损失和社会问题。鉴于边坡加固技术的现状及国内大规 模工程建设的需求,目前边坡加固的新技术有纤维束导渗排水孔、预应力锚梁、层状网 式钢筋石笼挡墙和预应力抗滑桩。纤维束导渗排水孔是针对传统排水孔存在着的泥砂堵 孔问题,是根据水可以沿着纤维与土和细砂之间的界面渗出的思想而设计的； 预应力锚 梁则是为解决预应力锚杆和预应力锚索等所存在问题(例如,对某些情况来说,锚杆或锚 索的加固范围太小、难以根据地质条件的不同而调整锚固力等)为目标而发展的；层状 网式钢筋石笼挡墙不仅能保持传统石笼挡墙所具有的就地取材、加固经费低等优点,而 且还能解决因笼间连结力低而导致对边坡加固效果不理想等问题；预应力抗滑桩是在传 统抗滑桩基础上发展起来的一项新技术,其设计思路是为了达到增加抗滑能力的目的而 利用预应力柱来重点加固滑动面分布段。 为使边坡确保稳定，发挥边坡的自承能力，采取的封闭岩石裂缝防止渗水及岩壁风 化进行的护面防护、锚杆(索)加固措施称为边坡防护中的加固措施。常用的有混凝土护 面、喷混凝土防护、喷锚支护、桩锚结构等，都是属于柔性支护形式。喷锚支护是一种 “刚” 、 “柔”适度的薄层支护，既有抑制边坡岩面有害变形的一面，又有适应边坡变形 的一面，喷锚支护所用材料有水泥、砂、石，配制喷射混凝土的速凝剂、填加剂和减水 剂以及锚杆锚索和相应的各种锚夹具。锚拉式、内撑式和悬臂式等挡土支护结构，均以 挡土支护结构承受其后的侧压力，以防止土体整体稳定性破坏，属于被动制约机制。桩 锚结构属柔性挡土支护结构，这种结构除自立(悬臂)式外，常与锚拉或支撑杆件相结合， 以维持在侧压力作用下的自行稳定。重力式挡土支护结构是以其自身重力来维持在侧压 力作用下的自身稳定。根据墙背倾斜情况，重力式挡墙可分为俯斜式挡墙、仰斜式挡墙、 直立式挡墙和衡重式挡墙及其他形式挡墙。 边坡治理是一项技术复杂、施工困难的灾害防治工程。近年来，随着高速公路建设 事业的迅速发展，以及大型重点工程项目的日益增多，边坡治理总是越来越突出。在20 世纪90年代，压力注浆加固手段及框架锚固结构越来越多地用于边坡处治，尤其是用于 某水库边坡稳定性分析与加固治理 5 高边坡的处治防护工程中。它是一种边坡的深层加固处治技术，能解决边坡的深层加固 及稳定性问题，达到根治边坡的目的，因而是一种极具广泛应用前景的高边坡处治技术。 可以预见，随着科学技术的发展，边坡处治技术将得到进一步的发展，并逐步走向完善。 1.4 本文的主要内容 随着经济的日益发展，在水电、露天采矿、能源及高速铁路和高速公路等地质工程 活动领域出现了越来越多的各类边坡稳定性问题，而这些问题又往往成为制约工程是否 经济合理乃至成败的重要因素。因此，对这些类型边坡的稳定性研究成了岩土工程界和 地质工程界关注的焦点。 本文首先介绍了边坡稳定性分析方法的发展现状和目前各种边坡加固措施，以及分 析了影响边坡稳定的各种因素，对目前边坡工程中常用的各种稳定性分析方法进行了系 统的总结，阐述了它们各自的主要原理、特点和适用范围，着重探讨了目前工程上最为 常用的条分法。最后通过具体的边坡工程地质条件，结合各种边坡稳定性分析与防护加 固方法，因地制宜，对该工程的某些边坡进行了综合分析，采取各种防护加固措施，并 对各种防护加固方案进行了经济效益性和适用可靠性评价。 