（地质工程专业论文）双江口水电站左岸出水口边坡稳定性研究.pdf

摘要 摘要 滑坡是一种重大的地质灾害，给人类的生命财产带来重大威胁。我国目前正 处于经济建设高速发展的时期，在水利、铁路、公路、矿山建设中，遇到了一系 列复杂的边坡工程地质技术难题，其中岩质高边坡的稳定性问题较为突出。岩质 高边坡的稳定性关系到工程建设的成败、工程运营的安全性及经济合理性。本文 以双江口水电站左岸出水口岩质边坡为背景，针对岩质高边坡的稳定性研究做了 以下工作： ( 1 ) 系统总结国内外边坡稳定性分析的发展和研究现状，分析边坡稳定性研 究中存在的问题。 ( 2 ) 通过现场的工程地质勘察获取基础地质资料，利用赤平投影法对边坡的 失稳模式进行判断，利用二维极限分析上限法对边坡稳定性进行分析。 ( 3 ) 利用v 队和f l a c 内置f i s h 语言各自的特点和优势，开发边坡稳定性三 维非线性有限差分分析通用建模程序。 ( 4 ) 利用上述程序对岩质边坡变形破坏进行三维数值模拟，分析了边坡的应 力应变状态，通过强度折减法研究了边坡在临界失稳状态时可能的失稳模式、 塑性区分布及安全系数。在稳定性分析中，各参数的取值对计算结果存在影响， 因此进行了参数敏感性分析。 ( 5 ) 将三维数值模拟计算结果与二维极限分析上限法计算结果进行对比分 析。结果表明，两种方法的计算结果存在较好的一致性，可以互相验证，利用三 维极限分析上限法对岩质边坡进行分析的同时，对边坡进行三维非线性有限差分 分析有利于更准确的评价边坡的稳定性。 关键词：岩质边坡；稳定性分析；有限差分；强度折减法：f l a c ；e m u 。 a b s t r a c t a b s t r a c t l 习m d s l i d ei sak i n do fs i 鲥f i c a n tg e o l o 舀c a ld i s a s t e f ；i tt h r t 饥sh 1 瑚a n sl i f e 锄d 鲫) p t 玎t ys i 弘i f i c a l l 衄a tp r e s 蜘t ，se c o n 伽i cc o 璐t n l c t i 蚰i sd e v e l o p i n ga tah i 曲s p d 1 l l 饿黜s 嘶e so fc o m p l e xt c c h 【l i c a lp r o b l e m so ns 1 0 p ee l l g i i l e e r i n gg e o l o g y 证m e c o i l s 虮l c t i o no fw a 衙c o i l s e r v 锄c y r a i l w a y s ，h i g t l w a y s 锄dm i n e a m o n ga l lm 髂e p r o b l 锄s ，m es t a b i l i 哆p r o b l e mo fl l i 曲r o c ks l o p ei sm o r ep m i i l e n t t l h es t a b i l i t y s i t u a t i o no fl l i g hr oc ：k s l 叩er e l a t e dt o 、v h e m c rm ep r o j e c tc o n s t m c t i o nw i l lb e s u c c c 鼯f u lo rn o t ；a sw e l l 鹬m es e c u d t yo fp r o j e c t0 p 耐i o na n de c o n o m i c a l r a t i o 眦l i 劬1 1 l i sp 印t a k i n gt l l e r o c ks l o p ei nu l eo u t i c to fm el 硪b a n ko f s h u a i i l 裔i a i l g k o uh y d r o p o w e rs t a t i o na sab a c k g r o u n d a n dh a l sc 撕e do u tt l l e f o l l o w i n gs t i l d y0 n 廿l es t a b i l i t yo f h i 曲r 0 c ks 1 0 p e ( 1 ) s y s t e m a t i c a l l y 鲫【i l m 撕z et h ed e v e l o p m e i l ta n dc l l 玎e n tr e s e a r c h0 nn l e s t a b i l i 缈o fs l 叩ea th o m ea 1 1 da b r o a d ，a j l da i l a l y z et h ep r o b l 锄sw h i c he x i s ti nt h e r e s e a ho nt h es t a b i l i t yo fs l o p e ( 2 ) t oc o l l e c tm ef i r s m a n dg e o l o 西c a ld a t a 缸o u 曲l ee n 西n e e r i n gg e o l o 西c a l r e c 0 衄a i s s 觚c