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岩石边坡演示

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地质 储层 沉积 地化 层序地层
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岩石边坡稳定第一章概论岩石边坡是地壳表面具有侧向临空面的地质体,包括坡面、坡顶、坡肩、坡脚及下部一定深度的坡体。岩石边坡有的直接就是水工建筑物的一部分,有的则与水工建筑物相邻并对建筑物的安全性产生重大影响一、边坡分类(1)边坡按高度可分为• 超高边坡(大于100米)• 高边坡(50到100米)• 中边坡(20到50米)• 低边坡(小于20米)(2)按成因可分为•剥蚀边坡•侵蚀边坡•塌滑及人为边坡(3)按其人工改造程度可分为•自然边坡(天然河谷或库区岸坡等)•人工边坡(基坑、坝肩、洞脸等)(4)按与水利水电工程的关系可分为•工程边坡•非工程边坡(5)工程地质部门通常对边坡进行岩性、结构、变形三级分类:1)按物资组成可分为:岩质边坡黄土边坡沙土边坡土石混合边坡2)岩质边坡按边坡岩体结构可分为:图1裂结构边坡图1状结构边坡图1状结构边坡水平结构 同向缓倾结构同向陡倾结构 反倾结构斜向结构3)按边坡岩体变形破坏的基本形式可分为:图1动变形边坡图1裂变形边坡图1塌变形边坡图1动变形边坡倾倒型 扭曲型松动型 塑流型滑动变形边坡,系指边坡的一部分岩体,沿一定的滑面,相对于另一部分岩体产生过剪切位移的边坡。工程上称大量岩体在重力作用下,沿一定的面作整体下滑的现象为滑坡• 通过对水利水电工程的统计,滑动破坏占到70%以上边坡失稳是很多水利水电工程建设和运行过程中常见而多发的主要地质灾害之一。1963年10月9日,瓦依昂水库发生巨大规模滑坡,损失惨重,震惊世界;法国马尔巴塞拱坝坝肩岩体失稳事故是世界坝工史的重要事件;中国湖南柘溪水库库岸发生滑坡,滑体以25m/ 秒速度滑入山区水库,激起高达21m 的巨大涌浪,跃过未建完的大坝顶部向下游倾泄,造成40余人死亡;此外中国的漫湾、天生桥等工程在建设过程中也都发生过较大规模边坡失稳事故。据有关资料介绍,近20年来,仅意、日、美、俄、印(度)、中、捷及奥(地利)、瑞(士)等国,各国每年因滑坡灾害所造成的经济损失,平均达15~20亿美元,总和平均每年可达120~160亿美元法国马尔巴塞拱坝:右岸坝肩尚存法国马尔巴塞拱坝:左岸完全摧毁二、水利水电工程边坡的主要特点1)边坡与水的关系更加密切2)边坡受工程荷载的影响显著3)水库运行直接影响边坡变形与稳定4)对边坡稳定的要求随边坡所处部位要求不同而异三、影响边坡稳定与变形的主要内在因素1)原始应力状态2)地下水状态3)岩石的构成及特征4)边坡形状5)岩体结构特征6)岩体中软弱带分布特征四、影响边坡稳定与变形的主要外在因素1)施工开挖引起的卸荷和应力调整2)施工爆破引起的岩体损伤和动力荷载3)由于库水位变化、降雨、泻洪雾化雨而引起的地下水位变化,等五、边坡稳定性的评价方法1)历史分析法2)工程地质类比法3)刚体极限平衡法4)应力应变分析法六、边坡整治1)消除或减轻水的作用。可分为阻排地表水、阻排地下水、防止水对边坡的冲刷与浪蚀图1 地表排水工程平面布置图(杨家槽滑坡)图1 地下排水工程平面布置图(杨家槽滑坡)图1 地下排水工程立面布置图(杨家槽滑坡)2)改善边坡的力学平衡条件。