某水库边坡稳定性分析与加固治理毕业论文(编辑修改稿)

某水库边坡稳定性分析与加固治理毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

取各 种防护加固措施，并对各种防护加固方案进行了经济效益性和适用可靠性评价。 2 边坡稳定性的影响因素 地质构造 在区域构造比较复杂，褶皱比较强烈，新构造运动比较活动的地区，边坡稳定性差。 断层带岩石破碎，风化严重，又是地下水最丰富和活动的地区极易发生滑坡。 岩层或结构的产状对边坡稳定也有很大影响，水平岩层的边坡稳定性较好，但存在陡倾的节理裂隙，则易形成崩塌和剥落。 同向缓倾的岩质边坡 (结构面倾向和边坡坡面倾向一致，倾角小于坡角 )的稳定性比反向倾斜的差，这种情况最易产生顺层滑坡。 结构面或岩层倾角愈陡，稳定性愈差。 如岩层倾角小于 10176。 ～ 15176。 的边坡，除沿软弱夹层可能产生塑性流动外，一般是稳定的；大于 25176。 的边坡，通常是不稳定的；倾角在 15176。 ～ 25176。 的边坡，则根据层面的抗剪强度等因素而定。 同向陡倾层状结构的边坡，一般稳定性较好，但由薄层或软硬岩互层的岩石组成，则可能因蠕变而产生挠曲弯折或倾倒。 反向倾斜层状结构的边坡通常较稳定，但垂直层面或片理面的走向节理发育且顺山坡倾斜，则亦易产生切层滑坡。 地层岩性 岩性对边坡的稳定及其边坡的坡高和坡角起重要的控制作用。 坚硬完整的块状或厚某水库边坡稳定性分析与加固治理 6 层状岩石如花岗岩、石灰岩、砾岩等可以 形成数百米的陡坡，如长江三峡峡谷。 而在淤泥或淤泥质软土地段，由于淤泥的塑性流动，几乎难以开挖渠道，边坡随挖随塌，难以成形。 黄土边坡在干旱时，可以直立陡峻，但一经水浸土的强度大减，变形急剧，滑动速度快，规模和动能巨大，破坏力强且有崩塌性。 松散地层边坡的坡度较缓。 不同的岩层组成的边坡，其变形破坏也有所不同，在黄土地区，边坡的变形破坏形式以滑坡为主；在花岗岩、厚层石灰岩、沙岩地区则以崩塌为主；在片岩、板岩、千枚岩地区则往往产生表层挠曲和倾倒等蠕动变形。 在碎屑岩及松散土层地区，则产生碎屑流或泥石流等。 汇 水域及地表、地下水文 地表水和地下水是影响边坡稳定性的重要因素。 不少滑坡的典型实例都与水的作用有关或者水是滑坡的触发因素，处于水下的透水边坡将承受水的浮托力的作用，而不透水的边坡，将承受静水压力；充水的张开裂隙将承受裂隙水静水压力的作用；地下水的渗流，将对边坡岩土体产生动水压力。 水对边坡岩体还产生软化或泥化作用，使岩土体的抗剪强度大为降低；地表水的冲刷，地下水的溶蚀和潜蚀也直接对边坡产生破坏作用。 不同结构类型的边坡，有其自身特有的水动力模型。 ⑴ 静水压力 作用于边坡的静水压力主要包括两种情况：其一是当边 坡被水库淹没时，库水对边坡面所产生的静水压力；其二是当裂隙岩石边坡的张裂隙充水时，裂隙中的水压力。 ① 边坡坡面上的静水压力：当边坡被水淹没，而边坡的表部相对不透水时，坡面上将受一定的静水压力，静水压力的方向与坡面正交。 ② 边坡裂隙静水压力：有张裂隙发育的岩石边坡以及长期干旱的裂隙粘土边坡，如果因降雨或地下水活动使裂隙充水，则裂隙面将承受静水压力。 由于裂隙水活动的不规律性，岩体中的地下水位通常不是圆滑的曲线。 在相邻裂隙的地下水位不同时，地下水位高的裂隙较地下水位低的裂隙承受较大的静水压力，这种静水压力的 差别，有时是使边坡失稳的原因之一。 由于地下水出口节理裂隙敞开情况不同，也影响裂隙水压力的大小，因而影响边坡的稳定。 出口节理张开，地下水位低，裂隙水压力小；出口节理闭合，透水性差，则地下水位高，裂隙水压力大。 如作用在岩块底部滑面上的静水压力，有时可使覆岩块隆胀 (静水压力等于上覆岩块重 )，而使边坡稳定严重恶化。 