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渝东南地区顺层岩质滑坡稳定性分析——以沙子口滑坡为例


分类号 密级

U416

单位代码 学

10618

号10808052

墨废交通戈謦
硕士学位论文
论文题目

渝东南地区顺层岩质滑坡稳定性分析

——以沙子口滑坡为例
Stability Analysi

s of Bedding Rock Slope in Southeast of

Chongqing—Take

Shazikou Landslide for Example

研究生姓名: 导师姓名、职称: 申请学位门类: 专业名称: 论文答辩日期: 学位授予单位:

李康 教授 学

冯晓 工

道路与铁道工程
201 0年1

2月1 7日

重庆交通大学

答辩委员会主席:

周进川

2010年12月

ffIIII I II F I I I I I I I I
Y1 902336

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。

学位论文作者签名:

吾犀

日期:沙乒年/y月如日

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。同时授权中国科 学技术信息研究所将本人学位论文收录到《中国学位论文全文数据库》,并进行 信息服务(包括但不限于汇编、复制、发行、信息网络传播等),同时本人保留 在其他媒体发表论文的权利。

学位论文作者签名:旁融
日期:弘乒年p月弘El

指剥币笋名∥




日期:Z气知年/≯月≯矿日

本人同意将本学位论文提交至中国学术期刊(光盘版)电子杂志社CNKI系 列数据库中全文发布,并按《中国优秀博硕士学位论文全文数据库出版章程》规 定享受相关权益。

学位做作者签名.李舡
日期:7?声年/≯月矽日

指导教师签名:7留屯

日期:形年%月弘日





本文对岩质边坡稳定性分析进行了广泛而较深入的研究,结合彭水县沙子口 残余滑坡监测治理工程,主要研究了渝东南地区顺层灰岩附加软弱夹层滑坡的三 维数值模拟与分析方法,并在此基础上提出了治理方案。主要内容概括如下: 1、通过对岩质边坡主滑控制界面(带)、主滑带的饱和抗滑阻力余度、边坡失 稳的主诱发因素、岩体结构及地质作用等因素的定量或定性的描述,将岩质边坡 的稳定性分为五个等级。 2、论述了目前岩质边坡稳定性分析中较为普遍采用的刚体极限平衡法、岩质 边坡Sarma法、模糊数学分析法、离散单元法(DEM)、DDA法、人工神经网络法, 分析指出各计算方法的适应范围及不足之处。 3、分析岩体结构、地应力、水的因素、坡高、坡角、边坡开挖技术等其它因 素对岩质边坡稳定性的影响,通过分析研究得出岩质边坡失稳的主要动力源是河 流的改道及伴随其发生的倾向侵蚀及公路、铁路、建筑切坡脚。当边坡具备变形、 失稳条件时,原地质构造应力场和自身重力场将出现新的调整,变形岩体在应力 场与重力场调整过程中出现失稳,以求得该部位边坡新的平衡,稳定状态。 4、通过对沙子口北侧已滑区域工程地质条件、性状等的研究,对其滑坡成因 进行分析,合理选取本构参数值,采用刚体极限平衡法和基于Ansys强度折减法 对滑坡南侧残余山体在两种工况下进行稳定性分析,通过分析结果对比得出:滑 坡整体天然状态处于基本稳定~稳定状态;在暴雨作用下,整体处于基本稳定~欠 稳定状态。滑坡整体安全储备不足,局部不稳定,需对其进行综合治理。 5、通过运用模糊数学中提出的“隶属度”的概念,用从0-1来描述由“肯定" 到“否定"的过渡,考虑边坡稳定性分析是不确定性问题,不仅具有随机性,同 时具有很强的模糊性,运用模糊近似推论的原理和最大隶属度原则对沙子口顺层 岩质滑坡工程进行分析,其分析结果与边坡实际稳定状态相吻合,表明各作用因 素的权重分配合理,其隶属函数和权重分配可应用于渝东南地区工程地质概况类 似岩质边坡稳定性分析。 6、根据沙子口滑坡南侧残余山体稳定性分析计算结果,经安全可靠,技术可 行,经济合理的综合比较分析,采用两排锚索抗滑桩对未滑区域进行加固治理, 建立滑坡体排水系统,并建立滑坡体监测系统对施工期及运行期进行监测。

关键词:顺层岩质滑坡;三维有限元;模糊数学;稳定分析;加固治理

AB STRACT

This paper carried rock

out

extensive and in—depth research ShaZiKou residual

on

stability analysis about

slope,Combined谢tll

landslide

monitoring treatment

project

in

Pengshui County,mainly studies three—dimensional numerical simulation and method about bedding

analysis

limestone

additional weak interlayer of

landslide be

in southeast

Chongqing,and
follows:

on

this basis proposed governance programs.Mainly

summarized as

1.Through rational and quantitative description of some main factors,such as the resistance surplus of saturated slide in main slide controlling
slide

surface(belt)and

in main

belt,and

the primary causes of the
SO

slope

losing its stability,rock

structure,

geological effect and

on,the stability of rock-slope is divided into five grades.

2.Rigid Body Limit Balance Method,Sarma Method,Distinct Elements Method

(DEM),DDA Method,Artificial Never
rock—slope stability

Network Method widely adopted

at present

in

analysis is discussed.At the same time,the

adaption

scopes and

defects of these methods are pointed out by analysis. 3.The rock structure,crustal stress,the effect of the technology of

water,slope-height,slope—angle, rock—slope
stability

slope

excavated

and

other factorS that affect the of

are analyzed here.The main

sources

power

that

analyze the rock—slope losing
foot of

stability are river diversion together witll its tendency
resulting from the

erosion;and—the

slope

cut

construction of roads,railways and buildings.When the slope has the and stability lost,the geology construction
to stress

conditions

of deformation

field

and

the the

self gravity field will
stress

begin

adjust

themselves again.In the

course

of

adjusting

field

and

gravity field,the deformation rock body appears
status.

to

lose its stability to

achieve new balance and stability
4.Based
on

the research of the engineering geological

conditions,properties

of

north area of ShaZiKou

landslide,through analysis of the causes and make

reasonable

selection

on

constitutive parameters,using rigid

body

limit equilibrium method

and

strength reduction method

based

on

Ansys in south mountain landslides in

two residual
results
state,

under
we

the condition of the stability

analysis,through

the comparison of
to

analysis

can

obtained

that the whole

landslide between stability
overall

stable state in

natural

stable to less stable in instability,needs
to

storm.The

landslide

lack of security reserve,local

be comprehensive management.

5.The concept of”membership degree’’in fuzzy mathematics is applied to describe the transformation

from”affirmation”to”negation”by

using the figures from 0 to

1.Considering the uncertain problems of stability analysis which have the characteristics of random and fuzziness,the author uses the fuzzy approximate deduction maximum membership degree principle to analyze and evaluate Shazikou slide stability.The analysis results is
result

and

the rock this

bedding state,and

match淅th

the slope actual steady

demonstrates

that the distribution of the proportion of of the

importance

is reasonable.
carl

The membership
be
applied to

functions and the distribution

proportion

of importance

also

analyze

the stability of similar rock—slopes in southeast Chongqing.

6.According to the stability analysis of south ShaZiKou

landslide and analysis

calculation of safe
area

results of residual landslides,through comprehensive comparative reliable technology,economic reasonable,using two rows of
strengthening the

and
for

anchor

cable slide

management,establish

the

landslide

drainage system,and establish

the

landslide

monitoring system to monitor the construction

and

operation

period.

KEY

WORDS:bedding

rock

landslide;three—dimensional

finite

element;fuzzy

mathematics stability analysis;strengthen management





第一章绪论.……………...……….…….………1
1.1岩质边坡稳定性研究的目的和意义…………………………..1 1.2岩质边坡稳定性研究概述………………………………….1 1.3本文的研究内容、技术路线………………………………..6 1.3.1研究内容…………………………………………9

1.3.2技术路线…………………………………………9
1.4本章小结……………………………………………..10

第二章岩质边坡稳定性分析方法………………..……..11
2.1刚体极限平衡法………………………………………..1l 2.1.1岩质边坡Sarma法…………………………………1l

2.2模糊数学分析法………………………………………..11 2.3离散单元法(DNE法)…………………………………..12
2.4

DDA法……………………………………………….13

2.5人工神经网络分析法…………………………………….18 2.5强度折减法……………………………………………18 2.6本章小结……………………………………………..20

第三章渝东南地区顺层岩质边坡失稳机理研究……..……..21
3.1滑坡的定义与基本概念…………………………………..21
3.2岩质边坡稳定性分类…………………………………….21

3.3岩质边坡失稳的动力源…………………………………..22 3.4沙子口滑坡概况………………………………………..23
3.4.1滑坡体工程地质条件……………………………….25 3.4.2滑坡体形状及规模…………………………………27 3.5滑坡体结构特性与成因分析……………………………….28 3.5.1物质结构特性…………………………………….28 3.5.2滑坡成因分析…………………………………….29

3.6岩质边坡失稳的破坏因素…………………………………32
3.6.1自然因素………………………………………..32

3.6.2人为因素………………………………………..33

3.7本章小结……………………………………………..33

第四章渝东南地区顺层岩质边坡稳定性分析…...….……..34
4.1稳定性宏观分析………………………………………..34
4.2稳定性计算及剩余下滑力…………………………………35

4.2.1极限平衡法………………………………………35 4.2.2有限元强度折减法…………………………………41 4.3本章小结……………………………………………..46

第五章岩质边坡模糊数学法稳定性分析研究…….………..47
5.1基本理论……………………………………………..47 5.2岩质边坡稳定性的分类及作用因素的选取…………………….50 5.3隶属函数的构造………………………………………..51 5.3.1定量作用因素隶属函数构造………………………….51 5.3.2定性作用因素隶属函数构造………………………….59 5.4边坡稳定性综合评价…………………………………….60 5.5沙子口滑坡稳定性分析…………………………………..62 5.6本章小结……………………………………………..64

第六章沙子口滑坡治理研究…….….………….……..65
6.1滑坡治理方案………………………………………….65 6.1.1滑坡治理设计程序…………………………………65 6.1.2治理方案的比选和优化……………………………..65 6.1.3抗滑桩布设方案…………………………………..68 6.1.4排水系统建设…………………………………….68 6.1.5滑坡治理工程监测系统建设………………………….70 6.2滑坡环境影响评价与防治效益评估………………………….72 6.2.1环境影响评价…………………………………….72 6.2.2防治效益评估…………………………………….72 6.3本章小结……………………………………………..74

第七章结论与展望…....……....…...........….….75
7.1结论…………………………………………………75 7.2展望…………………………………………………75


谢.…...………….……….....….......….77

参考文献…………….....….…….…....…..…..78


录….…………….……………….………82

在学期间发表的论著及取得的科研成果……….………….85

第一章绪论

帚一早三百化 第一章绪论
1.1顺层岩质边坡稳定性研究的目的和意义
随着我国经济的发展,交通运输,水利水电建设和国防工程等基础设施建设 的步伐也不断加快,其中所遇到的顺层岩质边坡稳定性问题也相应地增多,由于 地质环境的复杂,新的大型高切岩质边坡也屡见不鲜,但岩质边坡与土质边坡的 很大不同点在于滑坡时破坏性更大、突发前变形小不易察觉,这使边坡岩体稳定 性问题更为突出。由于工程的需要,往往会在一定程度上破坏或扰动原来内部较 为稳定的岩体而形成新的人工边坡,因而普遍存在的边坡工程问题急需得到解决。 显然,从安全角度出发,边坡坡角越小越安全,但从经济等各方面来看,却要求 边坡具有较大的坡角。因此,研究在新的条件下边坡稳定性评价方法,使工程建 设符合安全、经济合理的原则,是十分重要的。 边坡失稳破坏产生的滑坡、滑动、沉陷、泥石流、岩崩,这些现象在表面上 看是斜坡岩土体运动的不同表现形式,但随时都有可能造成严重的破坏,甚至是 灾难。如美国布法罗的煤矿废物泥浆挡坝的倒塌造成155人的死亡;1963年北意 大利的Vainot水库左岸滑坡,使得25570万立方米的滑体以30m/s的速度下滑到 水库,形成265多米高的涌浪,造成下游3000多人丧生;1980年我国湖北运安盐 池河磷矿发生山崩,110万立方米的岩体崩落,摧毁了矿务局和坑道的全部建筑物, 造成295人死亡;1989年7月10日,华莹市溪口镇因崩塌形成的滑坡、泥石流造 成232人死亡;1994年宜宾市兴文县久庆镇,因建设过程中切坡脚,诱发滑坡, 导致楼房倒塌,途经此地至金华的大客车被埋,车内45人全部身亡,车辆报废; 1998年美姑县乐约乡特大滑坡,导致180余人失踪;1999年,古蔺县滑坡、泥石 流灾害造成60人伤亡;2001年5月1日重庆市武隆县县城江北西段发生山体滑坡, 造成一栋9层居民楼房跨塌造成89人死亡,阻断了319国道新干道,几辆停靠和 正在通过的汽车也被掩埋在滑体中。世界上每年由人工边坡或自然边坡失稳造成 的经济损失数以亿计,如1978年Schuster收集的资料显示,在美国仅加州由于边 坡失稳造成的经济损失每年可达43亿美元,除此之外,在美国平均每年至少有34 人死于这种灾害;1984年英国Carsington大坝的滑动使耗资近1500万英镑的主堤 几乎完全破坏。在我国,据不完全统计,1998年以来福建省先后发生崩塌、滑坡、 泥石流、地面塌陷等22500多起,涉及40多全县(市、区),造成450余人死亡, 伤520余人,毁房750余间,经济损失高达11多亿元:四川省10年来,每年地质 灾害造成的损失达数亿元,死亡人数在350人左右;三峡库区的最新统计表明,1982 年以来库区两岸发生滑坡、崩塌、泥石流70多处,规模较大的有40多处,死亡 420人,直接经济损失达数千万;云南省的公路边坡灾害调查数据显示,1990~1999



第一章绪论

年,云南公路边坡发生大、中型崩塌、滑坡、泥石流130--一142次,造成1000余 座桥梁被毁,经济损失达160亿余元,并对全省2120km公路的运营构成严重威胁。 又如在煤炭开采行业,随着社会生产发展的要求和科学技术的进步,工程建 设的步伐也在加快,但矿山开采中露天开采仍然是采矿工业的首选方案之一,所 占的比重在迅速地增加,开采深度也越来越深。例如我国某大型露天矿山,设计 开采深度达600多米;因而出现了相应深度的高边坡,这种高边坡的角度在设计中 即使比合理的边坡角度缓1度,也会造成时间和经济上的巨大浪费。又如,我国 某大型露天矿,根据试验研究成果,调整有关采场设计后,不但安全上比以前更 加可靠,而且还能在减少废石剥离的情况下达到多采矿石的经济效果,为国家节 省大量投资。相反,有些矿山或其它地质工程,由于设计不合理而造成边坡岩体 移动和破坏,造成了干扰矿山正常生产和工程建设的顺利进行,给人民的生命财 产安全带来巨大的损失,这种事例,在国内外都普遍存在。过去,我国有些露天 矿山由于不重视科学研究,盲目采用不合理的设计规范而造成巨大浪费的现象是 惊人的。例如某露天煤矿,于1936年曾发生边坡滑动事故,而当时露天采场深度 仅80米左右;1945年南帮又发生了滑坡,并切断了东西提升机问的运输线路,损 失很大。后来在1952年至1964年间不仅在南帮地区先后发生规模大小不等的几 次滑坡,而且西帮、西北帮和东南帮也都发生过滑坡事故。水利水电工程、公路、 铁路的修建在施工和运营其间都有过不少滑坡事故发生。自然边坡的破坏有时也 造成重大损失,例如我国某地发生的一次大滑坡,规模相当巨大,其滑落高度约 1000米,水平长度约6---7公里,宽约2公里,滑落面积约12平方公里,滑坡堆 积物约180×106立方米。 同时边坡的治理费用在工程建设中也是极其昂贵的,根据1986年 E.N.Bromhead的统计,用于边坡治理的费用约占地质和自然灾害治理的20%~ 45%,如在英国的北Kent海岸滑坡治理中,平均每公里混凝土挡墙耗资高达1500 万英镑;在伦敦南部的一个仅2500m2的小型滑坡处理中,勘察滑动面耗资2万英镑, 建造上用于边坡抗滑桩、挡土墙及排水系统的建设约花去15万英镑,如果再加上 下边坡的建设,费用将翻倍。在我国,随着大型工程建设的增多,用于边坡治理 的费用在不断增大,如三峡库区仅用于一期的边坡治理国家投资高达40亿元人民 币:特别是在我国西部高速公路建设中,用于边坡治理的费用占总费用30%"-50%, 因此通过对边坡进行合理设计和有效治理,将减少国家对基础建设的投资同时确 保安全运营。 上述种种事例,不难看出由于边坡的设计和治理不合理,严重造成时间上和 经济上不应有的损失,特别是边坡的破坏造成交通中断、生产停顿、江河堵塞、 建筑物被毁坏,使人民的生命财产遭受极其严重的损失。

第一章绪论

为了减少各种滑坡事故的发生,必须加强科学研究工作,尤其是对边坡稳定 性及滑坡原因分析、治理的研究。对于具体的工程设计,要求在保证安全可靠的 前提下求得经济和适用,同时,施工上必须尽可能采用较为先进的施工技术,以 确保和提高施工质量。

1.2岩质边坡稳定性研究概述
岩质边坡稳定性问题一直以来都是岩土工程领域的主要课题之一。作为岩体 力学的一个重要组成部分,其产生和发展与人类工程活动的迫切需要和有关学科 的迅速发展紧密联系。 岩体力学发展初始阶段,在研究岩体力学问题时,一般都是通过采用材料力 学和简单的均质弹性理论为基础的土力学的原理和方法。在随后阶段土质边坡稳 定性的计算分析方法在岩质边坡稳定性问题的研究中得到应用。在这个阶段,边 坡稳定性的计算分析方法,其中半经验半理论性质及假定滑动面具有某一固定位 置和形状是其主要特点。例如,1773年的库仑(Coulomb)理论,1820年法兰西斯 (Fransais)和1866年库尔曼(Culman)的平面滑动面的分析方法,1916年彼得森 (Petterson)的只考虑摩擦力不考虑粘聚力的圆柱滑动面的分析方法,1922年瑞典国 家委员会发表的并在以后为费勒纽斯(Fellenius)和太沙基(Teizaghi)等人发展了近似 圆弧滑动面的分析方法,1926年费勒纽斯的以同时考虑摩擦力和粘聚力及边坡土 体条分为基本内容的著名的瑞典圆弧稳定分析法以及由费勒纽斯和泰勒(Taylor)等 人的摩擦圆法为代表的图表解析法等等,均被当时世界各国所普遍采用。 由于第二次世界大战后世界各国交通、水利和建筑等基础设施的大量兴建, 同时伴随着五十年代采矿事业的迅速发展,因此提出了大量的岩石力学研究课题, 其中许多路基路堑边坡,矿山边坡,大坝坝肩和河谷岸坡等人工和自然的岩质边 坡稳定性问题也亟待解决,由于吸取了前阶段有关应用土力学原理和方法于岩质 边坡工程所产生的不良效果教训,同时在有关数学力学科学的一定发展的基础上, 人们普遍认识到系统的开展对岩石力学研究的重要性,使人们感到有必要,同时 也有可能引进一些较新的理论和方法,在这个阶段中,斯体尼(Stini)、米勒(Muleer), 罗卡(Rocha)、杰格尔(Jaeger)、塔洛布尔(Talober),萨乌斯多维奇(Salustowicz)等人 开展了许多岩石力学研究工作,为岩石力学的发展奠定了坚实的基础。 这个基础的主要特点有均质体弹塑性理论和极限平衡理论的普遍应用,均质 体光弹试验和模拟材料模型试验的开展和室内小块岩石的物理力学试验大量进 行。在这一阶段中,岩质边坡稳定性问题相对于其它岩石力学课题的研究显得不 太受到重视。 索柯洛夫斯基(CoKoJiOBCKHa)的松散介质极限平衡原理中的边坡稳定性数学计