可分为削坡、减重反压、设置抗滑挡墙、抗滑桩、锚固、抗剪键等图1湾水垫塘边坡锚筋桩图1湾电站进水口边坡预应力锚索(施工)图1湾电站进水口边坡预应力锚索(部分完工)3)增强弱面的物理力学性质。可分化学灌浆、石灰加固法、陪烧法、电渗排水和电灌法、爆破灌浆法等七、主要参考文献[英]石边坡工程,冶金工业出版社,质边坡稳定分析- 原理。方法。程序,北京:中国水利水电出版社,国水利水电出版社,2001第二章边坡稳定性的定量评价——刚体极限平衡法原则:1)针对不同类型和破坏机理的边坡,提出不同的分析方法2)计算方法、计算参数和安全指标要配套岩石边坡工程中的安全系数大体有两种不同的定义:“超载安全系数” :如果将荷载增大系即将失稳。计算中,将荷载乘以K ,并将K 逐渐增大,直到体系达到极限平衡,此时所对应的K 值即为所求安全系数。地基基础设计规范中采用的安全系数即与此相似“强度储备安全系数” :如果将岩土抗剪强度降低系即将处于失稳状态。计算中,逐渐增大岩土抗剪强度不断降低,直到体系达到极限平衡,此时所对应的K 值即为所求安全系数。土石坝设计规范中采用安全系数即属此类在边坡稳定性分析和防治工程设计中,目前多趋向于采用“ 强度储备安全系数” 。原因主要是:①边坡外荷载较为明确,而岩土体的强度变化较大,又不易精确测定,其取值较无把握,设计中要留有余地②自重往往是边坡最主要的荷载,但自重即产生下滑力,也产生阻滑力,采用“ 超载安全系数” 概念不明确第一节碎裂结构边坡图2线滑动图2线滑动边坡示意1)摩擦公式(2中, Σ 括扬压力)和切向分力, kN;f 为摩擦系数∑∑=剪断公式(2中,为计算单元的底滑面积,Σ 括扬压力)和切向分力。f ′和c ′分别为抗剪断摩擦系数和凝聚力(∑∑′+′=线滑动分析法可能出现折线滑动的情况有:滑坡底滑面为若干控制断层组合而成,非粘性均质滑坡,滑坡体由于部分浸水图2型折线滑动面示意图折线滑动分析时,将滑动土体视为刚体,并在折线的转折点处用铅直的或倾斜的错动面将滑动土体划分为若干个块体,逐块进行力的平衡计算,计算时要假定若干组可能出现的折线滑动面,经试算求出最小安全系数所对应的折线滑动面为最危险滑动面,最小安全系数应满足设计规范的要求•可作为曲线滑动的特例三、曲线滑动既适用于均质地基,也适用于非均质地基,并可考虑渗流、孔隙压力和地震力等因素的影响。常用条分技术。1)根据滑裂面的不同形状,有圆弧滑动分析法,任意曲线滑动分析法和组合滑动稳定分析法2)根据对滑动体内部受力条件的不同假定,有不计入滑动体条块间作用力和不计入滑动体条块间作用力的分析方法3)根据计算手段不同,有数解法、图解法和试验分折法4)考虑到滑体在承受外荷载作用时,控制滑体材料的强度的并不是作用在任意面上的总应力,而是材料骨架所承受的有效应力,因而上述方法中又有总应力法和有效应力法之分5)根据考虑空间效应的情况,有二维和三维分析方法四、体在滑动过程中,侧向结构面也常常发生相对滑移,而且侧向(或者竖向)节理面并不总是垂直的(1) 可以根据滑体的地质特性、结构面构造,按照节理构造对滑体进行斜条分以及不等距条分,使各个条块尽量能够模拟实际风化岩体2) 可以较为详尽的模拟侧面节理、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,侧面上也达到了极限平衡(2)计算步骤1) 选择典型的、重要的软弱夹层、节理面、破碎带等结构面,记录 其产状2) 根据滑裂面的形状以及结构面的产状,将边坡体划分为如干个土 条,其中也可以加入一些人工设定的土条分界面图2板溪滑坡条分模型(W(i,i,i+1,(T )i+1,(XB i+1))i+1(,i+1i+1几何模型3) 取第号条块作为脱离刚体进行分析。