（水工结构工程专业论文）水库库岸滑坡地质体三维建模与稳定性分析研究.pdf

中文摘要 大型水利水电工程大多处于高山峡谷地区，以滑坡为主的崩滑流和塌岸是 影响工程建设和水库安全运行的重大地质灾害问题。水库库岸滑坡既具有一般山 地滑坡的基本特征，又具有很强的特殊性，其稳定性分析研究对于确保水利水电 工程建设的顺利进行和水库的正常运行具有重大意义。 本文以水库库岸滑坡体为研究对象，主要研究工作和成果可归纳为以下三 个方面： ( 1 ) 针对滑坡工程地质勘探的特点和实际需求情况，采用水利水电工程地 质三维建模与分析系统v i s u a l g e o ，通过实现了滑坡数字地形面、滑动面和滑坡 地质结构体的三维建模，构建了库岸滑坡地质体高精度三维模型；并可进行滑坡 体三维剖切分析、方量计算和自动三维剖分等实用分析，便捷地为其三维稳定性 分析提供可靠的基础数据。 ( 2 ) 在滑坡体三维模型的支持下，全面考虑库岸滑坡的特点、受力因素和 稳定性影响因素，选择三维极限平衡法为主，同时也采用常用的剩余推力法进行 二维分析，进行对比分析；选取底滑面的强度参数值、库水位变化、降雨作用和 地震作用进行稳定系数的单因素敏感性分析，并组合水位骤降+ 降雨作用、水位 上升+ 降雨作用等进行多因素敏感性分析，为综合分析评价滑坡稳定性及滑坡防 治工程设计提供参考。 ( 3 ) 开发了库岸滑坡体稳定性分析程序。该系统通过图形对象库和数据库 读取几何参数数据和计算分析结果，功能丰富，具有一定的通用性，实用性强， 为水库库岸滑坡的稳定性分析与防治提供了技术支持平台。 该成果在某水库库岸滑坡分析与治理中得到了成功地应用，而且可直接推 广应用于各大中型水库库岸滑坡的稳定性分析与防治中，为实际遇到的水库滑坡 分析问题提供科学的解决途径和先进的技术手段，应用前景广阔。 关键词：库岸滑坡；三维滑坡模型；稳定性分析；敏感性分析；水库 a b s t r a c t i nt h er e g i o no fh y d r a u l i ca n dh y d r o e l e c t r i ce n g i n e e r i n gp r o j e c t sl o c a t e di nh i g hm o u n t a i n sa n d g o r g e s ，d e b r i sf l o w sa n de r o d i n g b a n k sr e s u l t e df r o ml a n d s l i d e sa b e g r e a tg e o l o g i ch a z a r d sf o r e n g i n e e r i n gc o n s t r u c t i o na n dr e s e r v o i ro p e r a t i o n b a n kl a n d s l i d e si nt h e r e s e r v o i rn o to n l yp o s s e s sb a s i c f e a t u r e so fg e n e r a lm o u n t a i nl a n d s l i d e s ，b u ta l s oh a v es t r o n gp a r t i c u l a r i t y t h e r e f o r e ，t h er e s e a r c ho i l t h e i rs t a b i l i t yw i l lp r o v i d ei m p o r t a n ts u p p o r tf o rf a v o r a b l ec o n s t r u c t i o na n ds a f eo p e r a t i o no fh y d r a u l i c a n dh y d r o e l e c t r i ce n g i n e e r i n g i ng e n e r a l ，a i m i n ga tt h el a n d s l i d ei nt h et h r e eg o r g e sr e s e r v o i r , t h ef o l l o w i n gt h r e ea c h i e v e m e n t s a l eo b t a i n e di nt h i sd i s s e r t a t i o n ： ( 1 ) a c c o r d i n gt ot h ed a t ao fg e o l o g i c a le x p l a n a t i o n ，t h e3 dm o d e h n go fl a n d s l i d ed i g i t a lt e r r a i n ， s l i d i n gs u r f a c e ，a n dg e o l o g i c a ls t r u c t u r a lb o d i e sw e r eb u i l tb yv i