第一章绪论

算方法,比以往的任何方法都向前迈进了一步,这引起了研究人员的重视,并且 在岩质边坡稳定性问题的研究中也较多的应用到此方法。也就是以严格的数学推 导为基础,解决极限状态时的边坡中坡面和滑动面的形状和位置的内容。由于其 计算工作的复杂性和繁重性,实际应用中就受到一定的限制,因此,为方便应用, 一些专家如木欣(My)【JIM)、斯拉戈维奇(Cpaaol,Hq)、戈鲁什克维奇(ro皿l【%lIii)和费 先科(OHceI{IKO)等在原有基础上进行了一定的简化,但是,由于这种方法的原理严 重地脱离了岩体的结构层面特性和力学状态,其计算结果与岩质边坡的实际滑动 面差别较大,这点显露出其严重缺陷与不足。 与此同时,费先科考虑了岩体中软弱结构面对滑动面的控制作用和根据松散 介质极限平衡原理提出了一套岩质边坡稳定性的计算分析方法,此方法在研究和 解决岩质边坡稳定性问题中起到一定的作用。但是,分析研究中由于采用了不够 合理的静力学条分法,使其计算分析结果也往往与岩质边坡的实际滑动面不相符 厶 口0 往往在岩质边坡稳定性的研究工作中,当其计算分析方法存在一定的困难和 问题的时候,人们就会把研究重心放在岩质边坡稳定性的光弹性试验和相似料模 拟试验。虽然研究分析中所依据的原理不完全符合岩质边坡中的岩体结构特点和 力学状态,但是,在一定程度上取得了直观和定性或半定量的效果。 六十年代以后,随着国民经济的发展,采矿、水利、交通和建筑等工程建设 蜂拥而至,所形成的矿山边坡,大坝坝肩和水库岸坡、铁路和公路的傍山岩土斜 坡等其规模之大,数量之多,条件之复杂均是空前的。法国塔罗布尔于1957年、 1958年先后编著的《岩石力学》和《岩石力学在土木工程中的应用》两书正式出 版,书中系统地阐述了岩石力学研究的背景、理论、方法和重要意义,简述这些 因岩体失去平衡而造成的严重事故以及工程建设中出现的重大的岩质边坡稳定性 问题给施工建设带来的严重不便及因此带来的损失,为实现和谐发展的需要世界 各国应该认识到岩体力学以及岩质边坡稳定性问题研究的重要性。 因此,为适应实际工程建设的需要及相关学科的发展,全面地、深入地开展了将 岩体视为粘弹性、弹塑性或具有裂缝的脆性介质等方面的研究,包括岩体的非连 续介质力学的研究,岩体的非均匀性、各向异性和非连续性的研究,岩体的应力 应变关系和破坏机制的研究,岩体的流变特性及其它时间效应的研究,利用大面 积高加荷能力设备开展了现场岩体力学试验研究,利用物探、红外线、电磁波等 方法开展原地深部岩体和工程扰动区岩体的变形特性和应力状态的测试研究,利 用遥测技术进行现场岩体的变形、位移特征的测试研究以及引进了以快速电子计 算机技术为基础的有限单元法进行岩体力学的计算分析方法等等,这一切都标志 着岩体力学进入了全面、深入的崭新的发展阶段,这为解决工程建设中出现的岩

第一章绪论



石力学问题做出了巨大的贡献,岩体力学问题的研究和测试技术的应用,增加了 岩质边坡稳定性且促使其它岩体力学问题得到更有效的解决。 国际性的和世界各国的有关岩体力学组织及岩体力学学术活动对岩质边坡稳 定性问题的研究均给予了一定的重视。由葡萄牙罗卡发起的世界规模最大的岩石 力学组织,曾于1966年、1970年、1974年分别在里斯本、贝尔格莱德和美国的 丹佛召开了三次国际性岩石力学大会,分别以“天然边坡和开挖边坡",“斜坡稳 定’’及“地表工程"等专题对岩质边坡稳定性有关问题进行了学术交流和讨论。“国 际岩石力学学会”1962年于奥地利萨尔斯堡成立,在其成立前后召开过多次国际 岩石力学讨论会,宣读过许多有关岩质边坡稳定性问题方面的论文,例如:1961 年10月属于这个学会的比较重视地质因素学者奥地利学派的米勒在萨尔斯堡召开 的“岩石力学第十二次讨论会’’上宣读的《关于平行表面的裂隙的形成》论文, 就对河谷岸坡岩体应力和平行于岸边的裂隙的形成进行了较为详细地讨论。世界 大坝会议以及各种国际性的工程或学科的有关专门会议,也发表过不少有关岩质 边坡稳定性问题的论文及研究资料。另外,在奥地利、葡萄牙、法国、南斯拉夫、 美国、苏联、日本、加拿大以及世界其他各国的有关岩石力学研究机构和大专院 校,针对本国特点开展了有关岩质边坡稳定性问题的研究和教学,并取得了一定 的成绩。 从以上有关会议发表的论文和世界各国相关机构的研究内容可以看出,六十 年代以后,有关岩质边坡稳定性问题的研究基础理论和方法途径等都有较大发展, 至于岩质边坡稳定性的计算分析方面,大致是沿着两条途径行进的,一条是以极 限平衡理论为基础并考虑岩体中断裂结构面控制因素,采用数学计算分析法或图 解法,求得“安全系数"或者类似于“安全系数"的概念来对岩质边坡进行稳定 性的定量评价,例如:1962年太沙基的《陡坡的稳定》论文中提出的“临界边坡 理论",1970年约翰(C K.W.John)的《节理岩石边坡的三维稳定性分析》论文中 提出的“以刚体极限平衡理论为基础的半球体图解计算分析法"。另一条途径是采 用有限单元法对边坡岩体的变形特征和应力状态进行近似地分析计算,这是一种 目前较为先进的计算分析方法,当前有关人士还在进一步探讨一条不同于“安全 系数’’的定量评价准则,以岩体作为弹塑性介质、流变介质和具有更复杂的多裂 隙复合介质等的计算模型和模拟方法的研究,以使其更加趋于完善。除此之外, 还采用物探原理探测潜在滑动面,应用应力解除法测试坡体应力状态并进行了锚 固、灌浆及其它物理化学和工程力学等防治措施的研究等。以上研究现状显示了 这一时期岩质边坡稳定性问题研究的新发展,但由于边坡岩体的基本力学特征、 坡体的力学状态和应力特征等方面研究不充分,计算分析技术仍存在较大困难, 因而目前通过各种计算分析方法所得到的结果与实际情况均有一定的差异,还要

。。



第一章绪论

大力研究。 我国的岩体力学研究工作,解放后才有了较大的起步。尤其在采矿、水利、 交通、建筑和国防等社会主义基础工程设施的建设上日新月异,提出了大量关于 研究岩质边坡稳定性等岩体力学的课题。数学、力学、地质学、数值计算及计算 机等技术的发展,大大推动了我国岩体力学工作不断进步。 在近代,顺层岩质边坡分析在理论研究和工程实际应用中均取得了较大的发 展。尤其在以下三方面:以偏重施工防治处理措施研究的岩体力学、以偏重地质 力学为方向的岩体力学和以偏重数学力学测试计算的岩体力学取得了较大成绩。 静力学和动力学,线形和非线性大变形理论,工程岩体稳定性和区域岩体稳定性 等课题的同时开展,宏观和微观,物理力学和物理化学,测试和分析计算,实体 模拟和现在勘查取样等的相互结合,表征了我国岩体力学进入了一个全面、深入 地发展阶段,这些均为我国顺层岩质边坡稳定性研究奠定了坚实的理论基础和研 究手段。 岩层边坡中的地应力,正在引起世界各国的重视,其存在对顺层岩质边坡稳 定性的直接影响和具体作用。在这方面的研究我国已经取得的巨大的突破,在某 些大中型有关岩质边坡工程建设中明显地存在地应力的作用问题,采用了地质力 学和数值模拟分析计算方法以及有关地应力测试技术等进行的综合研究取得了良 好的效果。 在进行岩质边坡稳定性问题研究中【l】【2】,我国普遍开展了有关的现场和室内的 力学试验,现场物探和爆震试验,地应力测量和实验模拟,利用钻孔测定岩体的 变形参数,光弹和相似材料的模拟试验,以及边坡岩体的长期强度和流变特性的 试验研究,取得了大量的原始数据和试验资料,在对具有软弱夹层或多组裂隙时 岩体的应力状态和破坏规律运用一定的计算模型研究上也均取得了较大成绩。对 于顺层岩质边坡稳定性的防治处理措施以及有关防治加固材料的试验研究也取得 了较大的进展。 岩体工程地质力学,是以工程地质学和地质力学相结合为其理论基础,以研 究和解决与工程建设有关的岩体边坡稳定性问题的学科,按岩体工程地质力学的 观点进行岩质边坡稳定性问题的研究时,主要是抓住岩体的结构面和结构体,采 用我国杰出的地质研究科学家李四光所开创的先进的地质力学原理和改进了赤平 投影方法等进行岩质边坡稳定性的定性定量分析。目前,这方面的某些有关单位 和相关科研人员在已有基础上,正在更深入地开展有关分析计算方法和定量评价 准则等方面的研究,提出了更为先进的理论成果、研究手段和技术方法,这是一 种有别于世界各国常用方法和有发展前途的新方法。 由于现阶段我国正处于经济的大发展时期,露天矿山较多,采深较大,因而

第一章绪论



在与露天矿岩质边坡的滑坡、崩塌等斗争的实践中,积累了一套实用岩质边坡稳 定性的分析评价方法和整治的措施手段,其主要内容包括以下几点:确定可能的滑 动面,主要利用地质力学方法确定控制性结构面和力学观点分析结构面产状与边 坡面产状之间的关系进行来确定可能存在的滑动面;求得具有最小稳定系数的滑 动面,采用平面课题的极限平衡理论以图解或数学分析对有可能的滑动面进行试 算,找出最小稳定性系数的滑面,从而进行岩质边坡稳定性的评价。在我国几个 大中型露天矿运用,效果良好,目前在其他工程中也经常采用此方法对边坡进行 稳定性分析。 大量的工程实践表明,岩质边坡稳定性问题多是属于三维课题。多种形状的 滑动楔体往往是沿着两个或两个以上不同产状的结构面滑动,并分别具有线性滑 动,非线性滑动,旋转滑动或倾覆等复杂的运动状态,因此如何准确模拟三维边 坡的运动状态,对于边坡的稳定性分析具有重要意义。尔-J-'(Paulding)、杰格尔和 霍克(Hoek)等人提出了以极限平衡理论为基础,主要是针对四面楔形体的线性滑动 的分析方法和解析方法。 我国在研究露天矿岩质边坡稳定性问题中,针对实际情况提出了非线性滑动 的五面体极限平衡分析法。其内容包括:对于可能的滑裂面确定主要是利用地质 力学方法确定可能滑动的结构面组合类型,也即确定可能滑动的楔体的形状和尺 寸;而对于稳定性系数的计算式通过分析计算确定具有最小抗滑稳定安全系数的 楔体的尺寸大小,通过以上的分析和计算从而确定了对顺层岩质边坡稳定性的评 价。在针对其它几何条件相类似的滑面体进行分析时,可参照这种方法提供的基 本原理和分析计算程序的原则,根据实际情况作出具体分析。 在大量工程实践基础上并根据实践经验,有关专家和学者提出了计算稳定安 全度指标的两种基本方法,对于岩质边坡稳定性的数值解析使其结果具有较符合 客观实际的效果。 在现代的岩质边坡稳定性研究中,以电子计算机快速计算为基础的有限单元 法的引进了,标志着岩体力学计算分析技术已经走向的更新的一个阶段。该方法 在依据理论研究和实践经验,对岩体稳定性有关问题编制了有限单元的划分并对 岩质边坡稳定性问题进行了分析计算,对问题的解决得到较好的效果,并提出一 些新的内容。近些年来,在边坡稳定性分析方面,采用平面二维有限元法或空间 三维有限元法成功的进行了某些顺层岩石上的大、中型混凝土重力坝和矿山、库 区复杂岩体边坡变形和稳定性分析【孓5】【w】。 自从1 970年Cundal首次提出离散单元法DEM[9l(Distinet
Element






Method)的边

坡稳定性分析模型,这一方法的一个突出的功能是它在反映岩块之间接触面的滑 移、分离与倾翻大位移的同时,又能计算岩块内部的变形与应力分布。因此,它



第一章绪论

在分析边坡大位移方面较有限元更有优势,并且任何~种岩体材料的本构模式都 可以纳到模型中,在岩土工程数值计算与工程应用方面取得了长足的进展。
DDA(Discontinuous Deformation Analysis)t10】法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,可模拟出岩石块体的位移、转动、张开、闭合 等全部过程。DDA法以自然存在的节理面(或断层等)切割岩体形成不同的块体单 元,单元的形状可以是常见的规则形状,也可以是较为复杂的多面体,并以各个 块体的位移为未知量,通过块体间的接触和几何约束形成一个整体块体系统。据 此,可预见判定岩体的破坏程度、破坏范围,从而对岩体的整体和局部稳定性作 出正确的评价。 80年代以来,根据边坡的复杂和不确定性,神经网络理论和应用研究【ll】【12】在 岩土工程领域孕育而生,针对边坡的复杂特性,利用人工神经网络分析方法和理 论,可以尽可能的将各种影响边坡稳定和变形因素分别作为输入变量,建立这些 定性定量影响因素同边坡工程的安全系数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判边坡的安全性,即给出其稳定和变形状态。这种对 于边坡的不确定性分析符合边坡的特性,神经网络理论也在得到了发展并不断完 善。 近年来,对于滑坡的研究不断拓展、深入,己由过去的单个滑波现象的描述, 分类治理,发展到现在以定性描述为基础的简单定量计算的预测预报研究。计算 中选用的各种参数被认为是确定的或线性变化的,对复杂现象的简单处理方法, 都有助于在具体的工程实例中进行量化的处理。然而,暴露出来的缺点也勿庸置 疑。实际上,不仅边坡中的各种计算参数是不确定的,而且边坡系统本身就是一 个不平衡、不稳定、充满复杂性的复杂系统,其与外界环境有着不断的物质、能 量、信息的交换,具有不可长期确定性预报性和短期统计失效的复杂特点。因此, 简单的将边坡的边界条件和计算系数进行量化分析,不能满足人们对于复杂边坡 的认识,由此产生了对边坡稳定分析评判的新思路、新理论,包括混沌理论、分 形理论、灰色系统、数学模糊理论、突变理论等。 在对岩质边坡稳定性分析研究的不断深入及工程实践经验的不断积累的基础 上,人们己逐渐认识到边坡系统是一个极其复杂的动态的开放的庞大系统,其其 稳定性影响的因素之多,因素之间的关系之复杂,且往往是非线性的,很难或不 可能用明确的数学或力学方法进行准确的描述、分析和求解。因此,传统的方法 在建立稳定性评价模型时,往往人为地作了很大的简化,仅仅选择了可测的起控 制作用的主要因素,建立简单可求解的数学函数关系,通过求解包括若干起控制 因素的状态方程,并用得到的数值解来作为评价边坡稳定状态的指标,而这些得 到的评价结果大多是不完全可靠的,这些精确的分析计算方法在很多工程边坡的

第一章绪论



稳定性分析中是不适宜的,因为大多数的工程只需对边坡进行广义的危险性识别, 对边坡作出快速准确的稳定性评价。正如英国伦敦皇家矿业学院E.Hoek教授在一 篇总评岩质边坡和基础设计方法的文章中得出结论说“设计工程师的职责不是去 进行精确计算,而是进行正确的判断"。 在实际边坡工程的稳定性分析工作中,有许多不确定性因素,不仅具有随机 性,而且具有模糊性,很多问题都是“亦此亦彼’’。因而,如何全面考虑边坡的内 在特性和影响因素,寻找能充分发挥岩土工程专家经验的方法来解决复杂边坡工 程的稳定性分析评价问题,对边坡的稳定性分析及治理研究具有重大的意义。

1.3本文的研究内容、技术路线 1.3.1研究内容
1)本文根据渝东南地区特殊的地质构造和地质岩性,结合重庆市彭水县沙子 口滑坡这一典型实例,运用传统刚体极限平衡法和有限元强度折减法分别来研究 顺层岩质边坡的稳定性,考虑边坡稳定性分析是不确定性问题,不仅具有随机性,叠 同时具有很强的模糊性,通过运用模糊数学中提出的“隶属度’’的概念,用从O—l 来描述由“肯定"到“否定"的过渡,运用模糊近似推论的原理和最大隶属度原 则对沙子口顺层岩质滑坡工程进行分析,其分析结果与边坡实际稳定状态相吻合,- 表明各作用因素的权重分配合理,其隶属函数和权重分配可应用于渝东南地区工 程地质概况类似岩质边坡稳定性分析。 2)研究目前岩质边坡稳定性分析中较为普遍采用的刚体极限平衡法、岩质边: 坡Sarma法、模糊数学分析法、离散单元法(DEM)、DDA法、人工神经网络法, 分析指出各计算方法的适应范围及不足之处。 3)通过对岩质边坡主滑控制界面(带)、主滑带的饱和抗滑阻力余度、边坡失 稳的主诱发因素、岩体结构及地质作用等因素的定量或定性的描述,研究岩质边 坡的稳定性评定标准。 4)研究分析岩体结构、地应力、水、边坡高度及坡角等其他因素对岩质边坡 稳定性的影响,并概括总结出影响岩质边坡稳定性的基本因素。 5)根据沙子口滑坡南侧残余山体稳定性分析计算结果,经安全可靠,技术可 行,经济合理的综合比较分析,采用两排锚索抗滑桩对未滑区域进行加固治理, 建立滑坡体排水系统,并建立滑坡体监测系统对施工期及运行期进行监测。

1.3.2技术路线
本文结合对目前顺层岩质边坡稳定性分析方法的研究,通过对重庆市彭水县 沙子口北岸滑坡体工程地质条件、性状等的研究,根据收集的资料和现场原位试

lO

第一章绪论

验结果,合理选取本构参数值,运用极限平衡法和基于Ansys强度折减法分别对 可能产生滑坡的南侧边坡进行稳定性分析计算,并在此基础上提出滑坡治理方案, 由此可以为渝东南地区这种特殊的含有软弱夹层的顺层岩质边坡的稳定性分析提 供比较有价值的参考资料。 考虑边坡分析是不确定性问题,具有随机性和很强的模糊性,运用模糊近似 推论和最大隶属度原则对岩质边坡稳定性进行分析评价,运用模糊数学中“隶属 度"的概念,用从0-1来描述由“肯定"到“否定"的过渡,选取十四个影响边 坡稳定性的作用因素对岩质边坡稳定性进行模糊分析研究,定量作用因素采用岭 形隶属函数,定性作用因素采用梯形分布构造隶属函数,并运用专家评分法和黄 崇福公式法相结合确定各作用因素的权重,采用二级综合评定方法分析岩质边坡 的稳定性。

1.4本章小结
1)概述了岩质边坡稳定性研究的目的和意义以及国内外岩质边坡稳定性研究 发展历程与方法。 2)分别对目前主要的几种岩质边坡稳定性分析方法进行介绍,并提出了他们 的适用条件以及存在的缺陷。 3)本文的主要研究内容、研究方法和技术路线。

第二章岩质边坡稳定性分析方法

第二章岩质边坡稳定性分析方法
目前边坡稳定性分析方法很多,不同边坡可采用不同的力学模型与分析方法, 不同的分析目的与精度要求也有不同的方法与之适应。当分析精度要求不高时, 可采用刚性块体稳定性分析法或Sanna法;分析精度要求高时,可采用有限元法 或离散单元法,对滑动边坡可采用条分法,对于地震、爆破等荷载作用下边坡稳 定分析应采用有限元大位移模型分析。本节主要介绍岩质边坡稳定性分析中采用 的较为普遍的几种方法。