对条块施加一个虚拟的水平向地震系数,然后建立水平向和竖直向的力平衡方程 i,(i+1,i+1力学模型4) 将条块底部和条块分界面上的土体强度参数都降低倍,建立两个抗剪极限平衡方程对于第i ( I=1,…n)个块体,由, 得到:(2= 0X∑= 0Y()[]( )[ ]() 0+−++−+−+−−++++++[]( )[ ]() 0+−++++−+++++++中,(22式(2~式(2消去 、 、 、 得到 与 的关系:(2中−=+11++−===1( )ζφδδφδδ +−=( )()+⋅−−+−=+++++( )+−+−−=+++++5) 根据上述方程和边界条件,推导出水平向地震系数的显示求解表达式由式(2到:当 i=1 时,当 i=2 时,………依此类推,又由边界条件可知 ,最终可以得到(2+−=()+=+−=01=+−−−−−−⋅⋅⋅+⋅⋅⋅+++⋅⋅⋅+⋅⋅⋅+++=6) 假定F=1,可以得到极限平衡状态下的水平地震系数K 。若,则调整 新进行计算,直至 时的F 即为边坡的稳定安全系数0≠维分析图2滩右岸坝肩边坡(碎裂结构)图2滩右岸坝肩边坡(碎裂结构)图2滩右岸坝肩边坡(碎裂结构)图2滩右岸坝肩边坡(碎裂结构)图2滩右岸坝肩边坡(碎裂结构)图2有三维效应的滑坡(水布垭)把滑坡分成若干空间柱体,考虑四个侧面的相互作用,求解底滑面的反力,进而求出安全系数六、不足与改进1)未考虑滑体内部的应力应变关系,无法分析滑裂面的渐进破坏机理2)仅考虑滑动体上力的平衡条件,没有考虑滑动体上力矩的平衡条件3)未考虑破坏面上剪应力分布的不均匀性4)极限分析方面,根据弹塑性的上限解和下限解,结合条分技术与线性规划技术,进行滑坡稳定性的极限分析,可求得滑坡稳定安全系数的上限解和下限解5)考虑材料蠕变特性的稳定分折方法和所谓 “能量法 ”,也在研究之中。能量法的物理概念是:滑动体的滑动速度所作的外功功率超过滑裂面上吸收功的功率时,滑动体就失稳第二节块状结构边坡图2型块状岩体边坡(小湾)一、块体组合与破坏模式1)块体系统识别2)搜索块体组合3)破坏模式判别①无滑动面的自由脱落②单面滑动③双面滑动二、单面滑动计算方法与碎裂结构边坡的直线滑动相同三、双面滑动以岩坡中楔形体稳定分析为代表图2湾水垫塘边坡图2坡中的楔形体设外荷 与与过见图2。该荷载被分解为沿与 垂直的力,其量值为:S=E 2两滑面上的反力 和 相平衡,而 和 又可进一步分解为滑面上的剪切力和及法向力 和 (图2 2-γ)'11+θ2);1+γ)'21+θ2);2-γ)'11+θ2);1+γ)'21+θ2); (2→S→N→N→2→2→2→2→记滑面1 和 2 的面积为 2, 两滑面的摩擦系数和凝聚力为f1、f2、则强度储备抗滑稳定安全系数是:(2)()()( −++−+=问题:由于角度θ1和θ2不知,故反力2、2是超静定的, k 实际上不能解出。