2.6巖體結(jié)構(gòu)理論-邊坡結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)理論,2.6.1問題的提出 上幾節(jié)我們已經(jīng)了解到，巖土體力學(xué)的發(fā)展是緊緊地圍繞著對(duì)巖土體的介質(zhì)認(rèn)識(shí)屬性展開的?，F(xiàn)在處于對(duì)巖體介質(zhì)認(rèn)識(shí)的結(jié)構(gòu)介質(zhì)認(rèn)識(shí)時(shí)代！但是，變形與破壞理論落后于這個(gè)時(shí)代，還停留在裂隙介質(zhì)的認(rèn)識(shí)水平。,2003.5.11貴州三穗特大橋滑坡,西藏易貢特大崩滑災(zāi)害,目前采用的巖體邊坡坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方法與社會(huì)需求矛盾尖銳的主要表現(xiàn)可歸納為：,（1）路塹、水電工程的溢洪道、露天礦等工程邊坡在不斷增高，大多數(shù)工程邊坡穩(wěn)定性常常須在開挖前預(yù)測(cè)邊坡的穩(wěn)定性。而目前的三維極限平衡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方法以及與其相近的三維穩(wěn)定性分析方法都是針對(duì)某個(gè)滑體的評(píng)價(jià)方法，難以勝任。,（2）目前人工邊坡的坡角的設(shè)計(jì)很大程度上依賴于經(jīng)驗(yàn)，沒有實(shí)現(xiàn)定量分析。設(shè)計(jì)斜坡與“理想”斜坡相距甚遠(yuǎn)，有些設(shè)計(jì)坡角靠近坡頂部分偏于安全，靠近坡低的坡段卻偏于危險(xiǎn)，必然提高工程造價(jià)或釀成工程上的后患。巖體斜坡的設(shè)計(jì)急待摒棄以往經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，進(jìn)入任意坡高安全度一致的定量設(shè)計(jì)階段。,（3）滑坡的治理與支護(hù)的決策有待適當(dāng)?shù)睦碚摷傲炕Ｐ椭笇?dǎo)，以保證其技術(shù)上的可行性和經(jīng)濟(jì)上的合理性。 （4）以往為了確定滑動(dòng)面的位置及滑坡的體積、滑動(dòng)結(jié)構(gòu)面的面積耗費(fèi)大量的時(shí)間和人力與物力，人們希望有捷徑可走。,（5）結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度、滑坡的體積及滑動(dòng)面面積等滑坡地質(zhì)參數(shù)很難快速、準(zhǔn)確地獲得。目前的一半反分析方法難度大、精確度低。 抗剪強(qiáng)度是邊坡、水利水電、地下工程至關(guān)重要的參數(shù)，費(fèi)用高、精度差。幾十年來，它是有關(guān)研究者的最關(guān)注的工程問題。,2.6.2巖體邊坡三維評(píng)價(jià)方法的研究現(xiàn)狀,對(duì)于巖體邊坡，通過現(xiàn)場(chǎng)節(jié)理調(diào)查及統(tǒng)計(jì)分析,采用Monte-Carlo隨機(jī)模擬方法，進(jìn)行節(jié)理三維網(wǎng)絡(luò)的計(jì)算機(jī)模擬、研究確定了邊坡的節(jié)理巖體強(qiáng)度和破壞模式，通過滑動(dòng)面自動(dòng)搜索及FLAC數(shù)值模擬，進(jìn)行邊坡的穩(wěn)定性分析。系統(tǒng)地計(jì)算分析節(jié)理巖體邊坡穩(wěn)定狀況。 還有學(xué)者在傳統(tǒng)的邊坡穩(wěn)定性三維分析模型的基礎(chǔ)上,提出了一個(gè)全新的基于GIS 的邊坡穩(wěn)定性三維柵格分析模型。在這個(gè)模型中，假定初始滑動(dòng)面就是橢球底面, 采用蒙特卡洛（Monte-Carlo）隨機(jī)模擬方法，在求取最小安全系數(shù)法的同時(shí),確定出最危險(xiǎn)滑動(dòng)面。運(yùn)用GIS 柵格模型和GIS 數(shù)據(jù)模擬滑坡滑動(dòng)過程時(shí)，滑坡體將沿主滑方向滑動(dòng)，直到其安全系數(shù)上升到1 為止。,所有的計(jì)算均可通過一個(gè)稱為三維邊坡地理信息系統(tǒng)（3DSLOPGIS）的計(jì)算程序來完成，該程序主要利用GIS 的空間數(shù)據(jù)處理分析功能。在有限元法求解應(yīng)力的基礎(chǔ)上,采用數(shù)學(xué)規(guī)劃法分析邊坡穩(wěn)定的問題。通過數(shù)學(xué)規(guī)劃法與有限元法的結(jié)合,不但滿足邊坡力的平衡條件,而且考慮了材料的應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系,計(jì)算時(shí)不需做任何假定,使得計(jì)算結(jié)果更加精確合理，計(jì)算結(jié)果表明用該方法解決三維邊坡穩(wěn)定分析問題是可行的。