2.1刚体极限平衡法
刚体极限平衡法的基本思路:假设岩土体破坏是由于滑体内部滑动面上发生 滑动而造成的,滑动面上土体满足破坏条件;并假设滑动面已知,其形状为平面、 圆弧面、对数螺旋面或其它不规则的曲面,通过考虑由滑动面形成的隔离体的静 力平衡,确定沿这~滑面发生滑动时的破坏荷载。有的方法考虑隔离体整体平衡, 有的方法则是将隔离体分成若干竖向的土条,并对条间力迸行一些简化后再考虑 每一土条的静力平衡,进而系统地求出一系列滑面发生滑动时的破坏荷载。最小 破坏荷载就是所要求的极限荷载,与之对应的那个滑动面就是最危险滑动面。

2.1.1岩质边坡Sarma法
岩质边坡失稳大部分是沿各种软弱结构面而发生的。滑体在滑动过程中侧向 节理面也沉淀发生相对稳定,而且侧向(竖向)节理并不总是垂直的,正如传统条分 法那样,这时传统条分法已经不再适用了,Sarma博士针对节理岩体边坡失稳的这 一特点,提出并推导了Sarma法,此方法具有以下三个特征: 1)可据地质特性和结构面构造对相应滑体进行按节理构造的斜分条及不等距 分条,使各条块尽可能模拟实际的风化岩体。 2)可较为详细的模拟侧面节理及断层造成的滑体强度特点。 3)滑体滑动时,不仅滑动面上的各种力达到了极限平衡,侧面也达到了极限 平衡状态。Sanna法在传统的极限平衡法基础上有了较大的改进但其仍无法考虑岩 体的内应力一应变关系,所求的只不过是滑面上的平均安全系数而已,对于岩体 非均质性、非连续性及岩体中的初始应力等问题均未能恰当的解决。

2.2模糊数学分析法
自然界是一个决定性与随机性共存的复杂体。但传统经典科学往往只看重其 中一面,其基本属性之一便是严格决定论,即:假定小的扰动可以忽略不计。现 代复杂性理论以及“新三论"(耗散结构理论、协同论、突变论)的出现解放了人们 的思维。

12

第二章岩质边坡稳定性分析方法

近些年来,滑坡研究特点已经由过去的单个滑坡现象的描述,分类治理,发 展到现在以定性描述为基础的定量预测预报研究。在早期的边坡稳定性分析、评 价、预测中,尽管方法多种多样,但其总体理论指导是刚体极限平衡理论或改进 的极限平衡理论,而且对滑坡的边界条件进行了很大程度的简化,计算中选用的 种种参数被认为是确定的或线性变化的。对复杂现象的简单处理方法,在具体工 程实例中虽然起到一定的作用,然而缺点也显露无疑。实际上,不仅滑坡体的种 种计算参数是不确定和随机的,而且斜坡系统本身就是一个不平衡、不稳定、充 满复杂性的复杂系统,其与外界环境有着不断的物质、能量、信息的交换,具有 不可长期确定性和短期统计失效的复杂特点。 边坡工程中的很多问题都是“亦此亦彼"的,例如:认为边坡属“基本"稳 定,滑体结构面“比较"发育,滑床“一般”顺层,C值“基本"为零等等含糊不 清的术语,用经典的数学手段是难以描述的,更谈不上据此作复杂运算。在模糊 数学中提出了“隶属度"的概念,用从0—1来描述由“肯定"到“否定"的过渡, 这样,任何一个不是完全“肯定”但也不是完全“否定"的量都可以用隶属度来 度量,使这些模糊的尺度可用定量的数学方法来描述。

2.3离散单元法(DNE法)
自从1 970年Cundall/13】提出离散单元DEM(Distinct
Element

Method)模型以

来,这一方法已在数值模拟理论与工程应用方面取得了长足的发展。二维与三维 中变形离散单元法【14】【15】亦已问世,并在岩石工程与岩石力学中得到广泛的应用。 离散单元法的一个突出的功能就是它既反映岩块之间接触面的滑移、分离与 倾翻等大位移,又能计算岩块内部的变形与应力分布。所以,任何一种岩体材料 的本构模式都可引入到模型中,例如弹性、粘弹性、弹塑性或断裂等均可考虑。 该方法的另一个功能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, 这一方法用于解非线性大位移与动力稳定问题具有较大的优势,其中线弹性问题 与静力稳定问题的求解仅为两个简单的特例而己。 在我国,离散元方法的研究及应用始于上世纪80年代中期,王泳嘉[16]071首次 将这一方法应用到节理岩体的数据分析中,研究了放矿的数值模拟与自然崩落机 制。魏群研究了椭圆颗粒的离散单元法,并进行了相关的模拟试验验证。随后, 阵昌伟【l羽、张楚汉提出利用离散元分析岩质边坡的失稳判别标准与定义安全系数。 王先伦、彭岗用刚块试验验证了刚体离散元的滑移机理。鲁军、张楚汉【1911201完成 了三维离散元的自动剖分系统并初步应用于拱坝坝肩稳定分析。张楚汉、Pekau、 金峰等还将二维可变形离散元应用于三峡船闸边坡的地震稳定性分析中。 离散单元法(DEM法)既能计算分析岩体内部的应力与应变,又能反映岩块之

第二章岩质边坡稳定性分析方法

间接触面的滑移、分离与倾翻等大位移,对于求解岩体稳定问题也有较强的功能, 但其对于岩体的非连续性问题目前暂时缺乏妥善地解决方法。
2.4

DDA法
块体系统不连续变形分析(Discontinuous
Deformation

Analysis简称DDA)就是

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。【21112211231 DDA理论的基本思想是:以自然存在的节理面(或断层等)切割岩体形成不同 的块体单元,单元的形状可以是常见的规则形状,也可以是较为复杂的多面体, 甚至可以是内部有空洞的多连通多面体,以各个块体的位移为未知量,通过块体 间的接触和几何的约束形成一个块体系统;单元体受不连续面的控制,在单元块 体运动的过程中单元之间可以接触,也可以分离,单元体之间的力通过块体接触 作用而相互传递,其大小可以根据力一位移关系求解;在块体运动过车工内中, 严格满足块体间不侵入和无拉伸条件,将边界条件和接触条件等一同施加到总体 平衡方程;总体平衡方程是由系统的最小势能原理求得;求解方程组中块体当前时 步的位移场、应当场及块替间的作用力。反复形成和求解总体平衡方程式,即可 得到多个时步后块体的位移应力及变形情况。通过这些计算,也可求得块体系统 最终达到平衡时的应力场及位移场等情况以及运动过程中各块体的相对位置及接 触关系。因此,DDA法可模拟出岩石块体的位移、转动、张开、闭合等全部过程。 据此,可以判定岩体的破坏程度、破坏范围,从而对岩体的整体和局部的稳定性 作出正确的评价。 块体系统运动原理:块体系统中各块体间接触形式是多样的,其接触情况与 块体本身的形状密切相关,形状越复杂,接触关系越复杂。初始时,块体系统各 块体按照节理相互咬合排列,按一定的形式与其它块体接触。每个块体在空间上 都有其固定的位置,块体间相互作用,相互约束,整个系统处于平衡状态。当作 用在系统上的作用力或条件发生改变时,打破了块体的原有平衡状态。一些块体 在自重和外力作用下将产生加速度以及位移增量。这些块体单元的位置和形状改 变将影响其它块体的受力状态,导致其它块体的变形和运动。随着块体单元的平 移、转动和变形,允许调整各块体间的接触关系,接触关系的不同,其受力状态 亦不同。直到作用在块体上的力与力矩都达到平衡时,块体停止运动或作匀速运 动。 认为岩体是非连续的介质体,其解决问题的方法与求解连续介质的方法不同, 连续介质解题时,除满足边界条件时,还要求有三组方程必须得到满足,即:平 衡微分方程、变形协调方程、物理方程.变形协调方程保证变形后的物体不会发生 某些部分相脱离或侵入情况.本构关系即物体应力与应变之间的物理关系。在DDA

14

第二章岩质边坡稳定性分析方法

方法中不满足变形协调方程,本构关系与连续介质情况下的本构方程不同。在单 个块体内部满足连续介质的变形协调方程和本构关系。但块体间不满足变形协调 方程,块体间的本构关系是通过假定刚度来实现,块体所受的合外力与块体位移 之间的关系即DDA法中的本构关系。 DDA法不仅与离散元法(DEA)有许多相似之处,而且与有限元法(FEM)也有不 少相似特点。其一个时步内的求解过程更像有限元法,而在块体运动学求解方面 更类似于离散元法。因此,DDA法是兼有限元法与离散元法二者的部分优点的一 种数值计算方法,其单个时步内求解流程见图2-l。

%,K,%,
判定接触,形成
【K】【D】-【F】 求解方程 12个变形参数
£x,
e,, £z,

一计然篇及

由Y,B,求合
————●

外力及力距

Qo,130,yo

一计算Y。,Y,,Oz'e,

yxy,Yyz,Yzx

Fig 2-1

Solution procedure of DDA method within a single time step

1)DDA法块体位移及变形求解

一、块体的位移及变形块体中任一点(x舭)的位移(“,1,,w)都可以用下述
12个变形变量来表达: [D1]=[uo,vo,wo,Qo,130,Yo,£x,£,,£z,Yxy,Y∥Yzx]T 式中:uo,vo,wo,一块体内特定点(xo,Yo,xo)的刚体平行移动位移;

Qo,‰,Yo一块体分别绕xo,Yo,xo轴作刚体转动的转动角;
ex,£,,£z,Yxy,Yyz,Yzx一块体的三个正应变和三个剪应变分量。 一个块体的位移一般由下列4个部分组成:块体作刚体平动位移和转动位移, 块体处于正应力和剪应力状态下产生的体内变形位移。 块体上任意一点的位移: r越]『1 l 1,l_1 0


0 1 0





七一%)o一‰)0




(y—yo)/2 O—Xo)/2



o—Zo)。1
l【Dfl o—Xo)/2J


0-(z-Zo)(x-Xo)0 l(y-yo)0

O-yo)0

0一Zo)/2 o—yo)/2

Lo

0(Z--Zo)0

二、求解方程

第二章岩质边坡稳定性分析方法

l、形成总体平衡方程 通过各块之间的接触和作用在各块体上的物理几何约束,把若干个单独的块 体联系起来并构成一个块体系统。假定块体系统内共有11个块体,则总体平衡方 程具有如下形式:



墨。

日 砬


E E


…岛。

(2-2)
● ●





…k

Dn



由于每一个三维块体有12个未知量,因此,每个块体由12个自由度描述。 在式(2—2)矩阵[K]中,每个元素[k;,]都是一个12 X 12阶的子矩阵;[皿]与噱]是
12X

1阶的子矩阵。[Di]代表块体之的变形量:dli,屯,...《,,[互]则是作用于块体
[k;,]完全取决于块体本身的材料特性和空间几何形状。 [k,,3=Ek撑]则由块体i和块体j的接触特性决定的,若两个块体不产生接触,

上的转换外力矩阵。

[k。]=O。平衡方程是系统总势能n为最小而导出的。

毛:善}, 毛2币i’ 毛:善导, 毛2瓦瓦’

r,s--l,2.....12

(2-3) ‘2?3’

删,2,...’12 B8。惦..’12

(2-4) ‘24’

弘等I旷。

像5)

心,K,,只形成总体平衡方程,由12个线性方程组成。在方程组式(2-2)中,
各个子矩阵是由多个不同条件下形成的子矩阵组合而成的。它们包括了由弹性应 力产生的一个弹性子矩阵[毛】,由初始应力,集中荷载,线、面、体荷载产生的子

矩阵[曩],由锚固时产生的4个子矩阵[毛】,[七口】,【毛】,【七Ⅳ】,由惯性力产生的 子矩阵[k】,陋]等。
凡是改变块体系统势能的荷载及边界条件等,均需求得其子矩阵,最后形成 块体系统的总体平衡方程。

16

第二章岩质边坡稳定性分析方法

2、方程的求解 根据方程组式(2—2)的特点,利用一个索引矩阵记忆对称称系数矩阵[K]的非 零元素,用直接分解法(LDL’法)求解方程组。整个求解过程具有高度直观性,存储 量小、高效性等特点。 在求得方程式(2-2)的[D]后,根据各个块体上的【口】,由式(2—1)计算出变形 后的块体位移及其边界位置。根据侵入及无拉伸判别准则判定是否存在侵入或拉 伸情况,然后修正总体至衡方程再求解,直到各块体边界上均满足不侵入、无拉 伸条件,该时步迭代完成。DDA正分析计算流程见图2—2。

第二章岩质边坡稳定性分析方法

17

lI

STAR

II





置时步NTS=O,输入了弹簧刚度,输入计算时步NTS
◆ ’

累计时步NTS=NTS+I

1L
判定NTs>NTS




l是l


-l

END

上 I调入块体系统的几何参数文件,速度、加速度、应力、应变累计文件 土
块体的优化编号

1L
计算块体上的各种积分,计算单位位移的投影




计算各类子矩阵,生成总刚【K】及转换力矩阵【F】


计算块体间接触情况,形成参考面(线)信息

土 叫
求解方程【K】[D】_【F】


计算何处有无侵入?

…一………一



l ◆

I—I

I否I

修正总体平衡方程

计算块体各角点的坐标, 累计位移应力、速度、加 速度等

图2-2
Fig 2-2

DDA法分析计算流程框图

Solution procedure of DDA method within a single time step

DDA法既具有有限元理论基础的严密性,又具有离散元法可计算块体位移的

18

第二章岩质边坡稳定性分析方法

特点,是一种很有发展前途的数值计算方法。但其分析计算一般假定岩体是弹性 体,对塑性、粘性体目前尚不适用,它比较适合于岩块体自身小变形的情况。

2.5人工神经网络分析法
神经网络又称并行分布式处理(Parallel
Distributed

Processing),它是一种模范

动物神经网络行为特征,进行分布式并行信息处理的算法数学模型。这种网络依 靠系统的复杂程度,通过调整内部大量节点之间相互连接的关系,从而达到处理 信息的目的。人工神经网络具有自学习和自适应的能力,可以通过预先提供的一 批相互对应的输入一输出数据,分析掌握两者之间潜在的规律,最终根据这些规 律,用新的输入数据来推算输出结果,这种学习分析的过程被称为“训练”。 HeehtoNielsen定义人工神经网络如下【24J:人工神经网络是由人工建立的以有 向图为拓扑结构的动态系统,它通过对连续或断续的输入作状态响应而进行信息
处理。

神经网络理论和应用研究的迅速发展和神经网络所特有的信息处理机理,给 我们在解决诸多应用领域的问题方面展示了诱人的前景。可以认为,在岩体边坡 工程系统分析领域内采用神经网络技术具有独特的优势【25】【261。 对边坡工程的研究,传统的方法往往是在地质勘测的基础上,通过科学仪器 进行大量的试验及测试工作,逐渐量化和确定岩体的各种物理力学性态参数,确 定工程荷载,依据岩体的本构模型及各种力学规律,通过解析和各种数值的分析 方法,来确定材料或结构的响应,其中对岩体的各种力学规律的掌握以及对各种 力学状态的描述具有严格的要求。其实质是根据试验确定参数,处理本构关系, 在特定条件下求解,通常的研究集中在岩体的本构(关系)及力学性质上,而这种性 质往往又是模糊的、灰色的、不完全的,这是由边坡工程岩体是一个客观复杂系 统所决定的,其已成为实际岩体工程边坡勘测施工工程分析中的瓶颈问题。 80年代以来提出的以位移反分析为代表的岩体反分析法,通过岩土体开挖施 工而表现出来的若干性态,确定的本构关系等力学规律而反演工程岩土体的若干 力学形态指标。 90年代以来以潘家铮院士为代表的学者,提出岩石工程反馈设计的问题,也 有的称这为信息法施工方法。其基于施工期逐渐明朗的地质条件及检测结果,对 岩体工程进行动态设计,达到优化设计的效果。反馈设计是弥补精确的分析与“粗 糙"的模型假定和近似的输入信息间差距的重要途径。其中前提是对原设计的正 确分析,并在反分析的基础上进行反馈设计,逐步调整以符合客观实际,从而是 使工程达到安全、经济、优质、高速的良好效益。 高陡岩体边坡工程反馈设计研究中最重要的工作是对边坡工程施-I-(或运行阶

第二章岩质边坡稳定性分析方法

19

段)所获得的全方位经验知识的学习、判断、后续施工阶段(运行阶段)岩体边坡工 程的工作状态特别是安全进行预测,以调整优化原设计,序贯地动态反复进行反 馈设计。[27]128】“学习"“预测’’工作是高陡岩体边坡工程反馈设计方法体系中十分 重要的一个方面,也构成了方法体系中的“瓶颈"。人工神经网络理论由于具有强 大的规模自适应、自学习、自组织并行处理能力,具有解决这一关键技术问题的 能力。 边坡稳定及变形与分析历来是边坡工程设计及施工中十分重要的两大问题。 在边坡工程中,由于岩体自然特性的复杂性和其力学上的不完善性以及工程上的 特殊性,沿用传统的方法进行岩土边坡工程稳定和变形分析,遇到很大困难,往 往出现理论不尽(难以)符合实际的局面。而利用人工神经网络分析方法和理论,则 可以尽可能地将各种影响边坡稳定和变形的各种因素分别作为输入变量。可以建 立这些定性定量影响因素同边坡工程的安全系数和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判边坡的安全性,即给出其稳定和变形状 态,在此基础上给出边坡工程反馈设计优化成果。 人工神经网络分析法关键是样本的真实可靠性,它要求体检测或体识别的对 象要尽可能地与学习样本相似,尽管神经网络具有联想的特征,但对陌生的样本 识别的会出现错误。

2.5强度折减法
1975年Zienkiewicz等在土工弹塑性有限元数值分析中提出了抗剪强度折减系 数概念,抗剪强度折减系数定义为:在外荷载保持不变的情况下,边坡内土体所 发挥的最大抗剪强度与外荷载在边坡内所产生的实际剪应力之比。外荷载所产生 的实际剪应力应与土中实际发挥的抗剪强度相等,此时的抗剪强度就是经过折减 后确定的。并假定边坡内所有土体的抗剪强度发挥程度相同时的抗剪强度折减系 数就是边坡的整体稳定安全系数,由此所确定的强度储备安全系数概念与Bishop 在极限平衡法中所给出的稳定安全系数在概念上是一致的。 因此,土坡的安全系数定义为把强度指标减小到边坡临界破坏时的强度指标 折减的系数,强度指标如式(2.6)进行折减【29】:



f勺=c/F
p 2撒锄【彳)
.,tan缈、

(2-6)

通过不断的调整土体的强度指标c、9,然后对土坡进行有限元分析,直至其 达到临界破坏,此时得到的折减系数即为安全系数。通过有限元分析和后处理可

第二章岩质边坡稳定性分析方法

很快找到滑裂面,此法的优点是安全系数直接求出,不需要事先假设滑裂面的形 式和位置,另外可以考虑土坡渐进破坏过程和变形对稳定的影响。 基于ansys强度折减法的三维有限元分析是考虑了边坡岩体的非均质和不连 续性,可以给出岩土体的应力、应变大小和分布,避免了极限平衡法中将滑体视 为刚体而过于简化的缺点。能近似地从岩土体的本构关系去分析边坡的变形破坏 机制,分析最先和最容易发生屈服破坏的部位和需要首先进行加固的部位等。 通过资料收集和现场勘查,合理的选取土质参数,准确的建出该边坡的三维 力学模型,结合实际进行加载,考虑静力、动力、蠕变、渗流、温度五种计算模 式,通过各种模式之间的相互耦合,可以模拟该边坡现状和采用抗滑桩加固后的 力学模型,对其前后两阶段进行稳定性分析评价。

