三峡库区滑坡防治研究+具体案例+flac3d模拟

三峡工程库区滑坡研究

三峡工程水库近坝库段野猫面滑坡防治方案研究

内 容 摘 要

本文旨在对滑坡体进行防治方案研究，通过滑坡方案设计，以及对可能发生的地质灾害作长期、中期和短期预报，了解和掌握其随时间、地质条件、迳排条件及地下水、库水位作用及人类活动等条件的变化过程，研究引起滑坡的成因，进一步研究技术经济合理的防治方案，这是一项迫切而永久性的课题，具有重大的社会和经济意义。

本文阐述了野猫面滑坡的工程地质条件、稳定性分析、危害性分析，治理方案的拟定、效果评价、经济分析、方案比选，方案设计。运用二维刚体极限平衡法和数值分析法（FLAC3D软件）等分析计算方法，分析滑坡分别在四种工况条件下的稳定性情况，说明了滑坡治理的必要性；根据该工程的特点，按照阻滑和排水两种治理措施，针对性地进行防治方案研究，综合考虑方案的技术可行性、经济合理性、施工难易程度等因素，提出了深埋式锚索+地表地下排水、钢筋混凝土阻滑键+地表地下排水、抛石压脚+地表地下排水等三种滑坡治理方案，通过对每个方案进行详细的效果评价和经济分析及对比计算和比较，最终择优选择钢筋混凝土阻滑键+地表地下排水方案。同时对工程实施后的环境影响及措施进行了分析。该滑坡工程防治方案的研究对其他同类滑坡治理工程也有指导意义和应用前景。

关键词：野猫面滑坡 防治方案 研究

Abstract

The mainly studied prevention scheme of landslide. By designing landslidescheme and making a long-period forecast, medium-range forecast, short-range forecast ongeological disaster which was likely to happen, understanding and commanding the changeprocess with time, geology condition, flow condition and groundwater, the effect of storagewater and human activity and so on, researching the cause of landslide, further studyingprevention scheme with reasonable technology and economy, which was an impending andpermanent task having a significant social and economical meaning.

Engineering geology condition, stability analysis, hazard analysis, the choosing ofimprovement scheme, effect evaluating, economy analysis, scheme comparison, schemedesigning were expatiated in the . Landslide stability was analysed in four loads withtwo dimension rigid equilibrium limit and numerical analysis (FLAC software) and othercomputation method, which account for the necessary of slide improvement. Preventionscheme was researched with the two improvement measure of resistance sliding anddraining according to the characteristic of the engineering. Deeply-buried anchor andground surface and underground drainage, concrete resistance sliding key and groundsurface and underground drainage, dumped rockfill toe pressure and ground surface andunderground drainage were put forward considering the technical feasibility of scheme,economy rationality and the difficulty degree of construction and other facts. Concreteresistance sliding key and ground surface and underground drainage was chose eventuallyby comparing and analysing effect evaluating and economy analysis of every scheme. Theenvironment effect after engineering construction and measure were analysed. The studyon the prevention and cure scheme of the slope engineering had a guidance meaning andapplication prospect for other engineering landslide improvement.

Keywords: Yemaomian landslide prevention scheme research

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选题的依据与意义

滑坡是指斜坡上的土体或者岩体，受河流冲刷、地下水活动、地震及人工切坡等因素影响，在重力作用下，沿着一定的软弱面或者软弱带，整体地或者分散地顺坡向下滑动的自然现象，对人类的危害非常大。因此，加强对滑坡的地质勘察、设计和治理，以及对可能发生的地质灾害作长期、中期和短期预报，将是一项重要而永久性的课题，具有重大的政治、社会和经济意义。由于野猫面滑坡距三峡大坝较近且体积很大，尤其是该滑坡位于三峡工程通航船舶的锚地区，滑坡的稳定性对两岸居民、航运、三峡大坝的安全运行等有着重要的影响，其稳定性非常重要，一旦失稳，即使是小范围的失稳，都可能对滑坡区居民的生产、生活及长江的航运等造成很大的影响，产生严重的社会后果，因此有必要在对野猫面滑坡的稳定性进行充分研究的基础上，提出可行的防治方案，以防止或尽量减缓野猫面滑坡体向着不利的方向进一步发展。 研究滑坡地质灾害防治中的先进技术与最经济合理的方法，开展滑坡防治从方案设计到具体实施的关键技术研究。该技术的研究将对其他滑坡治理工程也有指导意义和应用前景。

