（水工结构工程专业论文）基于渗流场—应力场耦合的库区滑坡稳定性研究.pdf

摘要 摘要 三峡工程是一项举世瞩目的工程，三峡大坝建成后，由于防洪的需要，库区 水位将在1 4 5 1 7 5 m 之间波动，无疑会对库区旧滑坡的复活及新滑坡的形成产生 巨大影响。关于库区水位变动对滑坡的影响，国内外许多学者都做了相当广泛深 入的研究。 本文另辟蹊径，从库水位变动对库区岸坡的稳定性影响研究引申至地下水位 变动对库区岸坡的稳定性影响研究。在对三峡库区水文地质做了全面分析的基础 上，对库区岸坡进行了分类，提出了适于渗流稳定性分析的滑坡分类；考虑到地 下水对岩体边坡的影响主要依赖于岩体的裂隙渗流，本文从分析岩体的裂隙渗流 入手，借助于单裂隙水流运动的立方定律，对立方定律的修正式进行了归纳总结； 根据渗透性与裂隙面的变形关系给出了单裂隙渗流与应力耦合公式。本文综述了 裂隙岩体渗流分析的各种数学模型，分析、吸收了现有岩体力学在该领域的研究 成果，分别研究了岩体等效连续介质模型和岩体离散介质模型，对于岩体的等效 连续介质模型，分析了裂隙岩体的渗透性与应力的关系、裂隙岩体的弹塑性本构 关系，建立了渗流场一应力场耦合有限元方程；通过对岩体离散裂隙的研究，建 立了岩体离散裂隙网络模型，提出了渗流场一应力场耦合方程。在分析了水对岸 坡的物理、化学及力学作用的基础上，研究了渗流对库区土体、岩体岸坡的变形 破坏机制，为预防滑坡提供了理论依据，具有较大的工程应用价值。最后，运用 等效连续介质模型渗流场与应力场耦合的方法，借助于有限元软件a d a ，对库 区奉节县紫阳城滑坡的稳定性进行了分析计算，得出的结果与实际一致。 关键词：裂隙渗流；立方定律：渗流场应力场耦合；等效连续介质；离 散介质；模型 a b s t r a c t a b s t r a c t t h et h r ( h g c sp 叫tc 伽啦觚d st h e 雅c n 吐o ft h ew o d d b e c 觚辩o ft h c n c c do ff 1 0 0 dp f e v t i ，t h cw a t c rl e v e lo f 碳；e n ，o i r 蝴，i 1 1n u c n l a t eb c t w 咖 1 4 5 ma n d1 7 5 ma 矗盯地d a mi sc 伽叩l 曲c d 砌u n d o u b t c d l yh a v ea 伊e a t 砌u 阻o nt h em 、，i v a lo fp a r to l dl 觚d s d c s 锄dt h cf o 咖吼t i o no f wl 柚d s 瑚e s m a n y h 砒瑚扯h 锄e 柚da ：b i o a d h a v e d o n c a l o to f r e s e a m h t h e i l l 】旺u 吼o f m e l a n d 娥d i c sf o r t h ew a t e rl c v e ln u c n i 刮慨 hn g h to f l h e 地a m ho nm ei n n u e n c co nb a n l 【s l o p c 蕾o rl h ew a t e rl c v c l 丑u c t l i 撕o f 砧8 e 册i r 卸巩i h e 跚t h o rd e y e l o p sa 船wm e 出o df o 鳓i d yt h ei n n u c 咄 o nb a i l l 【s l o p e 重b rm eu n d e 瑁l d u n dw a t e rl e v e ln u c t l l a t i 咂b a s e do na no 、n e 髓n h y d g e o l o g y 删岫s i so ft h e 髓腊g o r g c sr e 辩r 、俯a 吼，as p 憾i a lc l a s s i 丘c 缸i o f l 锄d s l i d i c sw h i c h 印p st ot h e 删h t ) r 强a l y s i so f 辩印a g ei sp i o p o s c di nt h i sp a p t h ei n f l u e n c e s i d es l o p ec a u s c db y l d e 喀r o u n dw a t e rm a m l yd e p e n d so ns p a g e o f 矗粥t l l i nr o c km s s t h e b y b e g i n l l i l l gf t 呲t h c 趾a l y s i so fs e e p a g eo ff 陆t i l 坞， am o d i f i o dc u b i cl a wi 8 鲫【m m o du pa c c o r d i i l gt ot h ec u b i cl a wo fs c c p a g eo fs i n g l c 触c t i l ；a c c o i d i n gt ot h e 烈a t i o nb e t w 啪t h cp p n yo fs o 印a g ea n dm c 蛐m l a t 加o f 