（岩土工程专业论文）锦屏电站大沱营地斜坡稳定性及防治方案研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 大沱营地位于四川省木里县，系为锦屏一级电站施工而兴建的建设管理 生活营地。研究区地质环境有利于地质灾害的发生，且地质灾害主要表现为 滑坡、崩塌及泥石流等。 本文以地质分析原理为基础，对场地河谷地形演变过程及场地整体稳定 性进行了深入分析；并对场地内存在的地质灾害及潜在地质灾害进行了深入 调查分析。主要研究场地地形地貌演变机理，场地内滑坡及变形体特征及形 成机制，场地内潜在地质灾害的成灾机理及危害性，场地内地质灾害及潜在 地质灾害的防治方案。通过研究，本文主要得到以下认识： 1 、通过现场勘察，场地内地层及地下水分布复杂，为场地内地质灾害及 潜在地质灾害的发育提供了有利条件。 2 、通过采用地质分析法及f l a c 3 d 数值模拟方法对场地河谷地形演变机 制的分析表明，场地内雅砻江发生过两次大规模的堵江，河道发生了两次向 右岸的偏移。场地现有地形为第二次堵江后经后坡小规模物理地质作用而成， 通过f l a c 3 d 对场地形成过程机制的数值模拟分析，场地斜坡整体目前处于稳 定阶段。 3 、通过地质分析法和极限平衡法对场地缓坡段( 大沱台地) 的稳定性分析 表明，场地缓坡段整体稳定，地下水对稳定性影响较其他因素明显。 4 、通过采用地质分析法、f l a c 3 d 数值模拟方法及不平衡推力法对场地 局部部位的变形机制及稳定性进行的分析表明，场地局部变形滑动现象受地 下水的影响最为明显。 5 、本文根据地质要素将场地潜在滑坡灾害危害程度划分为三个级别：高 危害、中等危害、低危害。其中场地内多数现在发生的和潜在的地质灾害均 属于中等危害级别。在此基础上，本文建立了稳定程度分区标准，并根据该 标准将场地划分为三个工程地质单元，即i 、i i 、区，其中工程地质i 区 对营地建设及运营影响较大，防治时应以该区为主。 6 、通过对防治方案的研究，本文得出了“排水+ 抗滑+ 护岸 的综合 防治方案。然后，本文对排水工程、抗滑工程及护岸工程进行了分项设计。 该方案的实施，能够达到对场地潜在地质灾害的防治目的。 关键词：斜坡地形演变机制稳定性分析潜在地质灾害防治方案 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 _ _ _ - _ _ _ - _ _ _ _ - - - _ _ _ _ _ _ i _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - - i i _ - a b s tr a c t d a t u oe n c a m p m e n ti sl o c a t e di nm u l ic o u n t yo fs i c h u a np r o v i n c ea st h e a d m i n i s t r a t i o na n dl i v i n gp l a c ef o rt h ee r e c t o r so fj i n p i n gh y d r o p o w e rs t a t i o n t h i sa r e aw a so f t e na t t a c k e db yg e o l o g i c a lh a z a r d ss u c ha sl a n d s l i d e ，d e v o l u t i o n a n dd e b r i sf l o w b a s e do nt h eg e o l o g i c a lo r i g i n , t h i st h e s i sm a k e sap r o f o u n da n a l y s i so f t e r r a i ns u c c e s s i o na n ds t a b i l i t yo ft h es i t e ，a n dd e p l o y st h es t u d yo ng e o - h a z a r d s a n dp o t e n t i a lg e o - h a z a r d si nt h es i t e t h er e s e a r c ho nm e c h a n i s mo ft e r r a i n s u c c e s s i o no ft h es i t e ，f o r m a t i o nm e c h a n i s ma n dc h a r a c t e r i s t i co fl a n d s l i d e sa n d c r e e p i n gw a s t e si nt h es i t e ，f o r m a t i o nm e c h a n i s m ，f a t a l n e s sa n dr e m e d i a lm e a s u r e o fg e o h a z a r d sa n dp o t e n t i a lg e o - h a z a r d si nt h es i t ei sm a i n l yc a r r i e do ni nt h i s t h e s i s i nt h ec o u r s eo fs t u d