第1章 绪 言
1,1 滑坡灾害滑坡是一种重要的地质灾害对人类的生命财产带来重大威胁例如滑坡可导致交通中断河道堵塞厂矿城镇被掩埋工程建设受阻表1.1统计了上世纪世界上的一些重大滑坡灾害的实例王恭先1998从中可以发现一些规模较大的滑坡如意大利的瓦依昂滑坡死亡人数达几千人中国宁夏海源及秘鲁Yungay个别特大滑坡灾害的伤亡人数均以万计另外由于滑坡堵塞河道形成天然水库而这些水库又没有溢洪道通常会在短期内溃决形成特大洪水由此导致更大的灾害我国目前正处于经济建设高速发展的时期滑坡给水利铁路公路矿山建设带来巨大损失1989年1月10日在中国云南漫湾水电站大坝坝肩开挖过程中发生的滑坡不仅耗资近亿元进行了治理而且使这个150万kW的水电站推迟发电近一年给云南省经济建设的整体安排带来了困难1981年雨季宝成铁路共发生滑坡289处中断行车2个多月抢建费用达2.56亿元抚顺西露天矿自1914年投产以来为保持边坡稳定共剥离岩石1亿m
3
滑坡可以发生在土质边坡也可能发生在岩质边坡发生于土质边坡的形态通常比较单一基本上以剪切破坏为主滑裂面为圆弧型或圆弧与夹泥层的组合型岩质边坡发生的滑坡则因受岩体结构地应力等影响呈现出崩塌滑动倾倒溃屈等多种破坏类型孙广忠姚宝魁1988
触发滑坡的因素是多种多样的降雨和地震是最常见的滑坡灾害的外因人类的工程活动也是导致滑坡的重要原因常见的工程活动是边坡开挖地下开挖也会触发地面沉降和滑坡湖北盐池河磷矿由于地下开挖导致边坡突然滑坡埋没了村庄287人丧生土方填筑也是导致滑坡的一个重要因素在饱和软弱地基上修建堤坝经常导致堤坝和地基一起滑动高填方本身也会在填筑过程中发生滑坡水库蓄水后库区经常发生大规模的崩岸和滑坡人类与滑坡灾害作斗争的努力始终没有中断过这一努力表现在认识滑坡机理完善边坡稳定分析理论和方法开发滑坡治理技术和滑坡预报等方面对滑坡灾害认识的不断深化是建立在地理地质和岩石力学土力学等一系列科学分支的形成发展和完善的基础上的而滑坡预报和治理又是围绕着确保人身安全和经济建设顺利开展这一中心进行的只有在诸多领域内共同开展深入的研究人类才有可能在防治滑坡方面取得重大进展本章简要回顾土质边坡的滑坡灾害以及边坡稳定分析理论体系形成的过程
2 土质边坡稳定分析?原理
方法
程序表 1,1 世界重大滑坡灾害实例国家地区日期滑坡类型灾害爪哇1919年泥石流5100人死亡140个村庄被毁中国宁夏海源1920年12月16日黄土流约20万人死亡美国加利福尼亚
1934年12月31日泥石流40人死亡400间房子被毁日本久礼1945年1154人死亡日本东京西南1958年1100人死亡秘鲁Ranrachirca 1962年6月10日冰和岩石崩塌3500多人死亡意大利瓦依昂1963年岩石滑坡进入水库约2600人死亡英国Aberfan 1966年10月21日流动滑坡144人死亡巴西Rio de
Janeiro
1966年1000人死亡巴西Rio de
Janeiro
1967年1700人死亡美国弗吉尼亚1969年泥石流150人死亡日本1969年-1972年各种灾害519人死亡13288间房被毁秘鲁Yungay 1970年5月31日地震引起碎屑崩塌碎屑流
25000人死亡
Chungar 1971年259人死亡香港1972年6月各种灾害138人死亡日本Kamijima 1972年112人死亡意大利南部1972年-1973年各种灾害约100个村庄被毁影响20万人秘鲁Mayuamarca 1974年泥石流镇被毁451人死亡秘鲁Mantaro峡谷
1974年450人死亡
Semeru山1981年500人死亡秘鲁Yacitan 1983年233人死亡尼泊尔西部1983年186人死亡中国东乡县洒勒
1983年黄土滑坡4个村被毁227人死亡哥伦比亚Armero 1985年11月泥流约22000人死亡土耳其Catak 1988年6月66人死亡
1,2 土质边坡中发生的滑坡
1,2,1 天然边坡在天然边坡中发生的山体滑移通常没有人类活动降雨地震等明显的触发因素此类滑坡多呈现渐进性破坏特征触发滑坡的主要因素为滑带土由峰值强度向残余强度的过渡1983年3月17日17时45分发生于甘肃洒勒山的滑坡是一个典型的实例见图1.1
滑坡处于甘肃东部黄土高原滑带是由临夏组黑灰色粘土岩演变的5~20cm的夹层组成矿物成分以蒙脱石为主滑坡于1979年9月起动当时在北坡发现宽约10cm的东西向的裂缝自1982年10月至12月开始进入挤压滑移阶段最终于1983年3月进入剧变和滑动阶段滑坡体积5000 m
3
摧毁4个村庄227人死亡在高山峻岭中通过的河道通常为滑坡提供了理想的临空面因此在天然边坡的滑坡中第1章 绪言 3
河道滑坡占了相当大的比例1943年2月7日在甘肃共和县的查纳滑坡是发生于西北黄土半成岩地区的一次规模巨大的灾害见图1.2滑体总量达1.27亿m
3
滑速达40m/s 100
余人遇难黄河曾短期断流查纳滑坡发生在早中更新世内陆湖相沉积的半成岩土中此类超固结土的材料强度试验呈明显的应变软化特征似岩非岩似土非土构成了一个典型的渐进型破坏高速滑动的条件
图 1,1 洒勒山的滑坡图 1,2 查纳滑坡
1985年6月12日凌晨在长江西陵峡上段兵书宝剑峡出口新滩镇发生总方量0.2亿m
3
高度达800m的滑坡这是一个成功地实现滑坡预报的例子1371人在滑坡前数小时安全撤离
1967年6月8日在雅砻江发生的唐古栋滑坡以其巨大的规模载入历史纪录见图1.3
失稳边坡高达1000m滑坡材料为风化残积土滑坡体总方量为0.68亿m
3
堵塞河道后形成一个高达335m的大坝库容6.8亿m
3
唐古栋滑坡将河道堵塞9天后天然坝决口洪水以39m高的立波形式冲向下游洪峰流量为5300 m
3
/s (Chen,1992)
图 1,3 雅砻江唐古栋滑坡
1,2,2 工程边坡滑坡是土木水利交通矿山等基本建设工程常见的事故和灾害工程开挖和填筑是导致滑坡的两大主要原因
4 土质边坡稳定分析?原理
方法
程序
1,开挖边坡
1985年12月24日下午3时天生桥二级水电站首部右侧挡土墙施工时发生滑坡见图1.4虽然坡高仅30m但导致了正在基坑内施工的48人丧生这一滑坡的主要原因是坡内存在一层饱和软粘土第4章将以此为实例介绍滑坡稳定分析的方法天生桥二级水电站电站厂房高边坡在开挖时也触发了一个规模较大的滑坡滑体沿向斜的夹泥层以7.8m/日的速率移动曾采用卸荷排水抗滑桩和预应力锚索等多种手段来治理这一滑坡第13章13.9节详细介绍了对这一边坡进行加固过程中所作的稳定分析铁路公路边坡由于大部分为明挖滑坡通常是路堑建设的重要制约因素表1.2列出了福建省高速公路施工时发生的主要滑坡姚国芳2002图1.5示1992年宝成铁路
K190段滑坡全貌表 1,2 福建省高速公路主要滑坡工点一览表路段名称滑坡地点性质规模处理措施工程投资元石牌山高边坡堆积层滑坡边坡高约40余m明洞约100m约800万福泉高速公路官秀互通滑坡古滑坡复活堆积层滑坡宽150m长150m
厚度约10~20m
两排抗滑桩辅以抗滑挡墙和排水平孔等约600万新祠互通滑坡顺层滑坡石英砂岩+泥岩高度约70余m宽度约100m厚度约
10~15m
改线漳龙高速公路岩段K67+995滑坡破碎岩石英砂岩滑坡高度约100余m宽度约70m厚度约
10~15m
预应力锚索地梁+土钉+挂网喷射混凝土约350万
K63+770~+
980
堆积层古崩坡积层滑坡高度约200余m宽度约160m厚度约
15~20m
预应力锚索抗滑桩+
抗滑挡墙+排水平孔约350万
K64+670~+
780
古滑坡复活崩坡积体高度约110余m长度度约200m具多级次滑动面预应力锚索框架+抗滑挡墙+排水平孔约350万漳龙高速公路和溪段
K64+960古崩坡积层开挖失稳边坡高度约20余m
滑坡体宽度约60m
长度约80m
滑坡刚产生变形就采用预应力锚索框架原位锁定并辅以排水平孔约70万福宁高速公路八尺门互通滑坡古滑坡体复活松散堆积体沿线展宽约500m
纵长200~300m的古滑坡群及时采用预应力锚索框架+预应力锚索抗滑桩+平孔排水
5000万梅列互通滑坡一个古滑坡复活一个破碎岩石高边坡滑坡古滑坡体约5万m
3
边坡高约70m滑坡体厚度约25~35m
预应力锚索抗滑桩+
预应力锚杆地梁预应力锚索框架+抗滑挡墙
250万
+1000万三福高速公路西芹桥头滑坡古滑坡复活泥岩及泥质粉砂岩边坡高度约60m长度约300m
预应力锚索框架+预应力锚索抗滑桩+抗滑挡墙+平孔排水约1100万第1章 绪言 5
图 1,4 天生桥二级电站闸首滑坡图 1,5 宝成铁路K190段滑坡
2,填筑边坡在饱和软粘土上修建堤坝当施工速率较高时经常会发生滑坡图1.6为2001年长江大堤江西马湖段软弱地基上发生的一个滑坡图 1,6 长江大堤江西马湖滑坡饱和粘土通常压缩性很大而渗透系数很小填土增加的地基应力要完全转化为有效应力必须将地基中的水充分挤出如果施工速率过快则孔隙水压力无法及时消散导致有效应力有可能随荷载的增长而同步增长因而诱发滑坡为了保证在软基上修筑坝的稳定性常需要采取一定的工程措施例如通过砂井塑料板排水或真空预压等技术加速水压力消散填筑土本身在施工速率较快时也会发生滑坡这是由于填筑土的含水量通常已使粘土的饱和度超过90%进一步的填筑会使粘性土的孔隙水压力快速增长导致堤坝施工期的滑坡
1,2,3 地质环境边坡将滑坡与工程地质环境直接有关的边坡称为地质环境边坡分述如下
1,地震诱发的滑坡地震是诱发滑坡的重要因素在我国有关地震引起的滑坡可以在4000年前的记载中找到竹书记年记载公元前1767年在河南发生的一次地震:桀十年五星错行夜星陨如雨地震伊洛竭自公元前780年到1976年文献记载了656个大于6级的地震公元前780年的一次文献记录了地震诱发的滑坡同幽王二年泾渭洛三川皆震川
6 土质边坡稳定分析?原理
方法
程序竭岐山崩1718年甘肃通渭发生7.5级地震40000人丧生1920年11月16日海源地区8.5级地震触发了675个高原地区的滑坡形成了40个天然湖其中27个目前仍然存在
1970年5月31日下午3时23分距秘鲁海岸130m处发生7.7级地震导致安第斯山脉中海拔6654m的Nevados Huascaran山体发生总量为0.5～1亿m
3
的滑坡山体向前推进16km覆盖了22.5km
2
的面积掩埋了Ranrahirca和Yungay两个村庄18000人丧生
1911年发生于塔吉克斯坦境内的地震形成了一个库容达11亿m
3
的Sarez湖 (Palmieri,
2000; Schuster,2002)滑坡体积22亿m
3
,天然坝长2km,高600m这一坝高远远超过了人类建造的土石坝的世界纪录罗贡330m也在塔吉克斯坦图1.7示该大坝和Sarez湖图 1,7 塔吉克斯坦由地震形成的Sarez湖表1.3总结国内外由地震诱发的重大滑坡(Hansen,1991)同表1.1和表1.2一样它也不是此类滑坡全面的总结
1990年6月20日伊朗Caspian省发生7.3级地震震中附近出现多处滑坡其中Galdian
滑坡总方量达20×10
6
m
3
坡面长达3km滑坡后出现若干天然湖泊说明地震和滑坡导致了水文地质情况发生了根本的改变图1.8示1995年1月17日发生在日本的阪神地震诱发的滑坡数目和与活断层的关系
(Sassa,1995)
地震时发生的砂土液化是导致滑坡的主要原因受1976年7月28日唐山地震波及北京密云水库白河大坝上游坝坡发生滑坡类似的实例还有发生在1925年6月29日美国
Sheffield坝的滑坡
2,古滑坡体和堆积体边坡古滑坡体和堆积体的复活是土质边坡中发生的又一种滑坡它通常和人类活动有关第1章 绪言 7
表 1,3 国内外由地震诱发的重大滑坡灾害日期年国家地区滑坡类型或伤亡原因死亡人数公元前1789中国甘肃武都岩石滑坡和泥石流760
公元前372-73希腊整个城市冲向海洋无记载
1348
澳大利亚岩石滑坡人员伤亡巨大
1718震级M=7.5中国甘肃通渭黄土滑坡>40000
1783
意大利Calabra多数为液化导致的滑坡整个村庄
1786震级M=7.5中国四川康定-沪定滑坡形成的天然坝溃决死于洪水
1856中国四川饯江岩石滑坡>1000
1870岩石滑坡>2000
1920中国宁夏海源黄土滑坡>100000
1933震级M=7.5中国四川叠溪一个滑坡导致576人丧生6800人死于地震滑坡形成的天然坝溃决导致超过2429人死亡
1935中国四川惠利岩石滑坡和泥石流250
1931秘鲁岩石滑坡>18000