,全新的基于GIS空間數(shù)據(jù)庫的三維邊坡穩(wěn)定分析模型，假定初始三維滑動(dòng)面為橢球形，研究采用Monte-Carlo模擬方法搜尋最危險(xiǎn)滑動(dòng)面，全部分析研究程序采用VB和GIS控制軟件編制，利用GIS的空間數(shù)據(jù)處理分析功能，各種可能滑動(dòng)面所需輸入數(shù)據(jù)可以方便地得到，而且結(jié)果也能方便地在數(shù)字地圖上表示和分類。,有限元與數(shù)學(xué)規(guī)劃方法的結(jié)合、基于地理信息系統(tǒng)數(shù)字模擬技術(shù)上邊坡三維穩(wěn)定性評(píng)價(jià)注入了活力。但卻遠(yuǎn)不能滿足人們對(duì)生命財(cái)產(chǎn)的保護(hù)和對(duì)在邊坡工程中的生產(chǎn)的需求。 這種現(xiàn)狀不僅僅是由于巖土體邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)中的數(shù)學(xué)、力學(xué)問題不得不簡(jiǎn)化地質(zhì)邊界條件帶來過大的誤差，還由于有限元方法介質(zhì)前提與巖體實(shí)際介質(zhì)本性的突出矛盾及數(shù)據(jù)處理分析方法的 局限性和巖體工程地質(zhì)條件空間變化的復(fù)雜性的矛盾。 截止目前這些方法還沒能實(shí)現(xiàn)對(duì)邊坡連續(xù)地、動(dòng)態(tài)地對(duì)邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行分析。對(duì)于按結(jié)構(gòu)體滑動(dòng)的巖體邊坡還停留在巖土體邊坡單一滑塊穩(wěn)定性計(jì)算方式，所以無法實(shí)現(xiàn)高邊坡的總體地全面地三維量化分析，也就無法實(shí)現(xiàn)包括任何坡高的穩(wěn)定分析及其穩(wěn)定性的對(duì)比，沒有解決上述邊坡工程中亟待解決的棘手問題：,2.6.3巖體邊坡穩(wěn)定性三維動(dòng)態(tài)數(shù)字化分析方法的基本原理,一、不同力學(xué)性質(zhì)結(jié)構(gòu)面的組合規(guī)律; 二、單位結(jié)構(gòu)體； 三、優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)體； 四、優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)體的空間變化規(guī)律：,若按實(shí)體比例投影方法求得的單位結(jié)構(gòu)體的體積表示為，則坡高為n時(shí)，其結(jié)構(gòu)體的體積為 若按實(shí)體比例投影方法求得的滑動(dòng)面面積，則坡高為n的可能滑動(dòng)結(jié)構(gòu)體的面積 ,2.1.6.4方法步驟,（1）結(jié)構(gòu)面的工程地質(zhì)調(diào)查 絕大多數(shù)巖體失穩(wěn)都是結(jié)構(gòu)體失去平衡狀態(tài)造成的，巖體斜坡失穩(wěn)亦如此。巖體的結(jié)構(gòu)是由結(jié)構(gòu)面的空間組合狀態(tài)所決定的，對(duì)其結(jié)構(gòu)體的分析應(yīng)從研究分析結(jié)構(gòu)面開始。 結(jié)構(gòu)面的工程地質(zhì)調(diào)查應(yīng)著重查明巖體結(jié)構(gòu)面類型、產(chǎn)狀、力學(xué)性質(zhì)、密度、延續(xù)性、結(jié)構(gòu)面充填物類型、粒度、物質(zhì)成分、厚度和不均勻程度、地下水作用情況、結(jié)構(gòu)面及其充填物風(fēng)化和蝕變狀況。,（2）確定邊坡地質(zhì)結(jié)構(gòu)類型,邊坡結(jié)構(gòu)類型 按邊坡的結(jié)構(gòu)體類型與滑動(dòng)面的地質(zhì)特征可劃分為四種結(jié)構(gòu)類型的邊坡：?jiǎn)位瑒?dòng)面、楔形雙滑動(dòng)面、同傾向雙滑動(dòng)面和多滑動(dòng)面邊坡結(jié)構(gòu)類型。如果細(xì)致劃分邊坡的地質(zhì)類型，此四大結(jié)構(gòu)類型還可各分為若干亞類。,単滑動(dòng)面結(jié)構(gòu)五面體,楔形雙滑動(dòng)面結(jié)構(gòu)四面體,同傾向雙滑動(dòng)面結(jié)構(gòu) 六面體,多個(gè)不同傾向滑面結(jié)構(gòu)體,多同傾向滑面結(jié)構(gòu)體,（3）巖體斜坡的優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)體分析,為解決研究目標(biāo)引入單位結(jié)構(gòu)體的概念。區(qū)域中巖體結(jié)構(gòu)面成組賦存于巖體之中是突出的地質(zhì)力學(xué)規(guī)律。