向c m mp l 锄c ，山cf o 咖u l af o rs o c p a g eo fs i n 9 1 c 缸c t i l 地锄dc o u p l i n g s s si s 垂v kt h ep a p e re a c hm a t h 锄鲥cm o d do f 郫忸g ei nf 咖t l l r b dr d km 黜s i s 踟m m a r i z e d 粗d 锄a l y z e d ，e q i v a l e n t 咖t i i l u 咖m o d e l 砒l dm 呛m o d do f r o c k m a s 8a ms n l d i e ds 印a 船t e l yo nt h cb a o fm ee 】【i s 血l g 砧辩眦h 丘n d 缸l g s ；f b rm e e q u i v 暑d tc o n 血u 吼m o d e l ，t h cm l a t i o nb c t w c c nt h ep 加p e r t yo fs c c p a g ea n dt h e s t s so f 缸c t l l i 叫i o c km 嬲s 。t h ec l a s t i c - p l a s 6 cc s t i n n i v em l a t i o no f 如c t i l 栅m c k m a 鼹a m 缸a i y z e d o nl h eb a o f 地觚t ee i 锄曲te q u 缸i o n so fc o u p l i i l go f s e e p a g e - 丘c l d s 卸ds h t s s - 矗e l d si sc s t a b l i g h e d a c c 0 i d i n gt om a h t h ed i 地t e f h c t i l 圮o fr o c k 眦8 s “sn e t w o l l 【m o d e li sc s a b l i s h e d 龇df h ec o u p l i n ge q 岫t i o n sa 砖 p mf o ，砌b a s e do na n a l y s i s 蕾缸t h c 溉t so fp h y s i c s ，c h e m i s t i ya n dm e c h a n i c 8 b c w 啪w a e r a n d b 觚ks 】o l ，e ，l h e 砌u 坩m h 锄i 锄o f 山eb a n 】【礼d p e i ss 加d i c d i n t b i sp a p w h i c hp i o v i d c s 删b a s i sf o r p f c c 觚t i so f l a n d s l i d e sa n di sv a l u a b l e 细山ep r 扯如a lw o 止f i n a l l 弘u s i n g 血em e 山o df o rc o 叩l i i i go fs o c p a g e - 丘c l d s 柚d s h e s s 一丘c l d so fe q 岫v a l c n tc o n t i 仰咖m o d d ，t h es 嘣l i 哆o fz i y 柚g c h e n gl a n d s l i d co f f 钿g j i cq 眦蚵i nm 鲫m 灯a r 嚏i sa m l y z e db y 山e 矗l l 沁s o f t 呲a d 玳九a n dt h c 丘n a l 地m l t i s i d e 蚯c a l t o 血e 圮a l i t y i n t h c m a i n 摘要 k e y w o r d s ：8 e 印a g eo f 矗t u 唱c u b i cl a wc 伽p l i n g s t 砖s s 一丘e l d 8 ：c o m i 邮u mm e d i a ；d i r c t cm e d i a ；m o d e l 重庆交通大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，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，本论文不包含任何其他个人或集体已经发 表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确 方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担 姗鹕。叩狄 日期： 邻月日 重庆交通大学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重 庆交通大学可以将本学位论文的全部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 靴论文作者鹤。柙坟 日期：钟( p 月譬日 第一章绪论 1 1 选题依据 第一章绪论 三峡库区是一个特定的区域概念，泛指1 7 5 米水位方案淹没涉及的重庆、四 川和湖北境内的1 9 个县市。