滑坡稳定性分析与安全系数取值研究.docx

1、滑坡稳定性分析与安全系数取值研究滑坡稳定性分析与安全系数取值研究 第17卷 第3期2006年9月中国地质灾害与防治学报 TheChineseJournalofGeologicalHazardandControlVol.17 No.3Sep.2006 徐 青,陈士军,陈胜宏 (武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室,湖北武汉 430072) 摘要:在地质灾害中,滑坡灾害分布最广、发生频率最高、危害最大,是我国地质灾害防治的主要对象。滑坡研究的主要任务之一是稳定性分析。论文针对三板溪水电站进水口滑坡和水布垭水电站大岩淌滑坡,分别采用刚体极限平衡法、块体单元法、有限单元法对稳定安全系数和条间推力

2、分布曲线进行分析和比较,研究各种方法的差异和计算精度,以及各种方法稳定安全系数的取值标准,希望为水利水电工程边坡设计规范有关有限单元法、块体单元法条目的编写和相应的允许安全系数取值标准的制定提供一定的参考。研究结果表明:1块体单元法计算的安全系数与刚体极限平衡法计算的安全系数可以采用相同的取值标准,而有限单元法计算的安全系数取值标准可适当降低;o块体单元法计算的条间水平推力、条间剪切力与刚体极限平衡法(尤其是Sarma法)计算的条间水平推力、条间剪切力非常相近,有限单元法计算的条间水平推力、条间剪切力较小;?分析方法、力学模型与参数取值应与安全系数取值标准相匹配。 关键词:地质灾害;滑坡;安全

3、系数;刚体极限平衡法;块体单元法;有限单元法;三板溪滑坡文章编号:1003-8035(2006)03-0058-05 中图分类号:P642122 文献标识码:A 3 1 引言 滑坡稳定安全系数是判断滑坡是否稳定及决定滑坡治理投资大小的一项重要指标,直接关系着工程的安全性、经济性与合理性。鉴于水利水电工程尚未制定滑坡设计规范,本文分别采用刚体极限平衡法 4,69 主体部分高程4301057010m,体积约34万m。滑坡体地形高陡,坡度为32b38b。滑坡体构成较为复 杂,高程59210m以下主要为巨型块石、碎石。高程5921061310m为碎石夹粘土,块径约为015110m,含量约为50%60%

4、。高程61310m以上具残余坡积物。基岩为凝灰质粉细砂岩,岩层产状为N31bE,SEN31b42b。滑坡体与基岩之间的滑带为灰黄色可塑至软塑状粘土,厚度约为015m。距陡崖前缘2530m有一条宽1032m的高陡倾角断层破碎带。 三板溪滑坡体狭长而单薄,滑面形状复杂。滑坡在天然状态下,地下水位位于滑动面以下,所以计算时没有考虑地下水的作用。表1为滑坡物理力学性质参数。 212 刚体极限平衡法分析 将主滑面上的滑坡体划分为20个条块(图1)。分别采用Sarma法、剩余推力法、改进剩余推力法对滑坡体的稳定性进行分析,强度储备安全系数的计算结果为:Sarma法计算的安全系数为1110807,剩余推力法

5、计算的安全系数为1113809,改进剩余推力法计 收稿日期:2005-04-06;修回日期:2005-10-27 基金资助:水利部科技创新项目(合同编号SCX2003-21)。作者简介:徐青,女,(1965),博士生,现从事环境工程与水 工结构工程的研究工作。 包括Sarma法、剩余推力法(RTM)、改进剩余 10 推力法(RTMI)、块体单元法(BEM) 5 、有限单元 法(FEM)对位于贵州省清水江上的三板溪水电站进水口滑坡和位于湖北省清江上的水布垭水电站大岩淌滑坡进行稳定性分析,并通过这两个滑坡工程实例的计算成果,分析比较各种方法的差异和计算精度。 本文的结果可为水利水电工程边坡设计规范

6、有关有限单元法、块体单元法条目的编写和相应的允许安全系数取值标准的制定提供参考。 2 三板溪滑坡稳定性分析 211 滑坡概况 三板溪滑坡体分布于电站进水口右侧?号冲沟上游大支沟内。支沟上游边坡为一顺层坡面,下游边坡上部为一连续的NW向陡崖,滑坡体分布高程为3751065710m,厚度为5104010m,平均厚度为15120m,约44万m。其中,水库正常蓄水位(高程m3 3 3 59 算的安全系数为1110458。 表1 三板溪滑坡岩土体物理力学性质参数Table1 Physicalandmechanicalparametersoftherock andsoilbodyinSanbanxilan

7、dslide 滑坡体滑带基岩 天然重度弹性模量 泊松比 (kPa)(kNPm3)191018 102610 1000050005000000 013501350135 内聚力内摩擦角 (kPa)(b)5010010160010 361032164510 图2 三板溪滑坡块体单元法计算模型Fig.2 Computationmodeloflandslide(byBEM) 图1 天然状态下主滑面S0断面条分模型Fig.1 SlicemodeloftheS0sectionunder thenaturalcondition 图3 三板溪滑坡体滑带面上屈服区分布图Fig.3 Yieldregiondist

8、ributionoftheslideface 由计算结果可以看出,剩余推力法计算出的安全系数高于上限解的Sarma法。因为三板溪滑坡的滑 面坡度较陡,在剩余推力法的计算中,不少条块之间出现了剪切力超出极限抗剪强度的现象。改进剩余推力法计算的安全系数与Sarma法比较接近,且稍偏低。说明改进剩余推力法考虑了条分面上的极限抗 10 剪强度条件后,计算结果更加合理。213 块体单元法分析 应用块体单元法对滑坡稳定性进行分析时,仍采用强度储备安全系数法,采用的滑坡稳定判据为位移收敛和屈服区不贯通。当滑坡体处于稳定状态时,位移收敛,且不超过允许值;同时,屈服区稳定在某处,且不出现贯通的屈服区。当滑坡体处