2.6本章小结
本章论述了目前岩质边坡稳定分析方法中较为普遍采用的刚体极限平衡法、 模糊分析法、离散元法(DEM),DDA法、人工神经网络法和强度折减法,概括了 各方法的基本原理,并分析指出了各计算分析方法的适应范围及其不足之处。

第三章渝东南地区顺层岩质边坡失稳机理研究

2l

第三章渝东南地区顺层岩质边坡失稳机理研究
3.1滑坡的定义与基本概念
我们讨论边坡的稳态含有两层意思:一是某处边坡当它的地质结构,应力场和 渗流场提示处于非稳态时,我们的研究主题是该边坡的主要变形、失稳形式、规 模及导致整体性失稳的主诱发因素及其闽值;二是一处边坡失稳之后即堆积于坡 下缓平部位,该堆积体是初始边坡失稳的结果,是过去曾经发生过的事件,处于 不同于初始边坡的地质结构,应力场与渗流场环境中,它的变形、失稳原因与失 稳诱发因素及其闽值也是该地质体所固有的。 “滑坡"一词使用很广泛,通常,我们把正在变形中的岸坡、崩、滑堆积体 和处于稳态的崩、滑堆积体也都称之为“滑坡"。边坡的变形、失稳,基本上受控 于诸如层面,软弱夹层等大体上统一且规则的地质界面并以滑移(动)为主要形式的 运动称为滑坡。 滑坡与滑坡堆积主要有单斜型、陡缓转换型、顺层、切层混合型、追踪反倾 向裂隙组等类型,如图3.1.1所示。

单斜型(生基塘型)

陡坡转换型(故陵型) 图3.1-1边坡的变形、失稳类型

Fig 3.1-1

Slope deformation,instability type

地处渝东南地区的沙子口滑坡滑体和滑床主要是灰岩成分,根据现场地质勘 查,岩体的发育和节理属于典型的单斜型滑坡,以滑区域基本是沿层间2-3cm软 弱夹层面滑动。

3.2岩质边坡稳定性分类
边坡稳定性的分类,国内外学者皆有不同的标准。考虑到本论文分析方法的 需要,本文将边坡稳定性分为五个等级,即稳定、基本稳定、潜在不稳定、不稳 定和极不稳定,分别用符号表示为I、II、Ⅲ、Ⅳ和V。

第三章渝东南地区顺层岩质边坡失稳机理研究

(1)稳定(I级)指下列情形边坡:不具备统一的、规则的主滑控制界面(带); 主滑带不规则难以构成整体性失稳的控制界面(带);主滑带产状水平甚至前缘一 带内倾、主滑带的饱和抗滑阻力足以抗衡后部岩体的推力;经分析和实地调查找 不出可导致整体性失稳的主诱发因素或主诱发因素不明显;崩滑体周边没有新的 堆积物来源,崩滑体内部地表排水沟已经形成且布局合理,前缘一带已经形成河 流侵蚀稳定坡形,不存在向崩滑体内部的溯源侵蚀过程(条件)。 (2)基本稳定(II级)同I级的主要区别在于:具有大体统一的、规则的主 滑带且主滑带的总体倾斜度不小或接近崩滑体地表稳态坡度,沿主滑带的饱和抗 滑阻力有一定的余度,故只要前缘不临空不会出现整体失稳发生;经分析和实地 调查显示存在导致整体性失稳的主诱发因素,比如当发生某一级地震时主滑带饱 和抗滑阻力明显减小而使崩滑体处于临界稳态,若同时出现持续性高强度降雨则 失稳再所难免;崩滑体内部冲沟两侧时有局部性崩滑发生,前缘尚未形成河流侵 蚀稳态坡形。 (3)潜在不稳定(Ⅲ级)同II级的主要区别是:具备主滑带且主滑倾斜度大 于崩滑体地表稳态坡度;沿主滑带的饱和抗滑阻力余度不大或接近临界稳态;经 分析和实地调查显示存在导致整体性失稳的主诱发因素且诱发因素的临界值(阙 值)不大;崩滑体表层改造明显,局部性浅层、冲沟两侧多处变形失稳,前缘一 带河流侵蚀后伴随局部性崩滑。 (4)不稳定(N级):崩滑体形成后曾经出现过几次新的变形或解体性失稳 而且表面改造明显、失稳边界展布;崩滑体形成时间晚而且尚处于形变场与渗流 场调整过程中;崩滑体表层改造过程仍在进行,前缘一带溯源侵蚀加剧;降雨量 与地震等可导致崩滑体整体性失稳的诱发临界值很小(低);崩滑体内部已经出现 变形域而且变形域有逐年扩大之势。 (5)极不稳定(V级):沿着崩滑体的后缘出现新的变形裂缝或塌陷:崩滑 体内变形裂缝广布,伴随鼓胀、塌陷;崩滑体基本上解体且各解体单元变形加剧 甚至有的单元已经失稳;一场暴雨之后出现的裂缝可能是浅层变形迹象也可能是 深层变形迹象,而变形体(域)指的是深层变形地质体。

3.3岩质边坡失稳的动力源
边坡因江河的侵蚀下切及公路、铁路切坡脚,原地质构造应力场将出现新的 调整,调整的第一个结果使边坡岩体一定范围内的卸荷松弛,而边坡的变形即在 松弛内发生。 但边坡具备变形、失稳条件时,变形进一步加剧,岩体在自重应力调整过程 中也会失稳,以求得该部位边坡新的平衡、稳定状态。

——]
第三章渝东南地区顺层岩质边坡失稳机理研究

从历史考察中我们发现,导致边坡大面积、大体积失稳的主要动力源是古地 震和古洪水、河流的改道以及伴随其而发生的侧向侵蚀及公路、铁路切坡脚。 因此边坡失稳的动力源除了自身重力场的调整作用外还必须考虑到诸于地震 等地壳的变形的力学。

3.4沙子口滑坡概况
重庆市彭水县城区沙子口地段,2007年5月23日突降特大暴雨,持续至第二 日上午10时许,该地段发生了山体顺层滑坡,上汉关公路东侧斜坡山体瞬间倾泻 而下,冲毁了斜坡前缘两栋7层楼房,1栋8层楼房局部遭到破坏,造成汉关公路 交通瘫痪,居民7人在此灾害中丧生,主城地下供水管道破裂,输电线路冲断, 直接经济损失500万元。 滑坡位于沙子口东侧山坡,总体平面形态呈“葫芦”型,后缘高程约485m, 前缘至汉关公路,剪出口高程约309m(见照片3.4—1),相对高差176m。纵长约 314m,横宽约251m,滑体平均厚度4.93m,体积约38.86×104m3,主滑方向299。。

照片3.4—1
Photo 3.4一l

沙子口滑坡全貌

Panorama of ShaZiKOil landslide

该次滑坡为局部小型浅层松脱式顺层岩质滑坡。该次滑动边界清晰,北侧滑 动痕迹清楚可见,南侧形成的滑坡侧壁高4,-一8m,后缘滑坡壁高3,-一4m;前缘见鼓 丘地貌特征(现已清除)。 沙子口滑坡属岩质滑坡,滑坡的形成有突发性,除北侧局部强烈变形产生滑 动现象外,其余地段未发现变形迹象,因此滑坡的边界主要由勘查结果结合现场 调查测绘综合确定;滑坡北侧为陡崖(照片3.4-2),局部滑动已将滑面揭露,将 陡崖上滑面出露的部位划定为北侧边界,南侧存在纵向展布的溶沟、溶槽,并有 一条流水冲沟,地形较低,溶蚀沟槽及冲沟将滑体从纵向上切割,形成南侧滑坡

24

第三章渝东南地区顺层岩质边坡失稳机理研究

边界(照片3.4—3~3.4-4);滑坡后缘由于地表水的溶蚀作用,已将滑面揭露于地 表(照片3.4-5),并且在滑面揭露的附近地段,地形较缓,呈沟状,有利于地表 水直接向滑带渗流;滑坡前缘由于历史原因存在边坡,边坡高度8~12m,滑面在 边坡处临空出露,将边坡坡脚定为前缘边界(见照片3.4-6)。

照片3.4-2滑坡北侧陡崖
Photo 3.4-2

照片.3.4-3滑坡南侧纵向溶沟
Photo 3.4-3

The north Steep cliff of landslide

The south side of the longitudinal groove slide melting

照片3.4-4滑坡南侧冲沟
Photo 3.4-4 The south gully of Landslide

照片3.4-5滑坡后缘滑面露出地表
Photo 3.4—5
After the landslide slip surface
011

visible

the surface edge

照片3.4-6滑坡前缘临空(侧面)
Photo 3.4-6

Landslide front overhead(side)

第三章渝东南地区顺层岩质边坡失稳机理研究

沙子口滑坡于2007年7月25日一场暴雨后,再次出现了滑动现象,并牵动 了南侧滑坡壁的局部滑动,有向南侧相似地段扩展的趋势。

3.4.1滑坡体工程地质条件
①地层岩性 滑坡区属构造溶蚀河谷地貌,地处郁江北岸,属单面山,总体地势南东高, 北西低。勘查区后缘高程505.9m,前缘高程约290.82m,总体相对高差约215.08m。 总体地形较陡,呈直线形,地形坡角27---32。,前缘80"--85。。 据地面调查测绘、钻探、探井揭露,滑坡区地层主要为第四系土层及奥陶系 下统红花组地层,现分述如下: 按成因类型可分为第四系人工堆积层(Q。町)、残坡积层(Q。“枷)和滑坡堆积层
(Qdel)。

1)人工堆积层(Q。耵) 素填土:褐灰色,黑灰色,稍湿,松散’稍密,主要由可塑状粘土及灰岩块碎 石构成,碎石粒径为20—250mm,呈棱角状’次棱角状,土石比6:4,为工程建设 时堆填而成,堆填5"---10年。分布于民房住宅区及公路附近,据钻探揭露,该层 厚度0.80'--'6.60m。 2)残坡积层(Q4“Ⅷ) 次生红粘土:褐红色,可塑’硬塑状,粘性较好,手捻具滑感,切面较光泽, 含约10"-'20%的灰岩碎石,粒径20'---280rion,碎石呈棱角状,次棱角状。零星分布 于滑坡区地表及溶蚀沟槽、充填于构造、层间溶蚀裂隙中,据勘查揭露,该层厚 度0.50"--'4.50m。 3)滑坡堆积层(Q捌) 碎裂岩体:主要由灰岩碎块石夹少量次生红粘土组成,褐灰色,厚3.50"-- 8.60m,粘土呈可塑~软塑状,粘性较好,手捻具滑感,切面较光泽:灰岩碎块石 块径大,一般为1--一2m,最大12m,灰、深灰色。其中滑坡已滑动区中前部,已基 本清除完毕。 4)奥陶系下统红花组(O。。) 灰岩:灰色、深灰色,隐晶质结构,中厚层状构造,主要成分为方解石,岩 质较硬,岩体较完整,岩芯呈柱状,节长lO~50cm,层间溶蚀裂隙发育,裂隙面 平直,张开2"--'3cm,多见褐红色次生粘土充填。

第三章渝东南地区顺层岩质边坡失稳机理研究





团正断层
E雪逆断层

囫断层编号
匡刁背斜轴

团向斜轴

主要断层编号及名称

①龙潭坝断层 ②肖箕滩(黔江)断层 ③诸佛江断层 ④郁山断层 ⑤大沙溪断层 ⑥龙咀河断层 ⑦马武逆断层 @马喇湖断层

图2.2.卜1

滑坡区构造纲要图

图3.4-1构造纲要图
Fig 3.4—1
The map ofConstruction program

②地质构造及地震 滑坡区位于郁山背斜北西翼(见构造纲要图3.4一1)。岩层产状298。Z28"- 30。,据地面调查测绘,区内主要发育有3组裂隙:①层间裂隙:产状297"" 298228---30。,裂面平直,多呈张开状态,张开宽度一般2~5cm,褐红色次生红 粘土充填,延伸大于20m,间距0.5---1.5m,有溶蚀孔隙;(参33-'--'36。Z70,---75。, 裂面平直,张开宽度一般2,-一3cm,褐红色次生红粘土充填或半充填,延伸长度3~ 5m,间距1.2~1.8m,③产状300一-303。/55"--60。,张开一般2~3cm,褐红色 次生红粘土充填或半充填,延伸长度3~5m,间距1.5~2.5m。 根据《中国地震动参数区划图》GBl8306—2001和《建筑抗震设计规范》 GB5001卜2001可知:滑坡区抗震设防烈度小于6度,地震加速度小于0.059。 ③岩溶发育特征 根据现场实地调查及勘查结果,滑坡区地层为奥陶系下统红花园组灰岩,处 于岩溶地区。滑坡区岩溶形态特征从其存在的空间上可以分为垂直形态,近水平 形态两种,未发现有地下溶洞、地下暗河等岩溶形态。 ④水文地质条件 根据出露的地层岩性及地下水在含水介质中的赋存特征,滑坡区地下水类型 为松散岩类孔隙水、基岩溶蚀裂隙水二类。 1)松散岩类孔隙水

第三章渝东南地区顺层岩质边坡失稳机理研究

松散岩类孔隙水主要分布在坡麓松散堆积层中,接受大气降水补给,向河谷 及深部基岩排泄。由于这些松散堆积层空间分布范围有限,厚度小,排泄条件良 好,因此水量一般不大。 2)基岩溶蚀裂隙水和岩溶水 基岩溶蚀裂隙水赋存在基岩的溶蚀裂隙中,地表溶蚀裂隙发育,其间为粘土 充填,雨季储水量相对丰富,主要接受大气降水补给,向斜坡前缘排泄,由于斜 坡地形坡度较陡,该类型地下水具有易于疏干,地下水停留时间短的特点。 经勘探钻孔终孔后提干循环水进行水位观测,大部分钻孔水量甚微,近似为 干孔。在溶沟的土层中进行了两组试坑渗水试验,试验结果为土层渗透系数为 0.02--一0.03m/d。据探井揭露,在层间裂隙地段,降雨后,有地下水呈散状渗出, 渗出水量的大小与降雨强度息息相关,但雨停后,水很快疏干,由散流状变成滴 状,说明溶蚀裂隙水接受大气降雨补给,沿层间裂隙向地形较低的地段排泄,具 有易于疏干,停留时间短的特点。

3.4.2滑坡体形状及规模
滑坡位于沙子口东侧山坡,总体平面形态呈“葫芦"型,后缘高程约485m, 前缘至汉关公路,剪出口高程约309m,相对高差176m。纵长约314m,横宽约251m, 滑体平均厚度4.93m,体积约38.86×104m3,主滑方向299。。 滑体为一顺向斜坡体,地形坡角27"-32。,其物质成分以灰岩主,地表溶沟 溶槽中充填有次生红粘土,还有已滑动区的碎裂岩体,目前碎裂岩体已基本清除 完毕。局部滑动后现状一角见照片3.4.2-1。

照片3.4—7局部滑动后现状一角
Photo 3.4—7

Comer ofthe local situation after the sliding

28

第三章渝东南地区顺层岩质边坡失稳机理研究

3.5滑坡体结构特性与成因分析
滑坡北侧已滑动区目前滑面清晰可见,为单一滑面,滑面平直、光滑,局部 略有起伏,倾向297"-'298。,其倾角28"--30。。滑面上多处可见滑动擦痕,并存 在滑带经搓动后形成的镜面(见照片3.5-1),在滑面凹凸起伏较大的部位镜面体 厚度大(2-'--4cm),在平直的部位其厚度小(O.5"--1.Ocm)(见照片3.5-2)。滑面 局部有少量溶蚀裂隙,深度较浅,一般3~5cm,有粘土充填。 滑体为一顺向斜坡体,地形坡角27,--,32。,其物质成分以灰岩主,地表溶沟 溶槽中充填有次生红粘土,还有已滑动区的碎裂岩体,目前碎裂岩体己基本清除 完毕。

照片3.5-I滑面擦痕
Photo 3.5-1 Sliding surface scratches

照片3.5-2滑面凹凸特征
Photo 3.5-2

Sliding surface
convex

concave

and

characteristies

3.5.1物质结构特性
1)灰岩 灰色、深灰色,隐晶质结构,中厚层状构造,主要成分为方解石,岩质较硬, 岩体较完整,岩芯呈柱状,节长lO~50cm,层间较发育,面平直,张开2"---3cm, 多见褐红色次生粘土充填。灰岩物理力学特性详见表3.5-1。
表3.5-1滑体(灰岩)物理力学性质统计表
Table 3.5-l The and mechanical properties of statistics

sliding(1imestone)physical

野外编 号

天然 含水 率

颗粒 密度

块体密度 天然

g/cm3

孔隙比 孔隙率

吸水 率

饱和吸 水率

抗压强度
天然 饱和
M口a 32.6 35 37.5 41.9

饱和 (%)
2.74 2.73 2.71 2.71 0.023 0.026 0.026 0.023 2.22 2.53

(%)
ZKl-l 0.6l 0.7l 0.79 ZK5.1 0.76 2.78 2.77 2.76 2.75 2.73 2.72 2.7l 2.7

(%)
0.72 0.86 O.91 O.83

(%)
0.82 0.94

MPa 46.1 49.5 47 52.1

2.72 2.7 2.69 2.68

2.57
2.26

0.95
0.84

第三章渝东南地区顺层岩质边坡失稳机理研究

0.54 0.77 ZK7.1 O.05 0.07 0.04 ZK9.1 O.1 0.06 O.07

2.76 2.76 2.78 2.78 2.78 2.77 2.77 2.79 12 2.77

2.7 2.7 2.76 2.75 2.76 2.73 2.74 2.76 12 2.73

2.69 2.68 2.76 2.75 2.76 2.73 2.74 2.76 12 2.72

2.71 2.7l 2.77 2.76 2.77 2.74 2.75 2.77 12 2.74

0.028 O.03 0.006 O.0l 0.007 O.015 O.01 O.01 12 0.018 0.374

2.76 2.95 0.64 O.98 0.74 1.52 1.03 0.98 12 1.77

0.79 1 0.12 0.25 O.18 O.3l 0.22 0.25 12 0.54 0.531

1.02 1.1 0.23 0.36 O.27 0.55 0.37 O.35 12 0.65 0.380

55.9 57.5 72.2 78.4 81.1 84.8 71.2 71.1 12 63.9 0.278 56.5

39.1 40.6

68.5
70.9 65.6

59.9
56.6 63.2 12 51.O 0.334 43.4

样本数 平均值 变异系 数 标准值

12 O.38

0.805

0.005

0.007

O.010

0.008

0.369

2)次生红粘土 次生红粘土:褐红灰色,呈可塑、软塑状,粘性较好,手捻具滑感,切面较 光泽,其间含约15%的碎石颗粒。主要为岩体上部溶沟溶槽中的充填物和软弱夹层7二 构成物。物理力学特性详见表3.5-2。
表3.5-2原位大剪试验成果统计表
Table 3.5.2 In situ shear test results tables

抗剪强度 试验部位

探井编


试验深度
(m)

天然 C(KPa)
6.4 7.8

饱和 ①(o)
34.2 31.1 32.1 3 32.5

C00'a)
5.4 5.8

①(o)
27.9 28.9 26.7 3 27.8

岩、土界面 (滑体岩块与滑 带软弱夹层接触 面剪切)

TJl TJ3 TJ5

9.2
7.3 4.3

9.9
3 8.O

6.9
3 6.0

样本数 平均值

3.5.2滑坡成因分析
滑坡为顺向斜坡体,岩层倾角28--V30。,受溶蚀作用,坡体上溶沟、溶槽极 为发育,岩体中层间溶蚀裂隙发育,局部形成软弱夹层。地表溶沟、溶槽已将坡 体切割成多个独立块体,坡体完整性遭到破坏,层间软弱夹层降低滑体抗剪强度。 2007年5月下旬,彭水县连续降高强度暴雨,并遭遇了百年一遇的特大暴雨,滑 坡后缘大量地表水通过滑坡排泄,地表水一部分沿坡体表面向坡脚排泄,一部份 沿地表的溶沟溶槽向斜坡内部下渗,地表水的下渗,使坡体的重量不断增大,在 过到充分饱和过程中,横向的溶蚀沟槽中产生静水压力也不断增大,溶蚀层间裂