2 2 边坡稳定性的影响因素 2.1 地质构造 在区域构造比较复杂，褶皱比较强烈，新构造运动比较活动的地区，边坡稳定性差。 断层带岩石破碎，风化严重，又是地下水最丰富和活动的地区极易发生滑坡。岩层或结 构的产状对边坡稳定也有很大影响，水平岩层的边坡稳定性较好，但存在陡倾的节理裂 隙，则易形成崩塌和剥落。同向缓倾的岩质边坡(结构面倾向和边坡坡面倾向一致，倾 角小于坡角)的稳定性比反向倾斜的差，这种情况最易产生顺层滑坡。结构面或岩层倾 角愈陡，稳定性愈差。如岩层倾角小于1015的边坡，除沿软弱夹层可能产生塑性 流动外，一般是稳定的；大于25的边坡，通常是不稳定的；倾角在1525的边坡， 则根据层面的抗剪强度等因素而定。同向陡倾层状结构的边坡，一般稳定性较好，但由 薄层或软硬岩互层的岩石组成，则可能因蠕变而产生挠曲弯折或倾倒。反向倾斜层状结 构的边坡通常较稳定，但垂直层面或片理面的走向节理发育且顺山坡倾斜，则亦易产生 切层滑坡。 某水库边坡稳定性分析与加固治理 6 2.2 地层岩性 岩性对边坡的稳定及其边坡的坡高和坡角起重要的控制作用。坚硬完整的块状或厚 层状岩石如花岗岩、石灰岩、砾岩等可以形成数百米的陡坡，如长江三峡峡谷。而在淤 泥或淤泥质软土地段，由于淤泥的塑性流动，几乎难以开挖渠道，边坡随挖随塌，难以 成形。黄土边坡在干旱时，可以直立陡峻，但一经水浸土的强度大减，变形急剧，滑动 速度快，规模和动能巨大，破坏力强且有崩塌性。松散地层边坡的坡度较缓。 不同的岩层组成的边坡，其变形破坏也有所不同，在黄土地区，边坡的变形破坏形 式以滑坡为主；在花岗岩、厚层石灰岩、沙岩地区则以崩塌为主；在片岩、板岩、千枚 岩地区则往往产生表层挠曲和倾倒等蠕动变形。在碎屑岩及松散土层地区，则产生碎屑 流或泥石流等。 2.3 汇水域及地表、地下水文 地表水和地下水是影响边坡稳定性的重要因素。不少滑坡的典型实例都与水的作用 有关或者水是滑坡的触发因素，处于水下的透水边坡将承受水的浮托力的作用，而不透 水的边坡，将承受静水压力；充水的张开裂隙将承受裂隙水静水压力的作用；地下水的 渗流，将对边坡岩土体产生动水压力。水对边坡岩体还产生软化或泥化作用，使岩土体 的抗剪强度大为降低；地表水的冲刷，地下水的溶蚀和潜蚀也直接对边坡产生破坏作用。 不同结构类型的边坡，有其自身特有的水动力模型。 静水压力 作用于边坡的静水压力主要包括两种情况：其一是当边坡被水库淹没时，库水对边 坡面所产生的静水压力；其二是当裂隙岩石边坡的张裂隙充水时，裂隙中的水压力。 边坡坡面上的静水压力：当边坡被水淹没，而边坡的表部相对不透水时，坡面 上将受一定的静水压力，静水压力的方向与坡面正交。 边坡裂隙静水压力：有张裂隙发育的岩石边坡以及长期干旱的裂隙粘土边坡， 如果因降雨或地下水活动使裂隙充水，则裂隙面将承受静水压力。 由于裂隙水活动的不规律性，岩体中的地下水位通常不是圆滑的曲线。在相邻裂隙 的地下水位不同时，地下水位高的裂隙较地下水位低的裂隙承受较大的静水压力，这种 静水压力的差别，有时是使边坡失稳的原因之一。 由于地下水出口节理裂隙敞开情况不同，也影响裂隙水压力的大小，因而影响边坡 某水库边坡稳定性分析与加固治理 7 的稳定。出口节理张开，地下水位低，裂隙水压力小；出口节理闭合，透水性差，则地 下水位高，裂隙水压力大。如作用在岩块底部滑面上的静水压力，有时可使覆岩块隆胀 (静水压力等于上覆岩块重)，而使边坡稳定严重恶化。 