三峡库区是我国滑坡地质灾害的多发区，三峡大坝建 成以后，库区水位将会在1 4 5 一1 7 5 m 之间产生大幅度的波动，江水对于库岸的强烈 改造作用比过去大大增强。此外，由于库岸长期浸泡和浪击前缘的不断冲刷，必 然导致岸坡岩体整体稳定性下降，加速滑坡进程，给库区带来更大的威胁。 三峡大坝建成后无疑将会带来巨大的经济效益和社会效益，但是库区滑坡的 潜在危害不可忽视，库岸滑坡将会把大量的岩土体滑入水库中，大大减少水库的 有效库容，甚至把水库变成石( 泥) 库而使水库废弃；滑坡将会直接摧毁工程构 筑物，从而造成难以估量的损失；滑坡体高速滑入水库，造成巨大的涌浪，直接 危及下游大坝及人民生命财产安全【掘因此，研究库区滑坡的产生机理，预防库 区滑坡的发生具有重大的意义 目前，研究库水位下降对滑坡稳定性的影响还不够深入，主要表现在：以往 在滑坡稳定性评价方面，在考虑地下水的力学作用时，大多只涉及静水压力的作 用，而往往忽视渗透压力的作用，从而使评价结果与实际有较大的出入【。因此 建立适合三峡库区滑坡的渗流模型和滑坡稳定性评价模型是非常必要的 论文在研究三峡库区滑坡工程地质特征的基础上，对库区滑坡进行分类，建 立不同类型的滑坡渗流模型和滑坡稳定性评价模型；重点研究库水位下降对滑坡 稳定性的影响，为滑坡治理提供理论依据。 1 2 国内外研究现状 库水位下降对滑坡稳定性的影响研究主要归结于滑坡裂隙岩体的渗流特性研 究和滑坡稳定性评价研究两个方面。 重庆交通大学硕士学位论文 1 2 1 裂隙岩体渗流模型研究 国内外无数次工程实践表明，岩体工程的破坏主要是由于岩体的失稳破坏引 起的。如法国m a l i m s 鳅拱坝的溃坝破坏，意大利的v 萄t 拱坝边坡滑移等工程失 事都是由岩体的失稳造成而岩体的稳定性主要受裂隙断层节理和层理等结构面 控制。在岩体渗流方面，直到2 0 世纪7 0 年代，一直沿用土壤渗流力学的方法来 解决岩体内的渗流问题，而未考虑到裂隙网络的特殊性对于比较完整或比较破 碎的岩体，应用功睇y 定律可以获得与实际基本相符的结果。然而对于节理为中 等发育的岩体，若再用传统的连续介质渗流力学进行分析，就可能得出与实际相 差过大甚至错误的结裂硼。岩体不是由散粒体组成的多孔结构，而是由被裂隙切 割的岩块构成的实体。岩块的渗流性极微弱，与裂隙渗流相比，可以认为是不透 水的，而裂隙是岩体渗水的通道。所以在岩体渗流分析中，正确模拟裂隙网络是 至关重要的。 裂隙岩体渗流理论始于2 0 世纪6 0 年代，后来又有了一个崭新的名字岩 体水力学，主要是关于裂隙岩体渗流模型的研究和岩体水力学参数的确定。目前， 研究裂隙的渗流问题，总体有两种趋判9 l ：等效连续性介质模型，认为裂隙岩体 是一种具有连续介质性质的物质，把裂隙透水性平均到岩体非连续介质模型 裂隙水力学，当岩体中的裂隙不多时，在搞清楚每条裂隙空间方位的基础上， 可根据裂隙内水流的基本公式，利用流入和流出各裂隙交叉点水量相等以及任何 闭合回路上水头损失之和等于零的原则求解裂隙各交叉点的水头值。 l 、等效非连续介质模型( 离散模型) 等效非连续介质模型是显示岩体原位渗流特性的初步模拟l 舢g 认为该模型 中裂隙的网络单元贯通建立等效非连续介质模型的步骤：( 1 ) 确定控制水文特性 的类型；g ) 现场确定这些特性；( 3 ) 概化水力系统；( 4 ) 转换水文地质试验数据，以 建立能代表现场观测水力特性的简化等效网络该类模型忽略了岩块的孔隙系统， 把岩体视为简单的裂隙介质，用裂隙水力参数或几何参数来表征裂隙岩体内渗透 空间结构的具体布局。这些水力参数由现场水文地质试验提供，几何参数则由步 骤( 2 ) 确定。 离散模型可进一步分为三判1 ：( 1 ) m 伽丘0 一c a 模型：它是在现场对裂隙进行 调查，取得统计参数，再根据裂隙不同参数所服从的统计学规律由计算机生成裂 隙网络而进行渗流分析。该模型认为，裂隙尺寸服从对数正态分布、裂隙间距服 从指数分布。s n o w 认为裂隙宽度呈对数分布，分组统计裂隙产状，组内符合半球 性正态分布，单位体积内裂隙数量符合泊松分布。求得这些分布函数后，便可由 第一章绪论 计算机生成裂隙网络，它与实际岩体有统计学上的等效性。( 2 ) 裂隙水力学模型： 鉴于岩体中裂隙的透水性远大于岩块的透水性，因此该模型将岩体流视为裂隙水 力学问题。考虑到裂隙面的粗糙度及隙面间的充填特性，b l l i s 将单一平行裂隙的 流速修正为 1 ，：一壁， ( 1 1 ) 1 2 盼 式中：夕连通系数，为裂隙面连通面积与总面积之比 c 裂隙面粗糙度修正系数 p 裂隙开度 y 水的运动粘滞系数 由达西定律： ，= 一置，( 1 2 ) 式中：置裂隙面渗透系数 ，水力梯度 故：e = 篾 ( 1 3 ) 通过单位长度裂隙的流量为：口= 一茜矿 ( 1 4 ) 称为立方定律。( 3 ) 典型裂隙面模型：该模型对实际岩体的结构面进行统计分析， 寻找出优势结构面，即可将实际岩体抽象为由该几组裂隙面所分割的岩体结构 确定优势结构面以后，再进行各组裂隙的间距及开度的量测，求出其统计平均 值，并假定各组裂隙均无限延伸，从而形成一个抽象的裂隙网络，据立方定律 进行渗流问题的求解。 