s u a l g e o b a s e do nt h ee s t a b l i s h e d3 d l a n d s l i d eg e o l o g i c a lm o d e l ，s o m ep r a c t i c a lv i s u a la n a l y s e sw e r ep r o c e e d e d , s u c ha sa r b i t r a r y3 ds e c t i o n a n a l y s i s ，a u t o m a t i cs u b d i v i s i o no fs l i d eb l o c k sa n da c c u r a t ev o l u m ec o m p u t a t i o n o fl a n d s l i d em a s s ( 2 ) b a s e do n3 dl a n d s l i d em o d e l ，t h ef e a t u r e s ，f o r c ef a c t o r sa n da f f e c t i n gf a c t o r so fl a n d s l i d e s t a b i l i t yw e r ec o n s i d e r e dc o m p r e h e n s i v e l y t oe v a l u a t et h es t a b i l i t ym o r er a t i o n a l l y , t h ec o n t r a s t i v e a n a l y s i sc a nb ea d o p t e db e t w e e n2 dr e s i d u a lt h r u s tm e t h o da n d3 dl i m i te q u i l i b r i u mm e 也o du n d e r t h e e q u a lc o n d i t i o n s a n dt h es e n s i t i v i t ya n a l y s e so fs t a b i l i t yc o e f f i c i e n t sw e r ea c c o m p l i s h e d , i n c l u d i n g i n t e n s i v ep a r a m e t e r s ，t h er i s i n ga n dd r a w d o w no fw a t e rl e v e l s ，r a i n f a l la n de a r t h q u a k ea c t i o n s ，a n dt h e c o m b i n e df a c t o r so ft h er i s i n ga n dd r a w d o w no fw a t e rl e v e l sw i t hr a i n f a l la c t i o n s t h e yo f f e r e d a v a i l a b l er e f e r e n c et ot h ec o m p r e h e n s i v ea n a l y s i sa n de v a l u a t i o no ft h el a n d s l i d es t a b i l i t ya n dt h e d e s i g no ft h el a n d s l i d ec o n t r o le n g i n e e r i n g ( 3 ) t h ep r o g r a mo fl a n d s l i d es t a b i l i t ya n a l y s i si nr e s e r v o i rb a n k si sd e v e l o p e d i tr e a d sa l l g e o m e t r i cp a r a m e t e rd a t at h r o u g ht h eg r a p h i co b j e c tl i b r a r y a n dt h ed a t a b a s e ，c o n s i s t so fa b u n d a n t c o m p u t a t i o n a la n da n a l y t i c a lf u n c t i o n s ，w i t hp r e f e r a b l eg e n e r a l i t ya n ds t r o n gp r a c t i c a b i l i t y i tc a no f f e r at e c h n i c a ls u p p o r tp l a t f o r mt os l o p es t a b i l i t ya n a l y s i sa n dc o n t r o li nr e s e