30

第三章渝东南地区顺层岩质边坡失稳机理研究

隙由于长期的溶蚀作用己相互贯通,地下水在软弱夹层间形成地下水流面,同时 也产生一定的水压力,受水的作用软弱夹层强度也不断降低。坡体中的抗滑力主 要来源是软弱夹层的粘聚力,坡体重量在滑面上的垂直分力与滑面形成的摩擦阻 力,另外,坡体中无软弱结构面地段的锁固力,当降雨使坡体的下滑力增大到大 于抗滑力的总和时,即滑动能量蓄积到一定程度时,坡体就沿前缘临空面产生了 突然下滑形成滑坡。此类型滑坡破坏模式为松脱式突发脆性破坏,由于滑体为刚 度较大的岩层,所以在地表未发现明显变形迹象的情况下即发生了滑动破坏。由 于滑动前无地表明显变形迹象作为滑动前的预测征兆,滑动来得突然,因此比土 质滑坡更具有破坏性。这种突发脆性破坏的前例就是1998年汛期在重庆中心城主

城区一巴南区麻柳镇长江边岸发生的体积4300m3特大岩质老滑坡。
沙子口滑坡的形成大致经过了三个阶段:一是滑坡首先接受降雨及后缘汇集 的地表水的不断补给,坡体中岩体裂隙、溶隙受持续暴雨补给形成地下水,这阶 段称之为“下滑能力蓄积"过程,这个过程所用时间的长短跟降雨有着直接关系, 降雨强度大,其所用的时间则短,反之则长;二是持续的降雨产生了地下水作用 效应,表现为下滑力不断增大,当坡体充分饱水时,在滑面也形成了地下水渗流 面,滑面强度急剧下降,抗滑力也随之下降;三是当抗滑力小于下滑力瞬间即发

生了整体下滑,形成了第三阶段一滑动阶段,第三阶段所用的时间非常短,在地
表未有任何变形迹象的情况下突然发生整体滑动破坏,事先人们难以觉察到,说 明了此类岩质滑动具有“突发性"、“瞬间性"。沙子口滑坡演化形成过程见(图 3.5-1~图3.5-3)所示: 第一阶段:滑动能量蓄积阶段,表现为坡体接受大气降雨补给,降雨及形成 的地表水沿溶沟、溶槽下渗。 第二阶段:持续降雨形成地下水作用效应,表现为在接受降雨过程中,裂隙 充水高度增加,下滑力不断增大,当坡体充分饱水时,在滑面也形成了地下水渗 流面,滑面强度急剧下降,抗滑力也随之急剧下降。 第三阶段:滑动阶段,表现为当抗滑力小于下滑力瞬间即发生了整体下滑, 滑面完全贯通,滑坡在瞬间形成,充分表现出了其突发性和瞬间性。

第三章渝东南地区顺层岩质边坡失稳机理研究

3l

图3.5-1第一阶段
Fig 3.5-1

The first stage

图3.5-2第二阶段
Fig 3.5-2 The se贮onci stage

32

第三章渝东南地区顺层岩质边坡失稳机理研究



图3.5—3第三阶段
Fig 3.5-3 The third stage

3.6岩质边坡失稳的破坏因素
顺层岩质滑坡的形成有其内在因素和外在因素,主要包括坡体的物质组成、 坡体结构特征、暴雨和人类工程活动等。坡体物质组成及结构特征、边坡是滑坡 形成的内因,而降雨是滑坡形成的直接外因。

3.6.1自然因素
1)坡体物质组成及结构特征 滑坡坡体是由中厚层状灰岩及溶沟溶槽中的次生红粘土组成,岩体中溶蚀层 间裂隙极其发育,长期的溶蚀作用已将软弱层间裂隙发育成层间软弱夹层,并使 其相互贯通,斜坡属单面顺向坡,层面倾角28"-'30。,坡体上溶蚀沟槽破坏了坡 体的完整性,将坡体切割成多个独立块体,为坡体的变形奠定了物质基础。
2)暴雨

彭水县地区集中在5"-'9月降雨,其间多高强度的暴雨。滑坡区后缘为单面斜 坡体,汇水面积达1159289.39m2(见图3.6-1),按滑坡当时降雨量212.7mm计算, 将有24.66×104m3的水量通过滑坡体,水量极大。暴雨入渗使滑体充分饱和,重度 增加,地表水在横向上溶蚀沟槽中产生一定的静水压力,纵向上在滑面处形成地 下水渗流面,产生瞬间的动水压力,暴雨入渗降低了滑面土体的力学性质,因此, 暴雨的作用增大了下滑力,同时降低了坡体的抗滑能力,使坡体稳定性变差。

第三章渝东南地区顺层岩质边坡失稳机理研究

33

图3.6—1
Fig 3.6-1

重庆市彭水县沙子口滑坡汇水面积图(1:10000)
area

Pengshui County Shazikou landslide catchment

map(1:10000)

3.6.2人为因素
由于历史原因,上汉关公路右侧存在边坡,边坡长度约200m,其高度一般8~ 12.96m,坡角78"--85。,长期以来未进行任何支挡,局部地段仅有浆砌石挡墙支 挡。边坡形成时在坡脚形成应力集中,同时,由于边坡存在时间长久,坡体岩体 强度随时间而衰减。边坡为滑坡的形成提供了良好的临空条件和破坏条件。

3.7本章小结
1)给出滑坡的定义,研究岩质边坡的稳定性评定标准并将其分为五个等级。 2)分析顺层岩质边坡失稳的动力源,得出滑坡失稳破坏的主要影响因素:自 然因素和人为因素。 3)对沙子口滑坡形状、规模等进行概述,并根据现场勘测和钻孔资料对滑坡 的岩层结构特性进行分析,得出坡体物质组成及结构特征、边坡是滑坡形成的内 因,而降雨是该滑坡形成的直接外因。由于汇水面积大,溶槽发育以及软弱夹层 的存在导致降雨对滑坡稳定性影响很大。

第四章渝东南地区顺层岩质边坡稳定性分析

第四章渝东南地区顺层岩质边坡稳定性分析
本文主要以重庆市彭水县沙子口滑坡为例,通过定性与定量分析相结合,来 研究这一地区顺层岩质边坡含软弱夹层的稳定性问题。

4.1稳定性宏观分析
重庆市彭水县主城区鱼塘社区地段,2007年5月23日突降特大暴雨,持继至 第二日上午10时许,该地段发生了山体顺层滑坡,上汉关公路东侧斜坡山体瞬间 倾泻而下,冲毁了斜坡前缘两栋7层楼房,1栋8层楼房局部遭到破坏,造成汉关 公路交通瘫痪,主城地下供水管道破裂,输电线路冲断,直接经济损失500万元, 该地质灾害定名为重庆市彭水县沙子口滑坡,为已强烈变形的滑动区,紧靠滑动 区北侧。彭水县沙子口自2007年5月23日发生以来,于2007年7月25日一场 暴雨后,已滑动区后缘再次出现了局部滑动现象,并有向南侧相似地段扩展的趋 势。上述两次滑动现象均表现出了其破坏模式为松脱式突发脆性破坏。在地表未 发现明显变形迹象的情况下即发生了滑动破坏。 沙子口滑坡主要特征为:滑体为顺向坡前缘临空、纵横方向地表溶沟、溶槽 发育、滑面(带)存在不连续软弱夹层。 滑体前缘临空及纵向溶蚀沟槽为滑坡提供了良好的边界条件,纵、横方向发 育的溶沟、溶槽将岩体分割成块体,破坏了岩体的完整性及整体的抗剪强度,为 滑动提供了物质基础,同时为地表水下渗坡体、在层间裂隙形成软弱夹层提供通 道。在持续高强度降雨时,横向溶沟、溶槽产生静水压力,极不利滑体的稳定。 滑坡地处岩溶区,岩体层间溶蚀程度、起伏度、粗糙度,充填物分布的连续性、 厚度大小及其性质都影响滑体的稳定。另外,滑动面因溶蚀强烈程度的差异而不 能全部贯通,未贯通地段形成锁固力,有利于滑坡稳定,当有利于滑体稳定的因 素被地下水溶蚀贯通软化,抗剪强度降低,失去平衡后,滑体就会突然滑动破坏。 该滑坡未滑动区和局部滑动区属同一地质单元,地质环境条件一致;同为单 面顺向坡,前缘临空,地形坡角、岩层倾角相同,岩溶发育形态相同,即地表存 在溶沟溶槽,层间溶蚀裂隙发育,并充填有软弱夹层,遭遇相同强度的暴雨作用, 根据工程类比法,未滑动区同样存在突发性脆性破坏,当能量蓄积到一定程度时 将发整体失稳。 综上所述,滑坡未滑动区目前未见任何变形迹象,整体处于稳定~基本稳定状 态,由于该类型岩质滑坡破坏模式为松脱式(与局部滑动区破坏模式一致),具有 突发脆性破坏,当遭遇持续高强度暴雨作用下,稳定性将急剧下降,可能将发生 整体或局部失稳,处于欠稳定状态,能量蓄积到一定程度时,将会发生整体失稳, 其发展趋势为不稳定。

第四章渝东南地区顺层岩质边坡稳定性分析

35

4.2稳定性计算及剩余下滑力
本论文采用工程上常用的刚体极限平衡法和基于ansys有限元强度折减法分 别计算南侧未滑动区边坡的稳定性,比较分析结果并根据计算提出合理防治措施。

4.2.1极限平衡法
1、稳定系数计算公式


式中:

一(Wxcosa-Vxsin a)xtg≯+CxL

两一稳定系数;
彤一滑体重量(kN/m),W=YM;

卜瑚体岩体重度(kN/m3);
膨一滑体的面积(m2):
彳——滑面倾角(o);

卜滑面长度(m);

e—_旨面粘聚力(kPa);

痧一滑面内摩擦角

o):

p乙一一后缘裂隙水压力(kN/m),V=0.5 l伽,, K广一水的容重(kN/m3): Jll。,-一裂隙充水高度(m)。
2、剩余下滑力计算公式 计算公式:
P=Ks×T—R (4—2)

式中:

卜剩余下滑力(kN/m): 卜下滑力(kNlm);
爵-抗滑力(kN/m);

怂一设计安全系数,一级滑坡取1.25。
3、计算参数的选取 (1)滑体重度的确定 滑体以灰岩为主,局部存在少量次生红粘土,根据已滑动区滑体调查结果, 土体约占2/10的比重,因此,取次生红粘土重度的2/10加上滑体灰岩重度的8/10 综合确定,滑体天然重度取25.4KN/m3、饱和重度取25.5KN/m3。 (2)滑动面抗剪强度参数的选取 本次计算,采用室内试验值、野外大剪试验值、工程类比反演值三种方法综

第四章渝东南地区顺层岩质边坡稳定性分析

合确定滑面抗剪强度参数。 1)、室内试验值 根据滑坡勘查表明:层间的软弱夹层分布不连续、厚薄差异较大,受岩溶溶 蚀作用程度不同的影响,该软弱夹层厚度起伏较大,其成份为次生红粘土,呈可 塑~坚硬状。现场用环刀法采集该软弱夹层(次生红粘土)进行室内试验,室内试

验滑面抗剪强度:天然值C=29.5KPa,t筘-l 1.30:饱和值C=22.4KPa,ttl=8.00。
2)、野外大剪试验值 野外大剪试验主要在滑面处进行,试验条件为滑体岩块沿下部软弱夹层(厚 度2-3era)接触面剪切,与本滑坡滑动方式基本一致,野外大剪试验结果滑面抗

剪强度:天然值C=8.0KPa,t砖-32.50;饱和值C=6.0KPa,t/k--27.80。
3)、工程类比反演值 未滑动区目前未发生变形,无反算条件,滑坡局部滑动区与未滑动区处于相 同的地质环境条件,目前未滑动区滑带抗剪强度比局部滑动区抗剪强度要高,但 随时间的推移,滑带受暴雨等诱发因素影响下现滑带的抗剪强度有所降低,在滑 动前接近已局部滑动区的抗剪强度,故本次滑带抗剪强度综合取值采用反算抗剪 强度参数作为依据之一。 滑坡在暴雨后“突然"整体下滑,事先基本上无明显变形迹象,说明岩质滑 坡具有“突发、瞬间性"破坏,在没有地面变形迹象的情况下,产生剧滑破坏, 这类岩质滑坡人们往往难以事先觉察到,根据勘查结果表明:滑坡与已滑动区地 质环境条件相似,同样在不利工况下具有滑动的可能,已滑动的A.A,剖面在暴雨 状态下不稳定,稳定系数取0.995,选取A剖面进行反算,取试验综合确定C=12kPa, 反算得q'=250。详见图4.2.1。

图4.2-1滑坡反演示意图(A-A’)
Fig 4.2-1 Landslide inversion

diagram(A“)

第四章渝东南地区顺层岩质边坡稳定性分析

37

选取A.A'N面在暴雨状态下滑面抗剪强度变动(ab20 ̄300,C=10~20kPa)对 稳定系数影响分析(详见表4.2.1、图4.2-2、图4.2—3及图4.2_4)。
表4.2-1
Table 4.2-1

滑面抗剪强度C、①对稳定系数影响分析成果表

The analysis of sliding shear strength C.o impact Oil the stability factor

C(kPa)
Fs oo
20

lO

11

12

13

14

15

16

17

18

19

20

0.785 0.82l 0.857 0.894
0.931

0.798 0.833 0.870
0.907 0.944

0.810 0.846 0.883
0.920 0.957

0.823 0.859 0.896
0.932 0.970 1.008 1.047 1.086

0.836 0.872 0.908
0.945

0.849 0.885
0.921 0.958 0.995

0.862
0.898 0.934 0.971

0.875 0.910 0.947 0.984
1.021 1.059 1.098 1.137 1.177 1.218 1.259

0.887

0.900 0.936
0.972 1.009 1.047

0.913
0.949 0.985 1.022

21 22 23
24 25 26 27

0.923 0.960 0.996
1.034 1.072 1.111 1.150 1.190 1.231 1.272

0.983
1.021 1.059 1.099 1.139

1.008 1.046 1.085
1.124

1.060 1.098 1.136
1.176 1.216

0.969 1.008 1.047 1.087
1.128 1.170

0.982 1.021 1.060
1.100 1.141 1.183

0.995 1.034 1.073
1.113 1.154

1.033 1.072
1.111 1.151

1.085 1.123
1.163 1.203 1.244

28
29

1.126
1.167 1.208

1.164 1.205
1.247

1.179
1.221

1.192
1.234

1.256
1.298

30

1.195

1.285

图4.2-2滑坡A-A’剖面反演分析(Fs-由)关系曲线图
Fig 4.2-2 Analysis of landslide profile A-A’and(Fs一由)inverse relationship graph

38

第四章渝东南地区顺层岩质边坡稳定性分析

图4.2-3滑坡A-A’剖面反演分析(Fs-c)关系曲线图
Fig 4.2?3

Analysis of landslide profile A.A’and(Fs-c)inverse relationship graph




30。

擦29。

急)28。
27。 26。 25。 24。 23。 22。 2l。 20。 lO 1l 12 13 14 15 16 17 18 19 20

内聚力(c)

图4.2-4滑坡A-A’剖面反演分析(由-c)关系曲线图
Fig 4.2-4 Analysis of landslide profile A-A’and(由-c)inverse relationship graph

由上述成果可知:C、咖值与稳定系数之间存在明显的线性关系。 与不稳定滑体极限平衡状态接近的稳定系数为0.995"--1.00共九组,其C、够 值及稳定系数对应关系见表4.2—2。
表4.2-2滑坡A-A’剖面稳定系数0.995""'1.000对应的C、①值关系表
Table 4.2-2

Landslide profile A.A’stability coefficient O.995~1.000
corresponding C.中value relationship table

第四章渝东南地区顺层岩质边坡稳定性分析

39

C值(kPa)
①值(。)

O 29

3 28

6 27

9 26

12

15

18 23

21 22

24

25

24

2l

由表4.2.2得知:C值从0,--24kPa、函值从2l~290,痧值每上升一度基本等 于C值下降3kPa,而稳定系数呈对称双曲线,取对称中轴点的C(12kPa)、西(250) 值进行敏感性分析,自重+暴雨时稳定系数Fso=0.995为基准值,敏感性分析计算 结果见表4.2.3、表4.2.4,其中敏感系数按下式计算:

S:丛×100
鸬 式中:


(4.3)

771—771=等

从——某因素的变化量 缸——E对应赵的变化量
瓦——只的基准值
彳二一彳min——某因素最大变化量
表4.2-3
Table 4.2—3

772—772=捣

?

①的敏感性分析计算结果

The analysis of q)sensitivity results 23 24 0.957 38.0 25 0.995 26 1.034 39.O 27 1.073 39.0 28 1.113 39.3 29
1.154

①(o)
Fs

20 0.810 37.0

21

22 0.883 37.3

30 I.195 40.O

0.846 37.3

0.920 37.5

S(%)

39.8

表4.2-4
Table 4.2-4

C的敏感性分析计算结果

The analysis of C sensitivity results

C(Kpa)
Fs

10 0.969 13.0

11

12

13 1.008 13.0

14

15 1.033 12.7

16 1.046 12.8

17 1.059 12.8

18 1.072 12.8

19 I.085 12.9

20 I.098 12.9

0.982 13.0

0.995

1.021 13.0

S(%)

由上述成果可知:C、痧值对滑坡稳定系数敏感系数分别为12.7~13.0、 37.0,-40.0,说明滑面C、函值对稳定系数的影响十分显著,尤其是咖值对滑坡稳 定系数影响更显著。将反算结果代入剖面进行计算,计算结果与实际相符。 根据上述参数,结合勘查实际,确定本次计算抗剪强度取值以试验值为基础, 结合工程类比反算值,根据各值所占的权重综合确定(表4.2.5)。根据滑坡勘察结 果表明,野外大剪试验机理与滑坡滑动机理接近,其所占的权重应比室内试验要
大。

第四章渝东南地区顺层岩质边坡稳定性分析 表4.2-5稳定性计算滑面抗剪强度参数权重及取值
Table 4.2-5 Stability calculation of shear strength parameter values and weight

取值依据 室内试验 大剪试验 工程类比反 算值 综合取值

天然 C(kPa)
29.5 8.0

权重
0.40

天然由(。)
11.3 32.5

权重
0.40 O.60

饱和 C(kPa)
22.4

权重
O.20 O.30
O.50

饱和由(。)
8.O 27.8 25
25.5

权重
0.20

O.60

6.O 12

O.30
0.50

16.5

26.5

14.5

4、计算模型及荷载组合 计算模型: 计算时选取1.1’、2.2’、3.3’纵剖面作为计算剖面,滑面呈平面型,取滑 体单位宽度为lm,简化为二维问题,对滑坡进行计算。1.1’剖面呈平面型的滑带 没有剪出口,主要考虑滑体从岩体溶蚀裂隙碎裂带剪出,呈折线型,因此1.1’剖 面按折线法计算。 荷载组合: 1)自重 滑体上无建筑物,考虑滑坡区无集中荷载,基本荷载主要为滑体自重。 2)地下水作用力 勘查结果表明,滑坡区未见稳定的地下水位,地形坡度较陡,利于暴雨期地 表水排泄,地表水沿溶蚀隙裂下渗,滑面上产生的渗流具有瞬时性,地表横向溶 沟、溶槽分布广泛,且其宽度大小不一,降雨时将在溶沟溶槽中产生静水压力, 因此,暴雨工况除考虑滑体充分饱水外,还考虑了滑体后缘溶沟溶槽中产生的静 水压力。 3)地震力 滑坡区地震基本烈度小于6,本次计算不考虑地震力的影响。 5、工况组合 本次拟采用2种工况对滑坡进行稳定性计算。 ①自重 ②自重+暴雨(考虑滑体充分饱水及产生的静水压力) 6、计算结果 按表4.2.5中的抗剪强度参数值,对剖面1至3滑体分别在自重及自重+暴雨 两种工况下进行稳定性计算,该滑坡破坏模式为岩体顺层滑移,顺构造裂隙走向 发育的溶沟、溶槽将岩体分割成块体,滑坡破坏主要以块体松脱式滑移为主,因

此,滑坡稳定性计算考虑整体稳定性计算的同时,要考虑其破坏的方式一块体松
脱式破坏,计算其局部稳定性。滑坡稳定系数及剩余推力计算结果见表4.2.6。

第四章渝东南地区顺层岩质边坡稳定性分析

4l

表4.2-6滑坡稳定系数及剩余推力计算结果表
Table 4.2-6 Landslide stability coefficient and residual thrust calculation results

计算剖面编 号

工 自重



稳定 系数
1.218 1.146 1.118 1.052 1.112 1.047 0.988 1.015 1.066 1.567 0.964 1.033 1.150 1.995

剩余推力(kN/m)
151.76 502.35 1870.28 2820.31 1839.10 2713.39 1584.’32 1104.43 735.08

备注

1-1’

自重+暴雨 自重
2-2’

自重+暴雨 自重
3-3’

自重+暴雨 2-2’I段 2-2’II段 2-2’Ⅲ段 2-2’IV段 3-3’I段 3-3’II段 3-3’1II段 3-3’IV段 自重+暴雨 自重+暴雨 自重+暴雨 自重+暴雨 自重+暴雨 自重+暴雨 自重+暴雨 自重+暴雨

安全系数
取1.25.