浮托力 处于水下的透水边坡，承受浮托力的作用，使坡体的有效重量减轻，这对边坡的稳 定不利。不少水库周围松散堆积层边坡，在水库蓄水时发生变形，浮托力的影响是原因 之一。对处于极限稳定状态，依靠坡脚岩体重量保持暂时稳定的边坡，坡脚被水淹没后， 浮托力对边坡稳定的影响就更加显著。 动水压力 动水压力的方向和水流方向平行，在近似计算中，多假定与地下水面或滑面平行， 如果动水压力方向和滑体滑动方向不一致，则应分解为垂直和平行于滑面的两个分量参 与稳定计算。在边坡稳定的实际计算中，由于渗流方向不是定值，且水力梯度不易精确 确定，一般则作简化假定，以采用不同的滑体块体密度将动水压力的影响计入。即在地 下水位以下静水位以上有渗流活动的滑体，计算下滑力时，采用饱和块体密度；计算抗 滑力时，采用浮块体密度。 2.4 地震作用 地震对边坡稳定性的影响表现为累积和触发(诱发)等两方面效应。 累积效应 边坡中由地震引起的附加力S的大小，通常以边坡变形体的重量W与地震振动系数k 之积表示(S=kW)。在一般边坡稳定性计算中，将地震附加力考虑为水平指向坡外的力。 但实际上应以垂直与水平地震力的合力的最不利方向为计算依据。总位移量的大小不仅 与震动强度有关，也与经历的震动次数有关，频繁的小震对斜坡的累进性破坏起着十分 重要的作用，其累积效果使影响范围内岩体结构松动，结构面强度降低。 触发(诱发)效应 触发效应可有多种表现形式。在强震区，地震触发的崩塌、滑坡往往与断裂活动相 联系。高陡的陡倾层状边坡，震动可促进陡倾结构面(裂缝)的扩展，并引起陡立岩层的 晃动。它不仅可引发裂缝中的空隙水压力(尤其是在暴雨期)激增而导致破坏，也可因晃 动造成岩层根部岩体破碎而失稳。 碎裂状或碎块状边坡，强烈的震动(包括人工爆破)甚至可使之整体溃散，发展为滑 某水库边坡稳定性分析与加固治理 8 塌式滑坡。结构疏松的饱和砂土受震液化或敏感粘土受震变形，也可导致上覆土体产生 滑坡。海底斜坡失稳，不少也与地震造成饱水固结土体的液化有关，这也是为什么在十 分平缓的海底斜坡中会产生滑坡的重要原因之一。 2.5 小结 岩土边坡的破坏类型从形态上来看可分为岩崩和岩滑两种。岩崩一般发生在边坡过 陡的岩坡中，这时大块的岩体与岩坡分离而向前倾倒，或者坡顶岩体因某种原因脱落而 在坡脚下堆积，它经常产生于坡顶裂隙发育的地方。岩滑是指一部分岩体沿着岩体较深 处某种面的滑动。岩滑可分为平面滑动、楔形滑动以及旋转滑动。不同的岩层组成的边 坡，其变形破坏也有所不同，在黄土地区，边坡的变形破坏形式以滑坡为主；在花岗岩、 厚层石灰岩、沙岩地区则以崩塌为主；在片岩、板岩、千枚岩地区则往往产生表层挠曲 和倾倒等蠕动变形。在碎屑岩及松散土层地区，则产生碎屑流或泥石流等。 影响边坡稳定性的因素主要有内在因素和外部因素两方面，内在因素包括组成边坡 的地貌特征、岩土体的性质、地质构造、岩土体结构、岩体初始应力等。外部因素包括 水的作用、地震、岩体风化程度、工程荷载条件及人为因素。内在因素对边坡的稳定性 起控制作用，外部因素起诱发破坏作用。 3 边坡稳定性的计算分析方法 3.1 边坡稳定性的数值计算分析 56 目前最常见的数值分析方法有:差分法、有限元法、边界元法及各种耦合方法。