图 1,8 日本阪神地震滑坡数目和与活断层的关系我国南方地区普遍发育坡崩堆积体此类物质是和在漫长的地质历史中发生的山体不稳定活动有关在堆积体和基岩之间多存在夹泥层许多卧于基岩面上的第四纪堆积物都可能是古滑坡体也可能是坡崩堆积体无论何种类型这一第四纪物质形成的边坡多处于临界状态降雨和工程活动都可能触发这些山体滑坡即使没有明显的外界触发因素也会发生渐进性破坏紫坪铺水利枢纽工程2号导流洞出口边坡在开挖过程中曾触发坡堆积体的滑坡在一个月内发生的几次滑坡不仅严重干扰了工程施工而且短期封闭了通往九沟寨国道
8 土质边坡稳定分析?原理
方法
程序水电建设中发生的另一堆积体滑坡的例子为位于云南省昭通地区大水沟水库工程这一面板坝的溢洪道中部分布有5~15m厚的崩塌坡积物其主要成分为粘质粉质土砾粒径变化较大结构松散崩塌坡积体与基岩交接面处分布有厚约0.5~1m的残积层主要成分为泥质及岩屑塑性较大强度较低在2002年7月17日开始施工单位进行溢洪道边坡开挖的准备工作此时适逢雨季几乎每日均有雷阵雨随后即在边坡上发现上部出现大面积裂缝顶部有两条较大的裂缝一条出现在高程1210m附近另一条在1230m高程附近裂缝宽度可达10~15cm呈弧形分布裂缝产生区域在桩号0-100m至0+020m
累积变形量分别为108mm和113mm
这两个工程实例还将在第13章中介绍在进行工程建设时当怀疑某第四纪覆盖层是由坡崩堆积体构成时则需要通过各种勘探手段钻探平硐物探等了解第四纪堆积体与基岩的接触面的几何形态查明接触面的物质组成和抗剪强度指标以正确评价开挖和降雨对这些潜在不稳定边坡的影响
3,特殊土边坡由黄土膨胀土等特殊土构成的边坡可能导致特殊的边坡稳定问题第1.2.1节介绍的洒勒山查纳滑坡的主要物质是黄土但是滑面则是半岩的粘土为典型的超固结土因而具有应变软化特性黄土高原地形地貌复杂分为土塬梁峁三种地形为地质作用的产物黄土具有颗粒粗土质结构疏松孔隙率大遇水崩解湿陷等特点在微结构方面多呈垂直裂隙形态黄土边坡经常受到河谷冲沟侵蚀切割临空条件远比其它边坡明显遇降雨后水很容易在垂直方向渗入边坡底部而我国黄土通常下卧一层不透水的红层粘土一旦渗流达到此层后即开始滞水导致湿陷和浸润线大范围抬高最终导致滑坡我国西北地区黄土高原是黄土边坡崩塌和滑坡的多发区据陕西省滑坡办对1985至
1993年间黄土崩塌滑坡事件统计省内总计有62处黄土崩塌滑坡事故造成伤亡者32
处共死亡285人李坤1998
在下一节还将简要回顾黄土地区的泥石流灾害
1,1,4 水环境边坡水是诱发滑坡的主要因素我们的祖先将滑字赋以水的偏旁足以说明这一点由水环境触发的滑坡大致可分为以下几种
1,暴雨触发的滑坡暴雨是导致滑坡和泥石流的主要触发因素我国西南西北是泥石流多发地区1982年7月四川万县地区普降暴雨仅云阳县就发生滑坡2万多处并形成数百处较大规模的裂缝忠县在此期间形成滑坡及崩塌多达3
万多处其中大中型滑坡30余处暴雨诱发的滑坡仅云阳县就毁坏房屋数万间总方量超过0.1亿m
3
的滑坡10余处1981年雨季宝成铁路宝鸡至广元段共发生滑坡289处使该路段37个区间断道32次中断行车两个月抢建工程费达2.56亿元香港处于亚热带多雨丘陵地区人口稠密暴雨经常触发灾难性滑坡1925年7月17
第1章 绪言 9
日在普庆坊地区发生的滑坡推倒了一座高挡土墙摧毁了5座楼房75人丧生1966年中旬香港地区连续普降大雨6月11日在24小时内降雨40~525mm 6月12日1小时降雨强度达108~157mm发生了数百处滑坡1972年暴雨强度达到了新的记录在6月16
日至18日24小时降雨强度达560mm由此在香港岛诱发的滑坡伤亡人数达250人其中发生于宝珊道的滑坡摧毁了一栋4层楼房61人丧生发生于秀茂坪的土质边坡流滑淹埋了一个楼房71人丧生图1.9为1972年7月18日发生在香港岛半山区的滑坡1976
年8月25日总计416mm的降雨再次诱发滑坡57人伤亡1982年香港的年降雨量再创记录达3248mm总计发生大小滑坡1500处(Brand,1989)
我国台湾岛台风季节经常伴随暴雨引起滑坡泥石流灾害1996年7月31日至8
月1日强台风以60m/s的速度袭击台湾12小时和24时的降雨强度达1158mm和1749mm
全岛发生1315处滑坡20处泥石流101条公路中断1383座房屋被摧毁死73人伤
453人( Lin & Feng 2001)
泥石流与气象地貌地质特征有明显的关系因此常常有一些地区成为泥石流重灾区我国云南昭通地区几乎每年都有滑坡泥石流灾害报道1991
年9月23日18时头寨沟发生的滑坡导致216人丧生(Zeng,el,al,1992)滑坡分两个阶段在第一阶段处于高程
2300m～1870m的山体下滑总计0.2
亿m
3
土体在坡趾处形成高100m的堆积物这个堆积物随后变成泥石流以
30m/s的速度沿10°的坡面冲出3km
停止在山口将一村庄掩埋图 1,9 1972年发生于香港岛半山区的滑坡又如广东省清远市东部约15km位于北江北岸的飞来寺建于梁武帝元年公元520
年是岭南三大古刹之一1997年5月8日特大暴雨导致寺后山沟泥石流暴发冲毁10000
多平米的庙宇和一批重要文物7名僧尼遇难2名民工失踪查阅史书在嘉靖三十年1552
年五月初一和万历丁末年1607年四月初五均遭受同样的灾害书载大雨滂沱山洪暴发山崩飞来寺被毁(刘瑞华1988)
在前节已介绍我国黄土高原是泥石流的多发区表1.4列出了黄土高原上几处泥石流暴发时与降水要素的关系(邓养鑫1986)一些文献详细讨论了黄土地区滑坡泥石流的发生规律
2000年4月9日西藏易贡发生高达3300m的滑坡滑坡的触发因素是春季雪山融化因此也属于水环境影响的滑坡图1.10按高度计该滑坡大概是全世界有史书记载以来规模最大的一个滑坡体宽2500m总方量2.8亿m
3
修建水库后库区可能诱发各种滑坡发生于岩石边坡中的滑坡多呈突发性体积较大时具有很大的破坏性1963年10月9日意大利高276m的瓦依昂拱坝的库区发生总方
10 土质边坡稳定分析?原理
方法
程序量为2.75亿m
3
的超大体积滑坡滑坡产生了一个高达260m的涌浪在大坝处高达100m
拱坝超载8倍洪水以70m高的立波冲向下游2000余人丧生图 1,10 西藏易贡滑坡三峡工程库区是滑坡多发区在工程建设中经过详细勘测共确定了2490多处潜在滑坡体和90多条潜在泥石流沟这不仅对工程构成潜在危害而且也将影响库区居民的生活和生产安全因此共投资40亿对重点边坡进行了治理水库区发生于土质边坡的不稳定现象多呈现为渐变和崩塌型鲁布格水电站建成后库区左岸发耐村岸坡发生大范围的的滑移为渐变和崩塌型的一个典型实例该滑坡材料为坡崩塌堆积体和坡积物滑面为坡堆积体与基岩接触面滑坡体高差
90~150m顺河向呈长条形分布总体积为0.26亿m
3
在水库蓄水的第一年滑坡体的垂直和水平位移达3.0～3.5m最终以缓慢的速度滑入水库表 1,4 几处泥石流暴发时的降水要素沟名所在地时间年.月.日泥流类型一次降雨量
mm
降雨历时
h
平均雨强
mm/h
洪水沟兰州市1964.7.20粘性150.0 4.0 37.5
罗玉沟天水市1965.7.7稀性90.0 8.0 11.2
刘家湾沟天水县1978.7.12粘性105.0 2.0 52.5
孙家岔沟榆中县1980.8.8稀性111.6 1.2 93.0
肖水沟清涧县1971.7.23粘性213.0 4.0 53.3
韭园沟绥德县1956.8.8稀性45.1 2.4 18.8
2,水库水位骤降诱发的滑坡由于种种原因水库需要持续放水库水位骤降导致的坝坡失稳事例屡见不断表1.5
总结了我国12个典型的事例现对三个库水位骤降引起的坝坡失稳作一简要介绍汝乃华牛运光2001
(1) 江西省七一水库七一水库埋管坐落在泥质页岩风化砂岩和坚硬石英砂岩等三种不同的岩基上由于坝身施工质量较差投入运行后先后出现三条环形裂缝成为坝体内的一大隐患因此决定废弃此坝内埋管于1970年10月在坝右岸山体内另开引水隧洞因采用岩塞爆破无法控制库水位的降落速度当时库内水位80.03m平均降速为
1.15m/d最大达1.954m/d至11月19日库水位降至69.07m时左坝段上游面发生滑坡其中心桩号为0+241m见图1.11滑坡体宽约148m滑弧半径约为133.5m中心角约56.5° 11月23日库水位继续下降到64.15m时右坝段上游面相继滑坡其中心第1章 绪言 11
桩号为0+083m滑坡体宽约115m滑弧半径约66m中心角为71.5° 11月27日库水位降至58m时左坝段第一次滑坡边缘继续下滑滑坡前沿又向上游推移20余米总降幅为22.03m滑坡量左岸约30万m
3
右岸约20万m
3
图 1,11 江西省七一水库坝坡失稳
1?心墙2?风化土3?风化土石4?加高后下游坡5?带截水槽的铺盖6?推测的滑动面7?沙砾石
8?页岩石英砂岩互层9?滑坡前坝面10?滑坡后坝面11?始降水位12?左岸滑坡时水位13?右岸滑坡时水位表 1,5 12座土石坝滑坡前水位降落情况编号名称放水经历天数滑坡前最高蓄水位(m)
库水位下降幅度(m)
日平均降落水深(m)
日最大降落水深(m)
连续放水原因
1岭里86 70.46 13.76 0.16 0.60春灌需要
2红五一25 293.82 17.07 0.68 3.09修理转动门盖
3溪兜16 96.20 9.70 0.60 1.80转动门盖发生故障
4九龙岩14 99.77 9.97 0.71 1.00冬灌需要
5牛柘一级11 41.00 18.00 1.60 4.00转动门盖故障
6廷洋28 94.00 9.00 0.32 0.40更换转动门盖拉绳
7三溪15 96.00 9.00 0.60 0.40放水灌溉
8将溪7 342.30 11.00 1.56 1.60处理白蚁放水
9坊头43 431.80 18.80 0.43 1.80连续放水
10英雄60 64.3 8.60 0.14 0.30修理放水涵管
11院洋25 100.7 12.0 0.44 1.00降低水位抓鱼
12隔坑3溢洪道顶12.6 4.20 4.60闸门被冲走
(2) 湖北省狮子岩土石坝坝坡失稳大坝为粘土心墙坝最大坝高45m 1979年8月
18日库水位为202.5m时发现大坝下游坡高程194m平台有一股漏水流出开始直径仅
2cm以后逐渐加大到19日晨增加到20 cm水色灰黄并有细砂土粒带出经调查系大坝隧洞内的水渗出混凝土施工质量差所致为此决定放空水库处理隧洞9月24
日在库水位205.15m时开始放水到12月1日库水位降落到181.2m历时68天共下降
23.95m平均每天降落0.35m其中最大降速为11月26日至29日的4天总计降幅为6.4m
随后上游坝体开始滑坡12月2日以后虽然停止放水水位保持在180.7m但滑坡继续扩大最后滑体的上口裂缝宽达0.5m两边高差2m左右剖面见示意图1.12
12 土质边坡稳定分析?原理
方法
程序
(3) 湖南省流光岭土石坝滑坡该坝位于湖南省邵东县涟水支流上大坝为均质土石坝最大坝高42.5m
1968年冬水库水位从208.5m下降平均降落速度为1.1m/d 12月5
日晨坝顶出现平行坝轴线纵向裂缝长85m呈圆弧形弯向上游至10日滑坡体基本稳定经实测向上游水平位移13.5m垂直位移
3.98m剖面见示意图1.13
3,泄洪雨雾水工建筑物在汛期泄洪受影响的边坡承受持续的较常规暴雨强度大十几倍的降水最终导致滑坡图 1,12 湖北省狮子岩土石坝坝坡失稳
1?滑坡区1?心墙3?裂缝4?放水前水位5?滑坡时水位图 1,13 湖南省流光岭土石坝滑坡
1?第1次滑坡面2?第3次滑坡面3?最终处理后的上游面目前已发生的规模较大的由泄洪雨雾导致的滑坡均发生于岩质边坡龙羊峡水电站在1987年和1989年7月汛期曾两次开闸泄洪1987年第一次泄洪后受水雾影响下游右岸虎山坡边坡即出现大范围开裂1989年泄水时山体在7月17日到25日发生急剧变形最终坠入河床位于龙羊峡下游的李家峡水电站下游3号滑坡是另一受雨雾影响发生于岩体沿层面滑动的例子张尚信吕祖衍2002
4,江河崩岸我国的大江大河如长江黄河珠江普遍存在崩岸问题图1.14是江西江新州河岸塌崩现象崩岸的触发因素是河岸的淘刷但最终是以滑坡来完成河岸回缩过程的河流出现弯道的自然现象就是江岸不断崩塌回缩形成的下面几个崩岸的实际资料足以说明崩岸现象的严重性
(1) 湖北鄂洲耙铺大堤塌崩1959至1989年期间江岸后退1324 m由于目前江岸已紧靠铁路和国道不得不斥巨资对河岸进行加固