然而，在离散模型建立过程申，离散模型难于用于进行复杂的三维渗流分析， 在开挖面上量测的裂隙面参数已经经受过卸荷回弹、应力重分布，因此统计参数 代表性很难掌握，这些均是有待进一步研究的课题 2 、等效连续介质模型 当裂隙宽度较大时，等效连续介质模型认为岩石孔隙介质和裂隙网络均匀分 布于整个研究域内，裂隙岩体表现出与多孔连续介质相似的渗透特性，水头随空 间点连续分布，渗流场的求解以渗透张量为基础。该模型假定地下水在岩体中的 流动服从d 恤y 定律，视水力传导系统为岩体单元的平均值。f l a n l ：l i n 认为，该模 型应包括丰富的裂隙且相互交错，在绝大多数情况下，比如考虑各向异性渗透张 量及应力和节理闭合的重要影响等方面，这一假定是可信赖的。但在等效连续渗 重庆交通大学硕士学位论文 流模型中，对于单一裂隙则下述三种情况必须考虑：( 1 ) 当考虑如断层那样的主要 导水管道时；( 2 ) 当试图用基于裂隙特性而不是实测资料建立起的等效连续渗流模 型预测水力传导性时；( 3 ) 当模拟水裂断裂及油井洼，尤其在井周裂隙网络的水力 传导系数很低时 等效连续介质模型的突出优点是可以沿用各向异性连续介质理论进行分析， 无论在理论上还是在解题方法上均有雄厚的基础和经验，而且不需知道每条裂隙 的确切位置和水力特性，对于那些不易获得单个裂隙数据的工程问题不失为一个 有价值的工具；但等效连续介质模型在应用时尚存在两方面的困难：一是裂隙岩 体等效渗透张量的确定；二是等效连续介质模型的有效性不一定得到保证 能否利用连续介质渗流理论分析裂隙岩体渗流是一个有争议的问题，许多学 者对此作了研究，提出了一些判别准则。如l 舢i s 认为，在所研究的工程岩体范围 内，岩体中裂隙数目为1 0 0 0 条以上时，可以采用等效连续介质模型。m a i n i 认为， 若岩体中的平均裂隙间距与构筑尺寸之比小于1 2 0 时，可以采用等效连续介质模 型。硼s 和珊t h s p o 认为，如果岩体中的最大节理间距与构筑尺寸之比小于 1 5 0 时，可以采用等效连续介质模型；但所有这些判据都是由某一具体的工程或理 论分析得出的，应用于实际工程尚有困难。 对此h l g 进行了进一步的研究，他指出，将裂隙岩体模拟为连续介质需具备 两个条件：( 1 ) 样本体积存在，即随着试验体的微小增加或减小，等效渗透性只有 细微变化；g ) 存在对称的等效渗透张量。而衡量裂隙岩体是否具有对称渗透张量 的方法是测定其方向渗透率此外，l o n g 还研究了裂隙几何参数对渗透特性的影 响，认为裂隙方向为随机分布，裂隙宽度为定值时，有利于等效连续介质模型的 有效性；并且裂隙网络愈密，连通途径愈多，就愈接近某种等效各向异性连续介 质。 3 、孔隙裂隙双重连续介质模型【l 习 双重介质渗流理论是裂隙岩体渗流理论的典型代表，它将裂隙岩体作为等效 的连续介质来处理，认为连续介质是由两种系统组成：裂隙系统和孔隙系统。以 裂隙系统作为流体渗流的通道而以孔隙性好的岩块系统储存流体，两套系统均遍 布于裂隙岩体中，在渗流场中的任意一点都既有孔隙又有裂隙这种理论要分别 建立裂隙介质渗流模型与孔隙介质渗流模型，二者用孔隙介质与裂隙系统之间的 流体交换关系相联系，组成一个耦合的方程式。 双重介质模型的基本假定是裂隙岩体中孔隙，裂隙分布均匀，即在微元体中， 孔隙与裂隙体积之比保持不变。认为裂隙岩体由孔隙性差而导水性强的裂隙系统 和孔隙性好而导水性差的岩块孔隙系统共同组成的连续介质。模型微元体中各点 具有孔隙、裂隙双重水头，并分别用平均水头表示孔隙体积远大于裂隙体积， 第一章绪论 而裂隙的导水系数比孔隙的大得多。当压力降低时，孔隙和裂隙的水头差使孔隙 中的水经裂隙流向水井，含水层的骨架是剐性的，孔隙和裂隙的水交换与其压力 水头成正比为了建立更为符合实际的裂隙岩体渗流模型，近年来已有部分学者 将分形理论、损伤理论及随机网络理论等用于裂隙岩体渗流研究中，取得了一些 有益的见解，但尚未达到实用阶段。 1 2 2 裂隙岩体渗流场的数值模拟 渗流计算即是在已知定解条件下求解渗流控制微分方程，以获得渗流场水头 分布和渗流量等渗流要素。边坡岩体的渗透破坏、库坝浸润线的变化及坝基扬压 力的确定、岩体中石油渗流、地下工程的防渗设计等无不与渗流计算有关。但由 于裂隙岩体渗流介质的非均质性和各向异性特性、边界条件和几何形状的复杂性、 初始条件的不确定性等因素制约着解析法在渗流计算中的广泛应用。 自从1 9 7 0 年w 珊t t l 【e 用有限元法计算裂隙水的水流及1 9 7 2 年l 啾等用有 限差分法计算了各种裂隙网络系统内的流势分布，开仓j 了数值计算方法在渗流计 算中应用的历史。迄今为止，除部分学者仍致力于渗流计算中解析法的研究以外， 数值计算方法无论在渗流理论分析及工程应用中均得到了广泛应用。数值计算方 法主要包括有限元法、边界元法、有限解析法、有限差分积分法等。 l 有限元法 有限元法从渗流的均质各向同性到非均质各向异性、从平面问题到复杂岩基 的三维渗流分析、从理论研究到实际工程应用均是岩体渗流计算中理论研究最成 熟、应用最广泛的数值计算法q i l e l l d n 有限元法是1 9 7 3 年n c 岫趾提出的，多采用 四节点等参元及三角形单元离散渗流域 2 有限解析法 基本思路是将整个渗流区域分割成有限的小单元，在任意小单元上将非线性 方程线性化，并给出单元上满足边界点变量值的边界函数，用分离变量法求其解 析解，且在单元中心取值，可得每个节点与周围节点之间的代数方程式。