有 限元法具有节点配置方式比较任意、对于具有复杂形状的分析域可以使边界节点完全落 在区域边界上、对变系数或非线性问题的适应性较强等特点。 当前数值计算方法在岩土工程中已得到广泛应用。其中，有限元法是边坡稳定性评 价分析中被广泛采用的一种。特别是随着计算机技术、固体力学非线性理论与求解技术 的不断发展，采用有限元法可迅速有效地求解岩体结构面的应力、变形，并可根据相应 屈服准则确定岩体的破坏区域。基于有限元法的稳定性分析可充分考虑岩体结构面间的 相互作用和材料的非均质、各向异性和非线性等，能较好的反映岩体失稳的机理。并可 根据不同的研究对象做不同的处理，对于难以预知可能滑动面的岩体，可以采用增载法 跟踪计算区域内塑性区的发展趋势，据此确定可能的滑动面，再进行稳定性复核。对预 先可知滑动面或滑动方向的岩体，可直接利用有限元分析结果进行稳定性复核。 数值分析方法有两种发展趋势：一、是有限元的发展，从平面有限元到三维有限元， 某水库边坡稳定性分析与加固治理 9 从弹性有限元到弹塑性有限元，使有限元分析结果更能反映实际边坡；二、是大量新型 数值计算方法的应用，如边界元法、离散元法、拉格朗日元法等，这些数值方法的应用 必将促进地下工程和岩溶地基稳定性分析研究的发展。 3.1.1 边坡稳定性的有限元分析 56 有限元法是根据变分原理或加权余量法，通过分区插值离散化处理，将待解域内的 连续场函数转化为求解有限个离散点处的场函数的一种数值方法。在应用有限元法对岩 体进行稳定性评价时，可以对不同的单元根据具体情况指定不同的力学性质，可以对节 理裂隙等软弱夹层设置适当的弱面单元，可以方便地处理层状岩体，还可以方便地处理 各种不规则几何形状的边界条件，因此是一种较为理想的分析岩体稳定性的方法。 有限元法的基本思路：把土坡当成变形体，按照土的变形特性，计算出土坡内的应 力分布，然后再引入圆弧滑动面的概念，验算滑动土体的整体抗滑稳定性。 有限元法的应用步骤： 将土坡划分成许多单元体，用有限元法可以计算出每个单元的应力、应变和每 个结点的结点力和位移； 土坡的应力计算出来以后，再引入圆弧滑动面的概念。把一个可能的圆弧滑动 面分成若干小弧段Li，小弧段Li上的应力用弧段中点的应力代表，其值可以按有限 元法应力分析的结果，根据弧段中点所在的单元的应力确定，表示为xi zixzi ； 求边坡稳定安全系数。将滑动面上所有小弧段的剪应力和抗剪强度分别求出后， 累加求沿着滑动面的总的剪切力ili 和抗剪力fi，根据总的剪切力i li 和抗剪力fi求出边坡稳定安全系数。 采用有限元方法分析边坡的大概有以下几种情况： 按照弹塑性理论，对边坡进行有限元分析，得出边坡完整的应力应变变形成果， 可以预测边坡区域由弹性变为塑性的完整演化过程，为边坡的治理、施工方法提供依据。 现在很多程序可以进行此类分析。 首先采用传统的极限平衡法，找出最小安全系数的滑移面，或者已知滑移面， 然后进行有限元分析，将滑移面位置设置薄层单元或接触单元，不断降低薄层单元的力 学参数，直至边坡失去平衡，边坡的安全系数就是强度指标（摩尔库仑模型的凝聚力C 和摩擦系数tan）降低的倍数。该方法需要预先定义滑移面位置，不能找出其他潜在 滑移面，对已知滑移面的情况很适用，对一般边坡并不适用。很多程序可以完成此类分 某水库边坡稳定性分析与加固治理 10 析。 采用第一种方法分析后，然后按照传统的极限平衡法，搜索滑移面，找出最小 安全系数。