r v o i rb a n k s t h ea c c o m p l i s h m e n th a sb e e na p p l i e dt ot h el a n d s l i d ea n a l y s i sa n dc o n t r o li nap r a c t i c a lr e s e r v o i r s u c c e s s f u l l y a n dt h e yc a nb ep o p u l a r i z e dt oo t h e rs i m i l a rp r o j e c t s ，a n do f f e rs c i e n t i f i ca p p r o a c h e sa n d a d v a n c e dt e c h n i c a lm e a s u r e s t h ea p p l i e dp e r s p e c t i v ew o u l db eb r i g h t k e y w o r d s ：b a n kl a n d s l i d e ；3 dl a n d s l i d em o d e l ；s t a b i l i t ya n a l y s i s ；s e n s i t i v i t ya n a l y s i s ； r e s e r v o i r 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤注盘鲎或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 一躲办纠仁：哆年s , q o n 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤洼盘鲎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨壅盘鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位敝作者虢芬烈匆 签字日期：声f 月即日 导师签名 签字日期 日 第一章绪论 1 1 研究背景与意义 第一章绪论 水库滑坡是大型水利水电工程库岸稳定性研究的重要课题，我国已建、在建和 拟建的大型水利水电工程大多数都存在库岸稳定性问题，如三峡水利枢纽工程、黄 河小浪底水利枢纽工程、李家峡水电工程、金沙江溪洛渡水电工程、向家坝水电工 程、白鹤滩水电工程、雅砻江二滩水电工程、锦屏一级水电工程、澜沧江小湾水电 工程和糯扎渡水电工程等。因此，水库库岸滑坡的稳定性分析研究对于确保水利水 电工程建设的顺利进行和正常运行具有重大意义【】 2 j 。 以滑坡为主的崩滑流和水库塌岸是影响水库安全运行的重大地质灾害问题【3 】， 水库库岸滑坡既具有一般山地滑坡的基本特征，又具有很强的特殊性。其特殊性主 要体现在以下三个方面： ( 1 ) 库岸滑坡体变形发展的机理更复杂。滑坡变形破坏的发展及其相应的稳 定状态取决于滑坡本身所赋存的地质环境条件，对于库岸滑坡，水库运行引起的库 水位变化使得其所在的地质环境不断发生变化，如水库蓄水降低岩土体强度可能改 变滑坡体稳定状态、库水位的骤然变化产生动水压力和水库蓄水诱发地震可能触发 滑坡体的变形与破坏1 4 。中国科学院水利部成都山地灾害与环境研究所；- 0 0 1 年对雅 砻江二滩电站库区的考察发现【5 】：上世纪8 0 年代调查分析认为水库蓄水后很有可能 活动的1 0 个1 0 0 0 万立方米以上的大型滑坡，在水库蓄水后一直保持稳定状态；而 库区发生严重坍岸和滑坡的地段却是以前研究结论中没有涉及的库岸段。这正说明 由于水库库岸滑坡机理的复杂性和多变性，其稳定性分析判断问题没有得到很好地 解决，有必要进行深入研究。 ( 2 ) 库岸滑坡体具有更为典型的三维几何特征。由于大型水库大都处于高山 峡谷，库岸滑坡的地形、滑床底面、地下水位分布面和地质体等组成部分的几何形 态更为复杂，滑坡厚度和方量一般很大。不管边界条件是整体失稳还是界面局部失 稳，都具有典型的三维特征，将传统的二维方法扩展到三维方法进行计算分析更为 合理。 ( 3 ) 库岸滑坡体失稳引起的危害更大【6 】。大型水库库岸滑坡一旦失稳，其产 生的危害主要体现在：方量巨大的岩土体滑入水库中，减少水库的有效库容，甚至 使水库报废，如意大利瓦依昂水库【7 】；滑坡入库直接摧毁水工建筑物，如大坝、厂 房等；滑坡堵塞航道，严重影响甚至中断航运；滑坡体高速滑入水库，造成巨大的 涌浪，直接威胁到库区附近的人民生命财产安全。 第一章绪论 由于影响水库库岸滑坡的因素非常复杂，如地质条件、几何形态、地下水位、 库水作用、降雨作用和地震作用等，使得目前的研究在建立高精度完整的三维滑坡 模型支持、选择合理的滑带强度参数和完成客观的稳定性计算分析等方面仍未形成 一套成熟实用的理论方法和技术体系。因此，针对水库库岸滑坡体的特征，有必要 深入研究大型水库库岸滑坡稳定性分析的关键技术，为其防治决策提供科学、先进、 实用的理论方法和技术手段。 