所以，結(jié)構(gòu)體也是按組出現(xiàn)于巖體中。巖體實(shí)質(zhì)是三維無限非連續(xù)天然結(jié)構(gòu)體，所以可以認(rèn)為巖體可以含有無窮多個(gè)結(jié)構(gòu)體，它們是具有相似的立體圖形。,由于同一區(qū)域上巖體所經(jīng)歷的構(gòu)造應(yīng)力歷史是一致的，以至于結(jié)構(gòu)體的各個(gè)相互對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)面的力學(xué)性質(zhì)也是相同的。結(jié)構(gòu)體的各個(gè)結(jié)構(gòu)面與邊坡的坡面角距關(guān)系也是一致的。這一規(guī)律啟發(fā)我們研究邊坡的穩(wěn)定性可以研究一個(gè)特例結(jié)構(gòu)體，求得它對(duì)于特定工程地質(zhì)條件下的穩(wěn)定性及其規(guī)律，然后推廣到一般任意結(jié)構(gòu)體之中。為了研究巖體穩(wěn)定性數(shù)字化模型的方便，我們定義1米坡高邊坡的某種結(jié)構(gòu)體為單位結(jié)構(gòu)體。,所謂優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)體，指經(jīng)過工程地質(zhì)調(diào)查和實(shí)體比例投影對(duì)比，最易失穩(wěn)定一種或幾種結(jié)構(gòu)體。優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)體分析，就是將結(jié)構(gòu)體的兩結(jié)構(gòu)面組合交線傾向與斜坡傾向有較小交角，且傾角小于坡角的結(jié)構(gòu)體，按組合交線傾角的從大到小和它與斜坡傾向交角的由小到大，同時(shí)考慮到滑動(dòng)結(jié)構(gòu)面抗剪指標(biāo)大或小綜合分析，依次排序，首先以最不利于穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)體作為穩(wěn)定性評(píng)價(jià)的對(duì)象，若經(jīng)動(dòng)態(tài)穩(wěn)定分析，它在設(shè)計(jì)坡高范圍內(nèi)是穩(wěn)定的，一般情況下其它結(jié)構(gòu)體必然是穩(wěn)定的。否則依次計(jì)算其它結(jié)構(gòu)體的穩(wěn)定狀態(tài)。,4建立穩(wěn)定性數(shù)字化動(dòng)態(tài)模型,采用極限平衡方法建立穩(wěn)定性數(shù)字化動(dòng)態(tài)模型?？紤]穩(wěn)定性的影響因素根據(jù)邊坡的等級(jí)邊坡類型。 。最終實(shí)現(xiàn)每個(gè)抗滑動(dòng)力因子、滑動(dòng)力因子隨單位坡高的增量連續(xù)的獲得。建立穩(wěn)定性系數(shù)與坡高的表達(dá)式。,2.6.4單滑動(dòng)面邊坡巖體結(jié)構(gòu)三維穩(wěn)定性數(shù)字化動(dòng)態(tài)分析,一、概述 與其他結(jié)構(gòu)類型相比，單滑動(dòng)面斜坡結(jié)構(gòu)體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，結(jié)構(gòu)面相互制約也單一，但是單滑動(dòng)面滑坡的危害性較大，產(chǎn)生的后果比較嚴(yán)重。路塹、水電工程的溢洪道、露天礦等大型工程邊坡的穩(wěn)定性常常在開挖前預(yù)測(cè)斜坡的穩(wěn)定性，而目前的方法難以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)它的穩(wěn)定性，進(jìn)而會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的后果。例如千將坪滑坡與塘巖光滑坡，它們都是單滑動(dòng)面滑坡，因?yàn)闆]有準(zhǔn)確預(yù)測(cè)出它的穩(wěn)定性而導(dǎo)致了災(zāi)難的發(fā)生。,三峽庫區(qū)千將坪滑坡，2003年月13日零時(shí)20分在中國(guó)三峽水庫初期蓄水后min，三峽水庫區(qū)湖北省秭歸縣沙鎮(zhèn)溪鎮(zhèn)千將坪村二組和四組萬山體突然下滑，造成房屋倒塌、廠房摧毀、交通中斷、青干河堵塞，經(jīng)濟(jì)損失慘重，人死亡，人失蹤。 1961年3月6日，湖南省資水柘溪水庫蓄水初期，近壩庫區(qū)右岸塘巖光村發(fā)生體積165104 m3的高速滑坡，滑坡體高速滑落水庫，激起巨大涌浪。涌浪漫過壩頂，造成重大損失，死亡人。,單滑動(dòng)面結(jié)構(gòu)邊坡的側(cè)向切割面產(chǎn)狀比較陡且有強(qiáng)度較低的地質(zhì)條件，即傾角大于70側(cè)向切割結(jié)構(gòu)面屬于延續(xù)性好的夾泥層、糜棱巖時(shí)，可以不考慮側(cè)向滑動(dòng)面的摩阻力。