该法难 点是需要求出单元解析解，如何合理地选取边界函数是有限解析法的关键。 1 2 3 裂隙岩体渗流一应力耦合作用 岩体中存在的大量裂隙和孔隙改变着岩体的力学性质，也严重影响到岩体的 渗透特性和水流规律；这就导致岩体应力场的改变必将影响到渗流场的改变；这 重庆交通大学硕士学位论文 种岩体应力和渗流之间形成的相互作用关系，称为渗流一应力耦合作用蠲。 研究渗流场与应力场的耦合作用是岩体力学的基本课题，k i | i s 通过一系列试 验认为渗透系数与法向应力之间呈负指数关系，即 置，= 毛c 砸- 口仃口) ( 1 5 ) 式中：晶一裂隙面初始渗透系数 - i 去向有效应力 c o o k 基于试验研究认为，低应力状态下渗流与裂隙面的开度无关，即立方定 律不再适用；但在高应力状态下则密切相关。水流是裂隙面有效应力和开度的函 数。对那些部分接触的天然节理而言，节理的开度比在低应力条件下的节理闭合 度减得更快；在高应力条件下阻止流动部分的开度和弯曲程度变得与应力条件下 的节理闭合度无关。 c a r l s s 等基于相关分析提出了水力渗透系数随深度变化的关系式： 置= 彪 ( 1 6 ) 式中：z 深度 口、6 经验系数 而由于自重应力随深度之变化为： 盯= 昭z ( 1 7 ) 则耦合本构关系表示为： 置= c 盯 ( 1 8 ) 式中； c 2 石，6 一常数，且矗【一l 一2 】 段小宁等提出的耦合本构关系为： 驴哪一c x p ( 一套) 式中：，裂隙面最大变形量 瓦裂隙面当量闭合刚度 鄣学莽椎导了渗诱系数与麻蛮的本构关系： ( 1 9 ) 第一章绪论 置，= 置知o 一彳岛) 2 ( 1 1 0 ) 置，= 2 e ( 1 1 1 ) 式中：置。没有变形时的初始渗透系数； 岛节理面法向变形； a 相互作用系数，由彳= i 赢式确定 口+ p u 一口j 岩体渗流应力耦合作用的研究主要集中在渗透系数与裂隙面法向应力应变 之间的相互关系方面。 1 2 4 滑坡的稳定性评价 滑坡的稳定性评价是指在对地质体充分认识的基础上，通过对滑坡作用机理 的研究，从而得出的定性和定量评价结果。宏观上常常将滑坡的预测分为滑坡的 时间预测，滑坡的空间预测以及滑坡的综合预测；从技术方面来考虑，滑坡的预 测经历了从最初的定性到定量，再从确定性到非确定性直至目前概率论的过程。 滑坡评价方法分为：定性分析方法，定量分析方法( 数学模型法) ，不确定性分析方 法，确定性与不确定性方法的结合，物理模拟方法。 l 定性分析方法嗍 它是分析影响滑坡稳定性的主要因素、失稳的力学机制、变形破坏的可能方 式及工程的综合功能等，对滑坡的成因及演化历史进行分析，以此评价滑坡稳定 状况及其可能发展趋势该方法的优点是综合考虑影响滑坡稳定性的因素，快速 地对边坡的稳定性做出评价和预测常用的方法有： ( 1 ) 地质分析法( 历史成因分析法) 根据边坡的地形地貌形态、地质条件和滑坡变形破坏的基本规律，追溯滑坡 演变的全过程，预测滑坡稳定性发展的总趋势及其破坏方式，从而对滑坡的稳定 性做出评价。对已发生过滑坡的滑坡，则判断其能否复活或转化。它主要用于天 然斜坡的稳定性评价。 ( 2 ) 工程地质类比法 它是将已有分析滑坡稳定性的基本经验运用到相似条件的滑坡稳定性评价中 去，全面分析工程地质因素的相似性和差异性，分析影响滑坡变形发展的主导因 素的相似性和差异性。同时，还应考虑工程的类别、等级及其对滑坡的特定要求， 重庆交通大学硕士学位论文 虽然是一种经验方法，在同类工程地质条件下，在滑坡治理设计中是可以借鉴的。 因此具有一定的局限性。 ( 3 ) 图解法 图解法用于岩质滑坡体的稳定分析，并考虑了各种因素如岩性、地下水、坡 角等的变化，根据相应的公式制成图表，这样可快速、直观地分辨出控制滑坡体 的主要和次要结构面，确定出稳定类型，判定不稳定块体的形状、规模及滑动方 向。图解法可以分为两类：偌谟图法；用一定的曲线和偌谟图来表征边坡有关 参数间的定量关系，由此求出边坡稳定性系数；或已知稳定系数及其它参数( 结 构面倾角、坡角、坡高) 仅一个未知的情况下，求出稳定坡角或极限坡高，这是 力学计算的简化它目前主要用于土质或全强风化的具弧形破坏面的滑坡体稳定 性分析。赤平极射投影图法：该法就是利用赤平极射投影的原理，通过作图求 边坡变形破坏的边界条件，分析软弱面的组合关系；分析滑体的形态、滑动方向、 评价边坡的稳定程度，为力学计算创造条件它目前主要用于岩质滑坡体的稳定 性分析。 ( 4 ) 边坡稳定专家系统 工程地质领域最早研制出的专家系统是用于地质勘察的专家系统p r o p t 酣， 由斯坦福大学于7 0 年代中期完成的。在国内，许多单位正在进行研制，并取得了 很多的成果。专家系统使得一般工程技术人员在解决工程问题时能象有经验的专 家给出比较正确的判断，并做出结论。因此，专家系统的应用为工程地质的发展 提供了一条新思路。 2 定量评价方法嗍 滑坡体的稳定性定量分析需按构造区段及不同坡向分别进行，根据每一区段 的岩土技术剖面，确定其可能的破坏模式，并考虑所受的各种荷载( 如重力、水 作用力、地震或爆破振动力等) 选定适当的参数进行计算但严格地讲，滑坡体 稳定性分析还远远没有走到完全定量这一步，目前所谓的定量分析方法也只能算 是一种半定量的分析方法。