1 2 研究现状及发展趋势 滑坡研究最早的报道是a 。h e i m 在1 8 8 2 年发表的一篇关于瑞士阿尔卑斯山区 某处滑坡的文章【引，记载了1 8 8 1 年9 月由于开采板岩而引发的滑坡灾害，覆盖0 6 平方公里，毁坏了8 3 所房子和造成1 1 5 人死亡。经过一个多世纪的发展，随着人 类工程活动日益频繁，规模日益增大，遇到的滑坡稳定问题也越来越突出，滑坡地 质灾害的研究在理论方法和计算机应用方面都有了相当大的飞跃。而对水库库岸滑 坡的研究，则是在1 9 6 3 年1 0 月9 日意大利瓦依昂水库滑坡惨剧发生之后，开始在 水利水电工程和地质灾害研究中得到了非常的重视【5 】。 与一般山地滑坡一样，水库库岸滑坡研究的目的也是认识滑坡的发育机理和运 动破坏方式，进而确定滑坡的防治措施，其可分为三个方面：滑坡表达、滑坡稳定 性计算分析、滑坡工程治理，目前在实践中都还是以二维为主进行研究【9 】。其中滑 坡表达是滑坡研究的基础，目的在于描述滑坡体的空间分布特征、滑动面的位置和 形态、滑坡体的物质组成和地质结构特征，为滑坡力学数学模型、监测模型的建立 和滑坡稳定性评价奠定基础；为了正确表达滑坡的时空分布规律和内部结构特征， 需进行滑坡三维可视化表达研究。滑坡稳定性分析一直就是人们研究的难点和焦 点，而计算机技术的发展也使得滑坡可视化表达分析受到越来越多的关注。 1 2 - 1 滑坡体三维建模研究进展 滑坡体三维建模主要包括滑坡地形面、底滑面和地质体等方面的建模分析。近 年来，随着计算机软硬件、计算机图形学和图形图像处理技术的不断发展，地质体 和地形的三维建模及其可视化技术得到了快速发展，从而可以方便地建立滑坡三维 可视化实体模型，从整体上更直观、综合地对滑坡地质灾害进行可视化分析研究。 滑坡体三维建模已经受到国内外学者越来越多的重视：w a n g ( 1 9 9 9 ) 较早地 提出了“数字滑坡”的概念【1 0 】，其核心就是滑坡体的三维数字建模，吕杰堂( 2 0 0 2 ) 在其指导下进行了深入研究，建立了两个实际滑坡的三维模型并加以分析应用 9 1 。 人们更多地是利用g i s 技术中强大的空间数据库和分析功能来进行滑坡可视化研 究：如d a v i s 和k e l l e r ( 1 9 9 7 ) 基于g i s 和可视化技术对具有空间不确定性的滑坡 进行可视化建模，虚拟再现斜坡形裂1 1 】；王旭春等人( 2 0 0 2 ) 利用g i s 可视化技术 2 第一章绪论 先建立滑坡基础数据库和地质界面数据库，进而构造其三维可视化分析模型，为滑 坡主滑动方向确定、建筑物适宜程度综合解析提供帮助【1 2 】；x i e 等人( 2 0 0 3 ) 也在 g i s 支持下建立了三维滑坡模型，并基于此模型完成了三维稳定分析和灾害评价【1 3 】； 乔建平等人( 2 0 0 3 ) 结合g i s 和人工智能技术实现了滑坡危险度三维可视化评价4 1 ； 张昆等人( 2 0 0 6 ) 基于3 dg i s 技术采用不规则三角网和等高线构建了滑坡体三维 模型，再现了滑坡的微观变形过程【1 5 】。此外，申杰等人( 2 0 0 2 ) 提出了一种利用免 标定扩充现实技术实现滑坡可视化的新方法【1 叼；张友良等人( 2 0 0 3 ) 基于滑坡数据 的可视化分析进行滑坡的动态优化设计和信息化施工【1 7 】；祝文化等人( 2 0 0 4 ) 则在 i d l 软件支持下采用d e l a u n a y z 角网实现了滑坡地面模型和滑动面三维模型的可视 化构建，还可派生出剖面图、坡度图、等高线图等各种产品，进行与滑坡相关的数 值分析【1 8 】；张煜和姜清辉( 2 0 0 6 ) 采用体元技术建立滑坡体三维模型，进而完成了 滑坡的稳定性计算分析( 19 3 。 上述研究成果推动了滑坡体三维可视化研究的发展，然而这些研究更多地偏重 于滑坡地形面、滑动面等曲面的模拟分析，在建立滑坡区域的高精度整体三维模型 方面有待提高，而这对于滑坡的认识、稳定性评价和治理是非常重要的。 1 2 2 滑坡稳定性分析研究及应用现状 滑坡的稳定性关系到工程选址、设计方案等重大问题，受到人们极大的重视。 滑坡稳定性分析涉及因素众多，是一个相当复杂的问题，要求适宜的分析方法和合 理的参数选取，模型既不能过于简化亦不必太复杂( 2 0 1 。 目前，计算分析滑坡稳定性的数学模型大致可分为两类【2 l 】：一类是基于极限平 衡理论的条分法，另一类为数值分析方法。虽然条分法人为假定的条问作用力并不 代表斜坡真实的应力状态，但条分法计算简单，发展历史较长，就稳定性而言，其 结果已可满足实际需要。各种条分法的对比说明，在参数相同的情况下，采用不同 的计算假设，相互之间结果差别不大，误差主要来源于参数的取值，这表明条分法 的发展已相当成熟【2 2 】。自2 0 世纪8 0 年代开始，一些学者致力于求取最可能滑动面， 采用方法有泛函极值法、智能搜索法等；然而这些方法普遍存在的一个缺陷是数学 上不够严密，且影响稳定性分析的主要因素是参数取值，从这个意义上来讲，最可 能滑面的求解只具有理论上的价值f 2 3 】。