国内外文献资料综述

滑坡，作为一种主要地质灾害，危害性非常大，由于其产生的条件、作用因素、运动机理的多样性、多变性和复杂性，预测的困难，治理费用的昂贵，一直是世界各国研究的重要地质和工程问题之一。近20年来，特别是“国际减灾十年活动”开展以来，国际上研究和防治滑坡灾害空前活跃，各项研究进一步扩展和深入，防治工程措施也在完善已有措施的基础上向轻型化、小型化方向发展。

我国对滑坡灾害防治的系统性研究是从20世纪50年代初开始的，首先开始于滑坡灾害比较严重的铁道部门，其后其他部门也开展了广泛的研究，目前在国土资源和水利水电部门的研究尤其活跃。

1971年铁道部科学研究院西北研究所以整治宝成、宝天、鹰厦和西南三线滑坡的经验的基础上，结合相应的科研成果编写《滑坡防治》一书，系统论述了滑坡的定义、要素，滑坡与崩塌、错落、堆塌等山坡灾害的区别，滑坡的分类、性质、勘测方法、稳定性分析判断、推力计算和防治方案设计，全面总结我国五六十年代铁道系统滑坡防治经验和科研成果；后期出版的《滑坡文集》对滑坡防治经验和科研成果的交流提供了很好的平台。

20世纪70～80年代，在总结以往经验的基础上，除已有方法的改进，治理措施的综合应用不断完善、提高外，着重一些课题的专题研究，如铁路滑坡分类与分布规律的研究，滑带土残余强度的研究，抗滑桩桩周抗力分布图式和计算方法的研究，地质力学方法在岩石滑坡分析中的应用，滑坡预测预报、平孔排水及锚索抗滑桩等的试验研究。1974～1976 年对全国铁路沿线滑坡进行了普查，完成铁路滑坡分布图和分布规律研究，提出铁路滑坡分灰方案和易产生滑坡的10个岩组。滑带土的残余强度研究提出了滑带土的强度变化规律、试验方法，特别是广泛实用的多次剪切法以及强度指标的选择方法。抗滑桩的室内模型试验和现场实体试验和实测验证了设计理论和计算方法。地质力学方法调查分析滑坡使能在较短时间内查清山体和滑坡的构造格局、空间形态、滑坡性质、变形条块，以及地下水的分布概况，从而大大节省了勘探量，缩短了勘察周期。锚索抗滑桩改变了悬臂桩的受力条件，减少了桩的埋深和截面尺寸，可节省投资30%左右，滑坡预报理论、标准、方法和有关的食品设备是几年来正在研究的课题，变形功率理论预报滑坡取得成功，使我国滑坡预报进入世界先进行列。

我国地质、水利、煤炭、冶金、建筑等部门和中国科学院有关研究所，以及一些大专院校，均对滑坡灾害进行了研究。1972年国家建设委员会曾在开封市召开建筑技术座谈会，地基滑坡是重点讨论问题之一。

1973 年中国科学院成都地理研究所（现为山地灾害与环境研究所）成立滑坡研究室，成为我国第二个研究滑坡的专门机构。1982年1月中国科学院在北京召开山地灾害研究规划会，布置加强对滑坡等灾害

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的研究。

50 年代以来，我国水电、地质部门和中国科学院针对水库和电站建设中的滑坡问题，密切配合进行了深入的研究，如对黄河上游的龙羊峡、李家峡、拉西瓦、黑山峡、中游的小浪底，雅砻江上的二滩电站、长江三峡库区的滑坡，以及贵州的乌江渡、云南省的小龙潭等坝址的选择，都在对滑坡进行深入细致的勘察、观测、研究后决定取舍，对滑坡可能造成的危害如滑动后的动态及滑入水库后可能造成的涌浪等均经经过研究。1980 年潘家铮编著的《建筑物的抗滑稳定性和滑坡分析》一书反映了水电系统70年代防治和研究滑坡的水平。