y i n gt h et h e s i sd r a w ss o m ec o n c l u s i o n s ： 1 b yf i e l ds o i li n v e s t i g a t i o n , t h et h e s i sp o i n t so u tt h a tt h ec o m p l i c a t e ds t r a t a a n dg r o u n d w a t e rd i s t r i b u t i n gm a k e sf o rt h ed e v e l o p m e n to fg e o - h a z a r d sa n d p o t e n t i a lg e o h a z a r d si nt h es i t e 2 t h em e c h a n i s mo fr i v e f i n et e r r a i ns u c c e s s i o ni sa n a l y z e di nt h et h e s i sb y g e o l o g i c a la n a l y s i s m e t h o da n df l a c 3 ds o r t h er e s u l tr e v e a l st h a tt h e y a l o n g j i a n gr i v e r w a ya r o u n dt h es i t em o v e dt o w a r d st h er i g h tr i v e r s i d et w i c e b e c a u s et h ey a l o n g i i a n gr i v e rn e a rt h es i t ew a sc h o k e du pw i t hc o l l u v i a ls o i lt w i c e a c c o r d i n gt ot h ea n a l y s i s ，t h ec u r r e n tt e r r a i no ft h es i t ec o m e si n t ob e i n gw i t ht h e b r u s h f i r ep h y s i c a la n dg e o l o g i c a la c t i o n s a n dt h en u m e r i c a la n a l y s i so ff o r m a t i v e m e c h a n i s mo ft h es i t es h o w st h a tt h es l o p ei ss t e a d ym a c r o c o s m i c a l l yn o w 3 b a s e do ng e o l o g i c a la n a l y s i sm e t h o da n dl i m i te q u i l i b r i u mm e t h o d ，t h e s t a b i l i t yo fh a u g ho f t h es i t ei sa n a l y z e d t h er e s u l ts h o w st h a tt h eh a u g hi ss t e a d y m a c r o c o s m i c a l l ya n di ti sm a i n l ya f f e c t e db yg r o u n d w a t e r 4 b a s e do ng e o l o g i c a la n a l y s i sm e t h o d ，l i m i te q u i l i b r i u mm e t h o da n d f l a c 3 ds o f t ，t h ec r e e p a g em e c h a n i s ma n ds t a b i l i t yo fl a n d s l i d e sa n dc r e e p i n g w a s t e si nt h es i t ea r ea n a l y z e d a c c o r a d i n gt ot h ea n a l y s i s ，t h et h e s i sp o i n t so u t t h a tt h e s t a b i l i t y o fl a n d s l i d e sa n dc r e e p i n gw a s t e si s m o s t l yi n f l u e n c e db y g r o u n d w a t e r 5 i nt e r m so fg e o l o g i c a lf a c t o r s ，t h ef a t a l n e s sd e g r e eo fl a n d s l i d e si sc o m p a r t m e n t a l i z e dw i t ht h r e el e v e l s ：h i g hd e g r e e ，m i d d e g r e ea n dl o wd e g r e e a n di nt h e 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 