此外，最可能滑面理论仅适用于土质滑坡， 对岩质滑坡而言，由于岩质滑坡在长期的地质历史环境中接受改造，形成很多结构 面( 如层面、裂隙面、节理面) 控制着滑坡的变形发展，而完整岩石的力学性质尚 居其次，所以岩质滑坡破坏遵循的规律与土质滑坡有很大的不同。因此，应将条分 法的研究重点集中到计算参数的合理选取与优化上来，将对客观分析滑坡稳定性有 更大的帮助。 滑坡稳定性分析的另一大类数学模型是数值分析方法，包括有限单元法f e m 、 边界单元法b e m 、离散单元法d e m 和有限差分法f d m 等【2 4 】。由于计算机性能的 第一章绪论 不断提高，数值分析方法得到了充分发展，并进入成熟阶段。当前，最大的矛盾是 对岩土体本构关系的研究远远落后于计算技术的发展，成为制约计算成果可靠程度 的瓶颈，而重点在于本构关系上的非线性和几何上的非线性。本构关系上的非线性 已经考虑到( 如粘弹塑性模型) ，但岩土体的本构关系实在太复杂，模型与实际情 况之间总有一定差别：几何上的非线性在小变形时还不明显，变形较大时就不可忽 略了，小变形已越来越不适应理论发展的需要，基于大变形前提的计算理论是今后 发展的方向【2 3 1 。 此外，由于滑坡自身和影响其稳定性的因素具有随机性和非线性特征，概率论 和非线性理论也已运用于滑坡稳定性评价中【2 5 】。例如，黄志全( 1 9 9 9 ) 建立了边坡 失稳时间预报的协同一分岔非线性理论模型，并对新滩滑坡的发生时间进行预报1 2 6 】； 秦四清等人( 2 0 0 2 ，2 0 0 4 ) 建立了滑坡失稳的非线性突变模型，并研究其演化过程 中的混沌力学机制，克服了传统方法的局限性 2 7 , 2 8 。 然而，目前实践中广泛应用并得以接受的方法仍然还是基于极限平衡理论的条 分法，相应地计算程序开发的理论基础亦多为此类方法，如如冯树仁等人( 1 9 9 9 ) 提出了简单实用的三维条分法c 2 9 1 ，h u a n g 等人( 2 0 0 2 ) 采用两个方向的力和力矩平 衡推导出了通用的三维稳定分析方法【3 0 】，c h e n 等人( 2 0 0 3 ) 则将二维s p e n c e r 法进 行了三维扩展1 3 1 】，x i e 等人( 2 0 0 3 ，2 0 0 6 ) 基于g i s 采用三维极限平衡方法进行滑 坡稳定性分析【1 3 ，3 2 1 ，姜清辉等人( 2 0 0 3 ) 有机地结合了三维边坡地层信息和极限平 衡分析方法研制开发了s l o p e 3 d 系统【3 3 】，等。国外较为典型的滑坡稳定性分析软件 包有：s l o p e w 、s t a b 3 d 、l e m i x & f e s p o n 、b l o c k 3 d 、3 d p c s t a b l 、c l a r a 、 f 3 s l o r & d e e p c y l 、t s l o p e 3 等【2 0 3 4 1 。国内在此方面作出较大贡献的主要有： 中国水利水电科学研究院陈祖煜等人先后推出的土质边坡稳定分析程序 s t a b 9 5 和岩质高边坡稳定分析程序e m u 2 1 , 3 5 ，前者主要由一些常用的方法如瑞典 条分法、毕肖普法、工程师团法、罗厄法、斯宾塞法、摩根斯顿泼奈斯法等构 成，后者则采用边坡稳定极限分析能量法研制开发，两者均主要进行二维稳定性分 析；当然他也开发了一个与二维斯宾塞法具有相同理论背景的三维分析方法，并建 立了边坡稳定分析的上、下限分析理论体系。成都理工学院地质灾害防治与地 质环境保护实验室开发了滑坡治理方案的计算机辅助设计系统s l o p e 地质体建模系统、斜坡稳定性分析系统和滑坡治理方案的计算机辅助设计系统三个 子系统组成，稳定性分析采用二维传递系数法、毕肖普法等传统方法，其特点在于 利用分析成果进行滑坡治理方案的辅助设计。中国科学院武汉岩土力学研究所 冯树仁等人针对具有复杂几何特征的滑坡稳定性分析问题，编制了三维极限平衡法 程序s s a 3 d t 2 9 1 ，能够提供多种类型滑面供使用者选取，适用于水库库岸滑坡三维 稳定性分析。 上述研究成果在滑坡稳定性分析理论与防治应用方面起到了较大的作用，但工 4 第一章绪论 程人员仍期望建模、计算分析过程更加简单、可靠】，要求程序或软件系统在三维 数据处理、图形分析等方面难以提供便于应用于实际工程的条件，这需要进一步的 深入研究。 因此总的来说，从国内外所开展的一系列研究和应用来看，对滑坡地质灾害的 研究正逐渐形成一门独立的学科，即以滑坡现象、滑坡稳定性、滑坡可视化模拟和 滑坡防治为研究对象的滑坡学鲫。滑坡稳定性的分析计算仍然是其中研究的重点， 岩土工程工作者已经作过大量的研究工作，并提出了各式各样的方法；而滑坡可视 化的研究随着计算机技术的飞速发展已经得到越来越多的重视，也取得了一系列的 研究成果。然而，正如许多学者所认识的一样，由于滑坡这一开放系统所具有的高 度非线性和复杂性，使得人们对滑坡岩土体变形破坏机理认识模糊，成为阻碍对滑 坡稳定性客观评价和失稳运动分析的主要问题，这就需要人们不断深入地进行探索 和研究，以获得更先进更具实用性的成果。 