當(dāng)可以忽略側(cè)向切割面的摩阻力或單滑動(dòng)面結(jié)構(gòu)斜坡具備側(cè)向臨空的地形條件的情況下，可建立如下穩(wěn)定性動(dòng)態(tài)數(shù)字化穩(wěn)定性分析模型：,穩(wěn)定性動(dòng)態(tài)數(shù)字化穩(wěn)定性分析模型的建立,如圖6-1所示的單滑動(dòng)面巖體結(jié)構(gòu)側(cè)向剖面圖所示，斜坡的坡角為，滑動(dòng)面的傾角為，坡頂平面的傾角為，單位結(jié)構(gòu)體坡高為H1，H1高度為單位長(zhǎng)度（1m）。側(cè)向剖面ABC為三角形，設(shè)ABC的高AD為h1，不考慮側(cè)向切割面對(duì)結(jié)構(gòu)體滑動(dòng)的抗滑作用，屬于平面力系問題，設(shè)單位結(jié)構(gòu)體的重量為W1，滑動(dòng)面長(zhǎng)度=l1，按極限平衡理論，其穩(wěn)定性系數(shù)的表達(dá)式應(yīng)為：,圖6-1：?jiǎn)位瑒?dòng)面巖體結(jié)構(gòu)斜坡側(cè)向剖面示意圖,按極限平衡理論，其穩(wěn)定性系數(shù)的表達(dá)式應(yīng)為：,（6-1）,二、無地下水浸潤(rùn)曲面的單滑動(dòng)面巖體結(jié)構(gòu)邊坡的穩(wěn)定性三維動(dòng)態(tài)分析,A、根據(jù)地質(zhì)邊界條件和邊坡的受力條件，計(jì)入地震力影響的單滑動(dòng)面結(jié)構(gòu)土體邊坡穩(wěn)定性動(dòng)態(tài)數(shù)字化模型為：,B、側(cè)向切割面陡傾，走向與滑動(dòng)面傾向一致,C 、側(cè)向切割面緩傾，走向與滑動(dòng)面傾向一致,上式中： ，斜坡的坡角及滑動(dòng)結(jié)構(gòu)面傾角； C，C1滑動(dòng)結(jié)構(gòu)面及側(cè)向切割面的內(nèi)聚力； ,1滑動(dòng)結(jié)構(gòu)面及側(cè)向切割面內(nèi)摩擦角； n坡高； 巖體的容重； 1側(cè)向切割面的傾角； s走向與滑動(dòng)面傾向一致對(duì)陡傾側(cè)向切割面面積。 w1緩傾側(cè)向切割面與過l的垂面圍成的側(cè)滑體的重力；,圖4-3 緩傾角側(cè)向切割面單滑動(dòng)面巖體結(jié)構(gòu)三維立體示意圖,W0單位結(jié)構(gòu)體的重力； B斜坡的計(jì)算寬度，應(yīng)根據(jù)地質(zhì)條件而定。,C、緩傾側(cè)向切割面走向與滑動(dòng)面傾向不一致,圖6-3 緩傾側(cè)向切割面走向與滑動(dòng)面傾向不一致,如圖6-3所示，設(shè)側(cè)向滑移單位結(jié)構(gòu)的重力為W1，側(cè)向滑移面的面積為S1。根據(jù)該地質(zhì)條件的幾何邊界條件，應(yīng)用側(cè)向切割面陡傾時(shí)已知條件單位結(jié)構(gòu)體滑面長(zhǎng)度與緩傾側(cè)向切割面滑面面積及其長(zhǎng)度，根據(jù)緩傾側(cè)向切割面產(chǎn)狀與滑動(dòng)面及走向與滑動(dòng)面傾向一致的陡立面的角距關(guān)系可得到：,以上各式中： 側(cè)向切割面與滑動(dòng)面組合交線的傾角； 側(cè)向切割面與滑動(dòng)面組合交線的方向上的假坡角； 側(cè)向切割面走向與滑動(dòng)面傾向見的夾角； 側(cè)向滑移三棱錐體的高。 其它參數(shù)含義同前。,于是可以列出以下滑動(dòng)結(jié)構(gòu)面傾向 與側(cè)向緩傾結(jié)構(gòu)面走向有間夾角穩(wěn)定性數(shù)字化動(dòng)態(tài)方程：,：,考慮地震力作用的穩(wěn)定性數(shù)字化動(dòng)態(tài)模型為：,2.6.5 有地下水作用的單滑動(dòng)面巖體的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性數(shù)字化模型,地下水對(duì)滑坡活動(dòng)的影響一直是地質(zhì)災(zāi)害研究者關(guān)注的課題之一，目前已經(jīng)有許多科研工作者就如何確定地下水對(duì)滑坡的影響作了相關(guān)研究，但都未能給出簡(jiǎn)潔、準(zhǔn)確的研究方法。本文從靜水壓力和動(dòng)水壓力兩個(gè)方面研究了地下水對(duì)巖質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性影響，總結(jié)出穩(wěn)定性動(dòng)態(tài)數(shù)字化模型。,圖6-4 靜水壓力作用下斜坡,不計(jì)入側(cè)向摩阻力的有地下水地質(zhì)條件的単滑動(dòng)面斜坡動(dòng)態(tài)數(shù)抓模型：,坡頂面傾角。其它符號(hào)同前。