(2) 1994 年6月11日湖北荆州北门口3 km 长的江岸以55 m/h回缩同年10月14
日100 m 的河段3小时回缩了100 m
第1章 绪言 13
(3) 图1.15示湖南岳阳地区荆江门段的河势此处长江与洞庭湖之间的陆地距离只有
13km但荆江门段的江岸每年以33m的速度回缩如不治理长江就会在近期直接进入洞庭湖导致整个地理生态环境的重大改变河流弯道是大自然通过淘刷和滑坡改变地理环境的杰作当弯曲到一定程度后一次洪水就可以裁弯取直令河道重新顺直1998年洪水中发生的湖北排洲湾溃堤即是一例遗憾的是人类活动的格局已经不能允许这种重新安排的山河了必须千方百计地保持现状因此在江河大堤整治工作中巨大的投资被用于制止崩岸的工程建设中据统计从1949年到1992年河道整治单位已在长江崩岸多发区倾倒了7000万m
3
的石块在“98”洪水后国家斥资630亿元的整治大堤工程中有30%至40%的经费用于防治崩岸
图 1,14 江西江新州河岸塌崩图 1,15 湖南省岳阳地区荆江门段的河势
5,尾矿坝矿山火电厂在提供产品的同时每日每时都在生产堆放大量废弃物质这些物质通常以细颗粒形式通过水力输送集中堆放在某一地点年复一年形成了高度和库容都具一定规模的尾矿坝此类建筑物不可能按照很高的标准来修建因此失事的风险很大又因为尾矿颗粒极细失事时多以静力和动力液化状态瞬时向下游泄放洪水和废弃材料其迁移距离达几百米或几公里故其破坏力极大1985年7月19日位于意大利北部的Staver
萤矿尾矿坝失事268人丧生1996年5月1日位于保加利亚北部的Sgurigrad铅锌铜矿的高45m的尾矿坝由于连续三天的暴雨使库水位上涨导致坝坡失稳液化后的材料随洪水冲向下游1km处107人丧生我国山西省金堆城音译钼尾矿坝高40m由于溢洪道不能正常运行导致坝内浸润线抬高1988年4月30日在坝的中心部位发生圆弧滑动溃后20人丧生智利Barahona铜矿高61m的尾矿坝坝坡仅为1:1 1928年10月
1日遇8.3级地震坝体液化后形成一个约1500m的缺口54人丧生另一座智利铜尾矿坝EL Cobre New Park其下游坝坡虽已达1:3.7但在1965年3月28日的7级地震中发生液化导致一邻近的老坝溃决200余人丧生国际大坝会议尾矿坝专业委员会曾对尾矿坝安全进行专题研究并收集了235个失事实例表1.6列出由于边坡失稳导致的尾矿坝失事实例
14 土质边坡稳定分析?原理
方法
程序表 1,6 国际大坝会议统计的由于边坡失稳导致的尾矿坝失事实例原表编号矿名,国家矿类坝高
(m)
库容
(10
6
m
3
)
失事时间
(年)
泄量
(10
6
m
3
)
迁移距离
(m)
6 Avoca Mines,lreland
铜
7 Bafokeng,South Africa铂20 13 1974 3.0 45,000
11 Battle Mt,Gold,
Nevada,USA
金8 1.54 1984
13 Big Florida,USA
磷
18 1986
15 Bilbao,Spain 0.115
18 Cadet No,2,Montana,
USA
重晶石21 1975
19 Captains Flat Dam2,
Australia
铜
22
22 Carr Fork,Utah,USA铜10 1975
23 Casapalca,Peru铅锌107
37 Deneen Mica,North
Carolina,USA
云母18 0.3 1974 0.038 30
47 GCOS,Alberta,Canada油砂61 1974
62 Kennecott,Utah,USA铜1941
66 Kimberley,BC,Canada铁1948 1.1
72 Lower lndian Creek,
MO,USA
铅1960
77 Marianna Mine#58,
PA,USA
煤37 0.3 1986
94 Phelps-Dodge,New
Mexico,USA
铜66 1980 2.0 8,000
96 Pit No,2,Westem
Australia
稀土9 1977
100 Ray Mine,Arizona,
USA
铜52 1972
101 Ray Mine,Arizona,
USA
铜52 1973
113 Southwest US,USA
116 Stancil,Maryland,USA砂砾9 0.074 1989 0.038 100
117 Stava,North ltaly荧石29 0.6
1985
0.2 4,000
118 Suncor E-W Dike,
Alberta,Canada
油砂30 1979
122 Texasgulf 4B Pond,
USA
磷8 12.3 1984
123 Texasgulf No,1,USA
磷24.7 1981
144 Unidentified,United
Kingdom
煤20 1967
145 Unidentified,United
Kingdom
煤14 1967
149 Unidentified,ldano,
USA
磷34 1976
150 ldano,USA
磷18 1965
156 Alfaria River,Florida,
USA
磷8 1952
160 Easterm USA煤150
165 Peace River,Florida,
USA
磷8 1952
169 Unidentified,Southern
USA
磷43 0.5 1973 0.17 25,000
第1章 绪言 15
续表编号矿名,国家矿类坝高
(m)
库容
(10
6
m
3
)
失事时间
(年)
泄量
(10
6
m
3
)
迁移距离
(m)
172 Union Carbide,Uravan,
Colorado,USA
铀43 1979
185 Zlevoto No,4,
Yougoslauia
磷/锌25 1.0 1976 0.3
192 Texas Gulf 4B Pond,
Aurora,N,Carolina,
USA
磷8 12.3 1984
194 Olinghouse,Nevada,
USA
金5 0.12 1985 0.025 1,500
197 La Belle,Pennsylvania,
USA
煤
79 1.2 1985 Zero
198 Stava,North ltaly荧石26 0.3 1985
206 Xishimen,China铁31 1987 0.0223
210 Sullivan Mine,BC,
Canada
21 1991
219 Placer,Surigao del
Norte,Philippines
金17 1995 0.05 Out to sea
223 Mirolybovka,Southern
Ukraine
铁32 80,1984 none
224 Balka Chuficheva,
Russia
铁25 27 1981 3.5 1,300
226 Fernandinho,nr Belo
Horizonte,Brazil
铁40
227 Minera Sera
Grande:Crixas,Goias,
Brazil
金41 2.25Mt 1994 None
232 Stoney,Middleton,UK 1968
235 Sgurigrad,Bulgaria铅/铜/锌/
银
45 1.52 1996 0.22 6,000
1,3 边坡稳定分析
1,3,1 边坡稳定分析的理论基础在土力学中边坡稳定分析是和另外两个分支即土压力和地基承载力同时发展起来的
1776年法国工程师库仑(C,A,Coulomb)提出了计算挡土墙土压力的方法标志着土力学雏型的产生朗肯(W,J,M,Rankine 1857)在假设墙后土体各点处于极限平衡状态的基础上建立了计算主动和被动土压力的方法库仑和朗肯在分析土压力时采用的方法后来被推广到地基承载力和边坡稳定分析中形成了一个体系这就是极限平衡方法极限平衡法是建立在大家所熟悉的摩尔库仑强度准则基础上的其表达式为
φσφστ ′?+′=′′+′= tan)(tan ucc
f
(1.1)
式中τ
f
为破坏面上的剪应力c′ 为土的有效粘聚力σ和σ′为破坏面上总应力和有效法向应力φ′ 为土的有效内摩擦角极限平衡方法的基本特点是只考虑静力平衡条件和土的摩尔库仑破坏准则也就是说通过分析土体在破坏那一刻的力的平衡来求得问题的解当然在大多数情况下问题是静不定的极限平衡方法处理这个问题的对策是引入一些简化假定使问题变得静
16 土质边坡稳定分析?原理
方法
程序定可解这种处理使方法的严密性受到了损害但是对计算结果的精度损害并不大,这一点将是本书第2章重点讨论的问题之一由此而带来的好处是使分析计算工作大为简化因而在工程中获得广泛应用进入20世纪70年代后随着计算机和有限元分析方法的产生和发展应用严格的应力应变分析方法分析建筑结构的变形和稳定性已变得可能因此有限元法也被广泛应用于边坡稳定分析采用这一方法可以不必对一部分内力和滑裂面形状作出假定使分析研究成果的理论基础更为严密从近30年的实际应用情况来看有限元方法也存在自身的局限主要是在确定边坡的初始应力状态把握边坡临近破坏时的弹塑性本构关系以及保证非线性数值分析的稳定性等方面遇到的困难另外还有计算成果和工程实践中采用的传统的安全系数判据接轨的问题近期在这方面取得了一些重大进展将在本书第9章简要介绍
1,3,2 边坡稳定分析的极限平衡法从库仑和朗肯两种不同思路出发极限平衡方法也逐渐形成两个独立的分支一是通过研究滑裂面上作用的力的静力平衡和确定临界滑裂面求得问题的解在此基础上导出了目前广泛采用的稳定分析的条分法另一是在假定土体内处处达到极限平衡状态的前提下用特征线法求解应力场在一定的简化条件下获得问题的闭合解现作简要回顾
1,极限平衡分析的垂直条分法首先假定一个扰动因素使土体从目前的稳定状态进入极限平衡状态此时滑体内出现一假想的滑裂面在该滑裂面上每一点的法向应力和切向应力都满足摩尔?库仑强度准则这个扰动因素在主动土压力的情况下是挡土墙对土体的支持力其反作用力即为主动土压力逐步减少的增量?P
a
它使土体最终朝着墙的方向下滑在被动土压力情况下是挡土墙对土体的作用力其反作用力即为被动土压力逐步增加的增量?P
p
它使土体背着墙的方向滑移在地基承载力问题中这个扰动因素就是表面荷载的增量?q在边坡稳定问题中通常的作法是将土体的抗剪强度指标c′和φ′ 减少为c′/F和tanφ′/F F称为安全系数Sarma (1968)提出了另一种做法即在滑动土体每个单元加上一水平体积力
K?W使土体在假设的滑裂面上达到极限平衡状态在滑裂面为一特定的形状时如直线(Coloumb 1776)或对数螺旋线(Terzaghi,1944)
则可以通过求解静力平衡方法唯一地确定相应该滑裂面的上述扰动因素的量值如果滑裂面为任意形状那么为了确定沿滑裂面的应力分布需要将滑动土体分成若干垂直土条通过分析作用于土条上的力来建立平衡方程为了使问题变得静定可解还需要对土条间的作用力作一些假定最终获得使该滑裂面处于极限平衡状态所需要的扰动因素的量值在求得一个滑裂面的扰动因素的量值后还要对不同的滑裂面重复这一计算步骤获得一系列的扰动量真实的临界滑裂面相应于
1) 最小的?P
a
最大的?P
p
2) 最小的?q
3) 最小的K或F
第1章 绪言 17
2,滑移线法上限解法上述极限平衡的垂直条分法获得的是一个满足静力平衡条件的应力场同时要求滑裂面上每一点的应力状态均在摩尔圆上或以内但是并不要求滑体内的每一点的应力状态均在摩尔圆上即处于极限平衡状态因此所获得的解应小于或等于使边坡发生的破坏真实荷载在塑性力学领域属下限解下面要讨论的滑移线法是假定土的破坏区内各点均达到了极限平衡条件这样在破坏区域的每一点除了可以建立静力平衡条件外还可以增加一个摩尔?库仑破坏条件在一定的边界条件下可以用特征线法求解由此形成的方程组在一些简化的边界和土质条件下可以获得闭合解解得的特征线就是土力学中滑移线其中一组就是滑裂面索科洛夫斯基1954龚晓南等2000在土压力领域朗肯理论便是在边界条件非常简单的情况下的一个实例Prantdl (1921)解得了地基承载力的闭合解索科洛夫斯基(1954)提出了一个系统的方法应用该法可以给出较复杂边界条件下的土压力地基承载力和边坡稳定的一系列闭合解条分法和滑移线法的主要区别是后者假定土体的每一个单元都达到了极限平衡状态而前者只假定土体沿滑裂面达到了极限平衡严格的条分法通过合理性条件也对土条的应力状态作出限制但仍允许一部分土体处于弹性状态因此所得通常是一个偏保守的解属下限范畴滑移线法由于假定破坏土体处处达到极限平衡因此相应的是一个上限解目前在边坡稳定分析领域普遍使用垂直条分法其原因大概是