ei nm es p o t t h em e m o do fs t e r e o 伊a p h i cp r o j e c t i o ni su s e dt oj u d g e t l l ep o t e l l t i a li n s t a b i l i t ym o d e e m u ( e n e r g ym e t h o du l ，p e rb o u n dl i m i ta n a l y s i s ) i s u s e dt oa n a l y z em es t a b i l i t yo fm es l o p e ( 3 ) 1 酞ea d v a n t a g eo fm er e s p e 嘶v ec h a r a c t e ra i l ds u p e r i o r i 够o f s u a lb a s i cf o f a p p l i c a t i o 璐a n df i s hl 锄g u a g ew h i c hi s i n s t a l l e di nf l a ct o d e v e l o pa 缸l r e e d i m e n s i o n a 【l s l o p en o m i n e a ra n a l y s i sp r o g r a mb 私e do n f i i l i t cd i 丘e r e n c e n l e l o d ( 4 ) b a s e do nm ep r o g r a mm e n t i o n c da _ b o v e ，at l l r e e d i i l l e n s i o n a ln 【i l e r i c a l s i i n u l a 舶ni 8m a d et 0a l l a l y z em ede _ 如n n a t i o na i l df a i l u r eo f l e c ks l o p e t h e l lt 量l c s t r 船ss t a _ t ea l l ds t a i ns t a t ea r e 田l a l y z e d w i 吐lm es 仃e 1 1 9 t l lr c d u c t i o nm e m o d ，m ep a p e r r e s e 诎硫om ep o t e i l t i a li n s t a b i l i t ym o d ea n dm ed i s t r i b u t i o no fp l a s t i cz o n ea n dt h c s a f e t yf a c t o ri i l 也e 嘶t i c a li n s t a b i l i t ) rs t a t e h l 廿l es t a b i l i 哆觚a l y s i s ，也ev a l u eo fm e p 娥吼e t i 潞h a s 锄i m p a c to nc a l c u l a t e dr e s l l l t s ，s om ep 聪l i l l 曲e rs e l l s i t i “t ya n a l y s i si s i i a b s t r a c t d o n e ( 5 ) t 0m a k eac o n t r 嬲t i v e 觚a l y s i so ft h ec a l c u l a t e dr e s u l t so ft h r e e d i m e n s i o n a l n 啪e r i c a ls i m u l a t i o na l l de m u t h er e s u l ti n d i c a t e sm a tt 1 1 ec a l c u l a t e dr e s u l to ft l l e 帆om e t h o d sh 嬲r e l n 砌【a b l e 岫i f o m i 批t h e yc a i lv 商矽e a c ho t h e r c 伽曲i i l i n g l r e e - d i m e i i s i o n a ln u m e r i c a ls i 枷l a t i o nw i t he m ui so f a d v a n t a g et 0h a v i n gam o r e a c c u r a t e 孤a l y s i so fm es l o p es t a b i l i 劬 k e yw o r d s ：r o c ks l o p e ；s t a b i l 时锄a l y s i s ；f m i t ed i f f 盯e n c e ；s 咖g lr e d u c t i o nm e n l o d ； f l a c ；e m u i i i 学位论文独创性声明： 本人所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工1 f i 及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地力 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同】 作的同事对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明爿 表示了谢意。