1 3 本文研究的主要内容 根据上述研究背景和研究现状分析可知，由于受分析方法、分析手段的局限， 工程师们一般仅在静态分析的基础上，得出滑坡体是否失稳的结论，而不能对滑坡 体失稳机制、失稳以后的运动及对工程环境的破坏情况追踪分析，难以满足滑坡分 析和防治的需求。 某水库为典型的河谷型水库，穿越两个大地构造和大地貌单元，受地质构造、 岩性等因素的控制，岸坡形态和结构复杂多变，随着河流下切展宽，岸坡不断遭受 改造。在此环境条件的影响下，该水库库区滑坡具有数量多、密度高、规模大危害 严重等显著特点。在整个区流域内，存在着大量的崩、塌、滑体和泥石流等地质灾 害的隐患，据初步调查，全库区干流段已发现大小滑坡、崩塌及斜坡变形体1 3 2 4 处( 不含汛后影响区的崩、滑体) 。这些滑坡集中分布在峡谷地段以外的低山区， 而这些地区又是库区城镇移民搬迁重建的主要区域。它们一旦失稳，不仅会破坏该 地区的道路、码头等交通设施，毁坏房屋，造成人员伤亡，而且其滑坡体堆积物将 推向库区，严重影响航运，影响库区新建城镇和居民的安全。如果不进行可靠、有 效的分析，一旦滑坡体发生失稳，其后果不堪设想。该水库库区敏感地区滑坡体的 稳定性问题的研究和分析至关重要，己引起人们的广泛关注，因此其水库库岸滑坡 稳定问题是需要认真研究和解决的重大问题之一。 本文针对上述水库库岸滑坡体的具体问题和实际需要，基于工程地质勘测所获 得的基础资料，运用岩土力学、工程地质等专业理论和数字滑坡技术、计算机图形 学、数据库技术等先进的技术方法，综合考虑多种因素的影响与制约，研究大型水 第一章绪论 库滑坡地质体三维建模与三维稳定性分析问题，主要内容包括： ( 1 ) 水库库岸滑坡体三维建模与分析研究。根据工程地质野外勘测得到的地 形等高线、钻孔、平硐等资料和地质解译出的平面图、剖面图等数据，提出适合于 滑坡体的三维数据结构，研究实现库岸滑坡复杂地形面、滑动面和地质体高分辨率 三维模型的构建技术，并可对滑坡模型进行一系列可视化分析，为滑坡体的认识和 稳定性计算分析提供重要的基础。 ( 2 ) 水库库岸滑坡体的稳定性计算和综合分析研究。基于所构建的三维模型 界定滑坡体的边界条件和计算参数，并对其进行自动剖分，分别从二维和三维两个 方面计算其稳定系数，但以三维方法为主；分析选择对库岸滑坡体稳定性影响较大 的因素进行单因素和多因素组合的敏感性分析；综合二维、三维计算结果对库岸滑 坡体的稳定性进行客观地综合分析。 ( 3 ) 结合工程实践，编制了水库库岸滑坡体稳定性分析程序，为实际应用提 供技术手段。 上述研究内容以库区某大型滑坡作为实例，进行大型水库库岸滑坡体三维建模 与稳定性分析的工程应用研究。该项研究为大型水库滑坡体稳定性综合分析与可视 化模拟提供科学、实用的理论方法和先进的技术手段，有助于促进大型水库库区的 滑坡地质灾害分析与防治工作，具有一定的理论与现实意义。 6 第一章水库库岸滑坡体三维地质建模与分析 第二章水库库岸滑坡体三维地质建模与分析 2 1 滑坡体基本资料 某水库库区大型崩滑体距库区坝址1 7k m ，处于河道获窄段，位置鞍敏感 2 1 1 滑坡体地形地虢和分布特征 滑坡体位于中低i | i 区，枯水期江面一般宽2 5 0 m 3 0 0 m ，江水深4 0 m 一4 5 m ， 水库蓄水后，水位为1 7 5 m 时，江面宽6 0 0 m 一7 0 0 m 最宽7 5 0 m ，窄处5 5 0 m ， 滑坡区河床地形较平缓河床地面高程1 9 m 一2 5 m ，与其紧密相连的上、下游河 床均较深，上游河床地面高程为一1 98 m 下游河床地面高程为_ 2 01 m 。 该滑坡体整体地形地貌分别如图2 - 1 所示。 围2 1 滑坡体三维数字地形图 滑坡体总体地形特征为前缘较陡，中部较缓，后部比中部稍陡。滑坡体前 缘宽约7 0 0 m ，滑床出露线虽低高程2 5 m 左右，在库水位之下，位于河床中心 附近；后缘高程4 3 0 m - - 4 5 0 m ，宽1 7 0 m ：纵向长1 i o o m ；精坡体前缘宽后缘 窄，总体呈一不规则斧形。 滑坡体地貌细部特征按其地形坡度可划分为三个地貌单元： 滑坡体前缘江边至高程1 8 5 m 段( 局部至高程2 3 0 m ) ，地形较陡一般 为3 0 。一3 5 。，局部达4 0 。，甚至为陡崖，其中高程1 7 0 m 附近有一巨石为半胶 第二章水库库岸滑坡体三维地质建模与分析 结的块石构成，高约2 0 m ，峭然壁立。该段陡坡植被发育，主要为大块石夹碎 石土堆积。 高程1 8 5 m - 2 5 0 m 段，地形较缓，为5 0 - 8 0 的平缓台状地形，顺坡向长约 3 0 0 m ，宽l o o m - 1 4 0 m ，主要为耕作旱地，有居民3 户1 2 人。 高程2 5 0 m 至滑坡体后缘，地形坡度为1 3 0 1 5 0 的缓坡，局部小范围由 于巨大块石而形成陡崖地形，坡上主要为早地，种有大量柑桔，居民有3 0 户 1 2 0 余人。 