1) 在滑坡时确实存在着一个明确的滑裂面
2) 天然边坡包含十分复杂的土质和边界条件索氏使用的纯解析的方法很难实行上世纪90年代Donald和作者曾致力于开发一个基于对土条进行斜分条的极限分析方法(Donald & Chen,1997)这一方法假定滑动土体在滑面和倾斜界面均达到了极限平衡用虚功原理来求解安全系数这一方法实际是索科洛夫斯基理论滑移线法在一维条件下的简化同时又可纳入塑性力学上限解的理论体系大量的算例证明这一方法对一些具有闭合解的特例可以获得和索氏解答完全一致的计算成果对于大量实际边坡问题上限解法又和垂直条分法获得安全系数十分接近如果同时采用极限平衡的垂直条分法和
Donald & Chen的斜条分法那么可以分别从上限和下限逼近边坡问题的真实解有关极限平稳和极限分析的理论还可参阅其它文献沈珠江2000; Chen,1975
由于岩质边坡通常存在一组陡倾角的结构面因此建立在对滑坡体斜分条基础上的极限平衡方法在模拟节理岩体方面有独特的优越性已经证明这一方法和分析岩质边坡的Sarma法是完全等效的本书是叙述土质边坡稳定分析方法的专著作者将垂直条分的极限平衡分析方法作为贯穿于全书的主线而在拟与他人合作编写的另一本阐述岩质边坡的专著中作者将以斜条分法作为贯穿全书的主线在该书问世以前有兴趣的读者可以参阅已经发表的一系列有关论文(Donald & Chen,1997; 陈祖煜1997; 陈祖煜汪小刚2000陈祖煜汪小刚
1999 Chen,et,al,2001; 陈祖煜2002)需要说明的是尽管垂直条分法是在土质边坡分析领域中提出的但是其基本原理在岩质边坡和坝基抗滑稳定分析中同样适用同时本书也给出了这方面的应用实例
18 土质边坡稳定分析?原理
方法
程序
1,1,3 极限平衡法理论体系的形成如前所述本书将全面论述建立垂直分条的极限平衡方法在过去的半个世纪随着计算机和计算技术的发展这一方法逐步从一种经验性的简化方法发展成为一个具有完整的理论体系的成熟的分析方法为此我们简要地回顾这一方法的发展过程
1,各种分析方法的产生应用及其局限性
Fellenius (1927)提出边坡稳定分析的圆弧滑动分析方法即瑞典圆弧法该法假定土条底法向应力可以简单地看作是土条重量在法线方向的投影同时由于滑裂面是圆弧因此法向力通过圆心对圆心取矩时不出现使计算工作大大简化在没有计算机的年代这是一个实用的方法
Bishop (1950)对传统的Fellenius法作了重要改进首先他提出了安全系数的定义即上节中对F的定义然后通过假定土条间的作用力为水平方向求出土条底的法向力同样Bishop通过力矩平衡来确定安全系数在这以后的几十年里研究者致力于通过力的平衡确定安全系数Janbu (1954)假定土条间力为水平Lowe和Karafiath (1959)建议条间力倾角为土条顶部和底部倾角的平均值美国陆军工师团假定条间力的倾角等于平均坝坡由此求得的安全系数因为没有满足力矩平衡要求也是简化法在我国传递系数法使用相当广泛由于此法从未见诸于国外的文献在本书第3章作了专门的讨论
2,稳定分析极限平衡法严格体系的形成各种简化方法反映了早期人工手算的需要随着计算机的出现和普及在生产实践中采用更为严格的方法已经具备条件因此一部分研究者致力于建立同时满足力和力矩平衡对滑裂面形状不作假定的严格分析方法Morgenstern & Price (1965)提出了适用于任意形状滑裂面严格方法以后Spencer提出了条间力倾角为常数的方法这一方法实际上是
Morgenstern?Price法中f (x)=1的一种特例1973年Janbu 在其简化法的基础上提出了同时满足力和力矩平衡的通用条分法这一方法区别是于其他方法的一个重要方面是通过假定土条侧向力的作用点而不是作用方向来求解安全系数由于极限平衡法通过引入假定的方式来求解本质上静不定的问题这一作法的合理性问题一直是人们普遍关注的Morgenstern & Price最早提出了解的合理性限制问题提出所获得的解必须使
1) 土条间不产生拉力
2) 作用于土条界面上的剪力不超过按摩尔?库仑法则提供的抗剪强度Morgenstern &
Pricc还提出了这样的推论不同的关于土条作用力的假定只要满足上述两个合理性条件限制相应的安全系数彼此相差不大如果这个推论成立的话极限平衡法包含的不严密的处理方式可以在理论上获得到很大的弥补笔者和Morgenstern教授对Morgenstern?Price法作了改进(Chen & Morgenstern,1983)
其主要内容为
1) 完整地推导出了静力平衡微分方程的闭合解提出了求解安全系数的解析方法从根本上解决了数值分析的收敛问题第1章 绪言 19
2) 提出了为保证剪应力成对原理不被破坏土条侧向力在边界上需遵守的限制条件因而减少了对土条侧向力所作的假定的随意性
3) 提出了一个求解安全系数合理解的最大最小值的方法并通过算例说明最大最小值确实十分接近上述研究成果将在本书第2章中介绍在我国潘家铮(1978)对极限平衡法的理论基础作出了解释他指出滑坡发生时其内力会自动调整,以发挥最大的抗滑能力同时真实的滑裂面是提供最小的抗滑能力的那个孙君实(1984)应用模糊数学理论对解的合理性问题提出了模糊约束条件并对潘家铮的论点作了证明
3,数值分析的稳定性问题满足力和力距平衡条件的通用条分法通常归结为求解一个包含两个未知值的非线性方程组的问题需要解决的一个难题是数值分析的收敛问题这可以从众多的文献中可以了解到 (Morgenstern & Price,1976 Wright 1969 Soriano 1976 Ching and Fredlund 1983
年)不少学者提出了对策
(1) 试凑法(Trial and error)首先假定一个安全系数F同时对内力分布作一假定如假定条间剪力为零然后逐步调整F和内力分布直到全部平衡条件均得到满足这一方法的一个典型例子是Jambu在1973年提出的通用条分法参见2.5.4节这一方法存在严重的收敛困难问题
(2) 一个变量的迭代法Sarma (1973)提出的对每个土条施加水平力的处理方法其主要的好处是可以通过直接求解代数方程求到未知量K参见2.5.4节当然当将K转化为工程界容易接受的安全系数F时仍需引入迭代步骤但已经将二个变量的迭代问题简化为一个变量的迭代问题Fredlund (1980)介绍快速收敛手法(Rapid Solver)寻找G(F,λ)
和M(F,λ)两条曲线的交点解得F和λ参见2.3.1节所有这些方法均没有从本质上脱离试凑的局限
(3) 牛顿?勒普生法事实上对于一个仅包含二个未知量的线性方程组采用解析方法求解并不困难Chen & Morgenstern改进的通用条分法成功地获得了进行牛顿?勒普生法迭代所需的多项导数的计算公式因而在绝大多数情况下都能保证数值计算快速收敛
4,确定最小安全系数的方法边坡稳定分析的第二步是在众多的可能滑裂面中寻找一个相应最小安全系数的临界滑裂面近年来最优化方法被广泛应用于这一课题
Baker(1980)使用动态规划来寻找最小安全系数这个方法把求解最小安全系数和求解安全系数藕合在一起十分繁复以后大部分研究者都使用最优化方法Cellestino and Duncan
(1980) Li & White (1987)采用多变量法Nguyen (1985)采用单形法我国张天宝(1981)对圆弧滑裂面采用解析法求解临界滑裂面孙君实(1983)采用复形法对任意形状滑裂面确定最小安全系数周文通(1984)使用Powell法计算改良圆弧法的最小安全系数本书作者自20世纪80年代后期开始这一领域研究1988年在加拿大岩土工程学报上与邵长明共同著文介绍了采用单形法负梯度法和DFP法求解任意形状滑裂面的安全系数
20 土质边坡稳定分析?原理
方法
程序极值的成果进入20世纪90年代后陆续出现了采用非数值分析方法蒙特卡洛法随机搜索法遗传算法模拟退火法搜索安全系数的极值问题将在第4章介绍有关的研究成果
1,4 本书的主要内容和结构本书不是一本全面阐述滑坡产生的工程地质背景破坏机理岩土力学特征以及分析和治理方法的专著本书仅涉及了这一学科中的一个十分具体的领域即边坡稳定分析方法相对于滑坡分析和治理的其它学科分支来说这是一个难度较小发展比较成熟的领域尽管它并不能解决滑坡分析和治理的全部问题但它在边坡的设计和加固中仍占有重要地位作者希望通过本书全面阐述对土质边坡进行稳定分析的原理和方法并介绍有关程序和使用说明在本章中我们已经回顾了滑坡灾害给人类的生命和财产带来巨大损失从而认识到开展滑坡分析和治理的重要意义并简要回顾了进行边坡稳定分析的理论背景和各种方法第2章,边坡稳定分析的通用条分法”着重阐述边坡稳定分析极限平衡法的基本原理介绍由作者和Morgengtern教授改进的稳定分析的通用条分法并简要回顾其它通用条分法的原理第3章边坡稳定分析的简化方法介绍瑞典法Bishop和滑楔法等边坡稳定分析的简化方法并讨论其计算精度和适用范围边坡稳定分析包括计算一个滑裂面的安全系数和计算临界滑裂面两个步骤第4章确定最小安全系数的最优化方法介绍使用最优化方法搜索圆弧和任意形状滑裂面的最小安全系数的原理和方法在边坡稳定分析中正确地进行土的抗剪强度试验采用合理的强度指标对于计算成果的合理性具有重要意义第5章土的抗剪强度简要回顾土的抗剪强度基本理论以及通过试验理论分析和现场测试确定土的抗剪强度的方法介绍有效应力法和总应力法的原理同时讨论了粘性土的残余强度和粗颗粒土的非线性强度问题第6章土的孔隙水压力介绍确定孔隙水压力的基本理论讨论土石坝施工期正常运行期库水位骤降期确定孔隙水压力的方法土石坝是规模最大的土方建筑物我国共有8.5万座高度超过15m的土石坝其安全关系到成千上万人的生命财产本书第7章土石坝各运用期的稳定分析介绍土石坝在施工期稳定渗流期库水位骤降和地震时边坡稳定分析的具体步骤讨论针对各工况的具体特点合理地确定筑坝土料和地基的强度指标的问题然后应用有效应力法或总应力法求解稳定安全系数第8章边坡加固稳定分析介绍对挡土墙加筋土土锚钉等各种边坡加固措施的设计计算方法讨论通用条分法在土压力领域的推广应用第9章有限元法在边坡稳定分析中的应用介绍渗流固结和应力应变有限元分析的基本原理和方法并介绍了这一体系严格的方法近期与传统的安全系数处理准则接轨方面的研究成果第1章 绪言 21
第10章,边坡稳定的可靠度和风险分析介绍边坡和大坝风险的分析方法着重讨论进行可靠度分析的原理和方法以及相关的研究成果岩土工程分析包含有大量的不确定因素边坡稳定分析的一个重要任务就是正确地定量地把握这些不确定因素合理地评价边坡的失稳风险这一问题在近期受到学术界的广泛重视第11章和第12章是具体实现本书介绍的边坡稳定分析方法所不可缺少的内容第11
章程序设计介绍边坡稳定分析程序的结构和程序设计方法并附以主要源程序第12
章 程序使用说明介绍由作者开发的边坡稳定分析程序STAB的使用方法本章附有30
个例题详细介绍了各种功能的使用方法本书各章使用的大量例题和工程实际应用的数据文件都是通过STAB程序实现的第13章工程案例详细记载使用STAB程序完成的13个工程的计算成果包含三峡小浪底天生桥等国内重要水电工程第14章,三维极限平衡分析方法介绍作者近期研究开发的三维边坡稳定极限平衡分析方法的原理和应用实例引入三维分析可以更加合理地模拟滑坡发生的真实情况在某些特定条件下三维分析对于解决实际的工程问题具有二维方法不可替代的作用在阐述的各章内容时作者列举了大量算例和工程应用实例本书的一个重要特点是提供了大部分例题的原始数据文件也就是说读者可以应用STAB程序重演本书中介绍的内容在每章的最后一节作者提供了一个数据文件列表读者可以通过网站
www.geoeng.iwhr.com下载相应的数据文件读者也可以从此网站下载第11章介绍的源程序和测试题以及在第12章介绍的STAB程序的普及版参考文献
1 Baker,R,and Garber,M,Theoretical analysis of the stability of slopes,Geotechnique,28 (4),395-411,1978