9、于失稳状态时,时段末的位移不收敛或者位移量过大;屈服区也随着 时步不断扩大。 建立如图2所示的三板溪滑坡体稳定分析块体单元法计算模型,包含20个块体、94个离散平面、305个结点。通过试算,块体单元法计算的滑坡稳定安全系数为1 110。在此安全系数条件下的滑带面上屈服区分布如图3所示。21 仍采用强度储备安全系数法计算滑坡稳定安全系数。在已经满足误差精度的有限元优化网格模型中,以折减后的强度参数作为材料参数进行非线性有限元迭代计算。当发生屈服的区域贯通,形成滑动通道,或者非线性计算发散,则滑坡处于失稳状态,说明折减系数估计过大;当屈服区没有贯通,或非线性计算没有发散,则滑坡处于稳定状态,说明折

10、减系数估计过小。 建立三板溪滑坡体稳定分析有限单元法计算模型,经过若干次误差估计和网格优化,最终优化的计算网格如图4所示,包含3096个四边形单元、3243个离散结点。通过试算,有限单元法计算的滑坡体稳定安全系数为1103。在此安全系数条件下的屈服区如图5所示。 215 各种方法的比较 将各种方法计算得到的安全系数汇总,如表2所示。由表2可以看出,有限单元法计算的安全系数最小,块体单元法计算的安全系数与刚体极限平衡法计算的安全系数非常接近。 60 中国地质灾害与防治学报 ZHONGGUODIZHIZAIHAIYUFANGZHIXUEBAO 2006年 出现上述结果的原因是:块体单元法与刚体极限

11、平衡法具有相近的理论基础和基本假定,即都是假定滑面及条分面上的剪切力达到了极限状态;而有限单元法考虑滑坡体既有处于屈服区的部分,也有处于弹性区的部分,条分面上既不完全屈服,也不完全弹性,说明有限单元法没有像其他方法那样最为充分地考虑条分面上的抗剪强度,是一种相对比较精确的方法。由此可以得出结论:有限单元法的允许安全系数 图4 三板溪滑坡稳定分析的有限单元法计算网格 Fig.4 Finiteelementmeshforthestability analysisofSanbanxilandslide 可比刚体极限平衡法取得低一些;而块体单元法的允许安全系数则可与刚体极限平衡法取得基本相同。 3 大

12、岩淌滑坡稳定性分析 311 滑坡工程概况 大岩淌滑坡位于清江左岸大崖东侧脚下,上距坝轴线800余m,距溢洪道挑流鼻坎300余m,距最大挑距冲坑60余m。滑坡原为一顺层基岩滑坡,经局部解体形成现状。滑体由主滑体及东、西两级次滑体组成,结构较复杂。滑坡总面积约为01196km,厚度为2540m,最厚约65m,总体积约为588万m。滑坡形成后,主体已经达到新的平衡。并具有以下特点:1 32 图5 三板溪滑坡体有限元计算屈服区分布图 Fig.5 YieldregiondistributionoftheSanbanxilandslide(byFEM) 地表和地下水径流条件好,大气降水入渗量小,滑体内地下

13、水欠丰;o滑坡体物质主要为粉质粘土、砾质粉土和粘土,其结构疏松,透水性较强;?滑床较为平坦;?由于滑体对岸马崖陡高边坡的现代崩解,较多的大块石堆积于滑坡体前部,对滑坡体前缘起到了压脚及防冲蚀的作用。 大岩淌滑坡的主滑体在平面上呈狭长带状分布,平缓且较厚,EW向宽约120180m,SN向长870m,分 23 布面积为01124km,厚2540m,约390万m,占总滑坡体体积的6613%。滑坡体相对高差约为225m,具有较高的势能。 表3 大岩淌滑坡岩土体物理力学性质参数Table3 Physicalandmechanicalparametersofthe rocksoilbodyinDayant

14、anglandslide 天然重度 (kNPm3) 231023102610 单元法分别计算的条间水平推力分布曲线(图6)。 表2 各种方法计算的三板溪滑坡的稳定安全系数Table2 SafetyfactorsoftheSanbanxilandslide computedbydifferentmethods Sarma法1110807 RTM1113809 RTMI1110458 BEM1110 FEM11 03 图6 三板溪滑坡体条间水平推力分布曲线Fig.6 Horizontalthrustdistributioncurvebetween slicesoftheSanbanxilandsl

15、ide 滑坡体滑带基岩 弹性模量 泊松比 (kPa)29000190002500000 014001400134 内聚力内摩擦角(kPa)(b)1615101065010 221018103510 由图6可以看出,块体单元法与刚体极限平衡法计算的条间水平推力曲线比较贴近,尤其是与Sarma法计算的条间水平推力曲线非常贴近;有限单元法计 算的条间水平推力在全域范围内小于其他3种方法。 312 刚体极限平衡法分析 将主滑面上的滑坡体划分为20个条块,条分模型ma 61 1141872,剩余推力法计算的安全系数为1142953,改进剩余推力法计算的安全系数为1141692 。 图7 大岩淌滑坡B-B剖面条分模型Fig.7 SlicemodeloftheB-Bsection ofDayantangLandslide 图9 大岩淌滑坡稳定分析的有限单元法计算网格Fig.9 Finiteelementmeshofstabilityanalysis forDayantanglandslide 313 块体单元法分析 建立如图8所示的大岩倘滑坡稳定分析块体单元法计算模型,包含20个块体、103个离散平面、334个结点。通过试算,块体单元法计算的滑坡体稳定安全系数为1147 。