该方法安全系数的定义与传统方法相同，即为滑移面上的总抗剪强度（算术 和）与总剪力的比值。这一方法源于传统方法，该方法滑移面是人为规定的，有可能找 不出其他潜在滑移面。 在实际岩土工程的数值模拟中，有限元法之所以占主导地位，是因为有限元法对非 均质、各向异性和非线性的岩土材料具有良好的适应性，能编制各类工程实际问题的有 限元分析通用化程序，可以解决各种复杂的边界问题。 3.1.2 边坡稳定性的离散元分析 56 离散元法（DEM）是由Cundall（1971年）首先提出的。该方法利用中心差分法解析 动态松弛求解，为一种显式解法，不需要求解大型矩阵，计算比较简便，其基本特征在 于允许各个离散块体发生平动、转动、甚至分离，弥补了有限元法或边界元法的介质连 续和小变形的限制。因此，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，阻尼系数难以确定等。 基于非连续介质模型的离散元方法在描述岩体这样的具有明显各向异性且力场受控 于节理走向的介质时具有独特的优势。其首先建立了边坡问题的离散元模型，单元间采 用面-面接触的无张力弹塑性接触模型；然后计算分析了临界开挖深度D与自然坡角、 节理倾角及剪切强度C、之间的关系。该方法可以直观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。因此，采用离散元方 法分析边坡稳定性是可行的，其计算结果对工程有一定的指导意义。 3.2 边坡稳定性的极限平衡分析 56 以极限平衡理论为基础的边坡稳定分析方法大体上经历了两个发展阶段。20世纪60 年代以前，以滑弧法、块体滑动法等为代表，对滑面和块体的形状、力学平衡条件以及 物理力学参数等方面，引入了较多的简化条件。20世纪60年代以来，随着计算机技术的 发展和普及，发展了Morgenstern-Price法（1965年） 、Spencer法（1967年） 、Janbu法 （1973年） 、Sarma法（1979年）等等方法，力图使滑面的形状以及力和力矩的分析更接 近实际。但各种方法都是以剖面为对象的平面分析法。 极限平衡法在工程中应用最为广泛，这个方法以摩尔库仑抗剪强度理论为基础， 将滑坡体划分为若干条块，建立作用在这些条块上的力的平衡方程式，求解安全系数。 某水库边坡稳定性分析与加固治理 11 这个方法，没有象传统的弹、塑性力学那样引入应力应变关系来求解本质上为静不定 的问题，而是直接对某些多余未知量作假定，使得方程式的数量和未知数的数量相等， 因而使问题变得静定可解。根据边坡破坏的边界条件，应用力学分析的方法，对可能发 生的滑动面，在各种荷载作用下进行理论计算和抗滑强度的力学分析。通过反复计算和 分析比较，对可能的滑动面给出稳定性系数。该方法的关键在于对滑体的范围和滑面的 形态进行分析，正确地选用滑面计算参数，正确地分析滑体的各种荷载。基于该原理的 方法很多，如条分法、圆弧法、Bishop法、Janbu法、不平衡传递系数法等。 3.2.1 边坡滑动稳定性的 Sarma 法 56 Sarma是一种边坡滑动稳定性分析方法.该方法是Sarma博士1979年在其论文 “Stability analysis of embankments and slopes”中提出的，其后得到广泛应用。 