1688.83 1178.66 307.88

计算结果表明,滑坡整体天然状态下稳定系数为1.118~1.218,处于基本稳定 ~稳定状态;在暴雨作用下,整体稳定系数为1.047~1.146,处于基本稳定~欠稳定 状态。在暴雨作用下,滑坡局部的稳定系数为0.9644).988,处于不稳定状态。

4.2.2有限元强度折减法
使边坡刚好达到临界破坏状态时,对岩、土体的抗剪强度进行折减的程度, 即定义安全系数为岩土体的实际抗剪强度与临界破坏时的折减后剪切强度的比 值。强度折减法的要点是利用公式(4-4)和(4—5)来调整岩体的强度指标C和≯, 然后对边坡稳定性进行数值分析,不断地增加折减系数,反复计算,直至其达到 临界破坏,此时得到的折减系数即为安全系数只。

印=c/‰ 办=tan。1((taIl矽)/‰)
式中:
印——折减后的粘结力

(4-4) (4-5)

九——折减后的摩擦角

42

第四章渝东南地区顺层岩质边坡稳定性分析

‰——折减系数
本节中沙子口滑坡采用基于ansys强度折减法的三维有限元分析,考虑了边 坡岩体的非均质和不连续性,避免了极限平衡法中将滑体视为刚体而过于简化的 缺点,计算出岩土体的应力、应变大小和分布,能近似地从岩土体的本构关系去 分析边坡的变形破坏机制,分析最先和最容易发生屈服破坏的部位和需要首先进 行加固的部位等。 第一步根据实际情况在ansys中建立有限元模型(图4.2.5):

图4.2—5沙子口滑坡结构有限元模型
Fig 4.2-5 Structure finite element model of ShaZiKou landslide

对于地质体中的各种断层以及边坡中的滑面等结构面,采用Ansys中的接触 分析来模拟。对于沙子口滑坡而言,经过地勘钻孔资料分析:上覆滑体与岩体之 间有一层2~3cm的软弱夹层,雨水通过发育的岩石裂缝下渗导致软弱夹层抗剪强 度急剧下降,本节建立的边坡模型,为了更好的模拟实际情况,建立滑面的接触 模型进行滑面力学性质分析,覆盖层与坡体之间为接触。 接触问题是一种高度非线性行为,需要较大的计算资源,为了进行实为有效 的计算,理解问题的特性和建立合理的模型是很重要的。

ANSYS支持刚体—柔体的面一面的接触单元,刚性面被当作“目标"面,用
Targel70来模拟3—.D的“目标"面,柔性体的表面被当作“接触"面,用Contal74 来模拟。一个目标单元和一个接单元叫作一个“接触对"程序通过一个共享的实 常号来识别“接触对",为了建立一个“接触对”给目标单元和接触单元指定相 同的实常的号(图4.2.6)。

面一面接触单元有好几项优点:
?支持低阶和高阶单元
?



支持有大滑动和摩擦的大变形,协调刚度阵计算,单元提法不对称刚度阵的选
项。

?

提供工程目的采用的更好的接触结果,例如法向压力和摩擦应力。

第四章渝东南地区顺层岩质边坡稳定性分析

43

?没有刚体表面形状的限制,刚体表面的光滑性不是必须允许有自然的或网格离 散引起的表面不连续。
?

需要较小的磁盘空间和CPU时间。

?允许多种建模控制,例如:绑定接触、渐变初始渗透、目标面自动移动到补始 接触

图4.2-6接触面模型
Fig 4.2-6

Contact model

第二步:设置单元类型及材料参数,ansys中选用SOLID45单元模拟三维岩土 材料,上覆土层及底层岩体主要计算参数见表4.2.7~表4.2.8,滑坡接触面摩擦系 数取用O.2。
表4.2-7初始重力场下土体计算主要参数表
Table 4.2-7 Main calculation parameters of the initial soil under gravity


参数 围岩I 围岩II

弹性模量
9 E

泊松比 密度P
∥ 2540 O.4

2.5e6

38

6e9
4.1e10

3e6

4l

2730

O.3

表4.2-8渗流作用下土体计算主要参数表
Table 4.2-8

Main


calculation

parameters ofthe soil
弹性模量


under seepage

参数 围岩I 围岩Ⅱ

泊松比 密度P
∥ 2540 O.4



1.5e6

30

6e9

2.8e6

38

4。lel0

2730

O.3

第三步:设置约束条件并进行加载,边坡模型中对底层岩体底面设置UX、UY、 UZ向约束,前后面设置UX向约束,左右面设置UZ向约束;加载方式拟采用2 种工况对滑坡进行稳定性计算:

第四章渝东南地区顺层岩质边坡稳定性分析

①重力场下坡体应力及安全系数计算。 ②考虑12h、24h暴雨状态下渗流对滑坡的影响,采用流一固耦合分析。 荷载.时间历程如图4.2.7。

图4.2-7荷载一时间历程示意图
Fig 4.2-7 L0ad-time process schematic

第四章渝东南地区顺层岩质边坡稳定性分析

45

图4.2-9工况2-24h第一主应力0,等值图
Fi94.2—9 Condition 2-24h first principal
stressol

equivalent figure

’§毂≯≮徽 r蒺 i臻辨掰
笋女.瓢”麓簿

溪g露爹、0目,石颡”“,。’

图4.2-1 0工况2-24h边坡安全系数等值图

Fi酣.2-10

Condition 2-24h The equivalent figure of Slope safety factor

第四章渝东南地区顺层岩质边坡稳定性分析

图4.2-1 1工况2-24h接触面滑移距离等值图(放大300倍)
Fi94.2-1 1

Condition 2-24h Contact interface slippage equivalent figure(enlarge 300 times)

从图4.2.11中可以看出在工况2下,接触面滑移距离最大值为44.8mm,平均 滑移距离为5mm左右,变形微小,不易察觉,但此时滑坡残余部分从安全系数云 图中可以看出岩体整体已经处于潜在不稳定状态,局部稳定性更差。若进一步降 雨或雨量变大,将会导致整个滑坡的发生,后果不堪设想,进一步印证了该岩质 滑坡具有突发脆性破坏特征。 考虑到沙子口滑坡位于彭水县城内,为保障人民的生命财产安全、保护土地, 建议对滑坡综合加固治理进行研究。

4.3本章小结
1)根据滑坡未滑动区和局部滑动区属同一地质单元,地质环境条件一致,从 宏观角度对未滑动区发展趋势进行分析预测。 2)根据现场原位剪切试验和钻孔数据资料,合理选取7、c、尹值采用刚体极 限平衡法和基于ansys强度折减法对滑坡在两种工况下的稳定性进行分析,通过分 析结果对比得出:滑坡整体天然状态处于基本稳定~稳定状态;在暴雨作用下,整 体处于基本稳定~欠稳定状态。滑坡整体安全储备不足,局部不稳定,需对其进行 综合治理。

第五章岩质边坡模糊数学法稳定性分析研究

47

第五章岩质边坡模糊数学法稳定性分析研究
岩质边坡中的许多问题都是比较“模糊"的,如认为岩质边坡属基本稳定, 滑体结构面比较发育,滑床一般顺层,C值基本为零等等含糊不清的术语,用经典 的数学理论是难以描述的,更不可能据此作复杂运算。故在模糊数学里提出了“隶 属度"的概念,用从O.1来描述由“肯定"到“否定”的过渡,这样,任何一个参 数和概念不是完全“肯定"但也不是完全“否定"的量都可以用“隶属度"来度 量,使这些模糊的尺度可用定量的数学方法来描述。 岩质边坡稳定性分析是不确定问题,不仅具有随机性,也具有模糊性。传统 的分析方法多为定值分析法,较少考虑实际工程中存在的不确定性,这样得出的 安全系数,并不能真实反映边坡的安全度和可靠性。由于影响边坡稳定的因素较 多,同时各因素又具有很强的模糊性,因而采用模糊数学分析法对边坡稳定性分 析具有明显的优势。

5.1基本理论
(一)模糊数学近似推论 模糊数学近似推论是进行大系统,不确定性系统和各种复杂系统模糊数学分 析的主要环节。其数学表达为:
晟=A1.R

(5—1)

式中石,晟,分别为论域VA{w,V2…%),VA{w,V2…%)里的模糊子集,R为模 糊关系,它反映依据信息而获得的知识经验。符号“0"表示运算规则或合成方法。, 由式(5.1)可知,模糊关系尺是进行模糊数学近似推论系统的关键环节。也可 以把尺称之为系统模型,它是由若干条单块体息构成的,Zadeh和Mamadani曾建 议采用条件命题,”lfA,,thenBt"等办法来表示这些单块信息。也有些学者提出了诸 如“假设分别形式法",“直方图计算法",“信息分配法",“信息扩散法"等来构 造模糊关系矩阵。 (二)隶属函数确定的原则 隶属函数是建立模糊集的基石,隶属函数的确定,无论从理论上还是实践上 都是模糊数学及其应用的基本而关键的问题。设论域U上的模糊集的隶属函数就 是【O,1】的一个实值函数,并没有任何附加条件,范围广泛,因此确定隶属函数的 方法是多种多样的,没有统一的模式。 隶属函数确定的过程,首先是要尊重客观,但又容许有一定的人为技巧,不 过这并不意味着可以主观臆造。因为一个模糊集一般说来是联系着某一个模糊概 念,而概念是人的主观意识对客观事物认识过程的产物,同时概念又是客观事物 在人脑中的反映,它要受客观的制约和限定,它是客观的;确定一个元素对一个

第五章岩质边坡模糊数学法稳定性分析研究

模糊集的隶属度,又必然会体现出人的主观意识对客观事物的一种判定或理解, 它又是主观的;因此在构造隶属函数的过程中,应充分注意到主观性和客观性的 辩证统一,力求做到使我们构造的隶属函数能够较全面真实的反映事物的本质。 确定隶属函数的一般原则如下: (1)若模糊集反映的是一般社会意识,它是大量的可重复表达的个别意识的 平均结果,此时采用模糊统计法来求隶属函数较为理想。 (2)如果模糊集反映的是某个时间段的个别意识,经验和判断,那么,对这 类问题可采用Delphi法。 (3)若模糊集反映的模糊概念己有相应成熟的指标,这种指标经过长期实践 检验己成为公认的对事物的真实的又是本质的刻划,则可直接采用这种指标,或 者通过某种数学方式将这种指标转化为隶属函数。 (4)对某些直接给出其隶属函数比较困难的模糊概念,可以通过比较二个元 素相应的隶属度,采取相对选择法求得隶属函数。 (5)若一个模糊概念是由若干个模糊因素复合而成的,则可先求各因素模糊 集的隶属函数,再综合出模糊概念的隶属函数。 (三)模糊数学近似推论公式B=彳PR中彳,的求法。 彳一可由专家根据经验打分给出,但其受专家主观因素影响较大,本论文采用专 家评分和黄崇福、王家鼎提出的公式【30]1311相结合,确定彳,。
1、当a≤a min’amins∈Ai时,彳,【l,0…,0】

(5-2) (5.3)

2、当a≥amin,amax6∈Ai时,彳,【o,o,…,1】

肛Max/o,掣k



3、当a曲(a(a一时,

1,2'2…疗,(5-4)



其中:△为步长 (四)综合评判问题 如何评价一个系统、一个项目、工程的优劣好坏、稳定性,在评价过程中往 往不是用一个简单的指标来评定,而是通过多个评价指标,甚至出现多层次评价 的现象,这就是综合评判问题。 综合评判的数学模型分为一级模型和多级模型,当被评价对象中因素过多时,

一级模型中权重彳的元素需满足ya,=l,每一个a,一般来说都很小,这样在“取
小”运算时就被取上了,这时往往筛选掉过多的信息,致使单因素评判完全失去 作用;同时因素多导致另一个问题就是权重A分配很难合理,较难真实反映各因

第五章岩质边坡模糊数学法稳定性分析研究

49

素在整体中的地位。本论文考虑影响顺层岩质边坡稳定性的因素较多,为了提高 其评价分析的准确性,采用多级综合评判模型。

l、把因素集X按某种属性分成S个子集:五,五,..…彳。

且满足V石=X,xn为=矽(f≠/)
设每个子集:

(5-5)

彪={石,,石2,…品,)(江l,2,…J)
2、对于每个石按一级模型分别进行综合评判。

(5—6)

设评判集Y={yl,y2,.-.ym},彪中的各因素的权重分配为: a卢(afl’a仡…am)
(5-7)

这里只要求∑au=l,设石的单因素评价矩阵为R,,则第一级综合评价为:
i=l,j=z

6f=aJ。R‘

--(bfl,b吃…如)i=1,2,…J. X={Xl,X2,…,比)的单因素评价矩阵为R。
6l
62


(5?8)

3、将每个石作为一个元素看待, 用夙作为它的单因素评判,即

R=


=(6{『)一

(5-8a)



b,

每个石作为X的一部分,反映的是X的某种属性,这样就可以按各个因素的 重要性设置权重分配
● ● ●

a=(口l,a2,…,m) 于是第二级的综合评判:
6=a?R

(5—9)

(5一lO)

从第一步至第三步可根据具体工程实际情况多次循环,直到得出满意的综合 评判结果。显然,多级综合评判较一级综合评判有明显的优势,能反映客观事物 中各种因素的不同层次,且避免了因素多,权重不易分配的缺点,更能反映实际 情况。

第五章岩质边坡模糊数学法稳定性分析研究

5.2岩质边坡稳定性的分类及作用因素的选取
对于岩质边坡稳定性的分类,国内外学者皆有不同的标准,考虑本分析方法 的需要,本论文将边坡稳定等级分为五类,即:稳定I级、基本稳定lI级、潜在 不稳定III级、不稳定Ⅳ级和极不稳定V级。 岩质边坡的稳定性不同于土质边坡,其主要取决于岩体内部地质结构,地形 地貌,地质作用和外部环境因素的影响,是多因素综合作用的结果。根据本论文 第三章对岩质边坡稳定性影响因素的分析和目前国内外己有的研究成果[32-37]以及 国家规范标准,遵循重要性,易测性和独立性的原则,同时考虑到实际工程经验, 最后选取十四个因素作为影响顺层岩质边坡稳定性的主要作用因素,如表5.2.1。
表5.2-1作用因素等级表 边坡稳定等级
作用因素 最大地震烈 地震 等因 素
I <3 Ⅱ
3.5 IT[


7.8

V >8

备注

5.7

度 爆破动力因
素 人为因素

无 无

微 微
2.8

弱 弱
8.14

较强
较强
14.20

强 强
>20

无 无

初始地应力 地
质 结 构 及 地 质 作 用 岩性

爪伊a
坡向与岩层 产状 内摩擦角//(o) 粘聚力


很有利
>35

有利
35—28

一般
28.21

不利
21.14

很不 利
<14

>0.25

O.25-o.15

O.15.0.1

O.1-0.05

<0.05

/(MPa} 地下水 无 微 较明显 较丰富 丰富 岩性指岩体的完性, 很好 较好

一般

较差

很差

岩体强度及风化程


气 过程降雨量 /(mm)
<50 50.100

100.150

150.200

>200

一次降雨的总降雨 量


因 素

温度影响







较强
介于
III.V



地形 地 形 边坡总高度 ,(m) 边坡总坡度 /(o)

平坦

介于I.III

丘陵

高陡

<75

75.150

150.225

225.300

>300

地 貌

<20

20.30

30_40

40.50

>50

第五章岩质边坡模糊数学法稳定性分析研究

5l

5.3隶属函数的构造
5.3.1定量作用因素隶属函数构造
表5.2—1中等级评定是采用确定性评价标准,没有考虑等级间的边界模糊性、 等级间的过渡状态。本论文的优势在于通过构造隶属函数,充分考虑等级间的中 间过渡状态,从而更加准确的确定岩质边坡稳定状态。结合前人的一些研究成果, 遵循贺仲雄、李安贵所给出的隶属函数确定原则,本论文通过采用岭形隶属函数 来构造影响顺层岩质边坡稳定性定量作用因素的隶属函数。 1)边坡总坡度:

己l

cx,={≥一三sin主≥cx一2t.25,
HԬn"(x-21.25)S1n
一十一 2 2 厶j l

x≤20 20<x≤22.5
工>22.5

(5-11)

x≤20 20<x≤22.5

%,(x)=

22.5<X<27.5
27.5<x≤32.5 x>32.5

(5.12)

…Sm—IX—jUI !一sin兰(x一30)2
2 5
、 ,

.0 ’0

x≤27.5 一+一sm—I

1+三siIl三(x一30)2







x一3U I ,

27.5<x≤32.5

Um(x)=



32.5<x<37.5 37.5<x≤42.5
x>42.5

(5.13)

…一IX一4Ul 三一!sm‘三(x一40)2
2 5
、 ,

O O x≤37.5
X—Z 一十一——l 、 2 3 5

三+!SU’l三(x一2‘1)
‰(x)=






37.5<x≤42.5



42.5<x<47.5
47.5<x≤50 x>50

(5—14)

…一IX—Z石J 三一 Si‘l三(x一28)
2 3 5






52

第五章岩质边坡模糊数学法稳定性分析研究

O U

x≤47.5

v(x)=

1—2 ,● ● (1●, ●L 1

+丢Sl‘n去(x.48.1/5)

+一——IX一珥5.)I , 2 2.5、

47.5<x≤50
x>50

(5-15)

根据边坡坡度的隶属函数可作出各稳定状态下的隶属函数曲线:


一×)。
Q5

01 X 图5.3-1边坡总坡度隶属函数曲线
Fi95.3-1

Membership function

curve

ofthe total gradient of slope

2)边坡总高度

第五章岩质边坡模糊数学法稳定性分析研究

53

O X≤206.25
+ n

1—2

l一2

三那

X一

22 206.25<x<243.75 243.75<X<281.25

阶(x)=



(5.19)

三一!siIl三fx一290.625)281?25<x≤300
2 0



18.75、



石>300

吣啦咖融蚍缁,豢湖
作出边坡高度各稳定状态下的隶属函数内曲线如下:

(5-20)

^1 ×




0.5

叻cx,={;+三sini号≥cx一34.?25,


x≤33.25 33.25<x≤35
z>35

(5?21)

x<26.25

一+一一I一:z基1 三+ SI。n三(x一28) 2 3 5
、 ,


26.25<X≤29.75 29.75<x≤33.25 33.25<x≤35 工>35 (5-22)