为此,人们引用了假定:θ1=α'1θ2=α '2从而有:α'2-γ) /'1+α'2)α'1+γ) /'1+α'2) 0 (2k =(122S (2、不足与改进①式 (2便是著名的 "法向分解假定"( 1965) Î结果偏于不安全② 在公式的推导中, 仅用了力矢的平衡条件而未考虑转动平衡 Î结果偏于不安全为求改进,可以:z 用有限单元法分析z 考虑滑动面的变形与强度特性z 利用塑性理论的极限分析图2层状结构)第三节层状结构边坡图2倾层状结构)图2倾层状结构)图2倾层状结构)一、层状结构边坡的基本破坏模式①顺层滑动:计算方法与碎裂结构边坡的直线滑动相同②倾倒③弯曲倾倒二、弯曲倾倒边坡的特点1) 岩层走向与边坡走向大体一致2) 岩层倾角大于500大多数为 700岩石边坡与层面夹角小于900三、分析方法可用组合梁法(王思敬)。该法把边坡视为一系列平行梁组合,根据全黏结组合弯曲梁理论,可逐层计算以模拟边坡的渐进破坏缺陷:z 不能考虑层面的摩擦角第四节安全指标一、经验安全系数设计法以上计算要求满足(2许安全系数[k] 按经验确定,主要考虑:z 边坡的部位(重要性)z 计算方法(简化程度)z 参数取值标准(抗剪,抗剪断;屈服值,峰值,残余值)z 各国习惯[](1)常规设计准则以前,水利水电工 程专业尚无边坡设计规范,故设计时通常的做法是:参照同类工程的设计方法,首先合理确定工程等级,而后认真分析影响边坡稳定的各种因素,据其认识深度并参照同类工程的实践经验及邻近专业的规程规范(《碾压式土石坝设计规范》(《建筑物地基基础设计规范》( 《岩土工程勘察规范》(,《水利水电工程地质勘察规范》( ,经综合分析后,针对不同设计工况,分别拟定相应最小稳定安全系数及相应的计算方法进行分析计算和方案设计。当对上述问题及影响边坡稳定分析的各敏感因素把握较准时,可选用较小的安全系数,如 则,必须采用较大的安全系数,电枢纽工程等级划分及设计安全标准( 后,水电枢纽工程边坡的安全标准有了明确的标准。该 标准首先对边坡进行级别划分(表 2,然后该标准规定采用刚体 法的下限解法时,应满足表2坡级别划分边坡级别 所影响的水工建筑物级别1级 1级2级 2,3级3级 4,5级表2全系数取值边坡级别荷载组合基本组合(正常工况)特殊组合 I(非常工况)特殊组合常工况)1级 5 5 5 1、2级边坡,应采用两种或两种以上的常规分析方法,包括有限单元法(2)相对设计准则对于现状稳定状态尚好 ,但因所处环境改变(如受水库蓄水和人类活动影响)后稳定性有所降低的边坡;或因要在边坡体上修建重要建筑物、或因有重要保护对象等原因,需要提高边坡稳定性的防治工程设计,可以按维持稳定现状或在现状基础上适当提高安全标准设计方法进行设计。即先计算出因环境改变后的各种不利因素使边坡降低的安全系数值,或分析论证需在现状基础上提高的安全系数值,然后通过采取适当工程措施,使边坡安全系数增加相应的值,从而补偿因环境改变对边坡稳定造成的不利影响或因修建工程而需增加的安全富余度。采取的工程措施以确保边坡的稳定条件不致进一步恶化或能有所改善为原则,从而达到维持或改善边坡稳定状态的目的二、概率设计法水准1 : “半经验半概率法 ”,对某些参数进行数理统计分析,并与经验相结合引入某些经验系数,如极限状态法。水准2 : “一次二阶矩法 ”, “近似概率法 ”, 运用数理统计,对结构或截面设计的“ 可靠概率” 进行较为近似的估计。