它的基本思想是：斜坡岩土体除非是沿一个理想的平面圆弧而滑动，才可能作为一个完 整刚体运动，否则，岩土体必先破坏成多块相对滑动的块体才可能发生整体滑动。因此 它不但要求底滑面上作用力平衡，同时相邻滑块之间的相对滑动面上也要作用力平衡。 Sarma 法是一种既满足力的平衡又满足力矩平衡的分析方法，计算时同时考虑滑体 底面和侧面的抗剪强度参数，而且各滑块可具有不同的c、值；滑块的两侧可以任意 倾斜（可以不用垂直条分） ，并不仅限于竖直边界，因而能分析具有各种滑坡结构特征 的稳定性，它可以用来评价各种类型滑坡的稳定性，如平面滑动、楔体滑动、圆弧滑动 和非圆弧滑动等各种复杂剖面岩土斜坡，且它无需条块边界垂直即无须垂直条分滑体， 从而可以对各种特殊的边坡破坏结构进行稳定性分析，传统的边坡稳定极限平衡分析法 采用垂直条分法，这个方法不能很好地考虑条块侧面的力的特性，特别是岩质边坡的断 层节理特征。 3.2.2 边坡滑动稳定性的条分法 7 边坡分析中首先应对自然状态下边坡稳定程度进行分析，确定大致滑动面位置、滑 动趋势大小，即评价边坡的滑动安全系数，这部分工作可采用条分法，条分法的基本出 发点是把土条作为刚体，按照极限平衡原则对假想滑动面上土条进行力和力矩平衡分析， 得到该滑裂面的安全系数，并经反复比选确定出最小安全系数和失稳滑裂面。 对于0的土坡，为了得到滑面上的抗剪强度，由摩尔库仑强度理论知道，需 要计算滑面上各点的法向应力n。刚体极限平衡分析的条分法计算思路是：假定滑坡 体和滑面以下土体均为不变形的刚体，滑面为不连续面。滑面上各点的法向应力采用条 分法获得。假设每个土条的法向力为均匀分布，则有ni=Ni/Li。 某水库边坡稳定性分析与加固治理 12 设在滑动体内土条总数为n，任一土条i上的作用力和未知数如下： 重力Wi。Wi=ibihi，i、bi、hi分别为土条i的重度、宽度和高度，为已知 量； 土条底面上的法向反力Ni和切向反力Ti。假设Ni作用在土条底面中点，Ti作用 线平行于土条i的底滑面。n个土条有2n个未知数，设滑动稳定安全系数为Fs时，按摩尔 库仑理论Ni和Ti有如下关系： Ti=（cili+Nitgi）/Fs （i=1，n） 因此法向反力Ni和切向反力Ti在安全系数Fs与土体抗剪强度指标确定的条件下线性 相关，n个土条Ti和Ni共产生n个独立未知量； 土条间法向作用力Ei。n个土条间接触面上的法向力大小、作用点均为未知量。 对坡肩土条的右侧面和坡脚土条的左侧面中土条n作用力为0或为已知的外力，因此共有 （n-1）2=2n-2个未知数； 土条间切向作用力Xi。n个土条间接触面上的切向力大小为未知量，无作用点， 土条中的接触面为n-1个，因此共有n-1个未知数； 安全系数Fs。滑面确定，土体抗剪强度指标已知，外力确定时，滑面上各点的 剪应力和抗剪强度即为确定值，按公式Fs=f/或Fs=Mf/M可得滑面上各点的安全系数。 我们假定整个滑面上各点的安全系数相等，则安全系数Fs为1个未知数。 由以上分析可知，n个土条在静力平衡条件下共有4n-2个未知数。将土坡稳定分析 作为平面问题，对每个土条可分别列两个正交方向的静力平衡方程和一个力矩平衡方程。 n个土条共计可列3n个独立的方程。因此，未知数个数比方程数多n-2个，只要土条数大 于2，土坡稳定分析问题即为超静定问题。