某水库边坡稳定性分析与加固治理 7 ⑵ 浮托力 处于水下的透水边坡，承受浮托力的作用，使坡体的有效重量减轻，这对边坡的稳定不利。 不少水库周围松散堆积层边坡，在水库蓄水时发生变形，浮托力的影响是原因之一。 对处于极限稳定状态，依靠坡脚岩体重 量保持暂时稳定的边坡，坡脚被水淹没后，浮托力对边坡稳定的影响就更加显著。 ⑶ 动水压力 动水压力的方向和水流方向平行，在近似计算中，多假定与地下水面或滑面平行，如果动水压力方向和滑体滑动方向不一致，则应分解为垂直和平行于滑面的两个分量参与稳定计算。 在边坡稳定的实际计算中，由于渗流方向不是定值，且水力梯度不易精确确定，一般则作简化假定，以采用不同的滑体块体密度将动水压力的影响计入。 即在地下水位以下静水位以上有渗流活动的滑体，计算下滑力时，采用饱和块体密度；计算抗滑力时，采用浮块体密度。 地震作用 地震 对边坡稳定性的影响表现为累积和触发 (诱发 )等两方面效应。 ⑴ 累积效应 边坡中由地震引起的附加力 S的大小，通常以边坡变形体的重量 W与地震振动系数 k之积表示 (S=kW)。 在一般边坡稳定性计算中，将地震附加力考虑为水平指向坡外的力。 但实际上应以垂直与水平地震力的合力的最不利方向为计算依据。 总位移量的大小不仅与震动强度有关，也与经历的震动次数有关，频繁的小震对斜坡的累进性破坏起着十分重要的作用，其累积效果使影响范围内岩体结构松动，结构面强度降低。 ⑵ 触发 (诱发 )效应 触发效应可有多种表现形式。 在强震区，地震触发 的崩塌、滑坡往往与断裂活动相联系。 高陡的陡倾层状边坡，震动可促进陡倾结构面 (裂缝 )的扩展，并引起陡立岩层的晃动。 它不仅可引发裂缝中的空隙水压力 (尤其是在暴雨期 )激增而导致破坏，也可因晃动造成岩层根部岩体破碎而失稳。 碎裂状或碎块状边坡，强烈的震动 (包括人工爆破 )甚至可使之整体溃散，发展为滑塌式滑坡。 结构疏松的饱和砂土受震液化或敏感粘土受震变形，也可导致上覆土体产生滑坡。 海底斜坡失稳，不少也与地震造成饱水固结土体的液化有关，这也是为什么在十分平缓的海底斜坡中 会产生滑坡的重要原因之一。 某水库边坡稳定性分析与加固治理 8 小结 岩土边坡的 破坏类型从形态上来看可分为岩崩和岩滑两种。 岩崩一般发生在边坡过陡的岩坡中，这时大块的岩体与岩坡分离而向前倾倒，或者坡顶岩体因某种原因脱落而在坡脚下堆积，它经常产生于坡顶裂隙发育的地方。 岩滑是指一部分岩体沿着岩体较深处某种面的滑动。 岩滑可分为平面滑动、楔形滑动以及旋转滑动。 不同的岩层组成的边坡，其变形破坏也有所不同，在黄土地区，边坡的变形破坏形式以滑坡为主；在花岗岩、厚层石灰岩、沙岩地区则以崩塌为主；在片岩、板岩、千枚岩地区则往往产生表层挠曲和倾倒等蠕动变形。 在碎屑岩及松散土层地区，则产生碎屑流或泥石流等。 影响边坡稳定性的因素主要有内在因素和外部因素两方面，内在因素包括组成边坡的地貌特征、岩土体的性质、地质构造、岩土体结构、岩体初始应力等。 外部因素包括水的作用、地震、岩体风化程度、工程荷载条件及人为因素。 内在因素对边坡的稳定性起控制作用，外部因素起诱发破坏作用。 3 边坡稳定性的计算分析方法 边坡稳定性的数值计算分析 ]5[ ]6[ 目前最常见的数值分析方法有 :差分法、有限元法、边界元法及各种耦合方法。 有限元法具有节点配置方式 比较任意、对于具有复杂形状的分析域可以使边界节点完全落在区域边界上、对变系数或非线性问题的适应性较强等特点。 当前数值计算方法在岩土工程中已得到广泛应用。 其中，有限元法是边坡稳定性评价分析中被广泛采用的一种。 特别是随着计算机技术、固体力学非线性理论与求解技术的不断发展，采用有限元法可迅速有效地求解岩体结构面的应力、变形，并可根据相应屈服准则确定岩体的破坏区域。 