边坡稳定性的整体分析法及其应用.pdf

边坡稳定性的整体分析法及其应用 报告提纲 工作概述及3D分析的意义； 3D分析的几种常见方法； 现有方法的局限性； 滑面法向应力分布的自然形式； 总体分析法；  0的情形； 广义特征值问题； 算例 工作概述 利用整体分析法实现了边坡三维严格极限 平衡法，证明了边坡稳定性分析实际上可 归结为一个代数特征值问题，而安全系数 则是该问题的最大特征值，从而解决了极 限平衡法中的解的不收敛问题 带侧向摩擦边界的三维滑体的分析方法 官地重力坝深层抗滑稳定性分析 3D分析的意义 3D分析的几种常见方法 瑞典法忽略所有的条间力，仅满足力平衡条件 Janbu法忽略垂直于滑动方向的条块间的作用 力，假定平行于滑动方向的条块间的推力作用点， 满足3个力平衡和一个力矩平衡 Spencer法忽略垂直于滑动方向的条块间的作 用力，假定平行于滑动方向的条块间的推力都相 互平行，满足3个力平衡和一个力矩平衡 现有方法的局限性 平衡条件未被全部满足； 存在大量的缺乏物理基础的假定； 数值特性差； 条分化过程过于严格 总体分析法 经典的严格条分法都是通过条块的力平衡 方程消去条块底部的法向力而将不确定性 放在条间力上，所以称其为局部法，这类 方法的好处是能充分发挥人们的经验和直 觉，但数值特性差1）所有方法都是局部 收敛的；2）所有方法都有不收敛的算例。 Bell于1968年提出了实现严格极限平衡法的 另一途径假定滑面的应力分布。Bell法的 优点是无需对条间力做出假定，因平衡条 件是针对整个滑体而不是单个条块而列出 的，所以称之为整体分析法。 整体分析法－续1 整体分析法的优点是其良好的数值特性且易于实 现三维严格极限平衡法 但30年来整体法一直倍受冷遇，直到杨洪杰等 （2001）、朱大勇等2002重新发现了这一方法 Bell, J M. General slope stability analysis [J]. Journal of the Soil Mechanics and Foundations Division, ASCE, 94SM6 1253-1270 , 1968. Yang, H J, Wang J H, Liu Y Q. A new approach for the slope stability analysis. Mechanics Research Communications, 286 653-669, 2001. Zhu D Y, Lee C F. Explicit limit equilibrium solution for slope stability. InternationalJournalforNumericalandAnalyticalsin Geomechanics, 26151573–1590 , 2002. 滑面法向应力分布的自然形式    xxxδσσ 0 hnσ 2 30  0是对应与瑞典法的滑面法向应力 ndS  dS O  kdw d  dS 滑面法向应力矫正的其它方式 Bell方式 ab a xx xx baσσ   2sin 0 杨洪杰方式 cbxax 2  朱大勇方式  xblxalσσ ba  0 几种矫正方式的对比 2 2 1 Bell [6] Zhu et [9] F 1.573 2 The proposed F 1.580 MPhalf-sine F 1.588 Spencer F 1.589 1 1 S1 S2 S3 （30, 25） （50, 35） （50, 35） （40, 27） （52, 24） 3 1 2 3 2 11Bell [6] F 1.376 2 Zhu et al [9] F 1.376 3 The proposed F 1.390 F 1.287 F 1.334 cut off 滑面法向应力的逼近普通滑体  alx T   51 ,,ll T l  51 ,,aa T a    xxxδσσ 0 3 4 1 2 5 滑体的平面投影 带侧向摩擦边界的滑体的插值盒  alx T   51 ,,ll T l  51 ,,aa T a    xxxδσσ 0 平衡积分方程 σfc F uσfc F τ ewee  11 0  ext S dffF 0  ext S C dmmm            nx n n c           sx s s c          ext ext m m f f 0  S wm S e dScFσdSfFsfsn 代   alxx T σσ 0入平衡方程组 0,dcQaPaagFFF    S T dSlnP 56   S T e dSflsQ 56    S m dSσ nfc 016     S ew dSσfcsd 016  0不固结、不排水工况 有许多3D方法是专门针对这一工况的，如 Ugai 1985, Gens 1987, 以及Duncan 1996 年综述性论文中的表3所列举的其他方法， 等等。对于此种工况，这里所建议的方法 能够给出安全系数的显示表达式 因此，这一结果目前是最好的  Pc Pd ,det ,det F 0,dcQaPaagFFF 0 11                  a cP a dQF 广义特征值问题  BxAx dQAcPBF qzeig,,,BADV广义特征值问题的Matlab求解 算例1-带侧向摩擦边界的简单算例 z x y A B C D F E H h  W H 10 m h 5 m  30 W is variable F v.s. W 1.72 1.74 1.76 1.78 1.80 1.82 1.84 1.86 1.88 1.90 1.92 1.94 050100150200250300 W/H F X. Zhang的椭球体算例 The profile of an example from Zhang 1988 36.6, 27.4 24.4 42.7, 6.1 weak layer