玑(x)=



…1 …一I—j4.1Z)I 2X(l iS"/y丽‘1 75—34.125)
2 1
、 ,




54

第五章岩质边坡模糊数学法稳定性分析研究


x<19.25


.鲫n 1—2

1—2

三” 三”

X 一





19.25<x≤22.75 22.75<x≤26.25(5-23)

Urn(x)=

1 .蹦n ●一2 2



X一
,II、/-一,

1—2 O 0



26.25<x≤29.75 x>29.75

x<14


.缸 n 1—2 —1 万一7 一5



1—2

-14.85)

14<x≤15.75 15.75<x≤19.75 19.75<x≤22.75 (5—24)

Uiv(x)=

l 2



S n

1—2 O

1—2

三”

X一

x>22.75

吣牛专州.ss,

x<14 14<x≤15.75 x>15.75 (5-25)

第五章岩质边坡模糊数学法稳定性分析研究

55



… (

●, ● ●,‘ ● ● L

1—2 1

嘶 O 。●一2一2 m
@ ,一2 湖帅
l一2


1酡

工<0.1375

O.1375<x≤0.1875 0.1875<x≤0.2375(5-27)

1—2

㈣ Q


0.2375<x≤0.25 工>0.25



槲 (

、-、、-、 r,● ● ‘● ● ●L

1—2


帅 O 吣 , 。一2 刚
1 ●一2

x<0.0875
0.0875<X≤0.1125

0.1125<X≤O.1375

1—2 0 O

O 岣 砖 。一2 刚啡
l 1—2

(5.28)

0.1375<x≤0.1625

x>0.1625

删 C)
、X,


1—2


帅 卜 ,一2 湖
,一2 l一2

删 ㈣


X<0.05 0.05<石≤0.0625 0.0625<x≤0.0875 (5.29)

1—2

帅 b 叫 r,, ,一2 刚
卜一2 ㈣
●峭Z

0.0875<x≤0.1125
X>0.1125

r¨● ●.二(1_ ●0 U

㈨ ◇






—应礓悖飞—障堆卡
,●一Z 一』

。吣



删 嘞


x<0.05 0.05<X≤0.0625

(5.30)

工>0.0625

^1
×
’■—■





O.5 0 口.05 D.1 口.15 X
图5.3-4边坡岩体粘聚力隶属函数曲线
Fi95.3-4

a.2

口.25

Membership function curve ofthe rock mass cohesion

5、初始地应力

第五章岩质边坡模糊数学法稳定性分析研究

x≤1.5

u(工)=

一一——IX一厶Z)J 、 ,

一三Sl’n三(x一2.25)2


1.5<x≤3 X>3

15

(5-31)

x≤1.5

一+一一IX一厶Z)I !+!Sm2 2’三1.5(x一2.25)
、 ,

1.5<x≤3 3<x≤6 6<x≤9 (5—32)

Un(x)=



…n—I 1一三Sl’n三(x~/.5)2
2 3 0 O




X一.)I ,

x>9

x≤6
.吼 n


一 7

I,,

1—2

l一2


万一3

,■一一

、lJ

6<x≤9 9<x≤12 (5-33)

Urn(x)=




.班 n

1—2

l一2

万一3

,●L



— ●l 1, 5

12<x≤15
、I,

x》15

O O
x≤12


.趼n 1—2 万一3

X — ●l
,■一,

,J



1—2

、l,

12<x≤15

Uw(x)=




15<x≤18
S ●l n

(5-34)

1—2 O

1—2

万一3

,J~ X

— ●l

9 x>20

18<X≤20

乙rv

cx,=f三一三sin;cx

x≤18 18<x≤20 x>20 (5-35)

作出边坡初始地应力隶属函数曲线如下图:

第五章岩质边坡模糊数学法稳定性分析研究

57


图5.3-5初始地应力隶属函数曲线
Fi95.3-5

Membership function

curve

ofthe initial geostress

6、过程降雨量

ucx,={≥一三sinT兰三cx一56.25,
nu

x≤50 50<x≤62.5 x>62.5 (5.36)



卜一2

.眦




x≤50



50<XS62.5
62.5<x≤87.5

砺(x)=

1—2●

(5-37)



卜一2 去知
.湖



87.5<xSll2.5 工>112.5

l一1、|D




1—2

卜一2

.丢|






x≤87.5
87.5<x≤112.5 112.5<X≤137.5

‰(x)--


(5-38)

卜一2 急知
.汕



137.5<工≤162.5 x>162.5

1一,、1)




●一Z

卜一2

.锄





x≤137.5

137.5<xSl62.5 162.5<x≤187.5 (5.39)

‰(x)=

●一,_)

卜一2 争急
.洫







187.5<x≤200 x>200

58

第五章岩质边坡模糊数学法稳定性分析研究

吣):k 【二


n X

X≤187.5

1—2

—5

193.75)

187.5<x≤200(5-40) X>200

o三1m。

作出过程降雨量隶属函数曲线如下图:

X 图5.3-6过程降雨量隶属函数曲线
Fi95.3_6

Membership function

curve

ofthe process rainfall

7、最大地震烈度

己厅cx,={≥一三stn2丌cx一3.25,


S .1 n 1二 万

x≤3 3<X≤3.5(5-40
x>3.5

x≤3

1—2

1—2

,●~





,J

25

、l,

3<X≤3.5 3.5<x≤4.5(5-42)

‰(x)=

S n

1—2

1—2

三巧


/●一,



4.5<x≤5.5
,J

25

、l,

x>5.5


O x≤4.5
+ S .In 万 X一
,J-,



1—2

1—2

、l,

4.5<x≤5.5

‰(x)=
— S ●●■n 万 X一
,Il、

5.5<x≤6.5(5-43) 6.5<X≤7.5
,,

1—2

1—2

、l,

x>7.5



第五章岩质边坡模糊数学法稳定性分析研究

59



x≤6.5
+ S ●l n 2 万 X一

6 75

1—2

1—2

6.5<x≤7.0 7.0<x≤7.5

Uw(x)=


S ●l n 2 万

(5出)



1—2 0

1—2

,■I、,■、

X一

7 7 C_. 、l,、lJ

7.5<x≤8.0 x>8.0

已乙cx,={三+三sm2:0
譬1

0.5 a 3 4 Fi95.3—7

x≤7.5

cx一7.75,

7.5<X≤8.0
x>8.O

(5-45)



6 ×





图5.3-7最低地震烈度隶属函数曲线图 Membership function curve ofthe minimum seismic intensity

5.3.2定性作用因素隶属函数构造
对于定性作用因素隶属函数构造我们可按一定的准则对定性因素作量化处 理,本论文将作用因素对边坡稳定性影响分成五个等极:很不利(10分);不利(30 分);一般(65分):有利(85分);很有利(100分);或作用因素影响:很强(10分); 较强(30分);弱(65分);微(85分);无(100分),采用梯形分布构造隶属函数:

所cx,={;≥一t。.33

<.、

x≤77.5

77.5<x≤85
x>85

(5-46)



x≤57.5

57.5<工≤67.5 67.5<X≤77.5 (5-47)

Uu(x)=
¨

一,J 一

77.5<X≤85

2一坫



工>85

第五章岩质边坡模糊数学法稳定性分析研究

x≤30

30<x≤47.5

‰(x)=

47.5<x≤57.5 57.5<x≤67.5 x>67.5

(5-48)

x≤10 10<x≤20

‰(x)=

20<x≤30

.(5-49)

30<工≤47.5 x>47.5

玑(X)=

卜誓1
2口 3D

X≤10

c x-7.75)10<x<20
x>20

(5?50)

岩质边坡地形、岩性、坡向与岩层变状关系、地震影响、地下水及人为因素

隶属函数曲线如下图:l 一1 ×
3 口.5

0 10 40 ×





70






图5.3-8边坡地形、岩性、坡向与岩层变状关系、地震影响、地下水
及人为因素隶属函数曲线 Fi酉.3-8 Membership function
CUI"Ve

ofterrain,lithology,slopes and strata change shape

and human factors relationships,groundwater,temperature influence,the blasting motivity factors

5.4岩质边坡稳定性综合评价
1、各作用因素权重的确定。 鉴于影响顺层岩质边坡稳定性因素有主次之分,各个作用因素对边坡稳定性 的贡献大小不一,故对每个作用因素应给予不同的权重。目前确定权重集合4权 值方法很多,本论文采用专家评分和黄崇福提出的公式啪1相结合来确定4。得出

第五章岩质边坡模糊数学法稳定性分析研究

6l

各作用素的两级权重值,如表5.4—1。
表5.4—1作用因素的两级权重值
Table 5.4-1 Effect oftwo-level factors weights

各作用因素的两级权重值 各作用因素指标 一级评价权值分配 边坡纵坡度(u,。) 0.35(a11) O.35(a12) O.3(a。3) O.35(a12) 0.12(a22) 0.15(a23) O.15(a2.) 0.15(a25) O.60(a2) 0.12(a1) 二级评价权值分配

地形地貌(U)

边坡总高度(u。:)
地形(u13) 岩性(u:。)

地质构造及地质作

坡向与岩产状关系(u恐)

.内摩擦角(勘)
粘聚力(u:。)

用(%)

地下水(u25)
初始地应力(u拍) 过程降雨量(u。t) 温度影响(u。z)’

0.08(如)
O.85(a31) O.15(a32) 0.30(籼。) 0.40(at2) 0.30(a4。) 0.13(a4) 0.15(a3)

气候因素(%)

最大地震烈度(ut。)

其他因素(以)

爆破动力因素(u船) 人为因素(u。。)

2、单因素评价 对所有的作用因素按表5.2-1、表5.4-1的隶属函数进行评价,提出他们的模 糊向量:

3、一级综合评定 按各个因素与子集%(七=1,2,3,4)进行综合评判,即根据子集以中各因素的相 对重要性给出的权向量4,并将各单因素评定结果‘,组成评价矩阵%,然后按 式5—52求出相应的子集等级模糊向量最: 最=【瓯。,瓯:,瓯,,圾。,纯,】 =4DR 其中:“0’’为组合运算 组合运算中算子的种类很多,目前大部分算法采取Zadeh的取大取小算子。 但相关研究表明,该算子很容易丢失信息,本论文经试算后认为采用普通乘算子 较Zadeh算子更好。 4、二级综合评价
(5-52)

62

第五章岩质边坡模糊数学法稳定性分析研究

将四个因素子集(地质结构及地质作用、地形地貌、气侯因素、其他人为因素) 作为四个单因素那样进行总的二级综合评价:

B=【岛,2j2,63,64,玩】
:AoR(5-53)

5.5沙子口滑坡稳定性分析
沙子口滑坡位于丘陵山区,滑坡区属构造溶蚀河谷地貌,地处郁江北岸,属 单面山,总体地势南东高,北西低。后缘高程约485m,前缘至汉关公路,剪出口 高程约309m,相对高差176m,总体地形较陡,呈直线形,地形坡角27"-'32。, 根据勘察滑坡区地层主要为第四系土层及奥陶系下统红花组地层,岩体明显有几 组陡倾斜节理,岩层倾向与地表坡向一致,倾角24~32。,且坡体中存在大面积 的不连续次生红粘土软弱夹层,抗剪强度很小。边坡所在地区层于弱地震区,可 能受到的最大加度为O.089,经测量初始地应力较小,粘聚力e=100kPa。内摩擦角 9=25。地下水类型主要为层间裂隙水。边坡所在地区多雨、降水丰富,最大过程 降雨量为180mm。 按表5.2.1则有: 因素论域U=【U,%,以,U】 等级论域V=【K,K,圪,K,圪】-【I,II,rlq,Ⅳ,V】 其中U是地貌因素,包括3个子因素:边坡总坡度%。,边坡总高度Ul:地形zll3; U,是地质结构及地质构造作用因素,包括了6个子因素(岩性U:。,坡向与岩层状

关系“::、摩擦角U23,粘聚力%、地下水“:,、初始地应力甜:。);职是气侯因素,
包括两个子因素(过程降雨量U,,、温度影响"记);U是其它因素,包括3个子因 素(最大地震烈度‰。,爆破动力因素蝴:、人为因素‰,)。 综合分析评价如下: 1)单因素评价 对所有的单因素按前面的隶属函数曲线进行评价,即可得出各单因素评价结 果,如表5.5-1所示。
表5.5_1各单因素评价结果
Table 5.5-1 The results of single factor evaluation

单因素
U1l

等级隶属度

O O

Ⅱ O.5 O.48 O.5
0.4

ⅡI 0.5
1 1






O 0



U12

U13




O.5 0.6




r,

U2l

0.85

第五章岩质边坡模糊数学法稳定性分析研究
0 0 0 0 0


1.122

O O O 0 O.9 0


0.8 1 0.5 O.5 0.2 O O O.7 0 O.5



0 O O 0 O O.5 0 0 O


U23

0 0.5 O.8 O


U2●

U25

U∞ tlzl


U32 U4l

O O


O O 0 O

0.2 0




U让

U43

0.3

2)一级综合评价



按每个因素子集进行综合评价,可求出相应的子集等级模糊向量反:



0 5





岛l=(o.35

o.35

1 o.48 o.3)1 00





0.5



帖。帖

0 1● ● ● j

O 0

0.85



蚪o
o o

O.8


%1


O O O

612=(0.35

O.12

0.15


O.15 O.15

O.08)


0 O

O.5
0.5

o吣

O.2

o吣眦。



=(0

0.212

0.7095

0.525



613=(0.85

O.1

5,雕

O.85



1 0



¨o

1● ● J

=(O 0.15

0.425)
O.2

r-o
614=(O.3
0.4

O.7




o.3)I










l 0.3
=(O.49 0.36
0.36 0

O.5

们—纠

O)

3)二级综合评价 把四类因素当作四个单因素看待,再进行总的二级评价

第五章岩质边坡模糊数学法稳定性分析研究

即:B=(岛62 63 64)=AoR


0.318
O.212

0.825 0.7095 0 0.36

0.325 0.525
0.85


0 0.425

B=(O.12 0.6 0.15 0.13)

0 0 0.49

0.15
0.36





2(O.0637 0.235 0.5715 0.4815 0.0632)

4)评价结果分析

根据最大隶属度原则,在B矩阵中选取最大值,即‰=O.5715,其相对应的
稳定等级为Ⅲ级,说明该边坡目前处于潜在不稳定状态。事实证实如此,沙子口 滑坡于2007年7月25日一场暴雨后,再次出现了滑动现象,并牵动了南侧滑坡 壁的局部滑动,有向南侧相似地段扩展的趋势。该分析评定结果与本论文中第4 章运用极限平衡法和基于Ansys有限元分析评价结果相吻合。

5.6本章小结
考虑边坡稳定性分析是不确定性问题,不仅具有随机性,同时具有很强的模 糊性,通过运用模糊数学中提出的“隶属度”的概念,用从0-1来描述由“肯定’’ 到“否定"的过渡,运用模糊数学近似推论的原理和最大隶属度原则对渝东南地 区顺层岩质边坡的稳定性进行分析评价。 通过运用专家评分法和黄崇福公式法相结合确定各作用因素的权重。采用二 级综合评定方法分析岩质边坡的稳定性。 论文通过构造隶属函数,运用模糊数学分析法对沙子口顺层岩质滑坡工程进 行分析,其分析结果与边坡实际稳定状态相吻合,表明各作用因素的权重分配合 理,其隶属函数和权重分配可应用于渝东南地区工程地质概况类似岩质边坡稳定 性分析。

第六章沙子口滑坡治理研究

65

第六章沙子口滑坡治理研究
6.1滑坡治理方案
6.1.1滑坡治理设计程序
边坡工程治理工作是在分析地质勘察资料的基础上,通过边坡稳定性分析计 算后,给出治理不稳定边坡的具体方案和措施的技术工作。设计内容主要包括边 坡的稳定性计算分析、边坡荷载效应分析或推力计算、治理方案的设计与优化、 支护结构的设计与计算、施工设计图纸编制、施工组织方案、施工监测及长期监 测方案的设计制定等内容。其设计程序可分以下几个步骤: (1)滑坡治理工程师在设计前期现场考察并分析滑坡地质勘察资料,并充分 调查滑坡发生的时间、规模及造成的危害。 (2)在考察现场分析地勘资料的基础上,初步判断滑坡的稳定状态,并根据 边坡的工程情况和相关规范规定,确定边坡的安全系数。 (3)根据试验资料,合理选取参数值对边坡的稳定性进行详细分析计算,对 于大型复杂的边坡,参数确定往往需要对滑动面及滑动面参数进行反演计算,同 时研究各影响参数对边坡稳定性的敏感性,必要时补充数值模拟分析。 (4)分析边坡稳定性满足规定要求时的各种荷载效应,为支护结构的计算作 好准备。 (5)按照边坡设计基本原则,拟定两种以上边坡治理方案,并进行各种方案 的对比,选择最优方案。 (6)进行支挡结构的设计计算。 (7)对边坡及支挡结构进行局部和整体稳定性验算。 (8)编制并出版设计图纸。 (9)结合边坡设计制定动态施工、监测方案。 (10)在施工过程中,根据施工及监测的反馈信息不断对设计进行补充、优 化和完整。
?