煤炭和冶金部门针对露天矿边坡的滑塌、采空塌陷区的滑坡及尾矿堆积坝的稳定性在50年代中后期也开始了研究。由于采矿年限和保护对象的不同，治理要求与铁路不同，对永久性设施区的滑坡要求精心研究和治理，而对一些临时边坡和塌陷引起的滑坡，则侧重在研究其发展趋势和可能的危害后采取相应的治理加固对策，如露天矿边坡加固维持到闭矿即可，不需永久加固措施，因而平孔排水、错索工程应用较早，各种抗滑桩工程已也使用。

交通部门由于公路工程相对改线灵活，早期多以避开滑坡为主，治理滑坡较少，因而遇到滑坡灾害严重地段，如川藏公路、甘川公路等雨委断道常有发生。80 年代以来，由于高等级公路和高速公路的修建，以及提高原有公路等级和标准，治理滑坡也提到义事日程，进行了深入研究。航运部门早期遇到过码头滑坡，如武汉汉江码头滑坡，近期也出现浅海码头滑坡如浙江舟山一带，引起重视，开始研究其性质和对策。杨世基编著的《山区公路路基病害及其防治方法》[15]是公路部门论述滑坡防治较早的著作。

由于滑坡灾害涉及到各个部门，投入防治研究的专业人员愈来愈多，进入80年代各部门积累了大量防治经验，也深感有必要进行跨部门的交流与合作，因而先后成立了许多行业的学术组织并召开了一系列的学术会议。滑坡防治研究进入一个空前的活跃期。例如，1982年四川省地理学会首先成立滑坡专业委员会，1984年甘肃省成立滑坡泥石流研究会，1985 年陕西省地质学会成立滑坡泥石流专业委员会、建筑学会成立滑坡防治专业委员会。1987 年华东地区成立滑坡防治协会，中国科学技术中心成立滑坡防治技术专家组等。甘肃省滑坡泥石流研究会于1985年在兰州、1988年在张掖、1992年在天水、1998年在兰州分别召开四次滑坡和泥石流学术讨论会，出版了论文集，并与日本滑坡学会联合于1987年和1989年分别在中国西部和日本召开滑坡泥石流现场考察讨论会，1991年召开了中、日、苏三国滑坡泥石流现场讨论会，

1994年又举行中、日、俄、韩东北亚滑坡泥石流现场讨论会。1987年成都地理研究所联合国内有关学会和单位在成都召开了全国滑坡学术讲座会。1991 年湖北省滑坡防御学会与武汉岩土工程学会联合召开国际滑坡与岩土工程学术会议。除以上专门交流滑坡和泥石流的学述会议外，中国工程地质学会、中国土力学与基础工程学会、中国岩石力学与工程学会、中国铁道学会地质路基专业委员会的历次会议中滑坡都是主要研究问题之一。

由于滑坡灾害是世界性的普遍现象，各国学者愈来愈感到应加强国际合作与交流。因而在1968年于布拉格举行第23届国际地质大会期间，在酝酿成立国际工程地质协会的同时，决定成立滑坡及其他块体运动委员会，由捷克人J.Pasek任主席,每年除向国际工程地质协会提交工作报告外,并向联合国教科文组织提出世界灾害性滑坡的年度报告,1977 年该委员会与捷克的国际工程地质协会国家小组联合在布拉格召开《滑坡与其他块体运动》国际学术讨论会。1981 年该委员会又在前苏联的阿拉木图召开第二次国际会议，讨论滑坡和泥石流的防治。