水准3:“ 全概率法” ,如蒙特- 卡罗法( 1)极限状态设计法属于水准1的“ 半经验半概率法” ,特点是:z 存在三种极限状态:承载力极限状态,变形极限状态,裂缝极限状态z 在承载力极限状态中,对材料强度引入各自的材料强度系数和工作条件系数,对不同的荷载引入各自的荷载系数(超载系数),对构件还引入构件工作条件系数z 材料强度系数和荷载系数,是将材料强度和荷载作为随机变量,用数理统计方法分析确定中国的《水利水电工程结构可靠度设计统一标准》( 0199定,在水利水电工程结构设计中采用分项系数极限状态设计法代替传统的定值安全系数设计法。分项系数极限状态法的设计表达式由一组分项系数和基本变量代表值组成,它们反映了极限状态方程各基本变量的不定性和变异性,并按目标可靠指标优选分项系数,因而隐含了概率的意义。对岩基上水工建筑物沿建基面、 软弱夹层面的抗滑稳定性应按承载能力极限状态设计。对应于作用(即荷载)效应基本组合采用下列极限状态设计表达式:(2应于偶然组合则为:(2,(1),,(10 ),(1),,,(20 上两式中,S 为作用效应函数,R 为结构抗力函数, 为结构重要性系数, ψ 为设计状况系数, 、 分别为基本组合和偶然组合的结构系数, 、 、 为可变作用的分项系数和标准值, 、 为材料性能的分项系数和标准值,作定值处理)。以上的分项系数和标准值的确定方法或取值参见《水利水电工程结构可靠度设计统一标准》( 0199《水工建筑物荷载设计规范》(077(⋅)(⋅0γ1应的作用效应函数S 和抗力函数22两式中,Σ 部法向作用设计值,C′为建基面抗剪断凝聚力设计值,为建基面抗剪断摩擦系数设计值; 为建基面截面积, 、 的设计值则为标准值除以分项系数。按式( 2式(2分别计算出基本组合、偶然组合的S 和R ,然后代入式(2式(2并按上式规范规定,对 、 ψ 、 和 取值,即可核算基本组合和偶然组合情况下,坝体沿建基面的抗滑稳定极限状态)(⋅ )(⋅∑=⋅(∑′+′=⋅(C′0γ1)“ 一次二阶矩法” ,“ 近似概率法”水准2方法。将抗力和荷载效应作为随机变量,按给定的概率分布,计算失效概率或可靠指标。名称来历:采用平均值和标准差两个统计参数,对设计表达式进行线性化处理。①中心点法假定随机变量服从正态分布或对数正态分布,导出结构构件的可靠度解析表达式,失效概率或可靠指标。分析时,采用泰勒级数在平均值(中心点)展开状态函数(功能函数):(2,......(1 极限状态方程:(22>0 可靠, 若总计进行了 块体系统破坏了 破坏概率即为 : (25)为保证计算精度 ,模拟次数必需满足 :(26)从破坏概率 =100应力应变分析法有限元法的思想早在 40年代形成1956年航空工程用于飞行结构的应力分析1960年 一名称国内对有限元法的研究始于 20世纪 60年代初(刘家峡大坝)一个有限元法完整的分析过程一般包括①前处理:建立实体模型、离散计算区域②有限元分析③后处理:结果输出等三部分与传统的极限平衡法相比,有限元法进行边坡稳定分析的优点可总结如下:①能够对具有复杂地貌、地质的边坡进行分析;②可以事先不假定破坏面的形状或位置;③考虑了变形协调的本构关系,因此也不必引入假定条件,保证了严密的理论体系;④有限元结果提供了应力、变形的全部信息。有限单元法有不少经典专著( 1970; 1080,朱伯芳, 2002)第一节应力应变有限单元法基本原理把连续介质转化为离散介质(单元)的组合,各单元通过结点联系,单元内位移由结点位移用形函数插值获得,通过变分或虚功原理建立求解结点位移的联立方程,然后再计算单元内应变,最后计算单元内应力图3有限元网格Δ21一、单元分析图 3块体单元的位移增量与荷载增量第 时,天等)的单元内部的位移增量与结点位移增量为:(3元内部的位移增量可以由结点位移增量通过形函数插值而来:{Δu}n= [N]{ Δδ}n(3}...........