滑坡体的厚度特点总体上是：钻孔揭示滑坡体的前部、中部、后缘，东部、 西部等厚度差异较大，总体平均厚度为5 0 m 6 0 m 。顺坡向为坡上薄、坡下厚， 顺流向为上游厚度大，下游厚度小。顺坡向，前缘高程2 5 m 至高程8 0 m 一带， 滑坡体厚度3 0 m 6 0 m ，水下部分稍薄，厚约1 0 m 2 0 m ；高程8 0 m 一1 4 0 m 一带， 厚度一般在6 0 m l o o m ；高程1 4 0 m - 2 5 0 m 一带，厚度为l o o m - 1 2 0 m ，最厚达 13 0 m ；高程2 5 0 m 3 5 0 m 一带，厚度为5 0 m 9 0 m ；高程3 5 0 m 4 0 0 m 一带，厚 度为2 0 m 3 0 m ；高程4 0 0 m 至后缘高程4 3 0 m 一带，厚度在l o m 2 0 m 之间，后 缘与山体接壤一带较薄，3 m 一5 m 。顺流向上，白石沟以东松林坡一带，滑坡体 厚度约1 5 m 2 0 m ；白石沟以西，滑坡体的主体部位厚度为9 0 m l o o m ，最厚达 1 3 0 m ，体现出滑坡体的上游部位厚度大，下游部位厚度小。 2 1 2 滑坡体基本地质条件 ( 一) 地层岩性 据实地调绘及钻孔揭露，该滑坡体所处区域地层结构较为简单，主要由5 组基岩和第四系覆盖层构成，具体描述如下： ( 1 ) 基岩。区内出露基岩主要为震旦系上统灯影组( z b d n ) 和寒武系下统 水井沱组( l s h ) 、石牌组( 1 ) 、天河板组( l t ) 、石龙洞组( 1 。1 ) 地层， 由老至新为： 震旦系上统灯影组( z b d n ) ：厚1 5 0 m 。上部以灰白色厚层白云质灰岩、 白云岩为主，偶含燧石条带和结核；中部为深灰或灰黑色薄中层灰岩或条带 状灰岩；下部为灰灰白色白云岩。主要分布于滑坡体的下游山坡一带。 寒武系下统水井沱组( l 。h ) ：厚11 4 m 。黑色薄层含炭质细晶灰岩与薄 层炭质页岩互层，底部黑色“锅底状”灰岩。主要分布于滑坡体区的后缘山坡 及滑坡体的下伏基岩。 寒武系下统石牌组( l 。d ) ：厚4 7 0 m 。灰绿、黄绿色砂页岩夹薄层鲕状 灰岩及条带状灰泥岩。主要分布于滑坡体区西侧陡崖的下部。 寒武系下统天河板组( 1 t ) ：厚8 8 m 。深灰色薄厚层泥质条带状灰岩 第二章水库库岸滑坡体三维地质建模与分析 及深灰色白云质灰岩，夹豆状灰岩。分布于滑坡体区西侧陡崖( 铲子崖) 的中 部。 寒武系下统石龙洞组( 1 s 1 ) ：厚1 0 6 m 。深灰色厚层灰岩及灰白色微晶 白云岩，该层分布于滑坡体区西侧陡崖( 铲子崖) 的上部。 ( 2 ) 第四系覆盖层。按其成因可分为以下几种类型： 冲积、冲洪积层( q 羽州) ：主要为漂石、砾石夹中细砂。块石、漂石成 分为砂岩、灰岩、白云岩，该层结构松散，厚3 m 1 0 m 。主要分布于滑坡体西 侧冲沟出口与河流交汇部位。 残积层( q d ) ：主要为粘土夹少量碎石，碎石成份与基岩岩性相关，主 要分布于滑坡体区的山脊，基岩斜坡上有零星分布，该层厚0 5 m 5 m 。 崩积物( q 洲) ：其物质成份与陡崖地层岩性相关，主要由灰岩、白云岩、 灰质白云岩、粉砂岩、条带状灰岩、鲕状灰岩等块石组成，滑坡一带的崩积物 最大厚度达11 0 m 1 2 0 m 。 根据地质勘探资料，给出该滑坡体沿可能滑动方向( 主滑动方向) 的地质 剖面图，如图2 2 所示。 奢 冀 一 捌 * 1 崩塌堆积滑坡；2 寒武系水井沱组黑色舍炭质灰岩：3 地层岩性界线：4 推测地层岩性界线； 5 钻孔及地下水位；6 土夹碎块石，土占6 溅7 溅；7 块石堆积夹土，土约占1 嘣3 嘿；8 滑带土 图2 - 2 滑坡体主滑动方向剖面图 ( 二) 地质构造 ( 1 ) 褶皱：黄陵背斜为控制性褶皱构造，轴向n n e ，核部地层为前震旦 系的结晶岩。滑坡体位于黄陵背斜的西翼，距黄陵背斜结晶岩边缘约2 k m ，岩 层走向及倾角变化较小，属典型的单斜构造，岩层产状一般为倾向2 6 0 0 2 7 0 0 ， 倾角1 8 0 2 0 0 ，地层产状倾上游偏右岸，在该段形成斜向谷坡。 ( 2 ) 断裂构造：据地质测绘资料，滑坡体周围地段未见有明显的断层构造， 但裂隙发育。滑坡体西后侧缘为高约4 0 0 m - 5 0 0 m 的陡崖，其地层主要为石牌组 的灰岩及砂岩、天河板组的条带状灰岩、石龙洞组的白云质灰岩和白云岩。在 9 第二章水库库岸滑坡体三维地质建模与分析 上述地层中的灰岩及白云岩中，陡倾角裂隙发育，按其走向可分为以下2 组： 北北东组：走向4 0 0 ，倾向南东，倾角7 5 0 - 8 0 0 。该组裂隙主要发育于 白云岩及灰岩层中，裂隙间距约3 m - 5 m 或5 m 8 m 不等，在陡崖岩壁上形成较 多的裂隙面，可见长3 m - 5 m 或1 0 m - 2 0 m 不等，裂隙面稍有波状起伏。裂隙走 向与陡崖走向相近，但总体倾向陡崖临空一侧，与陡崖呈小角度相交，在陡崖 临空的表部形成较薄的岩块，是该区岩体崩塌的主要控制性结构面。 