基于有限元法的稳定性分析可充分考虑岩体结构面间的相互作用和材料的非均质、各向异性和非线性等，能较好的反映岩体失稳的机理。 并可根据不同的研究对象做不同的 处理，对于难以预知可能滑动面的岩体，可以采用增载法跟踪计算区域内塑性区的发展趋势，据此确定可能的滑动面，再进行稳定性复核。 对预先可知滑动面或滑动方向的岩体，可直接利用有限元分析结果进行稳定性复核。 数值分析方法有两种发展趋势：一、是有限元的发展，从平面有限元到三维有限元，从弹性有限元到弹塑性有限元，使有限元分析结果更能反映实际边坡；二、是大量新型数值计算方法的应用，如边界元法、离散元法、拉格朗日元法等，这些数值方法的应用必将促进地下工程和岩溶地基稳定性分析研究的发展。 某水库边坡稳定性分析与加固治理 9 边坡稳定性的有限元分析 ]5[ ]6[ 有限元法是根据变分原理或加权余量法，通过分区插值离散化处理，将待解域内的连续场函数转化为求解有限个离散点处的场函数的一种数值方法。 在应用有限元法对岩体进行稳定性评价时，可以对不同的单元根据具体情况指定不同的力学性质，可以对节理裂隙等软弱夹层设置适当的弱面单元，可以方便地处理层状岩体，还可以方便地处理各种不规则几何形状的边界条件，因此是一种较为理想的分析岩体稳定性的方法。 有限元法的基本思路：把土坡当成变形体，按照土的变 形特性，计算出土坡内的应力分布，然后再引入圆弧滑动面的概念，验算滑动土体的整体抗滑稳定性。 有限元法的应用步骤： ⑴ 将土坡划分成许多单元体，用有限元法可以计算出每个单元的应力、应变和每个结点的结点力和位移； ⑵ 土坡的应力计算出来以后，再引入圆弧滑动面的概念。 把一个可能的圆弧滑动面分成若干小弧段△ Li，小弧段△ Li上的应力用弧段中点的应力代表，其值可以按有限元法应力分析的结果，根据弧段中点所在的单元的应力确定，表示为σ xi σ ziσ xzi ； ⑶ 求边坡稳定安全系数。 将滑动面上所有小弧段的剪应力和抗剪强 度分别求出后，累加求沿着滑动面的总的剪切力Στ i△ li 和抗剪力Στ fi，根据总的剪切力Στ i△ li 和抗剪力Στ fi求出边坡稳定安全系数。 采用有限元方法分析边坡的大概有以下几种 情况 ： ⑴ 按照弹塑性理论，对边坡进行有限元分析，得出边坡完整的应力应变变形成果，可以预测边坡区域由弹性变为塑性的完整演 化 过程，为边坡的治理、施工方法提供依据。 现在很多程序可以进行此类分析。 ⑵ 首先采用传统的极限平衡法，找出最小安全系数的滑移面，或者已知滑移面，然后进行有限元分析，将滑移面位置设置薄层单元或接触单元，不断降低 薄层单元的力学参数，直至边坡失去平衡，边坡的安全系数就是强度指标（摩尔库仑模型的凝聚力 C和摩擦系数 tanφ ）降低的倍数。 该方法需要预先定义滑移面位置，不能找出其他潜在滑移面，对已知滑移面的情况很适用，对一般边坡并不适用。 很多程序可以完成此类分析。 ⑶ 采用第一种方法分析后，然后按照传统的极限平衡法，搜索滑移面，找出最小安全系数。 该方法安全系数的定义与传统方法相同，即为滑移面上的总抗剪强度（算术和）与总剪力的比值。 这一方法源于传统方法，该方法滑移面是人为规定的，有可能找不出其他潜在滑移面。 某水库边坡稳定性分析与加固治理 10 在实际岩土工程 的数值模拟中，有限元法之所以占主导地位，是因为有限元法对非均质、各向异性和非线性的岩土材料具有良好的适应性，能编制各类工程实际问题的有限元分析通用化程序，可以解决各种复杂的边界问题。 边坡稳定性的离散元分析 ]5[ ]6[ 离散元法（ DEM）是由 Cundall（ 1971年）首先提出的。 