如不实，本人负全部责任。 论文作者。签名，： i 氢驰 2 。8 年期f o 日 学位论文使用授权说明 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术 期刊( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或 电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电亍 文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外， 允许论文被查阅和借阅。论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权 河海大学研究生院办理。 论文作者( 签名) ： 2 0 0 8 年乃o 日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 选题来源及研究意义 滑坡是一种常见和重大的自然灾害。每年，滑坡和泥石流都要给人民生命财 产带来巨大的损失。滑坡同时也对许多工程建设造成严重影响。就水利水电建设 而言，库区、坝区滑坡事故多次发生，造成重大经济损失和人员伤亡f l 】。我国主 要的水电宝藏多位于西南、西北等地区的高山深谷之中，自然条件复杂。进入 2 | 世纪，我国加大了水利水电工程建设的步伐，相继开工了一批巨型和大型工 程。宏伟的南水北调工程的西线也将跨越地质条件极为恶劣的高山大川。在工程 建设中，遇到了一系列复杂的边坡工程地质技术难题，这些重大工程地质问题关 系到工程建设的成败，也涉及工程建设的技术可靠性和经济合理性。边坡工程地 质问题的研究是一项系统工程，不仅要深入分析、研究地质条件和存在的地质缺 陷，而且更要研究工程建筑物的适宜性和对地质缺陷的处理措施【2 】。对工程建设 而言，这是一项十分重要而紧迫的工作。 本人硕士在读期间恰逢母校在成都设立西部水电研究生培养基地，有幸参与 了双江口水电站项目的可行性研究工作，本文选题即来源于此项目。 双江口水电站【3 】，位于四川省阿坝州马尔康县与金川县交界处的大渡河上游 东源( 主源) 足木足河和西源绰斯甲河汇合口可尔因以下约1 6 k m 河段，有3 1 7 国道和大渡河沿河公路( 省道s 2 1 1 ) 通过工程区，距马尔康县和金川县均约4 5 k m ， 距成都约4 0 0 k m ，交通较为方便。 双江口水电站是大渡河流域水电梯级开发的关键性工程之一，双江口水库为 干流上游控制性水库。坝址处控制流域面积3 9 3 3 0 k 秤，多年平均流量5 2 7 m 3 s 。 水库正常蓄水位2 5 0 0 m ，堆石坝最大坝高3 1 4 m 。对应库容约2 7 3 2 亿m 3 ，具有 年调节能力，电站装机容量2 0 0 0 m w 。 本文针对双江口水电站左岸出水口岩质边坡进行稳定性研究，对于探索和认 识岩质边坡三维数值模拟具有重要的意义，同时可用于为枢纽布置、设计及边坡 加固措施设计提供依据，研究成果对工程建设具有重要的实际意义。 河海人学硕，l 论文 1 2 国内外研究现状及评述 1 2 1 边坡稳定性研究的发展历史 边坡稳定性研究是在土力学、岩石力学和工程地质学等学科发展的基础上不 断发展完善起来的，经过一个多世纪的发展，已取得了巨大的成就【4 】。 二次世界大战前后，边坡的研究尚属土力学的研究范畴，边坡的稳定性分析 方法主要借鉴土力学的研究成果，例如1 9 1 6 年由p 砌t l e 提出，f e l l n i l l s 和t a v l o r ( 1 9 2 2 ) 发展的圆弧滑动法、1 9 5 5 年的b i s h o p 条分法【5 】、1 9 5 4 年的j a n b u 条分 法【6 】和2 0 世纪7 0 年代的王复来分析方法等形成极限平衡理论，是建立在刚塑性 体模型基础上的破坏理论，是古典土力学解决土质边坡稳定性的核心【7 】f 9 】。而 现代土力学致力于土体真实破坏过程的理论研究，它的建立可能要运用到损伤力 学、细观力学和分形理论等现代力学分支，最后要完成对边坡破坏过程的数学模 拟。 岩质边坡的研究依赖于岩石力学的发展，早期人们将简单均质弹性、弹塑性 理论为基础的半经验半理论边坡分析方法用于岩质边坡的稳定性研究，但其计算 结果与工程实际有较大差异。在2 0 世纪6 0 年代初期，随着世界经济的发展，采 矿、水利、交通和建筑等行业大量工程的建设，出现了许多地质条件极其复杂的 大规模矿山边坡、大坝坝肩槽和库岸边坡、铁路和公路的路堑边坡问题，特别是 1 9 5 9 年法国m a l p 鹪s e t 坝左岸坝肩岩体的崩溃及1 9 6 3 年意大利v 甑o n t 水库左岸 总方量达2 7 5 亿n 1 3 的巨型滑坡等一系列水电工程事故的发生，使人们清醒地认 识到对边坡破坏的力学机理研究不足，研究者意识到边坡破坏是一种时效过程或 累积过程，必须重视其变形破坏过程和机制的研究，从而使边坡稳定性研究进入 了考虑时效过程的稳定分析阶段，步入了工程地质分析和岩石力学机制分析相结 合的时代【l o l 1 5 1 。