,靜水壓力；,若斜坡最大坡高為H，任意坡高為n，則滑動(dòng)面的直線方程為一系列平行的曲線，它們可以統(tǒng)一表示為：,一系列平行的直線線與侵潤(rùn)曲線建立聯(lián)立方程,求得曲線的交點(diǎn)（x1n,y1n）, （x2n,y2n） 若各條直線與侵潤(rùn)曲線為此的面積為Sn,靜水壓力為Un則，,浸潤(rùn)曲線,應(yīng)采用鉆探方法，以一定數(shù)量的鉆孔取得的地下水水位，用回歸分析方法求得該拋物線方程。,2.6.6動(dòng)水壓力對(duì)單滑面邊坡穩(wěn)定性的影響 （一）概述 如果斜坡巖體是透水的，地下水在其中滲流時(shí)由于水力梯度作用，就會(huì)對(duì)斜坡產(chǎn)生動(dòng)力，其方向與滲流方向一致指向臨空面因而對(duì)斜坡穩(wěn)定是不利的。 地下水的另一個(gè)效應(yīng)是直接的力學(xué)作用，邊坡中存在的穩(wěn)定的滲流方向的滲透壓力以體力作用于土體骨架上。只要知道水力坡降，便可以計(jì)算出動(dòng)水壓力：,工程應(yīng)用中，通常假定動(dòng)水壓力平行于滑面，直接代入各種計(jì)算方式進(jìn)行穩(wěn)定分析。 地下水的賦存和運(yùn)移是對(duì)邊坡和滑坡穩(wěn)定產(chǎn)生影響的主要自然因素之一，據(jù)統(tǒng)計(jì)資料表明：90%以上的巖質(zhì)邊坡失穩(wěn)與地下水作用有關(guān)，85%以上的土質(zhì)邊坡的破壞與地下水關(guān)系密切，30%40%的水壩失事由地下水滲流破壞引起，我國(guó)大多數(shù)滑坡都是以降雨引起地下水狀態(tài)變化為直接誘導(dǎo)因素。因此分析邊坡中地下水動(dòng)力作用，以及在此基礎(chǔ)上進(jìn)行排導(dǎo)措施的研究成為目前邊坡工程中的主攻課題之一。,式中：Udn動(dòng)水壓力； J水力坡降； Sn飽水巖體部分的面積； w水的容重。 因?yàn)槊孔儞Q一個(gè)單位坡高結(jié)構(gòu)面與浸潤(rùn)曲線的交點(diǎn)（x1n,y1n）、（x2n,y2n）是已知的，所以，可求得水力坡度的值應(yīng)為對(duì)于變換坡高的滑移結(jié)構(gòu)體的動(dòng)態(tài)動(dòng)水壓力可表示為：,實(shí)質(zhì)上動(dòng)水壓力的方向?yàn)榻?rùn)曲線f（x）的切線方向，為安全起見，可以認(rèn)為它與滑動(dòng)結(jié)構(gòu)面是平行的。所以把動(dòng)水壓力和靜水壓力都計(jì)入的巖體斜坡穩(wěn)定性動(dòng)態(tài)數(shù)字化的數(shù)學(xué)模型為：,式中， 地震系數(shù)； un動(dòng)態(tài)坡高下的靜水壓力； udn動(dòng)態(tài)坡高下的動(dòng)水壓力； L單位結(jié)構(gòu)體的坡長(zhǎng)。 其它符號(hào)同前。 此外，在工程邊坡施工時(shí)如果有工程荷載，如道路斜坡，橋頭斜坡和上覆有村落和城鎮(zhèn)、工業(yè)和民用建筑以及濱海施工時(shí)，都必須考慮外加荷載對(duì)工程的影響。如果不將外加荷載設(shè)計(jì)進(jìn)去，可能會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的后果。假設(shè)斜坡外加荷載為Q，則動(dòng)態(tài)穩(wěn)定系數(shù)：,多因素單滑動(dòng)面巖體邊坡的動(dòng)態(tài)數(shù)字化穩(wěn)定性分析,因?yàn)榈叵滤乃浑S季節(jié)變化，浸潤(rùn)曲線f（x）在一年中隨季節(jié)周期性變化。這種變化應(yīng)從鉆孔的監(jiān)測(cè)或水井調(diào)查監(jiān)測(cè)中獲得。邊坡的穩(wěn)定性預(yù)測(cè)應(yīng)從最危險(xiǎn)的條件出發(fā)，應(yīng)符合最優(yōu)化原則，所以應(yīng)以一年中的最高水位確定的浸潤(rùn)曲線f（x）計(jì)算靜水壓力和動(dòng)水壓力。,2.6.7楔形雙滑動(dòng)面巖體邊坡穩(wěn)定性動(dòng)態(tài)數(shù)字化分析,當(dāng)單滑動(dòng)面邊坡的滑動(dòng)面的傾向與斜坡的傾向交角大于30，側(cè)向切割面的傾角小于70或其傾向與斜坡傾向交角大于30時(shí)，斜坡的巖體結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為楔形雙滑動(dòng)面斜坡。這種巖體結(jié)構(gòu)的斜坡是緩傾斷裂構(gòu)造區(qū)常見的斜坡地質(zhì)結(jié)構(gòu)。除緩傾斷層外，緩傾節(jié)理和緩傾軟弱夾層也常成為斜坡的滑動(dòng)結(jié)構(gòu)面，滑動(dòng)結(jié)構(gòu)面與斜坡的傾向很少有完全一致或接近的地質(zhì)條件，所以這種結(jié)構(gòu)的斜坡比單滑面結(jié)構(gòu)斜坡出現(xiàn)的概率更高。由于巖體中節(jié)理分布的普遍性，有時(shí)斜坡的楔形雙滑動(dòng)面結(jié)構(gòu)體常以多組的形式出現(xiàn)。