滑坡定量评价的方法有很多种，不同的滑坡采用不同 的力学模型与分析方法，但总的来说可以分为两大类，即以极限平衡理论为基础 的条分法和以弹塑性理论为基础的数值计算方法。 ( 1 ) 极限平衡法 极限平衡法是工程中应用最为广泛的滑坡稳定性评价方法，在工程初期基本 资料不充分，分析精度要求不高的情况下，对粘性土质边坡可以采用刚体极限平 衡理论中的圆弧分析法，对于无粘性土质边坡则可采用相应的折线法；而对于岩 质边坡则可采用刚性块体稳定分析法或s a m 啦法。 极限平衡法的基本思路是：对于假定的岩土体滑动面，通过考虑其形成的隔 第一章绪论 离体的静力平衡，经过反复计算和分析比较，确定其稳定性系数。该方法比较直 观、简单，对大多数边坡的评价结果比较令人满意。该方法的关键在于对滑体的 范围以及滑动面的确定 基于该原理的方法很多，条分法便是基于极限平衡理论的方法之一，条分法 由瑞典人彼得森( k e n n 嘲舳) 在1 9 1 6 年提出，2 0 世纪3 0 一4 0 年代经过费伦纽斯 ( w f c u e n i u s ) 和泰勒惭l 砷等人的不断改进，直至1 9 5 4 年简布供j a n b u ) 提出普遍 条分法的基本原理，1 9 5 5 年毕肖普i 出0 p ) 明确了土坡稳定安全系数，使该方法在 目前成为工程界成为普遍采用的方法。 总体来讲，极限平衡法以其模型简单，计算过程简单，计算结果物理意义明 确等优点被工程界广泛应用；但该种方法存在假设前提往往与实际情况有出入， 使得其计算结果与实际存在一定差异的缺陷，具有局限性和不完善性，有待于发 展和完善。刚体极限平衡法的不足主要集中在以下四个方面： a 没有考虑土体本身的本构关系和实际工作状态，所求出的土条之间的内力 或土条底部的反力均不能代表边坡在实际工作条件下的真正内力和反力，更不能 求出变形。 b 计算中的破坏判据主要取决于滑动面的强度判据，当主滑面不明确或性质 变化较大时，难以用有效的模型来描述。 c 计算中滑体中的应力均视为以集中力的形式作用在滑动面上，不能反映出 应力分布的不均匀及其由此导致的变形破坏 d 一般都简化为二维问题求解，无法十分客观地反映三维的实际情况。 s 删法是极限平衡法的最新发展之一，该方法的基本思想为：边坡只有沿一 个理想的平面或圆弧滑动时才可以作为一个完整的刚体运动；否则，必须先破裂 成多个可以相对滑动的块体，才能发生滑动。该方法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、圆弧及非圆弧滑动等。 g ) 数值分析方法 为了克服极限平衡法的不足，人们提出了以有限元为代表的各种数值计算方 法。数值分析方法的思路是：通过求解边坡的应力分布和变形情况来研究岩体中 应力和应变的变化过程，从而求得各点上的局部稳定性系数，由此来判断边坡的 稳定性。主要有以下几种： a 有限元法( 甩m ) 该方法在岩土体的稳定性分析中得到最早( 1 9 6 7 ) 应用；也 是目前最广泛使用的一种数值分析方法。目前，已经开发了多个二维及三维有限 元分析程序，可以用来求解弹性、弹塑性、粘弹塑性、粘塑性等问题。有限元法 突出的优点是考虑了边坡岩土体的非均质、非线性和复杂边界等特征，考虑了岩 土体的非线性应力一应变关系；从而避免了将边坡体视为刚体，过于简化边界条 重庆交通大学硕士学位论文 件的缺点，能够接近实际地从应力应变分析边坡的变形破坏机制，对了解边坡的 应力分布及应变位移变化很有利。该方法是目前应用最广泛的数值分析方法。其 缺点是：数据准备工作量大，原始数据易出错，不能保证整个区域内某些物理量 的连续性；在解决无限性问题、应力集中问题等问题时，其精度比较差。 b 边界单元法d 田张有天等和d t n l 岫b 盯等利用边界元法在岩体渗 流计算方面做出了较大的贡献。由于边界元法仅需对渗流域边界进行离散及采用 无限介质中点荷载或点源的理论解为基本公式，故较之于有限元法具有精度高、 计算工作量少等优点，且可直接处理无限介质问题该法特别适用于无限域或半 无限域问题。然而，边界元法也有其不足之处：对多种介质问题及非线性问题的 处理不方便；代数方程组系数矩阵为满阵( 单一介质) 和块阵( 多种介质) ；因此，面 对裂隙岩体的非均质各向异性特性，边界元法应用不灵活边界元法在裂隙岩体 层状介质方面的基本处理方法是将研究区的岩体分成链式条带，并假定同一带内 具有同样的渗透性，然后利用位势通量连续性及交界面上势函数值相等的条件， 将这些带集合在一起，研究整个区域的渗流特征。而对于各向异性介质通常视作 等效连续介质，通过坐标变换，得到正交各向异性问题的控制方程，渗透性用渗 透张量表示。但是，用边界元法计算岩体渗流时，比较困难之一是边界值的法向 导数在某些边界结点上不连续。为此，谢春红等采用多重结点法及节点多值法处 理奇异点。但迄今为止，边界元法尚未广泛用于岩体渗流实际工程之中 c 离散元法( d e m ) 离散元法由a m d a u ( 1 9 7 1 ) 首先提出，离散单元法可以直 接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。