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 1110。在此安全系数条件下的滑带面上屈服 区分布如图 3 所示。 214 有限单元法分析
图 3 三板溪滑坡体滑带面上屈服区分 布图
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
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 120~ 180m, SN 向长 870m, 分 布面积为 01124km2, 厚 25~ 40m, 约 390 万 m3, 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。
图 6 三板溪滑 坡体条间水平推力分布曲线 Fig. 6 Horizontal thrust distribution curve between
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。
第3期
徐 青, 等: 滑 坡稳定性分析与安全系数取值研究
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 力分 布曲线 进行 分析和 比较, 研 究各种 方法 的差 异和计 算精
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
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。
第 17 卷 第 3 期 2006 年 9 月
中国地质灾害与防治学报 T he Chinese Journal of Geological Hazard and Control
Vol. 17 No. 3 Sep. 2006
滑坡稳定性分析与安全系数取值研究
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)
文章编号: 1003- 8035( 2006) 03- 0058- 05
中图分类号: P642122
文献标识码: A
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[ 4,6~ 9] [ 包括 Sarma 法、剩余推力法( RTM) 、改进剩余 推力法( RTMI) [ 10] ] 、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。
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。
采用 Sarma 法、剩余推力法、块体单元法 及有限
中国地质灾害与防治学报
60
ZHONGGUO DIZHIZAIHAI YU FANGZHI XUEBAO
本文的结果可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 Ö 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 37510~ 65710m, 厚 度 为 510 ~ 4010m, 平 均 厚 度 为 15120m, 约 44 万 m3。其中, 水 库正 常蓄 水位 ( 高 程 47510m) 以下约 6 万 m3, 正常蓄水位以上约 38 万 m3。
主体部分高程 43010~ 57010m, 体积约 34 万 m3。滑 坡体地形高陡, 坡度为 32b~ 38b。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 59210~ 61310m 为碎石夹粘土, 块径约为 015~ 110m, 含量约为 50% ~ 60% 。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, SE N 31b~ 42b。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 25~ 30m 有一条宽 10~ 32m 的高陡倾角断层破碎带。
3 大岩淌滑坡稳定性分析
图 5 三板溪滑坡体有限元计算屈服区分布图 Fig. 5 Yield region distribution of the Sanbanxi landslide ( by FEM)
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
29000 0140 161 5 221 0
Fig. 3 Yield region distribution of the slide face
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, 说明折减系数估 计过小。
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 力法计算的安全系数为 1113809, 改进剩余推力法计
Table 3 Physical and mechanical parameters of the
rock soil body in Dayantang landslide
Байду номын сангаас
岩土体
参数 天然重度 弹性模量
内聚力 内摩擦角
( kNPm3 )
泊松比
( kPa)
( kPa)
( b)
滑坡体 滑带 基岩
2310
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 Table 1 Physical and mechanical parameters of the rock
and soil body in Sanbanxi landslide
岩土体
参数 天然重度 弹性模量 泊松比 内聚力 内摩擦角
Table 2 Safety factors of the Sanbanxi landslide
computed by different methods
Sarma 法
RTM
RTM I
BEM
FEM
11 10807
1113809
1110458
1110
11 03
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
图 1 天然状态下主滑面 S0 断面条分模型 Fig. 1 Slice model of the S0 section under
the natural condition
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 剪强度条件后, 计算结果更加合理[ 10] 。 213 块体单元法分析
2006 年
图 4 三板溪滑坡稳定分析的有限单元法计算网格 Fig. 4 Finite element mesh for the stability analysis of Sanbanxi landslide
出现上述结果的原因是: 块体单元法与刚体极限 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 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。