l l 页 a r e am o s tl a n d s l i d e sb e l o n gt 0t h em i d - d e g r e e a n dt h e nt h es t a n d a r do fs t a b i l i t y d e g r e ei sf o u n d e d a c c o r d i n gt 0t h es t a n d a r d ，t h es i t ei sd i v i d e di n t ot h r e ep a r t s ： p a r ti ，p a r ti i ，p a r t f o ri ta f f e c t st h eb u i l d i n ga n da d m i n i s t r a t i o no fd a t u o e n c a m p m e n ts e v e r e l yt h a na n yo t h e rp a r t s ，p a r t is h o u db ec h i e ft a k e ns o m e m e a s u r e s 6 t h r o u g ht h es t u d yo fs l o p e sp r e v e n t i o na n dc u r ee n g i n e e r i n g ，t h et h e s i s p u t sf o r w a r da ni n t e g r a t i v ec o n t r o ls c h e m e ，“s u r f a c ed r a i n a g ee n g i n e e r i n ga n d s l i d e - r e s i s t a n te n g i n e e r i n ga n db a n kp r o t e c t i o nw o r k t h e nt h es c h e m ei s d e s i g n e da n di tc a nr e a c ht h ea i mo fr a d i c a lp r e v e n t i o na n dc u r et og e o h a z a r d s a n dp o t e n t i a lg e o - h a z a r d si nt h es i t e k e y w o r d s ：s l o p e ；t h em e c h a n i s mo ft e r r a i ns u c c e s s i o n ；s a t a b i l i t ya n a l y s i s ； p o t e n t i a lg e o h a z a r d s ；r e m e d i a ln l e a s u r e 西南交通大学四南父逋大芋 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规 定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权西南交通大学可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采 用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在5 年解密后适用本授权书； ， 2 不保密叼，适用本授权书。 论文作者躲捌君 指剥币躲佛缇 日期：泖辟l i - 月9 e t 日期：大扩趱年p 月夕日 学位论文作者签名：专滂 指导教师签名：硬倾7 日期：功以争驴月9 目日期：知。州3 岬罗 西南交通大学 学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下独立进行研 究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其 它个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个 人和集体，均已在文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结 果由本人承担。 学位论文作者签名：_ 刭君 日期：砌碧年归9 e t 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章前言 1 1 研究背景及意义 斜坡变形位移现象十分普遍，尤其是在河流下切、地形变化大的地区，有 斜坡的地方便存在斜坡岩土体的变形，就有可能造成灾害。随着全球性土地 资源的紧张，人类正在大规模地在山地或丘陵斜坡上进行开发，因而增大了 斜坡变形破坏的规模，使崩塌、滑坡及泥石流等灾害不断发生，斜坡失稳滑 动产生的地质灾害已成为与地震和火山相并列的全球性三大地质灾害之一。 如：1 9 6 3 年意大利v a i o n t 水库近坝地段滑坡致使当时世界上最高的双曲拱坝 失效，涌浪夺去了坝下游近3 0 0 0 人的生命：1 9 7 0 年秘鲁h u a s c a r a n 山区因地 震而触发的一起山崩，造成1 8 万人死亡的惨剧( s c h u s t e r r l ，1 9 8 6 ) ：2 0 0 2 年8 月1 7 日，我国云南省新平县 “8 1 7 特大滑坡泥石流灾害造成 3 3 人死亡，3 0 人失踪，重伤1 3 人， 轻伤2 0 人，直接经济损失达1 1 亿 元【1 1 。 