[4411ΔΔΔΔ=Δδ{}[ ΔΔ=Δ按小变形假定 ,单元内部的应变增量为 :{Δε } n= [B]{ Δδ} n( 3弹性理论:{Δ σ } n= [D]{Δ ε } n=[S] { Δδ} n( 3中: [B]为应变矩阵 ,[S]=[D][B]为应力矩阵。面力,体力等外荷按静力等效的原理分配到相干结点上 :( 3、平衡方程根据虚功原理可推出∫∫∫Ω [B]T {Δσ} {ΔF} ( 3}[ ]..... ΔΔΔΔ=Δ把式( 3入单元平衡方程( 3然后绕结点进行组合,给出全体结点位移与全体结点荷载增量的关系 :[K]{Δ U}={Δ F} ( 3中: [K]为整体刚度矩阵,由单元刚度矩阵 [k]组合而成。整体位移向量 {Δ U}和整体荷载向量 {Δ F}也通过组合而成[k]=∫∫∫Ω [B]T [D] [B] 3 3式( 3出位移增量 ,然后由式( 3算各单元内部的应变增量 ,再式( 3算各单元内部应力增量。以上各量分别叠加后 ,即可得出在某一荷载步下结构的位移 ,应变和应力总量{ }...........[11ΔΔΔΔ=Δ{ }...........[11ΔΔΔΔ=Δ第二节非线性问题有限单元法基本原理一、几何非线性理非线性1) 弹塑性问题, 用增量法,迭代法求解。2)徐变、粘塑性问题等,例如岩土材料的弹粘塑性应力应变关系为( 3 3−12)从而:( 3入变分方程:[K]{Δ U}={Δ F}+{Δ ( 3中右端增加了由粘塑性因素引起的等效荷载增量:{Δ ∫∫∫Ω [B]T [D]{Δε ] [ ],( σσ Δ={ } { } { }+Δ=Δ{ }}} { }σε Δ=Δ−1][[ ]{ } [ ]{ }εσ Δ−Δ=Δ三、安全指标①应力总和安全系数( 3超载安全系数( 3强度储备安全系数( 3随机有限单元法分析∑∑+=(0第三节渗流问题的有限元法•在岩石边坡工程中,渗流占有很重要的地位•有限元法被应用到渗流计算领域中始于 1965年 0世纪 70年代,有限元法相继扩展到求解随时间变化的非稳定渗流问题、非饱和渗流问题、岩体裂隙渗流问题以及渗流和应力场耦合的问题•近年来,渗流有限元分析计算技术发展非常迅速,已经基本取代了以前广泛采用的电模拟试验方法•渗流有限元算法通常利用泛函的变分原理建立无压渗流问题是已广泛研究了的课题。记Φ= y+ p/γ为水头函数,其控制方程是:( 3界条件是:Φ|г1=Φ0(33由面是一种特殊边界,需满足:( 3中: {n}是边界的单位法线向量Φ∂∂Φ∂+∂Φ∂∂Φ∂+∂Φ∂∂Φ∂)()()(∂Φ∂+∂Φ∂+∂Φ∂⎪⎩⎪⎨⎧=∂Φ∂+∂Φ∂+∂Φ∂=Φ0流边界对应的变分方程是:( 321)(222=ΓΦ+⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛Φ+⎟⎠⎞⎜⎝⎛∂Φ∂+⎟⎠⎞⎜⎝⎛∂Φ∂+⎟⎠⎞⎜⎝⎛∂Φ∂=Φ∫∫Γ则在单元内部有:( 3式 (3入式 (3得出:( 3中,导水矩阵和右端项为:( 3 3Φ}]{[−Φ=Φ N}{}]{[ Φ−[][] [ ] [ ] [][ ]⎤⎢⎣⎡∂∂∂∂+∂∂∂∂+∂∂∂∂=∫][Γ+=∫∫Γ][}{
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