,地下水作用下的楔形雙滑動(dòng)面示意圖,n邊坡的高度； W0單位結(jié)構(gòu)體的自重； Un1結(jié)構(gòu)面所受的靜水壓力； Un2結(jié)構(gòu)面所受的靜水壓力； P10,， P20 求滑動(dòng)面組合交線方向垂直作用力的合力換算所受重力的系數(shù) 結(jié)構(gòu)面、的平均摩擦系數(shù)； C1,C2 結(jié)構(gòu)面、的平均內(nèi)聚力； 結(jié)構(gòu)面、的交線的傾角； Udn任意坡高滑移結(jié)構(gòu)體所受的動(dòng)水壓力；,2.6.8同傾向雙滑動(dòng)面巖體邊坡穩(wěn)定性動(dòng)態(tài)數(shù)字化評(píng)價(jià),這種地質(zhì)結(jié)構(gòu)斜坡的兩個(gè)滑動(dòng)結(jié)構(gòu)面常為扭性和壓扭性結(jié)構(gòu)面，有緩傾角軟弱夾層或?qū)用婢弮A的棋盤格狀構(gòu)造區(qū)的邊坡常常具有這種邊坡結(jié)構(gòu)。若側(cè)向切割面為硬性結(jié)構(gòu)面，由于受到側(cè)向切割面的限制，其穩(wěn)定性系數(shù)一般較大，處于穩(wěn)定狀態(tài)，但如果側(cè)向被溝谷切割，或有斷層通過，則穩(wěn)定性系數(shù)會(huì)大幅度的降低。,同頃向雙滑動(dòng)面結(jié)構(gòu)邊坡剖面示意圖,若傾角較陡的滑動(dòng)結(jié)構(gòu)面的傾角為，傾角較緩的滑動(dòng)結(jié)構(gòu)面為，則單位寬度的單位結(jié)構(gòu)體重量W11=。這種地質(zhì)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性計(jì)算須求出如圖6-1所示的單位結(jié)構(gòu)體中二部分巖體重量W111和W211。根據(jù)該圖所示的結(jié)構(gòu)體各個(gè)邊間的角矩關(guān)系，可以得到這兩部分的巖體自重分別為：,任意滑體的重力:,為了求任意結(jié)構(gòu)體的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性系數(shù)，我們首先分析單位結(jié)構(gòu)體的穩(wěn)定性系數(shù)。目前以極限平衡理論求單位結(jié)構(gòu)體的穩(wěn)定性系數(shù)有等K法、非等K法和剛體平衡法。其中等K法認(rèn)為兩個(gè)滑面穩(wěn)定性系數(shù)是等值的；非等K法認(rèn)為二者不相等，并假定重量為W111的塊體穩(wěn)定性系數(shù)為1，以另一塊巖體的穩(wěn)定性系數(shù)代表整體巖體的穩(wěn)定性系數(shù)。剛體平衡則是把滑動(dòng)塊體看成是剛體的前提下應(yīng)用坐標(biāo)軸間的平衡方程及巖體邊界條件解得穩(wěn)定性系數(shù)。顯然，后種方法比較繁瑣。非等K法只是一種特例，不能代表這個(gè)結(jié)構(gòu)體失穩(wěn)的一般規(guī)律。所以選擇了等K法計(jì)算邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)。,這種方法的基本觀點(diǎn)認(rèn)為滑體下滑的穩(wěn)定性系數(shù)是相等的，以此條件將列出的平衡方程解得穩(wěn)定性系數(shù)。根據(jù)通過工程地質(zhì)勘察獲得的邊界條件求得W111、W211的穩(wěn)定系數(shù)為：,2.6.9巖體斜坡的定量設(shè)計(jì),截止目前，邊坡的坡角設(shè)計(jì)還處于經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)階段，與邊坡不斷增高的工程需求現(xiàn)狀極不適應(yīng)。實(shí)際上，對(duì)于非松散介質(zhì)沿結(jié)構(gòu)面破壞的巖體，邊坡坡角的控制因素是結(jié)構(gòu)面的抗剪強(qiáng)度和邊坡的高度。在一定范圍內(nèi)，由于地層、巖性和地質(zhì)歷史時(shí)期中應(yīng)力場(chǎng)相同，邊坡的巖體含有同類型滑移結(jié)構(gòu)體，邊坡滑動(dòng)面的抗剪強(qiáng)度是接近的，所以經(jīng)長(zhǎng)期的內(nèi)、外動(dòng)力地質(zhì)作用后的邊坡坡角在同樣坡高的條件下其坡度是接近一致的。大量的工程地質(zhì)調(diào)查表明，具有相同結(jié)構(gòu)體的巖體斜坡的天然坡角是非常接近的，而且從坡頂至坡底是從大到小變化的。 在設(shè)計(jì)中天然邊坡的工程地質(zhì)條件和環(huán)境與人工邊坡工程用途要區(qū)別對(duì)待。路塹邊坡是較長(zhǎng)的人工邊坡，坡向轉(zhuǎn)彎處及斜坡走向方向被溝谷切割地帶，可不考慮側(cè)向側(cè)阻力的作用，有些邊坡,像一定地質(zhì)條件下船閘高邊坡、小型露天礦邊坡應(yīng)計(jì)入側(cè)向切割面的摩阻力。