锦屏一级水电站位于四川省 凉山彝族自治州盐源县和木里县 境内，是雅砻江干流卡拉至江口河 段的龙头梯级电站，工程规模巨 大，主要任务是发电，兼有防洪、 拦沙等作用，为年调节水库，对下 游梯级电站的补偿效益显著。 大沱生活营地系为锦屏一级 电站施工而兴建的建设管理生活 营地，位于该梯级电站大坝下游约 1 3 k m 处的西雅砻江左岸的台地斜 坡上，九龙县二区至锦屏电站的进 场公路自北向南横穿场地，交通较 为方便( 场地交通位置图见图1 1 ) 。 图1 1 场区交通位置图 雅砻江从营地东侧自南向北奔腾而下，雅砻江两岸山势陡峻，最大切割 深度达2 5 0 0 米。场地面积约6 5 0 亩，总建筑面积约8 0 1 5 0 m 2 ，可满足业主、 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 监理、设计和设备制造厂常驻现场人员的工作生活要求，场内建筑既是电站 建设期的临时设施，也是用于电站运行管理的永久建筑。营地建筑物主要包 括管理人员及技术人员住宿区、业主、设计及监理办公大楼、接待中心、文 化娱乐中心、商业中心和金融服务中心等建筑物；基础设施包括对外交通过 境道路、自来水厂和场内道路等。营地于2 0 0 4 年开始动工建设，到2 0 0 6 年6 月为止，除“五大中心 等部分建筑尚未开工外其余建筑物已建成或已封顶 进入装修阶段。一 在营地建设中，场地后坡的茶地湾沟出现滑坡，场地内斜坡局部出现变 形，道路开裂，后勤宿舍楼基础出现开裂等现象。场地后坡发生滑坡或在暴 雨条件下转化为泥石流，将导致进场公路的堵塞或冲毁，严重威胁了电站的 正常施工和办公人员的生命安全，损失巨大。场地前缘岸坡坡度较大( 4 0 。 6 0 。) ，仅高出洪水江面约i o m ，长期受雅砻江冲刷局部产生坍滑，对营地 建筑物的安全构成了一定程度的威胁。因此，对大沱营地斜坡进行稳定性评 价及防治方案研究刻不容缓。 在此背景下，本文主要结合“四川省雅砻江锦屏水电站大沱生活营地场 地稳定性专题研究 项目，以地质分析原理为基础，对场地河谷地形演变过 程及场地整体稳定性进行了深入分析；并对场地内现有的及潜在的地质灾害 进行了深入调查分析。主要研究场地地形地貌演变机理，场地内滑坡及变形 体特征及形成机制，场地内潜在地质灾害( 滑坡、泥石流、滚石及坍岸等) 的成灾机理及危害性，场地内地质灾害及潜在地质灾害的防治方案及防治效 果。研究目的是将研究成果应用于大沱生活营地斜坡稳定性分析及防治实践 中，从深层次认识场地河谷斜坡的地质灾害特征，为河谷斜坡的人类工程活 动提供科学依据，从而从整体上把握和认识河谷区斜坡病害。 由于国民经济迅速发展的需要，更多的铁路、公路和水电等基础项目陆 续投入建设，势必会出现更多的河谷斜坡选址及防治工程，因此，研究如何 更准确地评价河谷区斜坡的稳定性及如何更合理地对河谷区斜坡的地质灾害 进行防治，将会对我国经济建设的发展起到至关重要的作用。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 斜坡变形破坏机制研究现状 目前，国内外对斜坡变形破坏机制的研究主要采用三种方法：地质分析 法、物理模拟法和数值模拟法。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 地质分析法是通过调查分析斜坡当前状态、所处环境以及一些变形破坏 迹象追溯斜坡演变的全过程来研究斜坡的变形破坏机制。张倬元、王士天、 王兰生教授【2 0 9 s o ) 等研究斜坡变形破坏的地质力学模式时，根据岩体变形破 坏的力学机制，将斜坡变形概括为蠕滑一拉裂、滑移一拉裂、滑移一压致拉 裂、弯曲一拉裂、塑流一拉裂、滑移一弯曲六种模式。并指出，在同一斜坡 变形中，可能包含有两种或多种变形模式，它们可以不同方式复合，且某一 变形模式可以在演化过程中转化为另一种模式。比较形象地说明了斜坡演化 的过程，为分析有关滑坡的形成机制提供了依据。晏同珍教授【3 1 ( 1 9 8 3 ) 、黄润 秋教授h ( 1 9 8 9 ) 、潘家铮院士【5 】( 1 9 8 0 ) 、王思敬院士f 6 ( 1 9 8 9 ) 、王家鼎f 7 ( 1 9 9 1 ) 、 王念秦 8 ( 2 0 0 5 ) 等，都从不同角度探讨不同类型的滑坡机制，取得了一些重要 进展。 物理模拟法则是采用相似材料模拟斜坡演变过程中相关因素的变化来再 现斜坡变形破坏过程，进而分析其力学机制。物理模型方法是一种发展较早、 应用广泛、形象直观的边坡稳定性分析方法。它主要包括光弹模型试验、底 摩擦试验、地质力学模型试验、离心模型试验等。这些方法通常能够形象地 模拟边坡岩土体中的应力大小及其分布，边坡岩土体的变形破坏机制及其发 展过程、加固措施的加固效果等。徐进、邓荣贵【9 1 ( 1 9 9 0 ) 等用地质力学模拟的 方法，再现了鸡扒子滑坡形成的演变过程，分析了渗人士体中的水对滑坡复 活的作用机制，揭示了滑坡复活条件和主导因素，并对这些因素进行了半定 量评价。邓宏艳【lo 】( 2 0 0 5 ) 按照相似理论进行大型地质力学试验，对万梁高速 公路线路内张家坪路堑高边坡在开挖施工和自然营力作用下的变形滑动规律 和可能产生的失稳破坏模式进行了研究。