ce0,e10 18.3, 18.3 ce29.3kPa e20 ＝19.2kN/m3 4.55 z x 椭球体的表面网格剖分 令节点5在 1234内变化，F的变化范围1.707～1.717 12 3 4 5 1 2 3 4 椭球体问题的所有特征解 1.70660.03470.00000.03720.00930.3441i0.00930.3441i x 1.11220.37950.01571.00000.48060.0329i0.48060.0329i 2.04951.00000.28470.36420.90340.0074i0.90340.0074i 2.05830.99490.28710.35980.90320.0082i0.90320.0082i 1.11330.37900.01550.99920.48020.0334i0.48020.0334i 2.00570.75501.00000.39440.97090.0291i0.97090.0291i 1.00000.51080.24160.47720.02690.0038i0.02690.0038i 楔形体算例 O A B C x y z 100 4 1 5 3 2 节点5在 1234内变化，F无变化变化1.636（1.640） 其它5个特征值2 0.0355,3456 0.0. 雅砻江官地水电站概况 官地水电站是雅砻江卡拉至江口河段水电 规划五级开发方式的第三个梯级电站。位 于四川省凉山彝族自治州西昌市与盐源县 交界。 拦河坝采用碾压混凝土重力坝，最大坝高 168m，装机容量2400MW，最大坝底宽度 153.2m。自左至右依次布置左岸挡水坝段 9个 、河床溢流坝段6个 、右岸挡水坝 段9个 。 基本地质条件 官地水电站坝基岩体内中、缓倾角结构面 较发育，分布及其产状随机性及性状差异 较大； 左右岸坝肩中上部岩体中次生夹泥分布普 遍，尤其部分中缓倾结构面中有较厚的次 生泥，均一性差。 这些特定的地质条件使坝体坝基系统的深 浅层抗滑稳定问题很突出 。 坐标系的建立坐标系的建立 对所有的坝段采用统一 的坐标系。其中 X轴坐标与坝轴线坐标 一致，原点位移00.0 处； Y轴垂直于X轴指向下 游，原点位移坝00.0 处； Z轴竖直向上，坐标与 高程一致。 右图显示了该坐标系的 水平坐标轴。 水平坐标系 载荷组合载荷组合 分析中考虑了以下三组载荷工况 1）工况1自重上下游静水压力泥沙压力滑 移面上的扬压力； 2）工况2工况1载荷水平载荷系数为0.284的 设计地震载荷； 3）工况3工况1载荷水平载荷系数为0.3262的 校核地震载荷； 其中，上下游水面高程分别为1330m和1203.7m， 上游迎水面的泥沙作用高程为1212.9m。 16坝段的两种滑移模式坝段的两种滑移模式 沿上下游方向的滑移模式 是以N20～45W/NE∠15～25（中缓倾角裂隙）为 底滑面，沿着下游的N35W/SW∠30中缓倾角裂隙剪出。 沿下游方向的滑移模式滑向河床的滑移模式 16坝段所用材料及结构面参数坝段所用材料及结构面参数 16坝三维极限平衡法计算结果坝三维极限平衡法计算结果 工况模式16Y模式16X 工况14.6393.495 工况24.6002.688 工况34.5492.597 1）沿河流方向的滑移模式16Y的安全度高于滑向河床方向滑移模式16X 的安全度；但两个方向的安全度都较大； 2）地震对模式16Y的影响明显低于16X，这是与我们的经验相符合的； 24坝段坝段 建立了两种河床滑移模式的模型。 第1种滑移模式 fx11 N6080W/NE∠3550 Ⅲ3 Ⅲ3 Ⅲ3 Ⅳ N6080W/NE∠3550 N7080E/SE∠7085 近SN/W∠7085 N6070E/SE∠7085 近SN/W∠7085 近SN/W∠7085 f N2030W/SW∠6070 p 2β 5-2 坝0000地质横剖面图 1 24 坝 块 f23-1 f23-2 IV类岩体 坝体 III3类岩体 24坝段坝段 第2种滑移模式 IV类岩体 坝体 III3类岩体 III3类岩体 fx11 N6080W/NE∠3550 Ⅲ3 Ⅲ3 Ⅲ3 Ⅳ fx12 N6080W/NE∠3550 N7080E/SE∠7085 近SN/W∠7085 N6070E/SE∠7085 近SN/W∠7085 近SN/W∠7085 f N2030W/SW∠6070 N60W/SW∠3040 p 2β 5-2 坝0000地质横剖面图 1 24 坝 块 fx13 f23-1 f23-2 24坝段滑面特性坝段滑面特性 24坝段所用材料及结构面参数坝段所用材料及结构面参数 24坝段计算结果坝段计算结果 表中列出了右坝肩连同表中列出了右坝肩连同24坝段滑向河床方向的三维安坝段滑向河床方向的三维安 全系数和全系数和y 8剖面的二维安全系数，其中二维安全系剖面的二维安全系数，其中二维安全系 数也是满足全部三个平衡条件的严格极限平衡解。数也是满足全部三个平衡条件的严格极限平衡解。 可见，可见， 24坝段坝肩的稳定性是良好的，无需再添加坝段坝肩的稳定性是良好的，无需再添加 工程加固措施。工程加固措施。 工况 模型1模型2 2D3D2D3D 工况12.2833.0202.1402.896 工况21.9672.482D2.618U1.8772.488D2.602U 工况31.9262.390D2.564U1.8422.436D2.562U 三维和y 8剖面的安全系数（上标D表示地震力的分量朝下，U朝上） 水电工程之一--大岗山 缆机平台边坡开挖前后的3D模型 计算结果滑面法向应力分布 F1.137, max4.94MPaF0.942, max3.75MPa 水电工程之二银盘水电站 麻 左岸滑体和滑面 计算结果 体编号开挖前开挖后安装抗滑键后建坝后 HT-12.0571.9902.3712.870 HT-22.1342.0932.5422.901 HT-32.0122.1272.5802.746 谢 谢 请多提宝贵意见