北北西组：走向3 3 0 0 ，倾向北东，倾角7 0 0 ，发育于西后侧缘陡崖中的 多组岩性中。裂隙长度相对稍短，间距约8 m - 1 0 m ，多数裂隙穿过岩层面，部 分被层面所截，未穿过层面，可构成危岩体及侧后缘切割面。 上述两组裂隙互相组合，岩体被切割成或大或小的块状，块状岩体控制性 结构面倾向坡外侧，这给岩体产生滑坡提供了内在的条件。 2 1 3 滑坡体形成演化过程 该滑坡体是在漫长的地质历史时期形成的。根据滑坡体物质组成、结构等 特征，结合周缘地形地貌特征综合分析，滑坡形成机制及演化过程大致可分为 四个阶段： 斜坡形成阶段：河流由西向东流经此地，河谷不断深切，岸坡逐渐演化 形成了较陡的谷坡，北岸因岩性差异开始形成陡缓相间的地形，基岩陡坎卸荷 裂隙逐渐发育。 陡崖发育阶段：由于水井沱组岩层抗江水掏蚀能力较天河板组、石龙洞 组弱，导致水井沱组基岩岸坡在江水的冲刷作用下逐渐内凹，天河板组、石龙 洞组基岩岸坡相对外凸。随着河流的持续下切，铲子岩逐渐形成峭壁并向西南 方向发展。沿s e 方向铲子岩岩层呈上硬下软的不利结构组合，沿陡崖卸荷作 用加剧，开始出现滑坡。 滑坡堆积阶段：铲子岩滑坡加剧不断向西后退，崖脚滑坡体顺坡向堆积 规模逐渐增大并加厚。 滑坡体滑动破坏：崖脚滑坡体堆积到一定规模后，由于铲子岩不断滑坡、 侧后缘持续加载，滑坡体堆积出现变形；地表崩坡积物入渗性好，而下部水井沱 组地层透水性差排泄不畅，在暴雨期，堆积体的水不断向下入渗，部分被排泄 入江，另一部分渗至基岩滑床面。基岩面上的土体力学强度显著降低，导致堆 积体的变形加剧，沿下伏水井沱组层面产生滑动，并牵动滑床表层基岩，甚至 局部沿基岩中软弱面产生滑动，其前缘顺坡向滑入江；此后由于后缘持续加载 滑坡体又产生了多次的次级滑动，在地表流水的作用下逐步形成了现在后部较 缓、前部较陡的地表形态。 综合上述分析可知，该滑坡体是库区离坝区最近的大型崩滑体，总体积大， 1 0 第二章水库库岸滑坡体三维地质建模与分析 超过百万立方米，底面形态复杂，厚度大。该滑坡体属于巨型滑坡堆积体，此 类滑坡体具有以下特征： ( 1 ) 地貌特征：丘状表面；堆积体有弓形背脊和沟( 在受到阻碍的 地方) ；在不受限制的地方铺得像一张叶片；在流动受阻的地方有局部挤 高；可以爬上和超过地形高的地区；体积在百万立方米以上。 ( 2 ) 岩性特征：组成的石块有棱角且不均匀，其中有许多特别大的石 块；岩石和原生岩石完全相似( 除去沿途挟带的石块) ；局部有叠瓦构造； 孔隙率高，特别是新形成的堆积物。 ( 3 ) 运动特征：一旦发生滑动，以极快的、意想不到的速度运动，且 有随体积增大而增大的趋势；蕴含的能量巨大，碎石流能爬上相当高的地方， 运动距离长。 水库蓄水以后，该滑坡体前部浅层较松散堆积层将可能滚落式、崩解式破 坏，牵引后部的堆积层变形，可能造成前缘局部失稳，进而牵引后部滑坡体发 生拉裂式变形，有导致滑坡体整体失稳的可能性。因此有必要对此库岸滑坡体 稳定性进行综合计算、分析和模拟研究。 2 2 滑坡地质体三维建模数据结构 通过地质勘探获得足够的地质信息，是分析滑坡稳定性的基本前提；同时， 对这些地质信息的认识和理解程度是能否客观准确地进行滑坡稳定性计算分析 的关键。实践证明，任何计算方法的成功都必须建立在深入查明滑坡地质特征 和作出符合实际情况的机制分析的基础上【3 引。因此，利用地质勘探和实验分析 所得到的一系列空间分布不均的离散数据来进行三维建模与可视化分析，描述 滑坡结构体的空间展布情况，并实现人机可视化的交互分析与操作，能为正确 判断、分析滑坡体工程地质问题提供可视化的综合信息，是非常必要的。 滑坡地质体三维建模实质上是三维地质建模的延伸，这是国内外研究具有 挑战性的一个热点问趔”】。然而目前研究存在模型存储量大与分析要求高的矛 盾，且针对石油勘探、采矿等不同领域具有较强的专业性，没有通用的建模方 法可进行推广【删。与区域性地质工程相比，滑坡地质体有着勘探范围小但精度 高的特点，其不同的勘探目的、方法、数据来源和后续分析需求决定了其建模 技术方法不同于石油、矿产资源领域。因此，结合水库库岸滑坡，本文采用课 题组开发的水利水电工程地质三维建模与分析系统v i s u a l g e o ，利用现有地质勘 探资料适时、快速地建立起反映滑坡信息集成化的三维模型，并进行一定的可 视化分析，为滑坡地质环境的认识和进一步的稳定性计算分析奠定坚实的基础。 第二章水库库岸滑坡体三维地质建模与分析 滑坡体的数据表达方式即数据结构是其三维建模的基础。针对滑坡工程地 质勘探的特点和实际需求情况，本文提出非均匀有理b 样条( n o n u n i f o r m r a t i o n a lb s p l i n e s ，n u r b s ) 结构和边界表示( b o u n d a r yr e p r e s e n t a t i o n ，b r e p ) 结构相结合的混合数据结构，进行滑坡体三维建模。其中n u r b s 结构用来拟 合构造滑坡体结构曲面，如地形面、底滑面、地质界面等