国际土力学与基础工程学会曾与日本滑坡学会联合于1972年在日本京都、1977年在东京召开两次国际滑坡讨论会，1980 年在印度新德里召开第三届国际滑坡讨论会、重点交流滑坡的监测仪器和方法。1983 年国际土力学与基础工程学会正式决定成立滑坡技术委员会，我国土力学与基础工程学会先后推荐徐邦栋教授和王恭先研究员任该委员会委员并参加其工作。该委员会于1984年在加拿大的多伦多、1988年在瑞士的洛桑、1992年在新西兰的克赖斯卡奇、1996年在挪威的特龙黑姆、2000年在英国威尔士的Cardiff召开了第四、五、六、七、八届国际滑坡讨论会，国际工程地质协会的“滑坡与其他块体运动委员会”以支持者身分参加了各次会议。每届会议都有数十个国家的数百名代表与会，学术讨论异常热烈。

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日本、美国从事滑坡防治和研究的科学家及工程师们为加强双边合作交流，于1979年在美国西部举行滑坡现场考察讨论会。1980年在日本中部、1983年在美国东部继续举行第二和第三次同样性质的讨论会。这一活动引起许多国家滑坡防治者的兴趣，所以，1985 年在日本东京举行第四次讨论会时，竟有欧、亚、美、大洋洲等近40个国家和地区的代表参加，实际上已由双边讨论会变成了国际讨论会。

从以上介绍可能看出，自20世纪70年代以来，国际上滑坡防治研究已进入了一个高潮期。

随着滑坡防治经验的积累、研究的深入和技术水平的提高，有关滑坡的专著也愈来愈多，其中具代表性者有：

（1）捷克学者Q.Za′ruba（扎留巴）和V.Mencl（门茨尔）的《滑坡及其防治》（1969）一书，从土力学、岩石力学和工程地质学角度论述了滑坡产生的条件、因素、

4

三 峡 大 学 工 程 硕 士 专 业 学 位 论 文

类型划分、野外勘察、室内试验、以及稳定性分析和治理方法等，它反映了50至60年代欧洲防治滑坡的经验和研究水平。

（2）日本学者山田刚二、渡正亮和小桥澄治编写的《滑坡和斜坡崩塌及其防治》（1971）一书，全书分两部分，第一篇为滑坡，系统论述了滑坡的分类、成因、机理、预测预报、调查方法和防治工程措施，并列举了大量实例详细介绍滑坡的调查与防治。它是20世纪50至60年代日本滑坡防治和研究的代表性著作。

（3）前苏联学者E.II.EmeJLqHOBa的《滑坡作用（过程）的基本规律》（1972）一书，是前苏联在滑坡地质方面研究成果的总结，大该书中首次提出建立《滑坡学》的设想。

（4）美国学者R.L.Schuster和R.J.Krizek主编的《滑坡的分析与防治》（1978）一书，是美国科学院和运输研究部在出版《滑坡与工程实践》（1958）以后20年对滑坡研究、分析、实践的一本全面系统的专著，特别介绍了航测、遥感、现场岩土测试技术在滑坡上的应用，是欧美国家70年代在滑坡勘察、设计、试验研究和治理技术方面的代表性著作。

（5）日本谷口敏雄的《滑坡防治技术》（1984）一书，反映了日本在滑坡防治技术方面的新进展。 为了加快国际信息交流，美国和日本分别出版《地面破坏》和《滑坡新闻》刊物，及时报导世界各国发生的滑坡灾害、研究治理经验和会议消息，以及一些专家对某引起问题的观点和建议。

联合国大会通过决议，把20世纪的最后10年作为国际减轻自然灾害10年，试图组织各国技术力度，利用已有技术成果最大限度地减轻自然灾害（包括滑坡灾害）造成的损失，已得到许多国际组织和国家的响应和支持。联合国教科文组织已责成国际岩土力学会（土力学与基础工程学会滑坡技术委员会、国际工程地质协会滑坡与其块体运动委员会和国际岩石力学与工程学会）进行世界灾害性滑坡编目，并进行一些研究，编写教材和影视材料进行滑坡灾害的防治教育，以提高人们的防灾、减灾意识。