,單滑動(dòng)面巖體結(jié)構(gòu)邊坡的坡角設(shè)計(jì),考慮緩傾切割面與滑動(dòng)面交角 不計(jì)入地震力,計(jì)入地震力的影響,2.6.11邊坡治理決策判據(jù),選擇哪種治理措施作為特定工程地質(zhì)條件下的邊坡治理方法關(guān)系到治理效果和治理邊坡的經(jīng)濟(jì)合理性。采用傳統(tǒng)的極限平衡理論公式計(jì)算邊坡的穩(wěn)定性，因?yàn)橹荒芤钥辈旎瑒?dòng)面和切割面得到的滑動(dòng)坡體數(shù)據(jù)模擬該滑坡的穩(wěn)定狀態(tài)，不能進(jìn)行該工程地質(zhì)條件下任意坡高穩(wěn)定性的對(duì)比分析，還沒能發(fā)現(xiàn)同一邊坡不同坡高滑動(dòng)結(jié)構(gòu)體的穩(wěn)定性系數(shù)變化規(guī)律，更無法研究穩(wěn)定性系數(shù)對(duì)于坡高的變化規(guī)律，以至于對(duì)邊坡治理決策問題研究甚少，無法從理論上評(píng)價(jià)或證明邊坡治理的方法是最優(yōu)選擇。此動(dòng)態(tài)方法最根本的功能是動(dòng)態(tài)地、連續(xù)地計(jì)算從坡頂至坡底或預(yù)測(cè)任意開挖深度的可能滑體的穩(wěn)定狀態(tài)。這種大量的計(jì)算過程適合于計(jì)算機(jī)來完成，使任意坡高數(shù)量眾多的滑體的穩(wěn)定性系數(shù)值一覽無余地展現(xiàn)在計(jì)算者眼前，穩(wěn)定性系數(shù)的變化及其規(guī)律也就很容易發(fā)現(xiàn)了。,単滑面地質(zhì)結(jié)構(gòu)斜坡穩(wěn)定性系數(shù)隨坡高的變化,以坡高為變量求對(duì)于穩(wěn)定性系數(shù)的導(dǎo)數(shù)：,可見，隨著n的增加，穩(wěn)定性系數(shù)以n2的速率降低。坡越高由于坡高引起的穩(wěn)定性系數(shù)的減少越加微弱。,上式表明每增加一個(gè)單位坡高相對(duì)應(yīng)的穩(wěn)定性系數(shù)的增量是負(fù)增量， 即穩(wěn)定性系數(shù)隨坡高增加的減小值或隨坡高減小的增加值為：,隨著坡高的增加，坡高增加一個(gè)單位高度后其穩(wěn)定性系數(shù)的減少量在降低。 當(dāng) n為無限大時(shí)，差值趨近于零。說明坡高對(duì)穩(wěn)定性系數(shù)的減小率在坡高較小時(shí)較大，坡高較大時(shí)較小。因?yàn)檐浫踅Y(jié)構(gòu)面的傾角是常量，從斜坡治理效果出發(fā)，希望治理后穩(wěn)定性隨斜坡改變變化量很小，而當(dāng)坡高較大時(shí)，坡角的降低已經(jīng)不能明顯地顯示其作用。 當(dāng)較大時(shí)，削坡對(duì)穩(wěn)定性系數(shù)的貢獻(xiàn)將變得微乎其微，如果繼續(xù)采用削坡的方法來治理邊坡就勢(shì)必造成巨大的工程浪費(fèi)，這時(shí)應(yīng)采用增加滑動(dòng)面抗剪力或相當(dāng)于增加滑動(dòng)面抗剪力方法。因此采用削坡法時(shí)，坡高對(duì)邊坡的影響必須慎重對(duì)待。,楔形雙滑動(dòng)面邊坡的治理決策 分析,楔形雙滑動(dòng)面人工邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)為：,于是有：,即在坡度較大時(shí)，坡高每增加1m其穩(wěn)定性 系數(shù)降低率很低。而高度較小的斜坡恰好相反。,同傾向雙滑動(dòng)面結(jié)構(gòu)邊坡治理決策分析 同理，求得穩(wěn)定性系數(shù)對(duì)于坡高的導(dǎo)數(shù)為：,此地質(zhì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性系數(shù)對(duì)于坡高的變化率與j成反比，即隨著坡高的增加，穩(wěn)定性系數(shù)對(duì)于坡高的變化率不斷減小，但比單滑動(dòng)面結(jié)構(gòu)邊坡減小的要慢。增加滑動(dòng)面的抗剪強(qiáng)度仍然是一個(gè)在任何坡高都適用的方法，但是兩個(gè)滑動(dòng)面的增強(qiáng)效果相差較大。,邊坡治理決策判據(jù),根據(jù)上述分析，我們看到了穩(wěn)定性系數(shù)隨著坡高的變化規(guī)律。在坡高較低時(shí)，穩(wěn)定性系數(shù)的速率變化很快，當(dāng)邊坡較高時(shí)，穩(wěn)定性系數(shù)隨著坡高變化較慢。按照現(xiàn)行的建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范(GB50330-2002)進(jìn)行的工程實(shí)踐表明，當(dāng)每增加1米坡高，如果邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)變化小于0.025，則說明坡高的降低對(duì)于穩(wěn)定性系數(shù)的提高可以忽略。