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方法
程序
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1,1 滑坡灾害滑坡是一种重要的地质灾害对人类的生命财产带来重大威胁例如滑坡可导致交通中断河道堵塞厂矿城镇被掩埋工程建设受阻表1.1统计了上世纪世界上的一些重大滑坡灾害的实例王恭先1998从中可以发现一些规模较大的滑坡如意大利的瓦依昂滑坡死亡人数达几千人中国宁夏海源及秘鲁Yungay个别特大滑坡灾害的伤亡人数均以万计另外由于滑坡堵塞河道形成天然水库而这些水库又没有溢洪道通常会在短期内溃决形成特大洪水由此导致更大的灾害我国目前正处于经济建设高速发展的时期滑坡给水利铁路公路矿山建设带来巨大损失1989年1月10日在中国云南漫湾水电站大坝坝肩开挖过程中发生的滑坡不仅耗资近亿元进行了治理而且使这个150万kW的水电站推迟发电近一年给云南省经济建设的整体安排带来了困难1981年雨季宝成铁路共发生滑坡289处中断行车2个多月抢建费用达2.56亿元抚顺西露天矿自1914年投产以来为保持边坡稳定共剥离岩石1亿m
3
滑坡可以发生在土质边坡也可能发生在岩质边坡发生于土质边坡的形态通常比较单一基本上以剪切破坏为主滑裂面为圆弧型或圆弧与夹泥层的组合型岩质边坡发生的滑坡则因受岩体结构地应力等影响呈现出崩塌滑动倾倒溃屈等多种破坏类型孙广忠姚宝魁1988
触发滑坡的因素是多种多样的降雨和地震是最常见的滑坡灾害的外因人类的工程活动也是导致滑坡的重要原因常见的工程活动是边坡开挖地下开挖也会触发地面沉降和滑坡湖北盐池河磷矿由于地下开挖导致边坡突然滑坡埋没了村庄287人丧生土方填筑也是导致滑坡的一个重要因素在饱和软弱地基上修建堤坝经常导致堤坝和地基一起滑动高填方本身也会在填筑过程中发生滑坡水库蓄水后库区经常发生大规模的崩岸和滑坡人类与滑坡灾害作斗争的努力始终没有中断过这一努力表现在认识滑坡机理完善边坡稳定分析理论和方法开发滑坡治理技术和滑坡预报等方面对滑坡灾害认识的不断深化是建立在地理地质和岩石力学土力学等一系列科学分支的形成发展和完善的基础上的而滑坡预报和治理又是围绕着确保人身安全和经济建设顺利开展这一中心进行的只有在诸多领域内共同开展深入的研究人类才有可能在防治滑坡方面取得重大进展本章简要回顾土质边坡的滑坡灾害以及边坡稳定分析理论体系形成的过程
2 土质边坡稳定分析?原理
方法
程序表 1,1 世界重大滑坡灾害实例国家地区日期滑坡类型灾害爪哇1919年泥石流5100人死亡140个村庄被毁中国宁夏海源1920年12月16日黄土流约20万人死亡美国加利福尼亚
1934年12月31日泥石流40人死亡400间房子被毁日本久礼1945年1154人死亡日本东京西南1958年1100人死亡秘鲁Ranrachirca 1962年6月10日冰和岩石崩塌3500多人死亡意大利瓦依昂1963年岩石滑坡进入水库约2600人死亡英国Aberfan 1966年10月21日流动滑坡144人死亡巴西Rio de
Janeiro
1966年1000人死亡巴西Rio de
Janeiro
1967年1700人死亡美国弗吉尼亚1969年泥石流150人死亡日本1969年-1972年各种灾害519人死亡13288间房被毁秘鲁Yungay 1970年5月31日地震引起碎屑崩塌碎屑流
25000人死亡
Chungar 1971年259人死亡香港1972年6月各种灾害138人死亡日本Kamijima 1972年112人死亡意大利南部1972年-1973年各种灾害约100个村庄被毁影响20万人秘鲁Mayuamarca 1974年泥石流镇被毁451人死亡秘鲁Mantaro峡谷
1974年450人死亡
Semeru山1981年500人死亡秘鲁Yacitan 1983年233人死亡尼泊尔西部1983年186人死亡中国东乡县洒勒
1983年黄土滑坡4个村被毁227人死亡哥伦比亚Armero 1985年11月泥流约22000人死亡土耳其Catak 1988年6月66人死亡
1,2 土质边坡中发生的滑坡
1,2,1 天然边坡在天然边坡中发生的山体滑移通常没有人类活动降雨地震等明显的触发因素此类滑坡多呈现渐进性破坏特征触发滑坡的主要因素为滑带土由峰值强度向残余强度的过渡1983年3月17日17时45分发生于甘肃洒勒山的滑坡是一个典型的实例见图1.1
滑坡处于甘肃东部黄土高原滑带是由临夏组黑灰色粘土岩演变的5~20cm的夹层组成矿物成分以蒙脱石为主滑坡于1979年9月起动当时在北坡发现宽约10cm的东西向的裂缝自1982年10月至12月开始进入挤压滑移阶段最终于1983年3月进入剧变和滑动阶段滑坡体积5000 m
3
摧毁4个村庄227人死亡在高山峻岭中通过的河道通常为滑坡提供了理想的临空面因此在天然边坡的滑坡中第1章 绪言 3
河道滑坡占了相当大的比例1943年2月7日在甘肃共和县的查纳滑坡是发生于西北黄土半成岩地区的一次规模巨大的灾害见图1.2滑体总量达1.27亿m
3
滑速达40m/s 100
余人遇难黄河曾短期断流查纳滑坡发生在早中更新世内陆湖相沉积的半成岩土中此类超固结土的材料强度试验呈明显的应变软化特征似岩非岩似土非土构成了一个典型的渐进型破坏高速滑动的条件
图 1,1 洒勒山的滑坡图 1,2 查纳滑坡
1985年6月12日凌晨在长江西陵峡上段兵书宝剑峡出口新滩镇发生总方量0.2亿m
3
高度达800m的滑坡这是一个成功地实现滑坡预报的例子1371人在滑坡前数小时安全撤离
1967年6月8日在雅砻江发生的唐古栋滑坡以其巨大的规模载入历史纪录见图1.3
失稳边坡高达1000m滑坡材料为风化残积土滑坡体总方量为0.68亿m
3
堵塞河道后形成一个高达335m的大坝库容6.8亿m
3
唐古栋滑坡将河道堵塞9天后天然坝决口洪水以39m高的立波形式冲向下游洪峰流量为5300 m
3
/s (Chen,1992)
图 1,3 雅砻江唐古栋滑坡
1,2,2 工程边坡滑坡是土木水利交通矿山等基本建设工程常见的事故和灾害工程开挖和填筑是导致滑坡的两大主要原因
4 土质边坡稳定分析?原理
方法
程序
1,开挖边坡
1985年12月24日下午3时天生桥二级水电站首部右侧挡土墙施工时发生滑坡见图1.4虽然坡高仅30m但导致了正在基坑内施工的48人丧生这一滑坡的主要原因是坡内存在一层饱和软粘土第4章将以此为实例介绍滑坡稳定分析的方法天生桥二级水电站电站厂房高边坡在开挖时也触发了一个规模较大的滑坡滑体沿向斜的夹泥层以7.8m/日的速率移动曾采用卸荷排水抗滑桩和预应力锚索等多种手段来治理这一滑坡第13章13.9节详细介绍了对这一边坡进行加固过程中所作的稳定分析铁路公路边坡由于大部分为明挖滑坡通常是路堑建设的重要制约因素表1.2列出了福建省高速公路施工时发生的主要滑坡姚国芳2002图1.5示1992年宝成铁路
K190段滑坡全貌表 1,2 福建省高速公路主要滑坡工点一览表路段名称滑坡地点性质规模处理措施工程投资元石牌山高边坡堆积层滑坡边坡高约40余m明洞约100m约800万福泉高速公路官秀互通滑坡古滑坡复活堆积层滑坡宽150m长150m
厚度约10~20m
两排抗滑桩辅以抗滑挡墙和排水平孔等约600万新祠互通滑坡顺层滑坡石英砂岩+泥岩高度约70余m宽度约100m厚度约
10~15m
改线漳龙高速公路岩段K67+995滑坡破碎岩石英砂岩滑坡高度约100余m宽度约70m厚度约
10~15m
预应力锚索地梁+土钉+挂网喷射混凝土约350万
K63+770~+
980
堆积层古崩坡积层滑坡高度约200余m宽度约160m厚度约
15~20m
预应力锚索抗滑桩+
抗滑挡墙+排水平孔约350万
K64+670~+
780
古滑坡复活崩坡积体高度约110余m长度度约200m具多级次滑动面预应力锚索框架+抗滑挡墙+排水平孔约350万漳龙高速公路和溪段
K64+960古崩坡积层开挖失稳边坡高度约20余m
滑坡体宽度约60m
长度约80m
滑坡刚产生变形就采用预应力锚索框架原位锁定并辅以排水平孔约70万福宁高速公路八尺门互通滑坡古滑坡体复活松散堆积体沿线展宽约500m
纵长200~300m的古滑坡群及时采用预应力锚索框架+预应力锚索抗滑桩+平孔排水
5000万梅列互通滑坡一个古滑坡复活一个破碎岩石高边坡滑坡古滑坡体约5万m
3
边坡高约70m滑坡体厚度约25~35m
预应力锚索抗滑桩+
预应力锚杆地梁预应力锚索框架+抗滑挡墙
250万
+1000万三福高速公路西芹桥头滑坡古滑坡复活泥岩及泥质粉砂岩边坡高度约60m长度约300m
预应力锚索框架+预应力锚索抗滑桩+抗滑挡墙+平孔排水约1100万第1章 绪言 5
图 1,4 天生桥二级电站闸首滑坡图 1,5 宝成铁路K190段滑坡
2,填筑边坡在饱和软粘土上修建堤坝当施工速率较高时经常会发生滑坡图1.6为2001年长江大堤江西马湖段软弱地基上发生的一个滑坡图 1,6 长江大堤江西马湖滑坡饱和粘土通常压缩性很大而渗透系数很小填土增加的地基应力要完全转化为有效应力必须将地基中的水充分挤出如果施工速率过快则孔隙水压力无法及时消散导致有效应力有可能随荷载的增长而同步增长因而诱发滑坡为了保证在软基上修筑坝的稳定性常需要采取一定的工程措施例如通过砂井塑料板排水或真空预压等技术加速水压力消散填筑土本身在施工速率较快时也会发生滑坡这是由于填筑土的含水量通常已使粘土的饱和度超过90%进一步的填筑会使粘性土的孔隙水压力快速增长导致堤坝施工期的滑坡
1,2,3 地质环境边坡将滑坡与工程地质环境直接有关的边坡称为地质环境边坡分述如下
1,地震诱发的滑坡地震是诱发滑坡的重要因素在我国有关地震引起的滑坡可以在4000年前的记载中找到竹书记年记载公元前1767年在河南发生的一次地震:桀十年五星错行夜星陨如雨地震伊洛竭自公元前780年到1976年文献记载了656个大于6级的地震公元前780年的一次文献记录了地震诱发的滑坡同幽王二年泾渭洛三川皆震川
6 土质边坡稳定分析?原理
方法
程序竭岐山崩1718年甘肃通渭发生7.5级地震40000人丧生1920年11月16日海源地区8.5级地震触发了675个高原地区的滑坡形成了40个天然湖其中27个目前仍然存在
1970年5月31日下午3时23分距秘鲁海岸130m处发生7.7级地震导致安第斯山脉中海拔6654m的Nevados Huascaran山体发生总量为0.5～1亿m
3
的滑坡山体向前推进16km覆盖了22.5km
2
的面积掩埋了Ranrahirca和Yungay两个村庄18000人丧生
1911年发生于塔吉克斯坦境内的地震形成了一个库容达11亿m
3
的Sarez湖 (Palmieri,
2000; Schuster,2002)滑坡体积22亿m
3
,天然坝长2km,高600m这一坝高远远超过了人类建造的土石坝的世界纪录罗贡330m也在塔吉克斯坦图1.7示该大坝和Sarez湖图 1,7 塔吉克斯坦由地震形成的Sarez湖表1.3总结国内外由地震诱发的重大滑坡(Hansen,1991)同表1.1和表1.2一样它也不是此类滑坡全面的总结
1990年6月20日伊朗Caspian省发生7.3级地震震中附近出现多处滑坡其中Galdian
滑坡总方量达20×10
6
m
3
坡面长达3km滑坡后出现若干天然湖泊说明地震和滑坡导致了水文地质情况发生了根本的改变图1.8示1995年1月17日发生在日本的阪神地震诱发的滑坡数目和与活断层的关系
(Sassa,1995)
地震时发生的砂土液化是导致滑坡的主要原因受1976年7月28日唐山地震波及北京密云水库白河大坝上游坝坡发生滑坡类似的实例还有发生在1925年6月29日美国
Sheffield坝的滑坡
2,古滑坡体和堆积体边坡古滑坡体和堆积体的复活是土质边坡中发生的又一种滑坡它通常和人类活动有关第1章 绪言 7
表 1,3 国内外由地震诱发的重大滑坡灾害日期年国家地区滑坡类型或伤亡原因死亡人数公元前1789中国甘肃武都岩石滑坡和泥石流760
公元前372-73希腊整个城市冲向海洋无记载
1348
澳大利亚岩石滑坡人员伤亡巨大
1718震级M=7.5中国甘肃通渭黄土滑坡>40000
1783
意大利Calabra多数为液化导致的滑坡整个村庄
1786震级M=7.5中国四川康定-沪定滑坡形成的天然坝溃决死于洪水
1856中国四川饯江岩石滑坡>1000
1870岩石滑坡>2000
1920中国宁夏海源黄土滑坡>100000