罗先启【1 1 1 ( 2 0 0 5 ) 等进行了雨水及库 水作用下滑坡模型试验研究，并成功地应用于石榴树包滑坡的试验研究中， 较好地揭示了滑坡在水库运行情况下渗透特性和变形破坏特性。 数值模拟法是依靠现代计算机技术，将数学应用到地质力学当中，通过 数值模拟计算来解决斜坡变形破坏机制问题。国内外已经研制出一些功能较 强的分析软件，如g e o s l o p e 、a n s y s 、f l a c 、f l a c 及2 d b l o c k 、u d e c 等软件，其中，g e o s l o p e 、a n s y s 等基于有限元法的模块及f l a c 、f l a c 如 等基于有限差分法的模块，可十分方便地模拟斜坡的应力场、位移场和塑性 区等，2 d b l o c k 、u d e c 等基于离散元的计算软件可直观地仿真斜坡的破 坏过程【1 2 】。 总的来说，对斜坡变形破坏机制的研究比较深入，有的己非常成熟，当 然也有很多从工程实践中己发现的问题还没有完全研究透彻。如很多学者都 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 认为孔隙水压力作用等可导致滑坡( 尤其是高速滑坡) 的产生，但水是如何影响 的，孔隙水压又是如何产生、发展和消亡，以及它与滑坡过程之间的关系如 何等一系列问题还有待于进一步研究，已发表的多数文献和论文都未谈及此 类问题，或论述较少。 1 2 2 斜坡稳定性研究现状 人们在斜坡稳定性研究方面已取得了丰硕的成果，各种现代科学的新技 术、新理论不断应用于斜坡稳定性问题的研究中。纵观斜坡稳定性的研究历 史，其发展历程可以分为五个阶段：借助于古典力学的稳定性分析阶段、2 0 世纪5 0 年代借助地质历史分析方法及土力学基本理论的稳定性分析阶段、2 0 世纪6 0 年代考虑到岩体的可变形性及变形的时效性的稳定性分析阶段、2 0 世纪8 0 年代以数值模拟和模型试验为主的半定量分析阶段及2 0 世纪9 0 年代 以来引入现代岩土力学和现代系统科学等新理论的现代边坡工程学阶段【l3 1 。 目前国内外采用的斜坡稳定性分析方法，大体可以分为定性分析方法和定量 分析方法两大类。 当前对斜坡稳定性的定性分析方法主要有以下几种方法： ( 1 ) 自然历史分析法【1 4 】：该方法主要根据边坡发育的地质环境、边坡发育 历史过程中各种变形破坏迹象及其基本规律和稳定性影响因素等分析，追溯 演变的历史过程，对边坡稳定性的总体状况、趋势和区域性特征做出评价和 预测。 ( 2 ) 工程类比法【1 5 】：该方法实质上就是利用已有边坡的稳定性状况、影响 因素分析以及有关设计等方面的经验，并把这些经验应用到类似的所要研究 的边坡的稳定性分析与设计之中。它需要对己有的边坡和已有的研究对象进 行广泛的调查分析，全面研究工程地质因素的相似性和差异性，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和差异性，分析它们可能的变 形破坏机制、方式等的相似性和差异性，兼顾工程的等级、发展趋势和加固 处理设计等。在工程实践中，即可以进行自然边坡间的类比，也可以进行人 工边坡之间的类比，还包括在自然边坡和人工边坡之间的类比。因而，可以 说它是目前应用最广泛的一种边坡稳定性分析方法。 ( 3 ) 几何图解法【1 6 】：几何图解法是一种以极射赤平投影图为基础的几何空 间解析方法，如m a r k l a n d 检验法。利用极射赤平投影可以比较直观、简便地 表示出边坡岩体与开挖坡面的空间组合关系，进行边坡稳定的结构分析。 ( 4 ) 模糊信息与分析法【1 7 1 ：它是近年来发展起来的一种新方法，它适用于 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 大面积的规划，通过运用模糊数学理论，计算得出一种斜坡是否稳定的趋势 意见，用可能性分布表示。 斜坡稳定性定量的分析方法一般要以一定的地质模型为基础。定量分析 方法可分为极限平衡方法和数值分析方法，当前使用的分析方法主要有以下 几种方法： ( 1 ) 极限平衡分析方法：极限平衡法是一种比较传统而且成熟的边坡稳定 性分析方法，该方法以莫尔一库仑的抗剪强度理论为基础，原理简单，计算 方法简便、易于理解，长期以来，在大量的边坡工程中得到了应用与实践。 该方法最早由瑞典学者k e p r y y e r s s o n 与s h u l t i n ( 1 9 1 6 ) 提出，后经 f e l l e n i u s ( 1 9 2 7 ) ，a w b i s h o p ( 1 9 5 5 ) ，s a r m a ( 1 9 6 8 ) ，j a n b u ( 1 9 7 3 ) 等一系列的 改进和修改，己经发展成为一套具有广泛适用性的理论【1 8 抛】。当前主要存在 以下方法【2 3 彩j ：瑞典圆弧滑动或瑞典( f e l l e n i u s ) 法、简化毕肖普( b i s h o p ) 法、 分块极限平衡法、简布( j a n b u ) 法、斯宾塞( s p e n c e r ) 法、摩根斯坦一普赖斯 ( m o r g e n s t e m p r i c e ) 法、萨尔马( s a r m a ) 法、楔形法、平面直线法、传递系数法、 修正t a l o r ( h a n g ，a v e r y ，1 9 7 6 ) 法。 ( 2 ) 有限元法( f e m ，1 9 6 6 ) n 2 】：有限元法( f e m ) 法能近似地从岩土体的本构 关系去分析滑坡的变形破坏机制，分析最先和最容易发生屈服破坏的部位。 可以用来求解弹性、弹塑性、粘弹塑性、粘塑性等问题。其优点是部分的考 虑了边坡岩体的非均质和不连续性，可以给出岩体的应力、应变大小和分布， 避免了极限平衡分析法中将滑体视为刚体而过于简化的缺点，可近似的根据 应力、应变规律去分析边坡的变形破坏机制；但它还不能很好地求解大变形 和位移不连续问题，对于无限域、应力集中等问题的求解还不理想。 ( 3 ) 离散单元法( d e m ，1 9 7 0 ) 1 1 2 1 ：自从1 9 7 0 年c o u n d a l l 首次提出离散单元 d e m ( d i s t i i l c te l e m e n tm e t h o d ) 模型以来，这一方法己在数值模拟理论与工程 方面取得长足发展，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 料的本构关系模式都可引入到模型中，方法的另一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，这方法用于求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，线弹性问题与静力稳定问题的求解 仅为两个简单特例而已。在我国，离散元方法的研究与运用始于二十世纪8 0 年代中期，王泳嘉首次在我国应用这一方法于节理岩体的数值模拟中。此法 在岩质高边坡稳定分析中有较广泛的应用。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 ( 4 ) 快速拉格朗日法( f a s tl a g r a n g i a na n a l y s i so fc o n t i n u a ，简称f l a c 法， 1 9 8 6 ) t 1 2 】：快速拉格朗日法源于流体力学，研究的是某一流体质点在任何一段 时间内的运动轨迹、速度压力等特征。将其移植到固体力学中，就是将所研 究的区域划分成网格，而各个结点就相当于流体质点，然后再用拉格朗日法 按时步来研究网格结点的运动，这种方法就是拉格朗日法。f l a c 首先由 c u n d a l l 在8 0 年代提出并将其程序化、实用化。f l a c 基本原理类同于离散单 元法，但它却能像有限元那样适用于多种材料模式与边界条件的非规则区域 的连续问题求解；在求解过程中，f l a c 又采用了离散元的动态松弛法，不需 要求解大型联立方程组，便于在微机上实现。 ( 5 ) 块体介质不连续变形分析法( d d a , 1 9 8 9 ) 坦】：石根华和g o o d m e n 于1 9 8 9 年提出块体介质不连续变形分析( d i s c o n t i n o u sd e f o r m a t i o na n a l y s i s ，简称 d d a ) ，它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。 d d a 法可以模拟出岩石块体的移动、转动、张开、闭合等全部过程。据此， 可以判定出岩体的破坏程度、破坏范围，从而对岩体的整体与局部的稳定性 作出正确的评价。 ( 6 ) 数值流形方法( n m m ，1 9 9 0 ) f 1 2 】：石根华通过研究d d a 与有限元的基础， 于1 9 9 5 年提出了d d a 与有限元法的统一形式数值流形方法。清华大学 周维垣等率先将n m m 引入我国。n m m 以流形分析中的有限覆盖技术为基 础，统一解决了连续与非连续变形的力学问题。该方法被用来计算结构体的 位移与变形。n m m 可使d d a 和有限元法在理论基础上和表达形式上得到统 一，这是一个很大的贡献。 ( 7 ) 界面元方法【l2 】：基于累积单元变形于界面的界面应力元模型，建立适 用于分析不连续、非均匀、各向异性和各类非线性问题、场问题以及能够完 全模拟各类锚件复杂空间布局和开挖扰动的界面元理论与方法，为复杂岩体 的仿真计算提供一种新的有效方法。此外，基于工程稳定问题的力学机理， 建立了评判岩体稳定性的干扰能量准则与干扰能量法，成功地解决了岩体稳 定性的客观判断、潜在滑面、危险滑向、稳定薄弱部位等难题，将岩体稳定 性的量化评判提高到一个新的水准。 ( 8 ) 概率分析法【2 8 】：考虑到影响斜坡稳定性的各种因素具有可变性，近三 十年来概率法逐渐被用于斜坡的稳定性分析。斜坡稳定性的概率分析法将斜 坡稳定问题视为一个随机过程，把影响稳定性的各种因素均视为随机变量， 通过调查、试验及分析求得各变量的函数分布，并确定出斜坡稳定状态的概 率值。概率分析需要有大量的试验测试数据来确定变量的分布，并常需借助 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 于电子计算机进行分析，因此受到一定条件的限制。 1 2 3 地质灾害防治研究现状 ( 1 ) 滑坡防治研究现状 早在1 9 世纪中叶欧美国家就己经开始了对斜坡灾害防治的研究，但是早 期由与人们对滑坡的性质和变化规律认识不深，对那些大、中型滑坡只能绕 避，只对小型滑坡采取削坡减载、反压以及抗滑挡土墙进行治理，排水工程 更是优先考虑的措施。