1 9 6 7 年人们第一次尝试用有限元研究边坡的稳定性问题，给定 量评价边坡的稳定性创造了条件，并使其逐步过渡到数值方法，从而使边坡稳定 性研究进入模拟机制和作用过程研究成为可能，同时以概率论为基础的可靠度方 法也被引入边坡稳定性研究中。同一时期，我国在边坡工程稳定性研究方面也取 得了丰硕成果，如岩体结构理论及相应的边坡岩体稳定性分析的岩体工程地质力 学方法等。 2 第一章绪论 2 0 世纪8 0 年代后，由于计算机技术的发展及岩体力学性质研究的进展，各 种复杂的数值计算方法广泛地应用于边坡研究。1 9 8 3 年孙玉科对盐池河山崩变 形机制作了平面有限元分析；1 9 8 9 年陈宗基对抚顺露天矿边坡按照1 9 。、2 9 。、 3 4 。的坡角以及坡角1 9 。并有深部开采的不同模式进行有限元分析；1 9 9 1 年 j o 嬲对英国威尔士煤田边坡稳定性与采矿沉陷性状的相关性进行了有限元分析， 并用模型实验进行验证。1 9 7 1 年c 蚰d a l l 提出了非连续介质的离散元【| 6 】，用于模 拟边坡的渐进破坏，1 9 9 1 年t 0 蛐i s a 运用该方法分析了日本3 0 5 国道的岩石边 坡的破坏过程。1 9 8 6 年f l a c 的出现，为边坡分析提供了一种极其有效的方法， 它不但可以处理大变形问题，而且可以模拟某一软弱面的滑动变形，能真实反映 实际材料的动态行为，并可考虑锚杆、挡土墙、抗滑桩等支护结构与围岩的相互 作用，被公认为是岩土力学数值模拟行之有效的方法【1 7 1 埘】；1 9 8 8 年b r a d y 运用 它对矿山倾斜采场的加固方案进行了模拟，1 9 9 3 年b i l l a ：l l 】【对6 m 高冲填体进行 了模拟，1 9 9 5 年王永嘉将f l a c 引入国内，先后在水电、隧洞、边坡中广泛使 用。 进入2 0 世纪9 0 年代，边坡研究传统方法不断趋于完善，进入了定性与定量 相结合、概念模型与仿真模拟相结合、监测与反馈分析相结合的新阶段，边坡问 题的研究将传统的边坡工程地质学、现代岩土力学和现代数学力学相结合，形成 了所谓的现代边坡工程学。各种现代科学的新技术，如模糊数学、可靠度理论、 遗传学、人工神经网络、模拟退火、蚂蚁算法、灰色系统理论、耗散论、协同学、 突变理论、分形理论等不断用于边坡问题研究中，从而给边坡的稳定性研究提供 了新理论、新方法，极大地推动了边坡研究的进展【2 5 】【2 6 】。 1 2 2 边坡稳定性分析方法 边坡稳定性分析和评价是边坡研究的核心，在工程领域常用的分析方法有极 限平衡分析法、应力应变分析法等【1 】【4 】。其中，极限平衡分析法作为最基本、最 简单的方法在边坡工程中得到广泛应用，其分析结果通常作为设计依据。应力应 变分析法除具有评价工程边坡的天然稳定性外，更具有了解各类工程治理加固措 施的作用和有效性的作用。随着人类工程活动的发展，边坡研究理论的深入，分 析手段的不断拓宽，目前国内外边坡稳定性分析的方法很多，不同的边坡类型可 采取不同的力学模型和方法，不同的分析目的也有不同的方法与之相适应。边坡 3 河海人学硕i ? 论文 稳定性分析方法总体可分为：定性分析方法、定量分析方法。 1 2 2 1 定性分析方法 定性分析方法主要是通过自然历史分析法、工程地质类比法、岩体质量评价 等方法来分析。通过对工程边坡的形成演化特征、工程地质条件、岩体质量、力 学参数、可能的变形破坏模式和边界条件等基本问题的研究，从基础工程地质的 角度、把握边坡的结构特征、浅表生改造特征和重力改造特征，对影响边坡稳定 性的主要因素、边坡发育历史中的各种变形破坏迹象进行分析，从而对边坡稳定 性的总体情况、趋势和区域性特征作出评价和预测。 ( 1 ) 成因历史分析法 成因历史分析法是通过研究边坡的形成历史和所处的自然地质环境、它的外 形和物质组成、变形破坏形迹，以及影响边坡稳定性的各种因素特征和相互关系， 从而对它的演变阶段和稳定状况做出评价和预测。它不仅能判定边坡稳定性现 状，也能对边坡稳定性演化做出预测，并能为定量的力学计算方法确定边界条件 和选用参数，为工程地质类比法提供比拟依据。因此，成因历史分析法是各种分 析方法的基础。 ( 2 ) 工程地质类比法 工程地质类比法是一种经验性的方法，是将已有边坡同新边坡进行类比，将 前者的研究设计经验用于拟建边坡的研究设计中去。为此，需通过对已有边坡和 待分析边坡从各方面的比较、归纳，找出它们的相同点和不同点，分析影响边坡 变形破坏的各主导因素及发展阶段的相似性及其差异性，得出边坡稳定性评价的 结论【羽。 ( 3 ) 赤平投影法 极射赤平投影简称赤平投影，它主要用来表示线和面的方向、相互间的角距 关系及其运动轨迹，把物体三维空间的几何要素( 线、面) 反映在投影平面上进 行研究处理嘲。利用赤平投影分析边坡稳定是建立在对边坡岩体进行大量调查统 计基础之上的，首先要调查统计岩体节理裂隙，掌握比较发育和贯通性强的结构 面，特别是软弱结构面的产状特征。如果软弱结构面比较明显，就需将其画在赤 平投影图上，并结合边坡坡面在赤平投影图上的位置，分析边坡的稳定性。 ( 4 ) 边坡岩体评分方法 4 第一章绪论 边坡岩体评分方法是根据边坡岩体的某些特征，对边坡岩体进行评分分类， 以积分多少来评定边坡岩体稳定性的一种方法【4 】。属于宏观定性评定边坡稳定性 的范畴。b i e i l i a w s 虹提出了岩体分类的r m r 系统，曾对地下洞室提出了详细的 稳定性评价判据，而对边坡，则较笼统地提出了从o 6 0 分的打分标准。l m a i l a 于1 9 8 5 年引入了考虑节理和边坡相互关系系数的s m r 系统，对这6 0 分的的评 价条件作出了进一步的细化，提出了边坡岩体评分的s m r 方法，是国际上应用 较广泛的一种边坡总体稳定性评价方法。我国水利水电系统在国家“八五 科技 攻关科研工作中，以s m r 评价方法为基础，提出了一个改进的边坡总体稳定性 评价方法，即c s m r 分类体系。 1 2 2 2 定量分析方法 ( 1 ) 刚体极限平衡分析法 刚体极限平衡法是岩土力学中的一个经典分析方法，也是我国目前应用最简 易、最成熟、最广泛的边坡稳定性分析方法，其基本思路是：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，其形状可以是平面、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，分 析斜坡各种破坏模式下的受力状态，以及斜坡体上的抗滑力和下滑力之蒯的关系 来评价边坡的稳定性。由于条块假定的受力不同，或认为采用的模式差异，极限 平衡法主要有瑞典圆弧( f e l l e i l i u s ) 法、简化毕肖普( b i s h o p ) 法、简布( j a d b u ) 法、斯宾塞( s p e i l c e r ) 法、摩根斯坦普赖斯( m o r g e i l s t e n l p r i c e ) 法、不平衡 推力传递系数法、沙尔玛( s a n l l a ) 法、楔体极限平衡法等。我国熊传治教授推 导了m o l 小c o u l o m b 破坏准则的安全系数表达式，用优化方法解决了平面或圆 弧滑面的确定问题，张天宝( 1 9 8 1 ) 对圆弧滑裂面采用解析法求解临界滑裂面， 孙君实( 1 9 8 3 ) 采用复形法对任意形状滑裂面确定最小安全系数，周文通( 1 9 8 4 ) 使用p o w e l l 法计算“改良圆弧法”的最小安全系数。8 0 年代后期陈祖煜、劭 长华( 1 9 8 8 ) 采用了单形法、牛顿法进行任意形状滑裂面搜索。非数值方法方面， 模拟退火法、遗传算法等被应用于计算最小安全系数。 ( 2 ) 应力应变分析方法 计算机技术的迅猛发展促进了岩土体数值分析方法的研究，采用数值计算理 河海人学硕i ：论文 论可以分析大型的复杂工程结构，模拟边坡开挖至破坏的全过程。为了更好地反 映边坡岩土体的应力应变关系，各种数值计算方法在边坡工程中得到了广泛的应 用。目前，比较有代表性的分析方法有：有限单元法( f e m ) 、离散单元法( d e m ) 、 快速拉格朗日分析( f l a c ) 、边界元法( b e m ) 、不连续变形分析( d d a ) 、临 界滑动场法、流形元法( m e m ) 等【2 8 1 3 引。 ( 3 ) 极限分析法 极限分析法是以d m c k e r 和p r a g e r 等学者创立的塑性力学上、下限理论为 基础建立起来的力学分析方法【3 9 1 。c h e i l 于1 9 7 5 年将这一理论推广到土的极限 分析领域。由s l o a l l 等学者提出的有限单元法上、下限解以及d o n a l d 和陈祖 煜等提出的斜条分法上限解是两个较为成熟并具有实用意义的方法。极限分析方 法的关键所在是运动许可速度场和静力许可应力场的构造技术及其优化分析。由 于下限理论遵循协调的应力场，因此求解相当困难，而上限理论则可方便地构造 协调速度场，预测极限荷载。工程中从偏于安全角度考虑，常要求获得下限分析 成果。如能同时求得上限和下限解，则可以准确确定实际破坏荷载和边坡的稳定 安全系数，其应用将克服其它方法的不确定性问题，但极限分析求解较为复杂， 过去未能获得广泛应用。 ( 4 ) 可靠度分析方法 由于作用荷载、岩土体力学参数等并非定值，而是服从一定的概率分布，边 坡稳定性分析的一个发展方向是基于概率统计的可靠度理论。可靠度理论是一种 迅猛发展的新方法，自二十世纪7 0 年代应用于边坡工程以来，受到了国内外岩 土界的高度重视。 可靠性分析是研究在诸多确定和不确定因素作用下系统的安全问题。它的基 本思想是假设边坡受控于多种因素x i ( i = l ，2 ，n ) ，基于极限平衡理论的状态函 数z 寻g ( x l ，x 2 ，x n ) 为合理的条件下，确定最小可靠度指标b ( 最大失效概 率) 【1 】【柏】。从理论上讲，可靠度分析优于安全系数定值评价，然而对岩土材料， 其最大的困难在于确定其物理力学参数，此外，因随机的因素太多，难以确定各 因素的概率分布，此方法刚走向实际工程应用阶段，还有待深入研究f 4 l 】【4 2 】。 ，( 5 ) 块体理论法 块体理论是由( 沁o d m a n 和石根华提出的，该方法利用拓扑学和群论评价三。 6 第一章绪论 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。