1933震级M=7.5中国四川叠溪一个滑坡导致576人丧生6800人死于地震滑坡形成的天然坝溃决导致超过2429人死亡
1935中国四川惠利岩石滑坡和泥石流250
1931秘鲁岩石滑坡>18000
图 1,8 日本阪神地震滑坡数目和与活断层的关系我国南方地区普遍发育坡崩堆积体此类物质是和在漫长的地质历史中发生的山体不稳定活动有关在堆积体和基岩之间多存在夹泥层许多卧于基岩面上的第四纪堆积物都可能是古滑坡体也可能是坡崩堆积体无论何种类型这一第四纪物质形成的边坡多处于临界状态降雨和工程活动都可能触发这些山体滑坡即使没有明显的外界触发因素也会发生渐进性破坏紫坪铺水利枢纽工程2号导流洞出口边坡在开挖过程中曾触发坡堆积体的滑坡在一个月内发生的几次滑坡不仅严重干扰了工程施工而且短期封闭了通往九沟寨国道
8 土质边坡稳定分析?原理
方法
程序水电建设中发生的另一堆积体滑坡的例子为位于云南省昭通地区大水沟水库工程这一面板坝的溢洪道中部分布有5~15m厚的崩塌坡积物其主要成分为粘质粉质土砾粒径变化较大结构松散崩塌坡积体与基岩交接面处分布有厚约0.5~1m的残积层主要成分为泥质及岩屑塑性较大强度较低在2002年7月17日开始施工单位进行溢洪道边坡开挖的准备工作此时适逢雨季几乎每日均有雷阵雨随后即在边坡上发现上部出现大面积裂缝顶部有两条较大的裂缝一条出现在高程1210m附近另一条在1230m高程附近裂缝宽度可达10~15cm呈弧形分布裂缝产生区域在桩号0-100m至0+020m
累积变形量分别为108mm和113mm
这两个工程实例还将在第13章中介绍在进行工程建设时当怀疑某第四纪覆盖层是由坡崩堆积体构成时则需要通过各种勘探手段钻探平硐物探等了解第四纪堆积体与基岩的接触面的几何形态查明接触面的物质组成和抗剪强度指标以正确评价开挖和降雨对这些潜在不稳定边坡的影响
3,特殊土边坡由黄土膨胀土等特殊土构成的边坡可能导致特殊的边坡稳定问题第1.2.1节介绍的洒勒山查纳滑坡的主要物质是黄土但是滑面则是半岩的粘土为典型的超固结土因而具有应变软化特性黄土高原地形地貌复杂分为土塬梁峁三种地形为地质作用的产物黄土具有颗粒粗土质结构疏松孔隙率大遇水崩解湿陷等特点在微结构方面多呈垂直裂隙形态黄土边坡经常受到河谷冲沟侵蚀切割临空条件远比其它边坡明显遇降雨后水很容易在垂直方向渗入边坡底部而我国黄土通常下卧一层不透水的红层粘土一旦渗流达到此层后即开始滞水导致湿陷和浸润线大范围抬高最终导致滑坡我国西北地区黄土高原是黄土边坡崩塌和滑坡的多发区据陕西省滑坡办对1985至
1993年间黄土崩塌滑坡事件统计省内总计有62处黄土崩塌滑坡事故造成伤亡者32
处共死亡285人李坤1998
在下一节还将简要回顾黄土地区的泥石流灾害
1,1,4 水环境边坡水是诱发滑坡的主要因素我们的祖先将滑字赋以水的偏旁足以说明这一点由水环境触发的滑坡大致可分为以下几种
1,暴雨触发的滑坡暴雨是导致滑坡和泥石流的主要触发因素我国西南西北是泥石流多发地区1982年7月四川万县地区普降暴雨仅云阳县就发生滑坡2万多处并形成数百处较大规模的裂缝忠县在此期间形成滑坡及崩塌多达3
万多处其中大中型滑坡30余处暴雨诱发的滑坡仅云阳县就毁坏房屋数万间总方量超过0.1亿m
3
的滑坡10余处1981年雨季宝成铁路宝鸡至广元段共发生滑坡289处使该路段37个区间断道32次中断行车两个月抢建工程费达2.56亿元香港处于亚热带多雨丘陵地区人口稠密暴雨经常触发灾难性滑坡1925年7月17
第1章 绪言 9
日在普庆坊地区发生的滑坡推倒了一座高挡土墙摧毁了5座楼房75人丧生1966年中旬香港地区连续普降大雨6月11日在24小时内降雨40~525mm 6月12日1小时降雨强度达108~157mm发生了数百处滑坡1972年暴雨强度达到了新的记录在6月16
日至18日24小时降雨强度达560mm由此在香港岛诱发的滑坡伤亡人数达250人其中发生于宝珊道的滑坡摧毁了一栋4层楼房61人丧生发生于秀茂坪的土质边坡流滑淹埋了一个楼房71人丧生图1.9为1972年7月18日发生在香港岛半山区的滑坡1976
年8月25日总计416mm的降雨再次诱发滑坡57人伤亡1982年香港的年降雨量再创记录达3248mm总计发生大小滑坡1500处(Brand,1989)
我国台湾岛台风季节经常伴随暴雨引起滑坡泥石流灾害1996年7月31日至8
月1日强台风以60m/s的速度袭击台湾12小时和24时的降雨强度达1158mm和1749mm
全岛发生1315处滑坡20处泥石流101条公路中断1383座房屋被摧毁死73人伤
453人( Lin & Feng 2001)
泥石流与气象地貌地质特征有明显的关系因此常常有一些地区成为泥石流重灾区我国云南昭通地区几乎每年都有滑坡泥石流灾害报道1991
年9月23日18时头寨沟发生的滑坡导致216人丧生(Zeng,el,al,1992)滑坡分两个阶段在第一阶段处于高程
2300m～1870m的山体下滑总计0.2
亿m
3
土体在坡趾处形成高100m的堆积物这个堆积物随后变成泥石流以
30m/s的速度沿10°的坡面冲出3km
停止在山口将一村庄掩埋图 1,9 1972年发生于香港岛半山区的滑坡又如广东省清远市东部约15km位于北江北岸的飞来寺建于梁武帝元年公元520
年是岭南三大古刹之一1997年5月8日特大暴雨导致寺后山沟泥石流暴发冲毁10000
多平米的庙宇和一批重要文物7名僧尼遇难2名民工失踪查阅史书在嘉靖三十年1552
年五月初一和万历丁末年1607年四月初五均遭受同样的灾害书载大雨滂沱山洪暴发山崩飞来寺被毁(刘瑞华1988)
在前节已介绍我国黄土高原是泥石流的多发区表1.4列出了黄土高原上几处泥石流暴发时与降水要素的关系(邓养鑫1986)一些文献详细讨论了黄土地区滑坡泥石流的发生规律
2000年4月9日西藏易贡发生高达3300m的滑坡滑坡的触发因素是春季雪山融化因此也属于水环境影响的滑坡图1.10按高度计该滑坡大概是全世界有史书记载以来规模最大的一个滑坡体宽2500m总方量2.8亿m
3
修建水库后库区可能诱发各种滑坡发生于岩石边坡中的滑坡多呈突发性体积较大时具有很大的破坏性1963年10月9日意大利高276m的瓦依昂拱坝的库区发生总方
10 土质边坡稳定分析?原理
方法
程序量为2.75亿m
3
的超大体积滑坡滑坡产生了一个高达260m的涌浪在大坝处高达100m
拱坝超载8倍洪水以70m高的立波冲向下游2000余人丧生图 1,10 西藏易贡滑坡三峡工程库区是滑坡多发区在工程建设中经过详细勘测共确定了2490多处潜在滑坡体和90多条潜在泥石流沟这不仅对工程构成潜在危害而且也将影响库区居民的生活和生产安全因此共投资40亿对重点边坡进行了治理水库区发生于土质边坡的不稳定现象多呈现为渐变和崩塌型鲁布格水电站建成后库区左岸发耐村岸坡发生大范围的的滑移为渐变和崩塌型的一个典型实例该滑坡材料为坡崩塌堆积体和坡积物滑面为坡堆积体与基岩接触面滑坡体高差
90~150m顺河向呈长条形分布总体积为0.26亿m
3
在水库蓄水的第一年滑坡体的垂直和水平位移达3.0～3.5m最终以缓慢的速度滑入水库表 1,4 几处泥石流暴发时的降水要素沟名所在地时间年.月.日泥流类型一次降雨量
mm
降雨历时
h
平均雨强
mm/h
洪水沟兰州市1964.7.20粘性150.0 4.0 37.5
罗玉沟天水市1965.7.7稀性90.0 8.0 11.2
刘家湾沟天水县1978.7.12粘性105.0 2.0 52.5
孙家岔沟榆中县1980.8.8稀性111.6 1.2 93.0
肖水沟清涧县1971.7.23粘性213.0 4.0 53.3
韭园沟绥德县1956.8.8稀性45.1 2.4 18.8
2,水库水位骤降诱发的滑坡由于种种原因水库需要持续放水库水位骤降导致的坝坡失稳事例屡见不断表1.5
总结了我国12个典型的事例现对三个库水位骤降引起的坝坡失稳作一简要介绍汝乃华牛运光2001
(1) 江西省七一水库七一水库埋管坐落在泥质页岩风化砂岩和坚硬石英砂岩等三种不同的岩基上由于坝身施工质量较差投入运行后先后出现三条环形裂缝成为坝体内的一大隐患因此决定废弃此坝内埋管于1970年10月在坝右岸山体内另开引水隧洞因采用岩塞爆破无法控制库水位的降落速度当时库内水位80.03m平均降速为
1.15m/d最大达1.954m/d至11月19日库水位降至69.07m时左坝段上游面发生滑坡其中心桩号为0+241m见图1.11滑坡体宽约148m滑弧半径约为133.5m中心角约56.5° 11月23日库水位继续下降到64.15m时右坝段上游面相继滑坡其中心第1章 绪言 11
桩号为0+083m滑坡体宽约115m滑弧半径约66m中心角为71.5° 11月27日库水位降至58m时左坝段第一次滑坡边缘继续下滑滑坡前沿又向上游推移20余米总降幅为22.03m滑坡量左岸约30万m
3
右岸约20万m
3
图 1,11 江西省七一水库坝坡失稳
1?心墙2?风化土3?风化土石4?加高后下游坡5?带截水槽的铺盖6?推测的滑动面7?沙砾石
8?页岩石英砂岩互层9?滑坡前坝面10?滑坡后坝面11?始降水位12?左岸滑坡时水位13?右岸滑坡时水位表 1,5 12座土石坝滑坡前水位降落情况编号名称放水经历天数滑坡前最高蓄水位(m)
库水位下降幅度(m)
日平均降落水深(m)
日最大降落水深(m)
连续放水原因
1岭里86 70.46 13.76 0.16 0.60春灌需要
2红五一25 293.82 17.07 0.68 3.09修理转动门盖
3溪兜16 96.20 9.70 0.60 1.80转动门盖发生故障
4九龙岩14 99.77 9.97 0.71 1.00冬灌需要
5牛柘一级11 41.00 18.00 1.60 4.00转动门盖故障
6廷洋28 94.00 9.00 0.32 0.40更换转动门盖拉绳
7三溪15 96.00 9.00 0.60 0.40放水灌溉
8将溪7 342.30 11.00 1.56 1.60处理白蚁放水
9坊头43 431.80 18.80 0.43 1.80连续放水
10英雄60 64.3 8.60 0.14 0.30修理放水涵管
11院洋25 100.7 12.0 0.44 1.00降低水位抓鱼
12隔坑3溢洪道顶12.6 4.20 4.60闸门被冲走
(2) 湖北省狮子岩土石坝坝坡失稳大坝为粘土心墙坝最大坝高45m 1979年8月
18日库水位为202.5m时发现大坝下游坡高程194m平台有一股漏水流出开始直径仅
2cm以后逐渐加大到19日晨增加到20 cm水色灰黄并有细砂土粒带出经调查系大坝隧洞内的水渗出混凝土施工质量差所致为此决定放空水库处理隧洞9月24
日在库水位205.15m时开始放水到12月1日库水位降落到181.2m历时68天共下降
23.95m平均每天降落0.35m其中最大降速为11月26日至29日的4天总计降幅为6.4m
随后上游坝体开始滑坡12月2日以后虽然停止放水水位保持在180.7m但滑坡继续扩大最后滑体的上口裂缝宽达0.5m两边高差2m左右剖面见示意图1.12
12 土质边坡稳定分析?原理
方法
程序
(3) 湖南省流光岭土石坝滑坡该坝位于湖南省邵东县涟水支流上大坝为均质土石坝最大坝高42.5m
1968年冬水库水位从208.5m下降平均降落速度为1.1m/d 12月5
日晨坝顶出现平行坝轴线纵向裂缝长85m呈圆弧形弯向上游至10日滑坡体基本稳定经实测向上游水平位移13.5m垂直位移
3.98m剖面见示意图1.13
3,泄洪雨雾水工建筑物在汛期泄洪受影响的边坡承受持续的较常规暴雨强度大十几倍的降水最终导致滑坡图 1,12 湖北省狮子岩土石坝坝坡失稳
1?滑坡区1?心墙3?裂缝4?放水前水位5?滑坡时水位图 1,13 湖南省流光岭土石坝滑坡
1?第1次滑坡面2?第3次滑坡面3?最终处理后的上游面目前已发生的规模较大的由泄洪雨雾导致的滑坡均发生于岩质边坡龙羊峡水电站在1987年和1989年7月汛期曾两次开闸泄洪1987年第一次泄洪后受水雾影响下游右岸虎山坡边坡即出现大范围开裂1989年泄水时山体在7月17日到25日发生急剧变形最终坠入河床位于龙羊峡下游的李家峡水电站下游3号滑坡是另一受雨雾影响发生于岩体沿层面滑动的例子张尚信吕祖衍2002
4,江河崩岸我国的大江大河如长江黄河珠江普遍存在崩岸问题图1.14是江西江新州河岸塌崩现象崩岸的触发因素是河岸的淘刷但最终是以滑坡来完成河岸回缩过程的河流出现弯道的自然现象就是江岸不断崩塌回缩形成的下面几个崩岸的实际资料足以说明崩岸现象的严重性