直n - 次世界大战后，随着各国经济的发展和国土开 发利用，遇到的滑坡越来越多，用人为支挡工程滑坡才真正开始，5 0 年来有 了较大的发展和提高，一些大型的滑坡采用支挡工程来治理。 我国对滑坡灾害的系统研究和治理起步较晚，是5 0 年代初才开始的。但 却在社会主义建设中己防治了数以千计的各种类型的滑坡，结合我国国情研 究开发了一系列有效的防治办法，总结出绕避、排水、支挡、减重、反压等 治理滑坡的原则和方法。其中尤以铁道部门遇到和防治的滑坡最多，研究的 更为系统和深入。抗滑支挡建筑物由于其稳定滑坡见效快，安全可靠，是滑 坡工程中首先考虑使用的措施。同时，又由于它一般造价较高，投资巨大， 因此，人们对抗滑支挡建筑物的结构形式、使用条件、设计理论、施工方法 等就给予了更多的关注和研究。我国对抗滑支挡建筑物的研究和开发应用起 步虽较国外晚，但由于建设中治理滑坡的需要，其发展过程基本上与欧洲同 步 2 9 - 4 3 】。 ( 2 ) 泥石流防治研究现状 泥石流的活动和危害几乎遍及全球各个山区，尤其在北回归线到北纬5 0 。之间的山区显得更为活跃。随着各国山区经济的日益发展及人类活动的日 趋频繁，泥石流灾害不断加剧。为了有效防治泥石流灾害，各国学者对泥石 流的防治进行了大量的研究。总结起来，对泥石流的防治大都采用综合措施。 目前，泥石流的综合防治措施一般归纳为工程措施和生物措施两大类。工程 措施主要有治水工程、治土工程、停淤工程、排导工程等，生物措施主要有 林业措施、农业措施、牧业措施等【2 8 4 4 - 4 钔。 ( 3 ) 落石防治研究现状 。 在国内外在工程建设中，落石灾害多见于较陡的强风化岩质斜坡。在工 程实践中，人们总结了很多关于落石防治的措施，总结起来，主要分为主动 防护措施和被动防护措施两大类。主动防护措施主要有清除危岩、地表排水、 控制爆破、支挡墙、锚固、s n s 主动系统等；被动防护措施主要有修筑落石 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 沟槽、拦石墙、金属栅栏、棚洞、避让、s n s 被动系统等【4 9 5 3 】。 ( 4 ) 坍岸防治研究现状 坍岸防治工程的研究多见于水利水电系统，就目前的研究来看，大都借 鉴滑坡防治及护坡方面的研究成果，防治思路以护岸措施为主。纵观目前的 研究成果，主要可分为加固岸坡工程和防冲刷工程两大类。其中，加固岸坡 工程主要包括抛石防护、砌石防护、混凝土结构物防护、石( 木) 笼护岸等： 防冲刷工程主要包括挡水堤、丁坝和防浪堤等【5 4 5 6 1 。 1 3 研究内容及研究方法 1 3 1 研究内容 通过斜坡变形破坏机理、稳定性研究及防治方案相关领域的国内外研究 现状的分析，我们认识到国内外关于斜坡的破坏机理、稳定性及防治措施有 大量的研究。但是绝大多数的研究均是针对单个地质灾害来展开研究的，且 大多数的研究是针对已发生的或正在发生的地质灾害进行的研究，多少显得 有些滞后。鉴于此，本文通过对场地地质条件、地形地貌演变及堆积体形成 机制的分析，深入探讨了场地所处斜坡的稳定性，论证了场区内的地质灾害 以及潜在地质灾害及其危害性，并有针对性地对各灾害及潜在灾害的防治方 案进行了系统的研究。本文主要开展了以下八个方面的研究工作： ( 1 ) 场地河谷地形演变过程研究； ( 2 ) 场地土体结构、堆积体形成机理及斜坡地质灾害的发育规律研究； ( 3 ) 主要力学参数的确定； ( 4 ) 极限平衡法、弹塑性有限差分法斜坡稳定性算法研究； ( 5 ) 弹塑性有限差分法和极限平衡法的斜坡稳定性比较分析； ( 6 ) 降雨、地震及人为等因素作用下斜坡稳定性及变形解体破坏机理研究： ( 7 ) 稳定性和因素敏感性计算分析； ( 8 ) 防治方案研究及合理性论证。 1 3 2 研究方法及技术路线 针对研究的内容，现将本文的研究方法阐述如下： ( 1 ) 对场地河谷地形演变过程的研究主要采用地质分析法； ( 2 ) 对场地土体结构、堆积体形成机理及斜坡地质灾害的发育规律研究主 要采用现场勘察调研、室内土体物理力学试验结合地质分析的综合方法； 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 ( 3 ) 对主要物理力学参数确定方法的研究分析主要根据现场及室内试验、 反分析以及类似条件下的经验所取得的数据( 不同地区对不同类型的斜坡的 处理过程中所积累的实验数据和反算数据) ，进行综合分析、互相核对，确 定当前的指标； ( 4 ) 弹塑性有限差分法稳定性模拟研究：通过f l a c 3 d 有限差分程序对场 地整体及局部滑坡及变形体进行稳定性模拟分析，结合地质分析及刚体极限 平衡法，对场地整体稳定性及局部稳定性进行综合分析； ( 5 ) 弹塑性有限差分法与极限平衡法以及地质分析方法的比较分析：选择 典型剖面，通过f l a c 3 d 大变形弹塑性有限差分法得到的剪应变增量及位移图 分析确定滑坡及变形体的潜在滑动面及滑动机制，与地质分析以及极限平衡 法所得结果进行相互验证； ( 6 ) 降雨、地震及人为等因素作用下斜坡变形解体破坏机理研究：开展场 地岩土材料一般物理力学特性的研究，调查场区的自然气候( 降雨、气温及日 照等) 、地震条件及可能的人为因素( 放牧、排水、开挖及建筑等) ，采用极限 平衡方法分析降雨、地震及人为因素作用下斜坡解体变形破坏的主要机理和 斜坡解体破坏的主要触发因素，为斜坡治理提供依据； ( 7 ) 稳定性和因素敏感性计算分析：采用极限平衡法对场地内典型滑坡进 行系统的稳定性计算分析工作，研究各种因素对场地斜坡稳定性影响的敏感 性，论证斜坡地质灾害的主要诱发因素； ( 8 ) 防治方案研究及治理之后的合理性论证：调查场区的地下水情况、降 雨情况、地震情况及影响场地斜坡稳定性的人为因素，利用稳定性分析结果， 类比分析其它场地斜坡的防治措施，并考虑工程现况，经对比之后确定出一 套既安全又技术可行的防治方案并对选定方案进行论证。 