6.1.2治理方案的比选和优化
岩质边坡治理方案主要取决于岩层的地质情况、水文地质特性、使用要求、 原材料供应及施工技术条件等因素。方案选择的原则是:设计满足规范要求,使 用安全可靠、施工技术简便可行、经济造价合理。因此,一般应作几个不同方案 进行比较,从中选择经济技术合理的设计方案与施工方案。 由于渝东南地区顺层岩质滑坡是在一定的地形地质条件下,受降水影响、溶

第六章沙子口滑坡治理研究

槽沟壑的发育、次生红粘土软弱夹层的存在以及人工切坡等因素的影响,使边坡 上的大量岩体在重力和水流作用下,沿地层中的软弱面(或带)作整体的、缓慢的、 间歇性的滑动。这对工程建设和沿线的交通设施以及人身财产安全危害是很大的, 在以往的工程实践中,由于缺乏经验,对自然界中处于潜在不稳定状态的滑坡认 识不足,有的工程建设开始后不久就发生了滑坡,有的已建成工程被滑坡摧毁, 有的被迫迁移或改线,造成了大量人力物力财力的浪费。 据现场调查及稳定性计算成果表明,沙子口滑坡整体欠稳定,局部不稳定。 因此,防治工程的原则为切诱因、保整体稳定、保局部、保边坡稳定,同时加强
监测。

在滑坡防治工程中,必须遵循以下原则: ①滑坡灾害的防治工程应具有明确的针对性,突出对重点地段和部位的治
理。

②滑坡灾害的防治工程应与城镇规划结合,且应结合现有设施进行综合考
虑。

③滑坡灾害防治的各项工程措施,应因地制宜,就地取材,采用技术可行、 经济合理且施工方便、可操作性强的工程结构。 沙子口滑坡体的综合治理可以采用削坡减载,抗滑桩、锚索、锚杆、注浆加 固等多重方法进行加固治理,但抗滑桩方案与其他几个方案相比造价高出约 40%"--50%,且投资巨大,经济上不台理,造成不必要的浪费,所以不宜采用; 单独采用锚索方案加固比抗滑桩方案要节省约50%的工程投资,但由于土体变形, 使锚索预应力损失,达不到加固阻滑的效果,所以单独锚索加固多数用于临时工 程。而锚索抗滑桩方案通过在抗滑桩顶部加2"--'4束锚索,增加一个拉力,改变了 原普通抗滑桩的悬臂受力状态,使其接近简支梁受力,因而大大减少了抗滑桩的 截面和埋置深度,解决了滑体压缩造成的预应力损失问题,发挥了抗滑桩和锚索 两者的优点,同时由于断面的缩小还节约的造价,无论对土质边坡还是岩质边坡 都适用。从可靠性、经济性、施工可行性等多方面综合考虑,采用分级锚索抗滑 桩对该滑坡体进行加固治理。 (1)设计指标 l、暴雨按50年一遇设计,按100年一遇校核; 2、彭水县为地震基本烈度6度区,不考虑地震荷载。 3、设计工况:参考《滑坡防治工程设计与施工技术规范》(DZ厂r 防治工程设计按自重+滑体饱水工况情况下Ks=-I.25考虑。 4、滑坡防治工程等级按I级考虑; 5、基本荷载组合及特殊荷载组合包括自重力、水压力。
0219—2006),

第六章沙子口滑坡治理研究

67

(2)设计参数
表6.1-1
Table 6.1—1

沙子口滑坡加固设计计算参数表

Calculation parameters table ofShazikou landslide reinforcement

项目 滑床 滑体 滑(面)带

r(kN/m’)
27.3 25.4

E(MPa)
4.1e4



c似pa)
3.0 2.5 0.0145


4l


0.60

O.3
0.4

6e9

38
25.5 0.20

(3)水力分析计算 依据彭水县气象局提供的50年一遇最大小时降雨量为96.6mm进行各沟段汇 水流量计算,选用中国水利科学水文研究所提出的计算公式: Qp=Vs 式中:
pF(6-1、)

Q一设计径流量(册3铆;


S。一设计降雨量强度(肌m/办);
Ilf,—径流系数;

F—-、汇水面积(砌2)
排水沟过流量(Q)计算公式如下: Q=WC4Ri(6-2) 式中:



.;,

Q一排水沟泄水能力(n13/S); 形一过水断面面积(m?); R一水力半径; f一水力坡度; C一流速系数(m居),选用以下公式计算:


C:足i/刀(6-3)

式中: 疗—崮}水沟壁粗糙系数; (4)抗滑桩内力计算 按以上计算的滑坡推力,采用矩形分布,滑面以上桩体按简支梁进行计算, 滑床内桩体按地基反力系数法(K法)进行内力计算,桩底铰结支撑。 抗滑桩锚固深度的根据地基土的横向容许承载力确定,岩质地基的横向容许 承载力按下式计算:

第六章沙子口滑坡治理研究

h】-%,7疋
式中:

(6-4)

Kn一岩层产状在水平方向上的换算系数KH卸.5; ,7一折减系数,根据岩层的风化破碎程度取0.3;

R,—岩石单轴抗压强度(伽);
6.1.3抗滑桩布设方案
1)分级锚索抗滑桩支挡:在前缘切坡位置(4.4’剖面附近)设置一级抗滑桩, 考虑坡体被溶蚀沟槽切割已形成多个块体,整体性较差,坡体较长,下滑力大, 在5.5’剖面位置设置二级抗滑桩。 2)根据抗滑桩所设工程部位和滑坡推力的大小,滑坡治理工程共布置2种型 式抗滑桩,不同类型的抗滑桩截面尺寸、桩长、配筋有所区别,设计抗滑桩总数 90根,A型桩1.8×2.2×17.Om共50根,B型桩2.0X3.0X20.5m共40根。桩顶 用锚索锚固在稳定岩层中,以增强桩体稳定性和桩体刚度。 具体位置及相关大样图详见附图A、附图B、附图C。

6.1.4排水系统建设
①排水工程设计原则 产生滑坡的因素是多种多样的,其内因(如岩性、地质构造、地形和风化状态 等)一般起着控制作用,但外因(如降雨、融雪等气象条件和挖方、填土引起的应力 变化等因素)往往加剧滑坡的运动,有时甚至是引起滑坡发生的主要直接原因。在 产生滑坡的自然外因中,降雨、融雪和地下水的渗透水作用则是最大的外因。降 雨、融雪形成的地表水下渗到土体的孔隙和岩石的裂隙中,一方面增加岩土的重 度,加大滑坡体的重量,使下滑距离增加,另一方面使土石的抗剪强度降低;同 时,降雨、融雪形成的渗透水补给到地下水中,使地下水位或地下水压(在受压状 态下)增加,其结果也将造成岩土体的抗剪强度降低。因此,滑坡中的水将加剧滑 坡的发生。所以必须随时加强对滑坡区域内水的监测,修筑排水工程,以最大限 度消除水的危害。 滑坡处治中,对于滑坡体内的水应以“截、排和引导"为原则修建排水工程。 通常,排水工程中所修建的排水建筑物可分为地表排水建筑物和地下排水建筑物 两大类型。对于地表水采用多种形式的截水沟、排水沟、急流槽来拦截和排引; 对地下水则用截水渗沟、盲沟、纵向或横向渗沟、支撑渗水沟、汇水隧洞、立井、 渗井、砂井一平孔、平孔排水、垂直钻孔群等排水措施来疏干和排引。通过这些 排水措施,使水不再进入或停留在滑坡范围内,并排除和疏干其中已有的水,以

第六章沙子口滑坡治理研究

增加滑坡的稳定性。 1)地表排水设计 进行地表排水工程设计的总原则是:滑坡体外的地表水,应予以截流引离: 滑坡体上的地表水要注意防渗,并尽快汇集引离。在进行地表水排水工程设计时, 应详细进行现场踏勘,充分收集设计资料,因地制宜,合理布置排水工程,选择 合适的断面及结构形式,达到既有效排除地表水,又降低工程造价。 排除地表水的目的在于:拦截、引离滑坡范围外的地表水,使其不致进入滑 坡区;将降落或出露在滑坡范围内的雨水及泉水尽速排除,使其不致渗入滑坡体。 选择地表水排水工程,应根据滑坡地貌,地形条件,利用自然沟谷,在滑坡 体内外修筑环形截水沟、排水沟和树叉状、网状排水系统,以迅速引走坡面雨水。 在滑坡区范围内则设树枝状排水沟等。同时,对滑坡体表面的土层应进行整平夯 实,并采用粘土等夯填裂缝,使地表水尽快归沟,防止或减少地表水下渗;对滑 坡体范围内的泉水、封闭洼地积水,应引向排水沟予以排除或疏干。 修建地表排水建筑物工程措施,按其分布的相对位置可分为滑坡体内和滑坡 体外的两种。在滑坡体内的排水建筑物,为了使降落在滑坡体上的雨水能迅速排 走,防止渗入滑坡体内,应以防渗、汇集和尽快引出为原则。在滑坡体外的地表 排水建筑物,应使所有的水不流入滑坡区,故以拦截、引离为原则。要求达到“水 随人意,沟沟皆通,有水必流,涓涓不渗’’。 在透水性特强的地区,或在地表水特别丰富、渗透量也大的地区,则可做防 渗工程。在地基上发生裂缝的地方,进行防渗,用粘土或水泥浆充填裂缝,在滑 坡未采取工程措施稳固前,并用聚乙烯布等不透水材料将滑坡区域覆盖,以防止 滑坡的发生。 在南侧滑坡体后侧及两侧布置环形排水沟,滑坡体内各布置一条纵向排水沟 及若干横向排水沟,同时在滑坡体前缘设置横向排水沟,以达到及时排放地表水 的目的。 2)地下排水设计 排除地下水是一项比较复杂、艰巨,而且投资较大的工程。设计中必须搜集 足够的水文地质资料,注意施工质量,确保施工安全。 对一般滑坡来讲,地下水常是诱发滑坡的重要因素,而地下水的存在往往亦 是形成滑坡的主要条件,所以疏干滑坡体内以及截断和引出滑坡面附近的地下水, 常常是整治滑坡的根本措施,显得十分必要。由于滑动面(带)常常积聚了大部分地 下水,因此,排除滑面(带)积水又是滑坡地下排水的主要目的。因为排除地下水可 使滑坡体土体干燥,从而提高其强度指标,降低岩体的重度,并可消除地下水的 水压力,以提高滑坡体的稳定性。

第六章沙子口滑坡治理研究

治理地下水的原则是“可疏而不可堵"。应该根据水文地质条件,特别是滑面 (带)水分布类型,补给来源及方式,合理采用拦截、疏干、排引等排水措施,达到: “追踪寻源,截断水流,降低水位,晾干土体,提高岩土抗剪强度,稳定滑坡’’ 的目的。

6.1.5滑坡治理工程监测系统建设
①监测目的 从岩土学的角度来看,边坡治理是通过某种结构人为给边坡岩土体施工一个 外力作用或者通过人为改善原有边坡的环境,最终使其达到一定的力学平衡状态。 但由于边坡内部岩上力学作用的复杂性,从地质勘察到治理设计均不可能完全考 虑边坡内部的真实力学效应,我们的设计都是在很大程度的简化计算上进行。 滑坡防治工程监测是为了判断滑坡稳定状态,指导施工,反馈设计和检验防 治工程效果。及时掌握滑坡的变形发展规律,为不断完善地质灾害防治方法和措 施积累理论与实践经验。从而达到长治久安的目的,具体任务为; 1)建立一套包括数据采集、存储、传输、数据处理和信息反馈的系统化监测
网。

2)开展大地形变监测,监测滑坡的变形速率,位移矢量,监测其防治效果。 3)进行施工监测,分析其变形活动与内、外动力的关系,为防治工程服务。 4)建立监测预警系统。 ②监测设计原则 1)充分利用现有监测设施及监测技术,建立精密仪器与简易监测相结合,专 业监测与群众监测相结合的群防系统。 2)监测项目主要包括位移变形监测,地表水流监测,大气降水监测,防治工 程效果监测等。 3)监测范围以能控制整个滑坡体变形特点为宜,重点为整个坡体变形有重大 影响和主要防治工程布置区段。 4)监测网点应布设在对变形有直接影响的地段,选择通视条件良好的位置, 便于安装,维修和观测。 5)监测仪器应在保证实际需要的前提下,力求少而精,便于仪器维护。 ③监测工作布置 监测方案采用滑坡影响因素监测及大地形变监测,具体工作布置如下: 1)影响因素监测 影响因素监测包括大气降雨监测,地表水监测等。 a.大气降雨监测

第六章沙子口滑坡治理研究

7l

设置雨量监测点1个,进行降雨量、降雨强度、温度、湿度及蒸发量等分项 统计,绘制年、月降雨量等相关曲线图,大气降雨监测应雨天每日进行。 b.地表水监测 防治工程竣工后,为检验其排水效果和掌握滑区及周边地区水的补给、迳、 排情况,设置流量监测点2个,采用量水堰测流,监测降雨全过程流量。利用监 测资料分析排水效果。 c.简易监测 地表简易监测主要采用常规调查、巡视、测量方法,观测地表开裂、下沉、 膨账,坍塌,已有挡墙的位移情况、住宅楼等建筑物变形等。 ?2)大地形变监测 滑坡治理工程设置5个监测基准点,对A、B两种桩型的桩顶布置20个形变 观测点,组成大地形变监测网,视准线以三等精度测定基准点间距和独立座标值, 观测形变点以计算分析滑坡绝对位移矢量和速率变化。 a.选点 基准点的选择以稳定、通视效果好为原则,基准点布设滑坡体外楼房顶上, 基准点共布设5个,形变点布在抗滑桩顶上,以监测抗滑桩防治工程变形情况, 形变点共布设20个。 b.建墩 所有监测点均要埋石建墩,墩标要求稳定。墩标采用混凝土结构,加配912 钢筋,墩上安装强制对中装置,在形变观测墩上安装水准标志。 c.观测方法及仪器选择 观测包括基线测量、三角测量及水准测量,首测等级为三级,观测等级为四 级。均按规范要求进行,观测仪器采用T2经纬仪,N2水准仪及光电测距仪。 d.监测


水平位移监测采用他经纬仪按四等三角测量精度进行,计算其座标及位移量。
垂直位移监测采用N2水准仪按国家四等水准测量精度实施,计算其高程及位 移量。 e.监测计划 水平位移监测和垂直位移监测同步进行,监测时间间隔半个月~一个月。如 遇久雨,暴雨等特殊情况,各项监测应适当密。 ④监测预警 1)报警时间 考虑因素:后缘拉裂缝宽度、连通情况,监测曲线,气象等因素。 a.预报状态:后缘裂缝宽<lcm,裂缝发展,监测曲线平缓,为预警状态,应

第六章沙子口滑坡治理研究

向镇或县级部门汇报报警。 b.警报状态:后缘裂缝宽1""10cm,裂缝增加,后缘拉裂缝基本形成,监测 曲线出现明显变陡,特大、大暴雨、连阴雨期间应及时向镇、县、省级有关部门 汇报报警。 C.临灾状态:后缘裂缝>lOcm,全部贯通。前缘出现鼓丘、小崩塌、掉块, 有倾倒趋势、监测曲线出现拐点。此时由值班人员立即报警、设立警线、派专人 值班。 ⑤报警方式 有鸣枪、鸣炮、广播、敲锣打鼓、放鞭炮等方式来通知灾害体上或附近人员 及时撤离。
?

6.2滑坡环境影响评价与防治效益评估 6.2.1环境影响评价
沙子口滑坡的存在及其发展趋势,严重制约了该地区的城市建设及规划发展。 ①对滑坡区已有建筑物的影响 因滑坡区位于主城区,坡体前缘建筑物密集,人口集中,滑坡对该区人民群 众的生命财产安全造成危害。 ②对公路运营的影响 滑坡区前缘有通往关口的必经之道,也是彭水城区内主干道,滑坡一旦失稳, 将使公路交通中断,势将造成巨大的经济损失。 ③对城市规划建设的影响 受地理位置及地形条件的影响,滑坡较大影响了彭水县的发展,该县一大部 分座落于郁江左岸狭窄地带,城区所在地寸土如金,若有效的滑坡进行综合治理, 有效的土地开发利用,将对该镇的规划建设起到非常积极重要的作用。

6.2.2防治效益评估
重庆市彭水县城区沙子口地段,2007年5月23日突降特大暴雨,持续至第二 日上午10时许,该地段北侧局部发生了山体顺层滑坡,上汉关公路东侧斜坡山体 瞬间倾泻而下,冲毁了斜坡前缘两栋7层楼房,1栋8层楼房局部遭到破坏,造成 汉关公路交通瘫痪,居民7人在此灾害中丧生,主城地下供水管道破裂,输电线 路冲断,直接经济损失500万元。 2007年7月25日一场暴雨后,再次出现了滑动现象,并牵动了南侧滑坡壁的 局部滑动,有向南侧相似地段扩展的趋势。该滑坡的影响范围和危害程度详见表
4.2-1。

第六章沙子口滑坡治理研究

表6.2-1滑坡危害情况一览表
Table 6.2.1
List of landslide hazard

保护对象

事业单 位 彭水县 工商行

居民 城市居 民29l 芦1499 人

房屋

公路

其它设施 加油站1处,储存地下油库

房屋57栋面 积
29304.44m2

交通干 道两条
1025m

1000m3,供油量占主城/12, 地下主城输水管(直径 800mm)500m,供应主城1/3 的居民生活生产用水

规模或数量

政管理 局、彭水 县法院

直接经济损失 间接经济损失

6500万元 4000万元

沙子口滑坡位于彭水县主城区,危害人数1499人,潜在经济损失10500万元, 滑坡防治工程分级属I级。 由上表可知,滑坡一旦发生,必定对上述人员生命财产构成威胁,使彭水县 工商行政管理局、彭水县法院无法正常办公,交通干道陷入瘫痪,地下主城输水 管破裂,使主城1/3的居民生活、生产用水陷入困境,地下油库毁坏泄漏,加油站 无法正常运营等等,据估计,滑坡发生造成的直接经济损失6500万元,间接经济 损失4000万元,潜在经济损失达10500万元,滑坡发生将造成巨大的损失,严重 影响社会安定。 因此对沙子口滑坡进行综合治理,将达到保障人民的生命财产安全、保护土 地的目的,产生巨大的经济效益、社会效益和环境效益。 1)经济效益:沙子口滑坡产生的经济损失包括直接经济损失和间接经济损失。 直接经济损失包括人员伤亡、建筑物、设备及公用设施损坏,公私财产及各类实 物损失等。经调查及初步统计,该滑坡直接威胁到常住人口291户1499人,各类 房屋面积约29304.44m2,其直接经济损失近6500万元。 估计间接经济损失可达4000万元。潜在经济损失将达10500万元,远大于防 治经费,投入产出比将达到1:10以上,防治后产生的经济效益巨大。 2)社会效益:滑坡防治后,人们生产、生活等能有序进行,公路安全畅通, 同时土地得到合理利用,有利于城市规划建设,达到稳定区内人心,保证安定, 从而推动经济发展的目的,产生巨大的社会影响。 3)环境效益:包括地质环境、生产生活环境、投资环境、旅游环境效益。对 滑坡进行防治,防止地质灾害的发生,从而改善地质环境,保护土地,有利于城 市的规划建设,改善投资环境。同时,将带动生产生活环境的改善及美化,产生 显著的环境效益。 因此,对滑坡进行治理具有紧迫性和必要性。

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第六章沙子口滑坡治理研究

6.3本章小结
1)介绍了滑坡治理设计程序及防治原则,针对沙子口滑坡进行加固方案比选, 综合考虑最终采用锚索抗滑桩。 2)建立滑坡体排水系统,并建立滑坡体监测系统对施工期及运行期进行监测。 3)重点对沙子口滑坡的防治效益进行评估,分析进行综合治理后产生的巨大 经济效益、社会效益和环境效益,论述对滑坡进行治理的紧迫性和必要性。

第七章结论与展望

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第七章结论与展望
7.1结论
1、本文论述了目前岩质边坡稳定性分析法中较为普遍采用的刚体极限平衡 法、岩质边坡Sarma法、模糊数学法、离散单元法(DEM)、DDA法及人工神经网络 法。总结了各方法的基本原理及稳定性分析求解步骤,并指出了各分析方法的适 应范围和不足之处。 2、本文分析了渝东南地区顺层岩质边坡失稳的自然因素和人力因素,得出了 岩体结构、暴雨、公路切坡脚等人工活动因素使边坡自身重力场进行调整从而严 重影响边坡稳定性,并在此基础上研究了岩质边坡稳定性评价标准,根据此标准 将岩质边坡的稳定性进行分类即:稳定(I)、基本稳定(II)、潜在不稳定(Ⅲ)、不 稳定(Ⅳ)、极不稳定(V)共五类。 3、通过对渝东南地区顺层岩质边坡失稳机理的研究发现,该顺层岩质边坡在 自然干燥状态下,即使溶槽、沟壑比较发育边坡也处于比较稳定状态,但在暴雨 侵蚀作用下,边坡的稳定性就会变的很差,可见水对边坡岩体稳定性的影响不仅 是多方面的而且是非常活跃的,同时岩体结构也是影响岩质边坡稳定性的重要因 素之一。 4、通过对沙子口北侧已滑区域工程地质条件、性状等的研究,对其滑坡成因 进行分析,合理选取Y、c、尹值,采用刚体极限平衡法和基于Axisys强度折减法 对滑坡南侧残余山体在两种工况下的稳定性进行分析,通过分析结果对比得出: 滑坡整体天然处于基本稳定~稳定状态;在暴雨作用下,整体处于基本稳定~欠稳 定状态。滑坡整体安全储备不足,局部不稳定,需对其进行综合治理。 5、通过运用模糊数学中提出的“隶属度”的概念,用从0-1来描述由“肯定’’ 到“否定"的过渡,运用模糊近似推论的原理和最大隶属度原则对岩质边坡的稳 定性进行分析评价。 本文运用模糊分析法对沙子口顺层岩质滑坡工程进行分析,其分析结果与边 坡实际稳定状态相吻合,表明各作用因素的权重分配合理,其隶属函数和权重分 配可应用于渝东南地区工程地质概况类似岩质边坡稳定性分析。 6、根据沙子口J颐层岩质残余山体稳定性分析计算结果,经安全可靠,技术可 行,经济合理的综合比较分析,采用两排锚索抗滑桩对未滑区域进行加固治理, 建立滑坡体排水系统,并建立滑坡体监测系统对施工期及运行期进行监测。

7.2展望
本论文主要是通过沙子口滑坡的工程实例,研究了渝东南地区顺层岩质边坡

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第七章结论与展望

含薄层软弱夹层的变形和稳定性问题,得出了一些有益理论和工程实践参考的结 论。但由于时间、精力、能力有

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