同时，滑坡的防治要贯彻“及早发现，预防为主；查明情况，综合治理；力求根治，不留后患”的原则，结合边坡失稳的因素和滑坡形成的内外部条件进行综合治理：

1、消除和减轻地表水和地下水的危害：滑坡的发生常和水的作用有密切的关系，水的作用，往往是引起滑坡的主要因素，因此，消除和减轻水对边坡的危害尤其重要，其目的是：降低孔隙水压力和动水压力，防止岩土体的软化及溶蚀分解，消除或减小水的冲刷和浪击作用。具体做法有：防止外围地表水进入滑坡区，可在滑坡边界修截水沟；在滑坡区内，可在坡面修筑排水沟。在覆盖层上可用浆砌片石或人造植被铺盖，防止地表水下渗。对于岩质边坡还可用喷混凝土护面或挂钢筋网喷混凝土。排除地下

水的措施很多，应根据边坡的地质结构特征和水文地质条件加以选择。常用的方法有：①水平钻孔疏干；②垂直孔排水；③竖井抽水；④隧洞疏干；⑤支撑盲沟。

2、改善边坡岩土体的力学强度：通过一定的工程技术措施，改善边坡岩土体的力学强度，提高其抗滑力，减小滑动力。常用的措施有：①削坡减载；用降低坡高或放缓坡角来改善边坡的稳定性。削坡设计应

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尽量削减不稳定岩土体的高度，而阻滑部分岩土体不应削减。此法并不总是最经济、最有效的措施，要在施工前作经济技术比较。②边坡人工加固；常用的方法有：a、修筑挡土墙、护墙等支挡不稳定岩体；b、钢筋混凝土抗滑桩或钢筋桩作为阻滑支撑工程；c、预应力锚杆或锚索，适用于加固有裂隙或软弱结构面的岩质边坡；d、固结灌浆或电化学加固法加强边坡岩体或土体的强度；e、SNS边坡柔性防护技术等。 目前滑坡防治研究的主要问题：一是滑带土强度指标的试验和选择，二是地下水作用的定量分析，三是滑坡发生时间的预报。滑坡理论研究有以下课题：一是滑坡分布的区域性规律及空间预测，二是滑坡发生时间的预报理论和技术，三是高速远程滑坡的形成机制和危害预测，四是高大斜坡中大型岩石滑坡的破坏机理与危害预测。

本文从滑坡形成条件和诱发变形因素两方面分析了滑坡形成的原因及诱发坡体失稳的主要因素，在不同工况下对滑坡体进行稳定性分析计算，提出可行的防治方案。

0 前言

野猫面滑坡是长江三峡库区距离三峡大坝最近的一个特大型滑坡体，位于秭归县境内的长江北岸，上距秭归老城（归州镇）12km，下距三峡工程坝址 17km，行政区划隶属秭归县茅坪镇。

野猫面滑坡是典型的崩塌堆积体滑坡。滑坡体在平面上呈斜向上游前宽后窄不规则的长条形（见图0.1），后缘高程430m～450m，前缘剪出口入江，横向宽约500m～700m，纵向长约1100m，平面面积约0.48km，平均厚度50m～60m，最大厚度130m，2

总体积约2060×10m，其中主体部分体积约1680×10m，约占总体积的80％。4 3 4 3

图0.1 野猫面滑坡体全貌

由于野猫面滑坡距三峡大坝很近，尤其是该滑坡位于三峡工程通航船舶的锚地区，滑坡的稳定性对两岸居民、航运、三峡大坝的安全运行等有着重要的影响，因此长期以来都备受各方关注。1984年～2007年，长江委综合勘测局第一勘测院、长江勘测技术研究所、长江委三峡勘测研究院等多家单位对野猫面滑坡进行了多次调查地质勘察工作，根据时间的先后和勘察研究的深入程度大致分为以下四个阶段：

第一阶段：1984年长江委综合勘测局第一勘测院对野猫面崩塌体进行了1/10000地质调绘；随后，

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长江委三峡勘测研究院（1990 年）和长江勘测技术研究所（1994年）分别在葛洲坝和三峡工程水库库岸调查过程中，对野猫面崩塌体进行了仅限于地面的地质调查工作。

第二阶段：鉴于野猫面堆积体是最靠近三峡大坝的大型崩塌体，位置十分敏感，2001年3月，长江委三峡勘测研究院受长江三峡开发总公司委托对野猫面崩塌体进行工程地质勘察。