置言之，這種條件下，邊坡治理的決策不應(yīng)是削坡，而應(yīng)該是提高滑動(dòng)面內(nèi)聚力的各種治理方法。 所以按邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)變化小于0.025這個(gè)界限，得到如下邊坡治理決策判據(jù)：,只有相鄰坡高的穩(wěn)定性系數(shù)的比值大于或等于1.00162才可以考慮用削坡的治理決策。應(yīng)用巖體斜坡穩(wěn)定性動(dòng)態(tài)數(shù)字化模型可以非常分布地應(yīng)用此判據(jù)：,判別公式 単滑動(dòng)面結(jié)構(gòu)斜坡,楔形四面體地質(zhì)結(jié)構(gòu)斜坡,2.6.10巖體邊坡穩(wěn)定性三維動(dòng)態(tài)數(shù)字化量基本理論,邊坡穩(wěn)定性的分析研究始于20世紀(jì)20年代，最早是對(duì)土體的穩(wěn)定性進(jìn)行分析和計(jì)算，其成果可見于瑞典的Fillcnius、美國(guó)的Terzagji和Taylor的土力學(xué)經(jīng)典著作中。直到60年代初，巖體邊坡的穩(wěn)定性分析研究才開始進(jìn)行。巖石本身是一種堅(jiān)硬的、強(qiáng)度指標(biāo)很高的材料，對(duì)其力學(xué)性質(zhì)，可采用類似金屬、混凝土等結(jié)構(gòu)的分析方法。但是巖體又受眾多結(jié)構(gòu)面的切割，使其在宏觀上呈現(xiàn)一定的松散介質(zhì)的特性。正是因?yàn)檫@個(gè)原因，在自然界，我們可以看到高達(dá)千米的直立邊坡，也可以看到大量與土質(zhì)邊坡類似的滑坡失穩(wěn)現(xiàn)象。,用于本動(dòng)態(tài)分析方法的地質(zhì)力學(xué)理論 如所周知，地質(zhì)力學(xué)在中國(guó)是由李四光創(chuàng)立的。最初是從1921年研究中國(guó)北部石炭紀(jì)、二疊紀(jì)含煤地層開始的。1924年以后，李四光對(duì)比了中國(guó)南部和北部石炭二疊紀(jì)及地球上其他地區(qū)同一時(shí)期，特別是古生代以后海進(jìn)、海退現(xiàn)象，認(rèn)為大陸上海水的進(jìn)退，不僅是海面的升降，可能還有由赤道向兩極，反過來由兩極向赤道的方向性的運(yùn)動(dòng)。據(jù)此,他推斷大陸運(yùn)動(dòng)也可能有這種方向。 本項(xiàng)研究成果應(yīng)用的極限平衡理論 本項(xiàng)研究應(yīng)用的實(shí)體比例投影方法,1980年孫玉科等著的赤平極射投影在巖體工程地質(zhì)力學(xué)中的應(yīng)用較系統(tǒng)的闡述了赤平極射投影和實(shí)體比例投影的原理及實(shí)際巖體工程中的應(yīng)用方法。赤平極射投影是解析平面和直線的空間課題的一種圖解方法，使用起來比較簡(jiǎn)單方便。該方法和理論目前在分析巖體穩(wěn)定，尤其是分析邊坡和地下洞室?guī)r體穩(wěn)定性時(shí)仍被應(yīng)用，解決和預(yù)測(cè)了巖體中結(jié)構(gòu)面組合相交時(shí)的角距關(guān)系和結(jié)構(gòu)體的體積計(jì)算問題，可以完全用圖解的方法代替繁雜的公式演算，既簡(jiǎn)便迅速，也比較形象直觀，而且，只要作圖細(xì)致，也可以達(dá)到相當(dāng)精確地程度，現(xiàn)在仍然是其它方法不可替代的。,邊坡變形與破壞的漸變理論與方法,漸變的地質(zhì)環(huán)境 邊坡變形與破壞的漸變過程 邊坡穩(wěn)定性系數(shù)的隨時(shí)間的漸變過程 邊坡穩(wěn)定性系數(shù)的隨坡高的漸變過程,對(duì)于天然邊坡：,單位結(jié)構(gòu)體的自重； 坡高為n的可能滑動(dòng)結(jié)構(gòu) 體的自重； n坡高，一般以米表示，n=1，2，3，； k邊坡結(jié)構(gòu)體滑動(dòng)面的個(gè)數(shù)；k=1，2，3， N1 N2Nk結(jié)構(gòu)體作用于結(jié)構(gòu)面1，2，k上的法向應(yīng)力，可以用計(jì)算坡高滑移結(jié)構(gòu)體重力作用方向與各滑移結(jié)構(gòu)面法線間夾角間的幾何關(guān)系求得；,C1 C2 Ck第1k個(gè)滑動(dòng)結(jié)構(gòu)面的內(nèi)聚力； ； 第1k個(gè)滑 結(jié)構(gòu)面的內(nèi)摩擦角； 水平地震系數(shù)； 結(jié)構(gòu)面組合交線或滑動(dòng)方向與水平面的交角； -巖體的容重。,Pk A,為滑動(dòng)結(jié)構(gòu)體自重分解為滑動(dòng)結(jié)構(gòu)面K的法向力所乘系數(shù),K=1,2,3,，為滑