(1) 湖北鄂洲耙铺大堤塌崩1959至1989年期间江岸后退1324 m由于目前江岸已紧靠铁路和国道不得不斥巨资对河岸进行加固
(2) 1994 年6月11日湖北荆州北门口3 km 长的江岸以55 m/h回缩同年10月14
日100 m 的河段3小时回缩了100 m
第1章 绪言 13
(3) 图1.15示湖南岳阳地区荆江门段的河势此处长江与洞庭湖之间的陆地距离只有
13km但荆江门段的江岸每年以33m的速度回缩如不治理长江就会在近期直接进入洞庭湖导致整个地理生态环境的重大改变河流弯道是大自然通过淘刷和滑坡改变地理环境的杰作当弯曲到一定程度后一次洪水就可以裁弯取直令河道重新顺直1998年洪水中发生的湖北排洲湾溃堤即是一例遗憾的是人类活动的格局已经不能允许这种重新安排的山河了必须千方百计地保持现状因此在江河大堤整治工作中巨大的投资被用于制止崩岸的工程建设中据统计从1949年到1992年河道整治单位已在长江崩岸多发区倾倒了7000万m
3
的石块在“98”洪水后国家斥资630亿元的整治大堤工程中有30%至40%的经费用于防治崩岸
图 1,14 江西江新州河岸塌崩图 1,15 湖南省岳阳地区荆江门段的河势
5,尾矿坝矿山火电厂在提供产品的同时每日每时都在生产堆放大量废弃物质这些物质通常以细颗粒形式通过水力输送集中堆放在某一地点年复一年形成了高度和库容都具一定规模的尾矿坝此类建筑物不可能按照很高的标准来修建因此失事的风险很大又因为尾矿颗粒极细失事时多以静力和动力液化状态瞬时向下游泄放洪水和废弃材料其迁移距离达几百米或几公里故其破坏力极大1985年7月19日位于意大利北部的Staver
萤矿尾矿坝失事268人丧生1996年5月1日位于保加利亚北部的Sgurigrad铅锌铜矿的高45m的尾矿坝由于连续三天的暴雨使库水位上涨导致坝坡失稳液化后的材料随洪水冲向下游1km处107人丧生我国山西省金堆城音译钼尾矿坝高40m由于溢洪道不能正常运行导致坝内浸润线抬高1988年4月30日在坝的中心部位发生圆弧滑动溃后20人丧生智利Barahona铜矿高61m的尾矿坝坝坡仅为1:1 1928年10月
1日遇8.3级地震坝体液化后形成一个约1500m的缺口54人丧生另一座智利铜尾矿坝EL Cobre New Park其下游坝坡虽已达1:3.7但在1965年3月28日的7级地震中发生液化导致一邻近的老坝溃决200余人丧生国际大坝会议尾矿坝专业委员会曾对尾矿坝安全进行专题研究并收集了235个失事实例表1.6列出由于边坡失稳导致的尾矿坝失事实例
14 土质边坡稳定分析?原理
方法
程序表 1,6 国际大坝会议统计的由于边坡失稳导致的尾矿坝失事实例原表编号矿名,国家矿类坝高
(m)
库容
(10
6
m
3
)
失事时间
(年)
泄量
(10
6
m
3
)
迁移距离
(m)
6 Avoca Mines,lreland
铜
7 Bafokeng,South Africa铂20 13 1974 3.0 45,000
11 Battle Mt,Gold,
Nevada,USA
金8 1.54 1984
13 Big Florida,USA
磷
18 1986
15 Bilbao,Spain 0.115
18 Cadet No,2,Montana,
USA
重晶石21 1975
19 Captains Flat Dam2,
Australia
铜
22
22 Carr Fork,Utah,USA铜10 1975
23 Casapalca,Peru铅锌107
37 Deneen Mica,North
Carolina,USA
云母18 0.3 1974 0.038 30
47 GCOS,Alberta,Canada油砂61 1974
62 Kennecott,Utah,USA铜1941
66 Kimberley,BC,Canada铁1948 1.1
72 Lower lndian Creek,
MO,USA
铅1960
77 Marianna Mine#58,
PA,USA
煤37 0.3 1986
94 Phelps-Dodge,New
Mexico,USA
铜66 1980 2.0 8,000
96 Pit No,2,Westem
Australia
稀土9 1977
100 Ray Mine,Arizona,
USA
铜52 1972
101 Ray Mine,Arizona,
USA
铜52 1973
113 Southwest US,USA
116 Stancil,Maryland,USA砂砾9 0.074 1989 0.038 100
117 Stava,North ltaly荧石29 0.6
1985
0.2 4,000
118 Suncor E-W Dike,
Alberta,Canada
油砂30 1979
122 Texasgulf 4B Pond,
USA
磷8 12.3 1984
123 Texasgulf No,1,USA
磷24.7 1981
144 Unidentified,United
Kingdom
煤20 1967
145 Unidentified,United
Kingdom
煤14 1967
149 Unidentified,ldano,
USA
磷34 1976
150 ldano,USA
磷18 1965
156 Alfaria River,Florida,
USA
磷8 1952
160 Easterm USA煤150
165 Peace River,Florida,
USA
磷8 1952
169 Unidentified,Southern
USA
磷43 0.5 1973 0.17 25,000
第1章 绪言 15
续表编号矿名,国家矿类坝高
(m)
库容
(10
6
m
3
)
失事时间
(年)
泄量
(10
6
m
3
)
迁移距离
(m)
172 Union Carbide,Uravan,
Colorado,USA
铀43 1979
185 Zlevoto No,4,
Yougoslauia
磷/锌25 1.0 1976 0.3
192 Texas Gulf 4B Pond,
Aurora,N,Carolina,
USA
磷8 12.3 1984
194 Olinghouse,Nevada,
USA
金5 0.12 1985 0.025 1,500
197 La Belle,Pennsylvania,
USA
煤
79 1.2 1985 Zero
198 Stava,North ltaly荧石26 0.3 1985
206 Xishimen,China铁31 1987 0.0223
210 Sullivan Mine,BC,
Canada
21 1991
219 Placer,Surigao del
Norte,Philippines
金17 1995 0.05 Out to sea
223 Mirolybovka,Southern
Ukraine
铁32 80,1984 none
224 Balka Chuficheva,
Russia
铁25 27 1981 3.5 1,300
226 Fernandinho,nr Belo
Horizonte,Brazil
铁40
227 Minera Sera
Grande:Crixas,Goias,
Brazil
金41 2.25Mt 1994 None
232 Stoney,Middleton,UK 1968
235 Sgurigrad,Bulgaria铅/铜/锌/
银
45 1.52 1996 0.22 6,000
1,3 边坡稳定分析
1,3,1 边坡稳定分析的理论基础在土力学中边坡稳定分析是和另外两个分支即土压力和地基承载力同时发展起来的
1776年法国工程师库仑(C,A,Coulomb)提出了计算挡土墙土压力的方法标志着土力学雏型的产生朗肯(W,J,M,Rankine 1857)在假设墙后土体各点处于极限平衡状态的基础上建立了计算主动和被动土压力的方法库仑和朗肯在分析土压力时采用的方法后来被推广到地基承载力和边坡稳定分析中形成了一个体系这就是极限平衡方法极限平衡法是建立在大家所熟悉的摩尔库仑强度准则基础上的其表达式为
φσφστ ′?+′=′′+′= tan)(tan ucc
f
(1.1)
式中τ
f
为破坏面上的剪应力c′ 为土的有效粘聚力σ和σ′为破坏面上总应力和有效法向应力φ′ 为土的有效内摩擦角极限平衡方法的基本特点是只考虑静力平衡条件和土的摩尔库仑破坏准则也就是说通过分析土体在破坏那一刻的力的平衡来求得问题的解当然在大多数情况下问题是静不定的极限平衡方法处理这个问题的对策是引入一些简化假定使问题变得静
16 土质边坡稳定分析?原理
方法
程序定可解这种处理使方法的严密性受到了损害但是对计算结果的精度损害并不大,这一点将是本书第2章重点讨论的问题之一由此而带来的好处是使分析计算工作大为简化因而在工程中获得广泛应用进入20世纪70年代后随着计算机和有限元分析方法的产生和发展应用严格的应力应变分析方法分析建筑结构的变形和稳定性已变得可能因此有限元法也被广泛应用于边坡稳定分析采用这一方法可以不必对一部分内力和滑裂面形状作出假定使分析研究成果的理论基础更为严密从近30年的实际应用情况来看有限元方法也存在自身的局限主要是在确定边坡的初始应力状态把握边坡临近破坏时的弹塑性本构关系以及保证非线性数值分析的稳定性等方面遇到的困难另外还有计算成果和工程实践中采用的传统的安全系数判据接轨的问题近期在这方面取得了一些重大进展将在本书第9章简要介绍
1,3,2 边坡稳定分析的极限平衡法从库仑和朗肯两种不同思路出发极限平衡方法也逐渐形成两个独立的分支一是通过研究滑裂面上作用的力的静力平衡和确定临界滑裂面求得问题的解在此基础上导出了目前广泛采用的稳定分析的条分法另一是在假定土体内处处达到极限平衡状态的前提下用特征线法求解应力场在一定的简化条件下获得问题的闭合解现作简要回顾
1,极限平衡分析的垂直条分法首先假定一个扰动因素使土体从目前的稳定状态进入极限平衡状态此时滑体内出现一假想的滑裂面在该滑裂面上每一点的法向应力和切向应力都满足摩尔?库仑强度准则这个扰动因素在主动土压力的情况下是挡土墙对土体的支持力其反作用力即为主动土压力逐步减少的增量?P
a
它使土体最终朝着墙的方向下滑在被动土压力情况下是挡土墙对土体的作用力其反作用力即为被动土压力逐步增加的增量?P
p
它使土体背着墙的方向滑移在地基承载力问题中这个扰动因素就是表面荷载的增量?q在边坡稳定问题中通常的作法是将土体的抗剪强度指标c′和φ′ 减少为c′/F和tanφ′/F F称为安全系数Sarma (1968)提出了另一种做法即在滑动土体每个单元加上一水平体积力
K?W使土体在假设的滑裂面上达到极限平衡状态在滑裂面为一特定的形状时如直线(Coloumb 1776)或对数螺旋线(Terzaghi,1944)
则可以通过求解静力平衡方法唯一地确定相应该滑裂面的上述扰动因素的量值如果滑裂面为任意形状那么为了确定沿滑裂面的应力分布需要将滑动土体分成若干垂直土条通过分析作用于土条上的力来建立平衡方程为了使问题变得静定可解还需要对土条间的作用力作一些假定最终获得使该滑裂面处于极限平衡状态所需要的扰动因素的量值在求得一个滑裂面的扰动因素的量值后还要对不同的滑裂面重复这一计算步骤获得一系列的扰动量真实的临界滑裂面相应于
1) 最小的?P
a
最大的?P
p
2) 最小的?q
3) 最小的K或F
第1章 绪言 17
2,滑移线法上限解法上述极限平衡的垂直条分法获得的是一个满足静力平衡条件的应力场同时要求滑裂面上每一点的应力状态均在摩尔圆上或以内但是并不要求滑体内的每一点的应力状态均在摩尔圆上即处于极限平衡状态因此所获得的解应小于或等于使边坡发生的破坏真实荷载在塑性力学领域属下限解下面要讨论的滑移线法是假定土的破坏区内各点均达到了极限平衡条件这样在破坏区域的每一点除了可以建立静力平衡条件外还可以增加一个摩尔?库仑破坏条件在一定的边界条件下可以用特征线法求解由此形成的方程组在一些简化的边界和土质条件下可以获得闭合解解得的特征线就是土力学中滑移线其中一组就是滑裂面索科洛夫斯基1954龚晓南等2000在土压力领域朗肯理论便是在边界条件非常简单的情况下的一个实例Prantdl (1921)解得了地基承载力的闭合解索科洛夫斯基(1954)提出了一个系统的方法应用该法可以给出较复杂边界条件下的土压力地基承载力和边坡稳定的一系列闭合解条分法和滑移线法的主要区别是后者假定土体的每一个单元都达到了极限平衡状态而前者只假定土体沿滑裂面达到了极限平衡严格的条分法通过合理性条件也对土条的应力状态作出限制但仍允许一部分土体处于弹性状态因此所得通常是一个偏保守的解属下限范畴滑移线法由于假定破坏土体处处达到极限平衡因此相应的是一个上限解目前在边坡稳定分析领域普遍使用垂直条分法其原因大概是