利用 块体理论能够分析节理系统和其它岩体不连续系统，找出沿规定临空面岩体的临 界块体。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。块体理论不提供大变形下的解答，能 较好地应用于选择边坡开挖的方向和形状f 4 3 】【4 4 1 。 ( 6 ) 灰色系统理论分析方法 灰色系统理论由我国的邓聚龙教授首创，边坡中主要使用灰色关联理论进行 稳定性判别【4 5 卜【4 7 1 。将影响边坡稳定的诸因素作为岩质边坡稳定性的判别变量， 用多组判别法就可以得到边坡各种状态的概率，以此判别边坡的稳定与否。 ( 7 ) 模糊综合评判法 即把模糊评判和层次分析法相结合进行滑坡综合评判。其基本思路是，分析 影响滑坡的各种因素，采用层次分析法将各种因素划分层次，建立递阶关系，求 出各类影响指标对稳定性的影响程度，最后用模糊评判方法按最大隶属度原则进 行选择，判断边坡属于哪种状态【4 8 】。 ( 8 ) 人工神经网络分析方法 人工神经网络是基于模仿人脑神经网络自然生理结构和功能而建立的一种 信息处理系统。人工神经网络具有极强的学习功能和非线性表达能力，正好符 合岩石力学与土力学中许多问题描述不完善和非线性特点。与数值模拟方法相结 合，可以通过简单易测的信息来推知不易获得的信息。 神经网络在边坡工程研究中主要是用于边坡稳定性的评价和滑坡时空预测 预报。它根据待识边坡的固有特性、统计特性、结构特性、模糊特性、知识性， 对待识边坡进行描述、量化，然后作为神经网络的输入，设置其期望值，与一些 标准的( 即已知其类别归属的) 边坡样本进行比较，据此去调整权值，经过反复 学习，直到获得理想的输出为止，然后用此理想的学习结果去识别未知的边坡。 利用人工神经网络方法和理论，可以尽可能地将多种影响因素作为输入变量，建 立这些定性定量影响因素同边坡安全系数与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价边坡工程的安全性。 ( 9 ) 其它方法 除了上述分析方法外，近年来还提出了不少新的研究方法，如各类耦合数值 7 l i f 海人学硕i ：论文 分析方法【5 0 】、分形分维理论【5 l 】以及各类数据库、专家系统、人工智能等。边坡 稳定分析方法的多样性，使人们可以从多种途径来对边坡的稳定性进行评价。 1 3 主要研究内容及技术路线 1 3 1 主要研究内容 ( 1 ) 系统总结国内外边坡稳定性分析的发展和研究现状，分析边坡稳定性研 究中存在的问题。 ( 2 ) 介绍边坡稳定极限平衡分析的理论基础，重点介绍边坡稳定极限分析上 限法。介绍显式有限差分分析软件f l a c 的特点、功能，阐述显式有限差分法的 基本原理，并介绍摩尔一库仑模型的本构理论和数值实现。 ( 3 ) 通过现场的工程地质勘察获取基础地质资料，利用赤平投影法对边坡的 失稳模式进行判断，利用二维极限分析上限法对边坡稳定性进行分析。 ( 4 ) 利用v b a 和f l a c 内置f i s h 语言各自的特点和优势，开发边坡稳定性三 维非线性有限差分分析通用建模程序。 ( 5 ) 用f l a c 3 d 软件对岩质边坡变形破坏进行三维非线性有限差分分析，对 影响边坡稳定的主要相关因素进行敏感性分析。对比分析二维极限分析上限法 与三维非线性有限差分分析方法的计算结果，验证岩质边坡的三维非线性有限 差分分析方法的可行性和实用性。 1 3 2 研究思路和技术路线 通过双江口水电站坝址现场的工程地质勘察获取了基础地质资料。在此基 础上建立能够反映地质体结构特征并具有清晰的边界条件的地质模型。随后综合 分析潜在的内外部影响因素，对边坡的稳定性进行初步的定性评价，并对边坡可 能的失稳模式或破坏机制作出准确的判断。同时结合试验研究、经验判断、理论 分析等手段，对地质体的岩土工程物理、力学特性进行系统的分析研究，提出各 种分析方法所需的计算参数，针对不同的破坏机制，采用相应的边坡稳定分析计 算方法，对各种工况条件下的边坡稳定性作出定量评价，对可能失稳的边坡采取 切实可行的工程处理措施，施加有效的边坡加固方案。 在使用f l a c 对边坡进行三维数值模拟过程中，根据本人对边坡建模过程的 认识，尝试利用多种常用软件，编写相应的通用建模程序，以期达到快速标准化 建模。 技术路线如图1 1 所示。 图1 1 技术路线 9 河海人学顾i j 论文 第二章岩质边坡稳定性研究的基本理论及计算方法 2 1 边坡稳定极限平衡分析方法及e m u 程序简介 2 1 1 边坡稳定极限平衡分析的理论基础 极限分析是塑性力学求解结构破坏时的承载能力的一个重要方法。极限分析 的基本出发点是假定结构的关键部位在外荷作用下发生破坏，在该区域内各点均 达到了极限平衡，处于塑性流动状态。此时，荷载不增加，位移可以不断地发展。 对于由岩土材料构成的边坡，这一关键部位可以理解为是滑坡体。 边坡稳定性分析的基本提法和求解固体力学问题是一致的，即在一个确定的 荷载条件下，寻找一个应力场、相应的位移场，以及应变场勺，它们满足 下列条件( 以张量形式表达) 。 ( 1 ) 静力平衡 ，= 彬 ( 2 1 ) 其力学边界条件是 亏z ( 2 2 ) 其中形为体积力，互为作用于表面上的边界力，一为表面力作用处法线的方向 导数。 ( 2 ) 变形协调 变形协调条件要求按下式定义的应变场，除个别特殊规定的部位外，均应连 续可微。 白= 半 ( 2 3 ) ( 3 ) 本构关系 ， 上述满足静力平衡条件的应力场和协调的应变场之间具有下列关系： a 沪c 晴h s h q q ( ) o ( 2 5 ) 1 0 第二章岩质边坡稳定性研究的皋奉理论及计算方法 式( 2 4 ) 和式( 2 5 ) 分别反映了材料必须遵守的应力应变关系和强度准则，有 时二者合一。其中为反映材料弹性或弹塑性本构关系刚度矩阵的张量表达 式。 通常称式( 2 5 ) 中的厂( ) 为屈服函数。对岩土材料，常用摩尔库仑准则， 即 厂( f ，仃) = r c 一( 仃一”) t a n 矽= o ( 2 6 ) 式中：盯和f 为破坏面上的法向和剪切应力；c 和为材料的有效应力抗剪强度 指标，甜是孔隙水压力。在一般的岩土材料中，还需要引入不容许出现拉应力的 限制条件： q 0 ( 2 7 ) 氓为土体内任一点的小主应力，定义压应力为正。 全面满足上述条件的解答，即是反映实际情况的真实解。但是，岩土材料的 不连续性、不均匀性、各向异性和非线性的本构关系，以及结构在破坏时呈现的 剪胀和软化、大变形等特性，使求解岩土材料应力和变形问题变得十分困难和复 杂。在工程实践中寻找能基本反映上述条件的简化方法，始终是人们长期探索的 一条途径。 下限定理从构筑一个静力许可的的应力场入手，认定凡是满足式( 2 1 ) 、式 ( 2 2 ) 、和式( 2 5 ) 、式( 2 7 ) 的应力场所相应的外荷载丁o 定比“真实的极限荷载 小。 上限定理从构筑一个处于塑性区q + 内和滑裂面r 上的协调的塑性位移场 嘭的增量出发，认定凡是在q 。内和r 上式( 2 6 ) 中的等式处处成立时，所相应的 通过功能平衡方程式获得的“虚外荷载”一定比“真实的极限荷载 大。由于弹 性变形通常相对塑性变形要小许多，所以在应用上限定理确定外荷载时，还可以 将式( 2 3 ) 中甜的仅理解为塑性变形。 用塑性力学上、下限定理分析边坡的稳定问题，就是从下限和上限两个方向 来逼近真实解。这一求解方法最大的好处是回避了在工程中最不易弄清的本构关 系表达式，而同样可以获得理论上十分严格的计算结果。 河海人学硕l j 论文 2 1 2 边坡稳定极限分析上限法的基本原理 2 1 2 1 安全系数定义 在实际工程中我们所分析的对象往往是一个具有一定安全储备的结构，分析 这样一个结构稳定性的提法一般是这样的：对某一处于稳定的结构，需要一个多 大的外部干扰因素，方可将其过渡到极限状态。在塑性力学和边坡稳定分析领域， 通常有以下三种处理方案： ( 1 ) 方案1 。如果边坡表面作用荷载z o ，那么，可以将这个荷载增加到直至破 坏，此时的荷载为n 定义加载系数为： ，7 钆：宰 ( 2 8 ) 叩2 仉21 _ 临葛j 这一方案应用于地基承载力领域。 ( 2 ) 方案2 。极限状态是通过施加一个假想的水平体积力形来实现的。其中 矿为滑坡体的自重，7 7 6 为临界加速度。这种方法在边坡问题中较为适用。这一方 案首先由s a m l a 提出。 ( 3 ) 方案3 。定义安全系数f 是这样的一个数值：如果材料的抗剪强度c 与 指标按f 缩减为t 与无，则边坡处于极限状态。 乏= c f ( 2 9 ) t a l l 统= t a n ， ( 2 1 0 ) 对于方案1 与方案2 ，我们可以通过一个显式求出一系列的7 7 f 或仉。采用方 案3 时，常以隐式出现在求解的方程式中，需要进行迭代。通常的作法是，先假 设一系列的，值，按式( 2 9 ) 和( 2 1 0 ) 确定t 与以。如前所述，我们可以不通过迭 代分别求得相应的轨或璐。在这一系列的臻或枷中找到其值为零的，值，如图 2 1 所示。 1 2 第二章岩质边坡稳定性研究的崔奉理论及计算方法 田 o 1 0 0 1 一o 0 3 图2 1 通过仇或玩计算安全系数f 2 1 2 2 边坡稳定分析的s a r m a 法 s a r m a 法计算简图如图2 2 所示，假定条块的底面和侧面均达到极限平衡， 则可通过静力平衡条件获得上节“方案2 定义的临界加速度： 其中： 仇：翌塑鱼型里笸益卫竺盥丝( 2 11 )，一。4 。一 il i - i b ，+ b ，一l + p 。一2 一l + + p l 一l 巳乞 口：堡! ! 堕堡二堡! 墨! ! ! 丝墨! ! ! 呈! 垄二鱼二垒1 2 ：二墨! ! 呈! 丝二堡二垒!( 2 1 2 ) “ c o s ( 一q + 一4 + 1 ) s e c 、。7 a = 砀等 ( 2 1 3 ) 州 c o s ( 群一嘶+ 一4 + 1 ) s e c 、7 龟= 舞警糍 r = 柏s e c 一弘t a n s ：f = 彰4s e c 嘶一p 形t a n 彩 = 4 = 戤。= 瓯+ 。= o ( 2 1 4 ) ( 2 1 5 ) ( 2 1 6 ) ( 2 1 7 ) 磊为第j 条块左侧面的倾角的余角；q 为第f 条块底面的倾角；谚和q 为第 f 条块底面上的平均摩擦角和粘聚力；和c ! ；，为第f 条块侧面上的平均摩擦角和 粘聚力；吐为第f 条块左侧面的长度；6 f 为第f 条块底面宽度；尸形为第f 条块左 侧面上的空隙水压力；配为第f 条块底面上的空隙水压力。 