需要增加方程个数或减少未知数个数，问题 才可解。 边坡稳定分析中条分法存在的问题是：条分法把稳定问题简化为静力学问题，除了 滑动面上的应力以外，没有考虑其它任何地方的应力，没有建立应力场，没有考虑材料 的应力应变关系和材料的流动规则，所以它只能是一种近似的方法；虽然条分法为手 算提供了某些方便，但是在结合渗流场计算方面却有其难以克服的困难：首先，条分法 不能进行渗流场的反演计算，它必须在已知边坡渗流场后，再进行边坡稳定分析计算； 其次，目前沿用的条分法仍采用土条周边的孔隙水压力考虑问题，由于难以正确估算， 于是就只考虑土条两侧以及土条底部滑动面上的水压力，并作了一些土重不同取法的规 定，这是很粗略的近似，而且会因为概念不清造成错误。而在有限元法的计算中，这些 某水库边坡稳定性分析与加固治理 13 错误都可以避免，因为有限元法可以模拟复杂边界条件和多种土层进行滑坡区渗流场分 析，并以渗透体力的方式计入渗流对滑坡的作用。 3.3 小结 目前国内外边坡稳定性分析的主要方法有：极限平衡法和数值模拟法，数值模拟法 主要有有限模拟和离散元模拟，极限平衡法主要有瑞典条分法、BISHOP法、余推力法、 JANBU法、SARMA法等。 有限元法来分析土质边坡的稳定性，可以得到边坡的变形特性和破坏区域。不过， 边坡局部塑性区的出现并不一定就丧失整体稳定，例如在计算中边坡坡脚处出现塑性区 或边坡顶部产生张拉区，对于边坡整体而言可能依然是稳定的，因而仅从破坏区的发育 情况并不能回答边坡在整体上是否稳定的问题。为了克服上述的缺点，根据有限元计算 得到的渗流场，针对实际工程中土质边坡的多种滑动面，可以迅速确定多条滑动面的稳 定系数，便于对土质边坡最危险滑面的搜索和整体稳定性评价。 研究成果表明，虽然条分法和有限元法计算得到的滑坡稳定系数规律相同，但条分 法的计算结果一般大于有限元法，在工程上应引起重视。同时，有限元法可以更客观地 反映渗流以及支挡结构与坡体的相互作用，并能揭示坡体的变形特性，这是有限元法独 特的优点。 4 边坡稳定性分析程序 4.1 Stab 及 Emu 边坡分析软件的程序说明 8 4.1.1 Stab 软件的程序说明 一、STAB程序开发过程 STAB程序前后经过了二十余年的开发过程。1976年，作者参加水利电力部第二工程 局官厅水库抗震加固工程时，在北京大学DJS60机上开发了一个圆弧滑裂面的土石坝 边坡稳定分析的程序。现在的STAB程序仍然保留了这一版本对边坡几何形状处理的主要 特点。1979至1981年，作者赴加拿大Alberta大学进修，在Morgenstern教授的指导下， 对边坡稳定分析的MorgensternPrice法作出了改进，并编制了相应的程序。1982至 1984年，作者在潘家铮院士主持的“水工建筑物设计专用程序”项目中，承担了编制土 石坝边坡稳定设计专用程序的工作。在这一项目中，本程序被正式命名为STAB。1994年 水利水电规划设计院在黄山组织专题审查会，并于1984年12月12日以(84)水规算字第3 号文正式批准STAB为水利水电系统土石坝设计专用程序，在水利水电设计系统中推广使 某水库边坡稳定性分析与加固治理 14 用。 1984至1995年，作者在推广使用STAB程序的过程中，将其改造成微机DOS版，并命 名为STAB