1) 在滑坡时确实存在着一个明确的滑裂面
2) 天然边坡包含十分复杂的土质和边界条件索氏使用的纯解析的方法很难实行上世纪90年代Donald和作者曾致力于开发一个基于对土条进行斜分条的极限分析方法(Donald & Chen,1997)这一方法假定滑动土体在滑面和倾斜界面均达到了极限平衡用虚功原理来求解安全系数这一方法实际是索科洛夫斯基理论滑移线法在一维条件下的简化同时又可纳入塑性力学上限解的理论体系大量的算例证明这一方法对一些具有闭合解的特例可以获得和索氏解答完全一致的计算成果对于大量实际边坡问题上限解法又和垂直条分法获得安全系数十分接近如果同时采用极限平衡的垂直条分法和
Donald & Chen的斜条分法那么可以分别从上限和下限逼近边坡问题的真实解有关极限平稳和极限分析的理论还可参阅其它文献沈珠江2000; Chen,1975
由于岩质边坡通常存在一组陡倾角的结构面因此建立在对滑坡体斜分条基础上的极限平衡方法在模拟节理岩体方面有独特的优越性已经证明这一方法和分析岩质边坡的Sarma法是完全等效的本书是叙述土质边坡稳定分析方法的专著作者将垂直条分的极限平衡分析方法作为贯穿于全书的主线而在拟与他人合作编写的另一本阐述岩质边坡的专著中作者将以斜条分法作为贯穿全书的主线在该书问世以前有兴趣的读者可以参阅已经发表的一系列有关论文(Donald & Chen,1997; 陈祖煜1997; 陈祖煜汪小刚2000陈祖煜汪小刚
1999 Chen,et,al,2001; 陈祖煜2002)需要说明的是尽管垂直条分法是在土质边坡分析领域中提出的但是其基本原理在岩质边坡和坝基抗滑稳定分析中同样适用同时本书也给出了这方面的应用实例
18 土质边坡稳定分析?原理
方法
程序
1,1,3 极限平衡法理论体系的形成如前所述本书将全面论述建立垂直分条的极限平衡方法在过去的半个世纪随着计算机和计算技术的发展这一方法逐步从一种经验性的简化方法发展成为一个具有完整的理论体系的成熟的分析方法为此我们简要地回顾这一方法的发展过程
1,各种分析方法的产生应用及其局限性
Fellenius (1927)提出边坡稳定分析的圆弧滑动分析方法即瑞典圆弧法该法假定土条底法向应力可以简单地看作是土条重量在法线方向的投影同时由于滑裂面是圆弧因此法向力通过圆心对圆心取矩时不出现使计算工作大大简化在没有计算机的年代这是一个实用的方法
Bishop (1950)对传统的Fellenius法作了重要改进首先他提出了安全系数的定义即上节中对F的定义然后通过假定土条间的作用力为水平方向求出土条底的法向力同样Bishop通过力矩平衡来确定安全系数在这以后的几十年里研究者致力于通过力的平衡确定安全系数Janbu (1954)假定土条间力为水平Lowe和Karafiath (1959)建议条间力倾角为土条顶部和底部倾角的平均值美国陆军工师团假定条间力的倾角等于平均坝坡由此求得的安全系数因为没有满足力矩平衡要求也是简化法在我国传递系数法使用相当广泛由于此法从未见诸于国外的文献在本书第3章作了专门的讨论
2,稳定分析极限平衡法严格体系的形成各种简化方法反映了早期人工手算的需要随着计算机的出现和普及在生产实践中采用更为严格的方法已经具备条件因此一部分研究者致力于建立同时满足力和力矩平衡对滑裂面形状不作假定的严格分析方法Morgenstern & Price (1965)提出了适用于任意形状滑裂面严格方法以后Spencer提出了条间力倾角为常数的方法这一方法实际上是
Morgenstern?Price法中f (x)=1的一种特例1973年Janbu 在其简化法的基础上提出了同时满足力和力矩平衡的通用条分法这一方法区别是于其他方法的一个重要方面是通过假定土条侧向力的作用点而不是作用方向来求解安全系数由于极限平衡法通过引入假定的方式来求解本质上静不定的问题这一作法的合理性问题一直是人们普遍关注的Morgenstern & Price最早提出了解的合理性限制问题提出所获得的解必须使
1) 土条间不产生拉力
2) 作用于土条界面上的剪力不超过按摩尔?库仑法则提供的抗剪强度Morgenstern &
Pricc还提出了这样的推论不同的关于土条作用力的假定只要满足上述两个合理性条件限制相应的安全系数彼此相差不大如果这个推论成立的话极限平衡法包含的不严密的处理方式可以在理论上获得到很大的弥补笔者和Morgenstern教授对Morgenstern?Price法作了改进(Chen & Morgenstern,1983)
其主要内容为
1) 完整地推导出了静力平衡微分方程的闭合解提出了求解安全系数的解析方法从根本上解决了数值分析的收敛问题第1章 绪言 19
2) 提出了为保证剪应力成对原理不被破坏土条侧向力在边界上需遵守的限制条件因而减少了对土条侧向力所作的假定的随意性
3) 提出了一个求解安全系数合理解的最大最小值的方法并通过算例说明最大最小值确实十分接近上述研究成果将在本书第2章中介绍在我国潘家铮(1978)对极限平衡法的理论基础作出了解释他指出滑坡发生时其内力会自动调整,以发挥最大的抗滑能力同时真实的滑裂面是提供最小的抗滑能力的那个孙君实(1984)应用模糊数学理论对解的合理性问题提出了模糊约束条件并对潘家铮的论点作了证明
3,数值分析的稳定性问题满足力和力距平衡条件的通用条分法通常归结为求解一个包含两个未知值的非线性方程组的问题需要解决的一个难题是数值分析的收敛问题这可以从众多的文献中可以了解到 (Morgenstern & Price,1976 Wright 1969 Soriano 1976 Ching and Fredlund 1983
年)不少学者提出了对策
(1) 试凑法(Trial and error)首先假定一个安全系数F同时对内力分布作一假定如假定条间剪力为零然后逐步调整F和内力分布直到全部平衡条件均得到满足这一方法的一个典型例子是Jambu在1973年提出的通用条分法参见2.5.4节这一方法存在严重的收敛困难问题
(2) 一个变量的迭代法Sarma (1973)提出的对每个土条施加水平力的处理方法其主要的好处是可以通过直接求解代数方程求到未知量K参见2.5.4节当然当将K转化为工程界容易接受的安全系数F时仍需引入迭代步骤但已经将二个变量的迭代问题简化为一个变量的迭代问题Fredlund (1980)介绍快速收敛手法(Rapid Solver)寻找G(F,λ)
和M(F,λ)两条曲线的交点解得F和λ参见2.3.1节所有这些方法均没有从本质上脱离试凑的局限
(3) 牛顿?勒普生法事实上对于一个仅包含二个未知量的线性方程组采用解析方法求解并不困难Chen & Morgenstern改进的通用条分法成功地获得了进行牛顿?勒普生法迭代所需的多项导数的计算公式因而在绝大多数情况下都能保证数值计算快速收敛
4,确定最小安全系数的方法边坡稳定分析的第二步是在众多的可能滑裂面中寻找一个相应最小安全系数的临界滑裂面近年来最优化方法被广泛应用于这一课题
Baker(1980)使用动态规划来寻找最小安全系数这个方法把求解最小安全系数和求解安全系数藕合在一起十分繁复以后大部分研究者都使用最优化方法Cellestino and Duncan
(1980) Li & White (1987)采用多变量法Nguyen (1985)采用单形法我国张天宝(1981)对圆弧滑裂面采用解析法求解临界滑裂面孙君实(1983)采用复形法对任意形状滑裂面确定最小安全系数周文通(1984)使用Powell法计算改良圆弧法的最小安全系数本书作者自20世纪80年代后期开始这一领域研究1988年在加拿大岩土工程学报上与邵长明共同著文介绍了采用单形法负梯度法和DFP法求解任意形状滑裂面的安全系数
20 土质边坡稳定分析?原理
方法
程序极值的成果进入20世纪90年代后陆续出现了采用非数值分析方法蒙特卡洛法随机搜索法遗传算法模拟退火法搜索安全系数的极值问题将在第4章介绍有关的研究成果
1,4 本书的主要内容和结构本书不是一本全面阐述滑坡产生的工程地质背景破坏机理岩土力学特征以及分析和治理方法的专著本书仅涉及了这一学科中的一个十分具体的领域即边坡稳定分析方法相对于滑坡分析和治理的其它学科分支来说这是一个难度较小发展比较成熟的领域尽管它并不能解决滑坡分析和治理的全部问题但它在边坡的设计和加固中仍占有重要地位作者希望通过本书全面阐述对土质边坡进行稳定分析的原理和方法并介绍有关程序和使用说明在本章中我们已经回顾了滑坡灾害给人类的生命和财产带来巨大损失从而认识到开展滑坡分析和治理的重要意义并简要回顾了进行边坡稳定分析的理论背景和各种方法第2章,边坡稳定分析的通用条分法”着重阐述边坡稳定分析极限平衡法的基本原理介绍由作者和Morgengtern教授改进的稳定分析的通用条分法并简要回顾其它通用条分法的原理第3章边坡稳定分析的简化方法介绍瑞典法Bishop和滑楔法等边坡稳定分析的简化方法并讨论其计算精度和适用范围边坡稳定分析包括计算一个滑裂面的安全系数和计算临界滑裂面两个步骤第4章确定最小安全系数的最优化方法介绍使用最优化方法搜索圆弧和任意形状滑裂面的最小安全系数的原理和方法在边坡稳定分析中正确地进行土的抗剪强度试验采用合理的强度指标对于计算成果的合理性具有重要意义第5章土的抗剪强度简要回顾土的抗剪强度基本理论以及通过试验理论分析和现场测试确定土的抗剪强度的方法介绍有效应力法和总应力法的原理同时讨论了粘性土的残余强度和粗颗粒土的非线性强度问题第6章土的孔隙水压力介绍确定孔隙水压力的基本理论讨论土石坝施工期正常运行期库水位骤降期确定孔隙水压力的方法土石坝是规模最大的土方建筑物我国共有8.5万座高度超过15m的土石坝其安全关系到成千上万人的生命财产本书第7章土石坝各运用期的稳定分析介绍土石坝在施工期稳定渗流期库水位骤降和地震时边坡稳定分析的具体步骤讨论针对各工况的具体特点合理地确定筑坝土料和地基的强度指标的问题然后应用有效应力法或总应力法求解稳定安全系数第8章边坡加固稳定分析介绍对挡土墙加筋土土锚钉等各种边坡加固措施的设计计算方法讨论通用条分法在土压力领域的推广应用第9章有限元法在边坡稳定分析中的应用介绍渗流固结和应力应变有限元分析的基本原理和方法并介绍了这一体系严格的方法近期与传统的安全系数处理准则接轨方面的研究成果第1章 绪言 21
第10章,边坡稳定的可靠度和风险分析介绍边坡和大坝风险的分析方法着重讨论进行可靠度分析的原理和方法以及相关的研究成果岩土工程分析包含有大量的不确定因素边坡稳定分析的一个重要任务就是正确地定量地把握这些不确定因素合理地评价边坡的失稳风险这一问题在近期受到学术界的广泛重视第11章和第12章是具体实现本书介绍的边坡稳定分析方法所不可缺少的内容第11
章程序设计介绍边坡稳定分析程序的结构和程序设计方法并附以主要源程序第12
章 程序使用说明介绍由作者开发的边坡稳定分析程序STAB的使用方法本章附有30
个例题详细介绍了各种功能的使用方法本书各章使用的大量例题和工程实际应用的数据文件都是通过STAB程序实现的第13章工程案例详细记载使用STAB程序完成的13个工程的计算成果包含三峡小浪底天生桥等国内重要水电工程第14章,三维极限平衡分析方法介绍作者近期研究开发的三维边坡稳定极限平衡分析方法的原理和应用实例引入三维分析可以更加合理地模拟滑坡发生的真实情况在某些特定条件下三维分析对于解决实际的工程问题具有二维方法不可替代的作用在阐述的各章内容时作者列举了大量算例和工程应用实例本书的一个重要特点是提供了大部分例题的原始数据文件也就是说读者可以应用STAB程序重演本书中介绍的内容在每章的最后一节作者提供了一个数据文件列表读者可以通过网站
www.geoeng.iwhr.com下载相应的数据文件读者也可以从此网站下载第11章介绍的源程序和测试题以及在第12章介绍的STAB程序的普及版参考文献
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