1 3 河海人学硕i ：论文 确定了仉值，可以根据图2 1 所示的方法确定安全系数，。 ( a )( b ， 图2 2s 枷a 法计算简图 2 1 2 3 边坡稳定分析的能量法 将某一边坡的塑性区离散为一系列具有倾斜界面的条块，如图2 3 所示。每 一条块都视为刚体，其变形速率为以与该楔体底线夹角为岔，该楔体与右边相 邻块体的相对速度为巧，此相对速度与该两块体的交界面的夹角为衫。内能耗散 发生于该条块的底面和条块间的界面，在条块内为零。若滑坡体被分成露个条块， 因而有以1 个界面。功能平衡表达式如下： ，f i门 磁+ 跣= 附。 ( 2 1 8 ) j = lj = l 上式左边的第一和第二项分别为沿条间界面底滑面的内能耗散，下标e 表示 相应的强度参数隐含了安全系数，。 图2 3 能量法计算简图 1 4 第- 二章岩质边坡稳定性研究的皋奉理论及计算方法 第七个界面右边条块的速度都可以表示成第一个条块的速度的函数： 其中： 圪= 彬 r = 愈然 ( 2 1 9 ) ( 2 2 0 ) 式中上标，和厂代表界面左和右的物理量，_ ，代表界面上的物理量。6 l 、屏 和e 分别为左边条块、右边条块和条块界面速度与z 轴的夹角，均定义为从x 正 方向开始反时针旋转为正，计算从第一个界面开始，到分割第七和第斛1 个块体 的界面终止。 滑裂面上的内能耗散由下式确定， 见= ( 巳c o s 吮一“s i n 唬) s e c 口y 血 ( 2 2 1 ) 可得计算安全系数的计算公式如下： 科( c p c o s 唬一“s i n 唬) s e c 口缸一( 形+ 弓) s i n ( 口一统) 一( 7 7 肜+ 正) c o s ( 口一统) 】j 疗一l 一彭( c o s 衫一甜s i n 杉) f c s c ( 口7 一彤一够) fs i n ( 口一允) f 厶= o f - l ( 2 2 2 ) 上式中仅包含一个未知量，即隐含于岛和t a l l 磊中的安全系数f ，可通过迭代 求解。 2 1 3e m u 程序简介 e m u 是一个对滑坡体采用倾斜条块的极限分析上限解的稳定分析程序。一 般情况下，倾斜侧面上的强度指标取该侧面通过的土层指标的平均值。当滑坡体 为连续介质时( 如土质边坡) ，每个土条界面倾斜角度西将和滑裂面坐标一起通过 优化计算，确定一个相应最小安全系数的临界模式。程序通过优化计算获得临界 滑裂面和相应的倾角。 当滑坡体为岩质边坡时，一般要求条块侧面的倾角模拟一组陡倾角结构面， 倾斜条块的界面代表了这组陡倾角结构面。通常要求倾斜角度西在优化计算过程 中保持不变。并要求侧面取这组陡倾角结构面的强度指标。这一功能在岩质边坡 1 5 河海人学顾f j 论文 稳定分析中属推荐的常规方法。 作为一种特殊情况，如果侧面是垂直的，并且要求角度萨o 在优化计算过程 中保持不变，则这一功能可以用来进行陆军工程师团法和简化j a i l b u 法的计算。 2 1 3 1 关于滑裂面的处理 采用多块体破坏机制，可以模拟折线或曲线滑裂面。由于本程序主要用于岩 质边坡，故无圆弧滑裂面的功能。 一个任意形状的滑裂面可以通过连结一系列点的直线或光滑曲线组成。相邻 两点之间可以用曲线也可以用直线相连，构成一个任意形状的滑裂面，参见图 2 4 。在计算时，程序将自动地将两个相邻节点之间的土( 岩) 体( 或称块) 细分成若 干条。 图2 4 斜条分法滑动模式 2 1 3 2 强度指标 本程序使用摩尔一库仑破坏准则，并提供h o e k - b r o w n 经验方法确定强度的 准则。使用s 珊a 法和能量法，需要对条块界面赋以相应的强度指标。对此， e m u 提供以下几种选择： ( 1 ) 默认的功能，使用界面通过的各土层指标的平均值。这一功能通常就用于 土质边坡。 ( 2 ) 对各个界面按指定的土层编号赋以相应的指标。 ( 3 ) 要求所有的界面都使用同一种指定的土层编号相应的指标。 2 1 3 3 外荷载 外荷载包括以下各项： ( 1 ) 孔隙水压力。孔隙水压力根据浸润线的位置按简化原则确定，假定流场的 等势线铅直或通过输入一个孔隙水压力系数矗确定。 1 6 第二章岩质边坡稳定性研究的基本理论及计算方法 ( 2 ) 地震荷载。本程序第2 0 0 5 版仅提供一个均匀分布的水平地震加速度边坡 问题的功能。不考虑地震加速度沿垂直方向放大。 ( 3 ) 表面集中和分布荷载。用户可根据需要输入表面集中和分布荷载。 ( 4 ) 锚索和抗滑桩荷载。包括了一个具有锚索的边坡稳定分析方法。这个方法 可以计算边坡破坏时锚索的内能消耗，比较合理地考虑了锚索对增加边坡稳定性 的作用。 2 1 3 4 拉裂缝 当坡顶材料的凝聚力较大，宣设一个拉裂缝。可使用设拉裂缝的分析功能。 此时滑裂面上最后一个控制点不与边坡表面相交( e m u 通常的作法是自动找到 滑面与坡顶的交点，然后滑裂面上最后一个控制点自动调整到该交点的位置) 。 为了保证在优化计算中，拉裂缝的高度不变，最后一个控制点的移动方向宜设为 与坡面大致平行。拉裂缝内可以充满水。 2 1 3 5 倾倒稳定分析 本程序提供改进的g o o d m 觚b r a y 法的计算功能。 2 2f l a c 3 d 分析方法的基本原理 2 2 1f l a c