前面对本文研究内容和研究方法进行了阐述，现将本文采取的研究技术 路线如图1 2 所示： 西南交通大学硕士研究生学位论文第10 页 锦屏电站大沱营地斜坡稳定性及防治方案研究 区域地质环境 区域气 象特征 区域地 形地貌 区域地 层岩性 区域地 质构造 地震及新基域不良地 构造运动ij 质灾害特征 场地基本地质条件 地形f 地层 f 地质lf 水文fl 岩土体物理ll 物理地质作 地貌ll 岩性li 构造ll 特征ll 力学特性i 用与现象 场地河谷地形演变机制及斜坡稳定性分析 场地河谷地形演变及形成过程分析 地质历史分析ln a c 3 d 数值模拟分析 场地局部稳定性分析 稳定性评价 i 场地潜在地质灾害及危害性评价 l 滑坡il 泥石流ll 危石l l 坍岸l 场地整体稳定程度分区 i 防治方案选择防治方案设计 防治方案合理性论证 图1 2 技术路线图 茜囡匡 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 第2 章大沱营地场地地质环境概况 21 区域地形地貌特征 场地所在的区域位于青藏高原东缘的核心部位，河流深切，雅砻江河床 高程一般在1 4 0 0 1 7 0 0 m 之间，呈近南北走向的山脉一般在3 5 0 0 4 0 0 0 m ， 附近具有代表性的山峰有场地东侧与雅砻江隔河相望的锦屏山主峰，高程为 4 4 5 8 m 。场地西北相距约7 0 k m 的白台山高程为5 0 4 5 m ，西侧相距约2 5 k m 的 央山高程4 1 8 3 m 。场地相对高程2 0 0 0 m 2 5 0 0 m ，地形陡峻，悬崖峭壁发育， 雅砻江两岸支沟“高悬”，沟床坡降大。场地区域地形地貌图见图21 。 2 2 区域地层岩性 图21 场地区域地形地貌图 场地及附近基岩地层岩性为大堂组( p d ) 的变质砂岩、板岩、变质玄武岩、 玄武集块岩、硅质板岩和结晶扶岩等，三叠系白果湾组( t b ) 的变质砂岩、板岩 夹结晶灰岩、变质玄武岩和硅质板岩等。覆盖层主要为中更新世( q 2 ) 及晚更新 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 世( q 3 ) 的冰川堆积或冰水堆积的块碎石土，全新世的残积、崩坡积、滑塌体堆 积、洪积或泥石流堆积，冲积形成的碎石土夹块石、粉土、漂卵砾石等。 2 3 区域地质构造 场地及附近地区构造的总体特征为断裂构造和短轴复式褶皱构造，构造 线总体方向为n n w 向。其中场地位于区域性锦屏断层西侧，大堡子断层东 侧；场地位于烟袋短轴背斜( 场地东北侧) 与茶地湾沟短轴背斜( 场地西南侧) 之 间的倮波短轴背斜东北翼。基岩地层褶皱揉曲明显，岩层产状变化较大，场 地的整体构造特征如图2 2 所示。 图2 2 大沱营地场地地质构造特征 ( 1 ) 倮波短轴背斜：该背斜轴向n 3 0 w ，长度约1 3 k i n ，轴面倾向n e ，倾 角估计为8 0 。左右，地层为三叠系变质砂板岩，场地位于该背斜东北翼，基 岩地层显示为倾向东北的单斜构造。 ( 2 ) 白洋坪倒转向斜：该向斜轴向n 2 0 w ，长度约1 0 k i n ，轴面倾向n e ， 倾角估计为7 0 。左右，轴部地层为三叠系变质砂板岩，该向斜位于倮波背斜 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 西南侧，其西北端距离场地约8 k m 。 ( 3 ) 锦屏断层：该断层位于场地东侧，为区域性断层，长度大于1 0 0 k m ， 走向n 1 5 e ，倾向n e ，倾角7 0 - - 8 5 。，断层带宽度1 0 - - - 2 0 m ，不同部位其特 征差异较大。该断层距场地约4 , - 一5 k m 左右，对场地的构造特征起控制作用。 ( 4 ) 大沱断层：长度约1 7 k m ，北西段走向n 4 0 。w ，南东段走向n 1 0 。w ， 倾向n e ，倾角6 0 - - - , 7 5 。，上、下盘地层均为三叠系的砂板岩，断层带宽度l 3 m ，该断层从场地东侧边缘经过，对场地构造起控制作用。 ( 5 ) 大堡子断层：长度约1 4 k m ，走向n 2 0 。w ，倾向n e ，倾角5 5 - - 7 0 。， 上、下盘地层均为三叠系的砂板岩，断层带宽度l 2 m ，该断层从场地西侧 经过，距离场地约8 k m ，对场地构造起控制作用。 2 4 地震及新构造运动 根据国家地震局地质研究所1 9 9 3 年6 月提出的四川雅砻江锦屏水电站 地震安全性评价报告，锦屏一级坝址所在的雅江九龙断块，新构造运 动以整体均衡抬升为主，无明显差异性活动，属构造稳定区。由距场地最近( 约 距2 k m ) 的锦屏山断层物质测龄显示，该断层中更新世中期( 2 5 - - - , 3 8 万年) 以来 无活动，表明不属于现代活动断裂。南西边界的前波断裂是一条