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 d 块体理论仍d 该方法利用拓扑学和群论评价三维不连续岩体稳定性，该 理论建立在构造地质和简单的力学平衡计算的基础上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。 数值方法近年来得到了很大的发展，除以上几种方法外，还有无界元法 ( m e m ) 、不连续变形分析a d d i a ) 等方法。此外，由于工程实践的需要，还涌现出 了大量的各种数值方法的耦合算法。 数值分析方法解决了平衡极限法存在的许多缺陷，但是也存在着明显的不足， 主要是由于客观上地质条件的复杂性及主观上认识的局限性，往往使计算的地质 模型及本构关系的确定存在着一定的偏差；另外，由于计算参数的选取与实际存 在一定误差，往往影响到计算结果的精度。 3 不确定性分析方法 第一章绪论 滑坡的预测是指对于滑坡发生的具体时间( 或时间段) 、具体空间的预测；滑 坡的预测目前分为时间预测、空间预测和综合预测；各种预测方法相互之间有着 密切的联系滑坡的不确定性分析方法就是基于滑坡预测理论的广义系统科学原 理。近年来，随着概率论、数理统计及信息理论、模糊数学理论等高等科学用于 滑坡预测领域，滑坡的预测已形成了多种预测模型，其预测成果可相互对比、检 验，从而可使预测成果更具合理性、科学性 下面对目前常用的非确定性分析方法作一个简单的综述： ( i ) 人工智能法 人工智能法主要是建立在专家丰富的经验基础之上的，通过专家打分法等途 径获取专家经验知识，运用人工智能技术，建立滑坡预测的专家系统。人工智能 法把某一位或多位边坡工程专家的知识、工程经验、理论分析、数值分析、物理 模拟、现场监测等行之有效的知识和方法有机地组织起来，建成一个滑坡预测知 识库，然后利用智能化的推理机( 一个控制整个系统的计算机程序) 来模拟并再 现人( 专家) 脑的思维( 推理与决策) 过程，吸收其合理的知识结构，寻求优化的技术 路径；同时，它又能建立计算机模型，结合相关学科不同专家的知识进行推理和 决策，对所研究的对象( 斜坡) 进行预测评价。目前，基于符号推理与定量计算结合 的问题求解方法的专家系统是经验法的发展方向。 ( 2 ) 数理统计法 数理统计法的基本原理是通过对现有滑坡及其类似不稳定现象所在地区的地 质环境条件和作用因素之间的统计规律研究，建立相关的预测模型，从而预测区 域斜坡的稳定性。该类模型方法很多，如回归分析、判别分析、聚类分析方法等 等。适用于区域滑坡及斜坡不稳定群体空间预测研究，对一定地区土地利用、国 土开发、城市规划具有宏观指导作用。 ( 3 ) 神经网络法 神经网络是由大量处理单元( 神经元、处理元件、电子元件和光电元件等) 广泛 互连而成的网络。网络的信息处理由神经元之间的相互作用来实现，知识与信息 的存贮表现为网络元件互连间分布式的物理联系，网络的学习和识别决定于各神 经元连接权系的动态演化过程。 边坡稳定性神经网络预测的基本原理是：给定充分的学习样本，网络学习完 成获得足够的知识后，输入待研究边坡必要的工程地质参数就可对其稳定和失稳 破坏作出判断，并对安全系数作出较准确的估计。网络输入的是边坡的定量和定 性信息，输出的是边坡稳定性的评价信息，即边坡稳定状态或安全系数的估计值。 重庆交通大学硕士学位论文 神经网络通过对已知样本的学习，掌握输入与输出间复杂的非线性映射关系， 并对这种关系进行存储记忆，直接为预测提供知识库，同时，还具有高速的运行处理 能力、自组织学习能力、高速的容错性、灵活性和适应性等优点。 神经网络对斜坡稳定性空间预测是用研究程度较高的斜坡地段作为已知样本 对网络进行训练，直到网络掌握数据间的非线性映射关系为止，然后用该地区其 它稳定性未知的地段作为预测样本，输入已经学习好的网络，通过网络的联想记 忆功能直接预测稳定性。 在用神经网络进行预测预报时，可以把各种可能对边坡稳定性有影响的因素 作为网络的输入，而提高预测的精度。神经网络法能够充分逼近任意复杂的非线 性关系且能够学习与适应不确定性系统的动态特征，这些特点显示了神经网络在 解决不确定性、非线性复杂系统的问题上存在巨大的潜力 ( 4 ) 信息模型法 该类模型的理论基础是信息论，用滑坡发生过程中熵的减少来表征滑坡事件 产生的可能性，因素组合对某滑坡事件的确定所带来的不肯定性程度的平均减少 量等于该滑坡系统熵值的变化。认为滑坡的产生与预测过程中所获取的信息的数 量和质量有关，是用信息量来衡量的；信息量越大，表明产生滑坡的可能性越大。 该法同统计预测模型一样，适用于中小比例尺区域预测。 ( 5 ) 模糊测度理论 边坡的稳定性受到很多客观因素的影响，因而边坡的稳定程度本身就构成了 一个复杂的非清晰的系统一模糊系统，模糊测度理论就是对边坡稳定性等级进行 分类，例如把边坡的稳定等级分为“危险区。不稳定区”、“较不稳定区”、“稳 定区”等，并通过专家评分或构造隶属函数确定对同一等级各因素以及某一因素 在不同等级中对边坡稳定性的影响程度( 隶属度) ，建立模糊评判矩阵，确定边坡的 稳定性对各等级的隶属程度，最后按择优原则预测边坡的稳定性该方法的不足之 处是经验色彩比较浓，其次是单因素评价矩阵难以确定，具有很大的不稳定性。 ( 6 ) 灰色系统方法 此类模型是以灰色系统理论为基础，它是研究“小样本、贫信息不确定性” 问题。在滑坡预测中，可利用灰色关联分析，评价斜坡稳定性各影响因素的影响 程度，克服了通常数理统计方法作系统分析所导致的缺陷，对样本量和样本的规 律性无特殊要求。同样可通过灰色聚类中的灰类白化权函数聚类，在考虑多种影 响因素的基础上对各研究单元的稳定性状态进行判定，进而完成空间预测中的稳 定性分区。灰色系统的以灰色模型( g m ) 为核心的各种预测模型还为分析滑坡预测 中的各种时序数据提供了有效途径，成为目前滑坡实时跟踪预报的常用方法之一 o ) 非线性模型预测法 第一章绪论 滑坡系统自身具有非常复杂的特点，很难用简单的线性方程来表达；在这种 情况下，一批非线性预测模型迅速发展起来，如分形理论就是通过研究滑坡系统 的自相似性来对滑坡的运动规律进行研究。易顺民应用分形理论研究了区域性滑 坡活动的自相似结构特征，发现在滑坡活动的高潮期到来前有明显的降维。吴中 如、黄国明等人依据分形理论提出了滑坡变形失稳判据及滑坡蠕滑的相空间模型， 是滑坡时间预报的一种全新思路。自组织理论探索滑坡复杂系统如何从无序进化 到有序的自组织过程；突变理论主要从定量的角度描述非线性系统在临界失稳时 的突变行为，为滑坡时间预报提供的一种新途径；分形理论则从几何的角度探讨 系统内各个层次间的自相似性，应用在滑坡过程描述及过程预报中，化复杂为简 单，化定性为定量；混沌动力学探讨非线性滑坡系统在其演化过程中的不可逆性 和演化行为对初值的敏感性。非线性动力学方法的应用对于滑坡灾害的预测研究 来说，有着巨大的吸引力。它较好地解决地质灾害预测中确定性与非确定性模型 的统一问题，在滑坡的预测中具有重要的意义，目前这方面的工作仍然处于起步 阶段，有待于进一步深入研究。 目前在滑坡稳定性计算中仍然主要存在的问题是，滑动面的确定方法有待于 进一步改进与完善；计算参数的精度还有待于提高；如何选取与简化合理的计算 模型；破坏判据与实际情况存在着较大的差异；稳定性分析结果与防治设计的衔 接；合理的滑坡过程本构模型的建立 稳定性评价研究的发展趋势可概括为；由确定性向基于概率论之上的非确定 方向发展；强调对复杂地质结构体的三维描述；注重最危险滑移面的确定；计算 机滑坡全过程模拟及成象技术的研究；注重水的作用、多因素耦合分析；极限平 衡方法与数值法的结合；提高计算参数的精度，丰富参数的确定的途径 1 3 三峡库区滑坡研究历史。对 长江三峡枢纽工程自1 9 5 6 年开始初期勘探，就注意到了库岸稳定性问题的重 要性，对这一问题的研究，大致经历了以下四个阶段： 第一阶段( 1 9 5 7 1 9 6 5 年) 早期的研究主要集中在地矿部系统，主要是对库区的 工程地质测绘和对已发现的个别滑坡进行调查，尽管认识不够深入和全面，但已 注意到建库前后库区岸坡可能存在的稳定性问题。 第二阶段( 1 9 6 5 1 9 8 0 年) 这一时期开始对近坝地段的个别重点滑坡崩塌进行勘 察监测，如1 9 6 5 年地质部三峡工作处对链子崖进行了l ：2 0 0 0 的工程地质测绘， 1 9 6 8 年开展了长期监测和勘探试验工作；与此同时，长江水利委员会也开始了对 重庆交通大学硕士学位论文 新滩滑坡1 ：2 0 0 0 的工程地质测绘，随后也逐渐进行了一些勘探试验与观测工作。 这一阶段研究重点集中在新滩与链子崖两处滑坡，作了较深入的工作，为新滩滑 坡复活滑动的准确预报打下了良好的基础。此外，库区其余地段的研究工作也开 展起来，发现了数十处滑坡与崩塌，但对多数滑坡与崩塌的认识还不深入，主要 内容是调查了解地质背景、滑坡地形地貌、结构与性状等；对滑坡的形成机制和 稳定性评价还没有形成成熟的理论。 第三阶段( 1 9 8 0 1 9 8 6 年) 年代改革开放以来，由于国家建设对于能源的需求 增长，因此三峡工程逐渐被提到日程上来，对三峡库区的研究也活跃起来与此 同时，这一时期在这个区域发生了一系列重大的崩塌、滑坡事件，更加深了人们 对库区环境地质问题及其重要性的认识。例如1 9 8 0 年盐池河崩塌，1 9 8 2 年7 月川 东地区的暴雨造成鸡扒子等大型滑坡复活，1 9 8 3 年6 月新滩滑坡大滑动，摧毁了 新滩镇等等，这一系列事件促使了国家开始加大力度对库区滑坡开展深入的研究 工作，随后，地矿部、长江水利委员会、湖北岩崩调查处等单位对新滩、链子崖， 鸡扒子和黄腊石滑坡进行了测绘、勘探、监测，同时对库区滑坡进行了更深入、 更广泛的调查；这一时期对滑坡的发生、变形、破坏机理有了更深一步的认识了 解。 第四阶段( 1 9 8 6 1 9 9 0 年以来) 国家把库岸稳定性问题作为三峡工程重点攻关 课题之一，这是一个崭新的阶段，该阶段对三峡库区整个库岸稳定性和大型滑坡 进全面和重点相接合的研究以及稳定性评价，对岸坡的变形破坏机制进行深入的 理论分析探讨；基本形成了比较成熟的库区滑坡崩塌研究体系 1 4 本文的主要研究内容和研究思路 本硕士论文以库水位变动对滑坡的稳定性影响为研究内容，在总结前人成果 的基础上，重点研究了岩体渗流场与应力场耦合，从渗流的基本理论入手，导出 渗流场和应力场分别对库区岸坡稳定性的影响机理，接着从渗流一应力耦合的角 度分析研究了库区岩体等效连续介质模型及离散模型，