该方法利用中心差分法解析动态松弛求解，为一种显式解法，不需要求解大型矩阵，计算比较简便，其基本特征在于允许各个离散块体发生平动、转动、甚至 分离，弥补了有限元法或边界元法的介质连续和小变形的限制。 因此，该方法特别适合块裂介质的大变形及破坏问题的分析。 其缺点是计算时步需要很小，阻尼系数难以确定等。 基于非连续介质模型的离散元方法在描述岩体这样的具有明显各向异性且力场受控于节理走向的介质时具有独特的优势。 其首先建立了边坡问题的离散元模型，单元间采用面 面接触的无张力弹塑性接触模型；然后计算分析了临界开挖深度 D与自然坡角α、节理倾角θ及剪切强度 C、φ之间的关系。 该方法可以直观地反映岩体变化的应力场、位移场及速度场等各个参量的变化，可以模拟边坡失稳的全 过程。 因此，采用离散元方法分析边坡稳定性是可行的，其计算结果对工程有一定的指导意义。 边坡稳定性的极限平衡分析 ]5[ ]6[ 以极限平衡理论为基础的边坡稳定分析方法大体上经历了两个发展阶段。 20世纪 60年代以前，以滑弧法、块体滑动法等为代表，对滑面和块体的形状、力学平衡条件以及物理力学参数等方面，引入了较多的简化条件。 20世纪 60年代以来，随着计算机技术的发展和普及，发展了 MorgensternPrice法（ 1965年 ） 、 Spencer法（ 1967年 ）、 Janbu法（ 1973年 ）、 Sarma法（ 1979年 ）等等方法，力图使滑面的形状以及力和力矩的分析更接近实际。 但各种方法都是以剖面为对象的平面分析法。 极限平衡法在工程中应用最为广泛，这个方法以摩尔 — 库仑抗剪强度理论为基础，将滑坡体划分为若干条块，建立作用在这些条块上的力的平衡方程式，求解安全系数。 这个方法，没有象传统的弹、塑性力学那样引入应力－应变关系来求解本质上为静不定的问题，而是直接对某些多余未知量作假定，使得方程式的数量和未知数的数量相等，因而使问题变得静定可解。 根 据边坡破坏的边界条件，应用力学分析的方法，对可能发生的滑动面，在各种荷载作用下进行理论计算和抗滑强度的力学分析。 通过反复计算和分析比较，对可能的滑动面给出稳定性系数。 该方法的关键在于对滑体的范围和滑面的某水库边坡稳定性分析与加固治理 11 形态进行分析，正确地选用滑面计算参数，正确地分析滑体的各种荷载。 基于该原理的方法很多，如条分法、圆弧法、 Bishop法、 Janbu法、不平衡传递系数法等。 边坡滑动稳定性的 Sarma 法 ]5[ ]6[ Sarma是一种边坡 滑动稳定性分析方法 .该方法是 Sarma博士 1979年在其论文“ Stability analysis of embankments and slopes”中提出的，其后得到广泛应用。 它的基本思想是：斜坡岩土体除非是沿一个理想的平面圆弧而滑动，才可能作为一个完整刚体运动，否则，岩土体必先破坏成多块相对滑动的块体才可能发生整体滑动。 因此它不但要求底滑面上作用力平衡，同时相邻滑块之间的相对滑动面上也要作用力平衡。 Sarma 法是一种既满足力的平衡又满足力矩平衡的分析方法，计算时同时考虑滑体底面和侧面的抗剪强度参数 ，而且各滑块可具有不同的 c、Φ值；滑块的两侧可以任意倾斜（可以不用垂直条分），并不仅限于竖直边界，因而能分析具有各种滑坡结构特征的稳定性，它可以用来评价各种类型滑坡的稳定性，如平面滑动、楔体滑动、圆弧滑动和非圆弧滑动等各种复杂剖面岩土斜坡，且它无需条块边界垂直即无须垂直条分滑体，从而可以对各种特殊的边坡破坏结构进行稳定性分析，传统的边坡稳定极限平衡分析法采用垂直条分法，这个方法不能很好地考虑条块侧面的力的特性，特别是岩质边坡的断层节理特征。 边坡滑动稳定性的条分法 ]7[ 边坡分析中首先应对自然状态下边坡稳定程度进行分。