第三阶段：2004年～2005受长江三峡开发总公司委托，长江委三峡勘测研究院对三峡库区近坝库岸稳定性进行系统的地质研究，将野猫面滑坡列为重点对象进行了勘察研究。

第四阶段：从2006年6月至今，受长江三峡开发总公司委托，长江委三峡勘测研究院在前期勘察工作的基础上，补充了包括沿滑带现场大剪试验在内的大量地质工作，为野猫面滑坡的防治方案研究提供了翔实的地质资料。

综合以上的地质勘察资料总体来看，野猫面滑坡在三峡水库蓄水前是基本稳定的。三峡水库135（139）m蓄水以来，虽然滑坡体出现了局部变形调整迹象，但滑坡整体仍处于基本稳定状态。进一步研究则表明，正常高水位运行（二期156m蓄水位及正常175m蓄水位），野猫面滑坡仍属基本稳定，但稳定程度很低，尤其是在库水位大幅降落及长期动水作用下，仍存在失稳的可能性。由于野猫面的滑坡位置十分敏感，一旦失稳，即使是小范围的失稳，都可能对滑坡区居民的生产、生活及长江的航运等造成很大的影响，产生严重的社会后果，因此有必要在对野猫面滑坡的稳定性进行充分研究的基础上，提出可行的防治方案，以防止或尽量减缓野猫面滑坡体向着不利的方向进一步发展。根据这一要求，长江委三峡勘测研究院组织了大量的专家、技术人员对野猫面滑坡的稳定性进行了详细的研究，同时，从阻滑工程、排水工程等几个方面对野猫面滑坡提出了多种防治方案，并对各种方案的可行性、治理效果、治理工程的经济投入、施工的难易程度等方面进行了系统地比较、研究，从而为野猫面滑坡防治工程最优方案的选择提供了重要依据。 需要特别说明的是，本报告中除三峡水库的 135（139）m，156m，145m，175m蓄水位均采用吴淞高程外，其它高程如无特别说明均为黄海高程。吴淞高程和黄海高程之间的关系为黄海高程（m）=吴淞高程（m）- 1.78m。

1 滑坡区工程地质条件

1.1 已完成的地质勘察工作内容

本次滑坡的地质勘察工作主要是在前期工作的基础上进行的，依据《三峡工程水库近坝库段野猫面滑坡防治方案研究工作大纲》的要求，主要工作内容如下：

1）对滑坡区进行1:2000地质复查，重新校测了滑坡的物质分界及滑坡边界；对滑坡区地面和房屋进行了详细的变形调查，对滑坡范围内的居民进行了实物调查。

2）为了查明滑带土特征及滑带的空间分布，对原7-7′剖面补充了4个小口径钻探工作，在原平硐PD2内沿滑带向上、下游各进行一个支硐勘探工作。

3）在两条支硐内进行了滑带土的原位大剪试验和滑带土的刚性板试验，并在支硐内挖取大量的滑带土原状大样进行了多种室内试验，基本查明了滑带土的物理力学特性。

4）在4个钻孔内进行了大量的注水试验；在滑坡体和平硐内进行了坡体和滑带土的基坑注水试验，初步查明了滑坡体的渗透特性。

本次滑坡的地质勘察工作量统计如表1.1所示。

1.2 滑坡区基本地质条件

野猫面滑坡是三峡工程库区距离大坝最近的一个特大型滑坡体，位于秭归县境内的长江北岸，行政区划隶属秭归县茅坪镇，滑坡中心经纬度为东经110°51′35.5″，北纬30°53′35.4″，长江自西向东约75°方向流经滑坡体的前缘（见图1.1）。

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图1.1 野猫面滑坡的地理位置示意图

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表1.1 野猫面滑坡防治方案研究工程勘察工作量统计表

工 作 内 容 单位 本次工作量 承担单位测 V等点控制测量 点 8

量 收放钻孔、竖井、平硐 点 37

平硐测量 km/条 300/3

地质校测（1∶2000） km 2 0.5

钻孔编录 m/孔数 350.52/4

平硐编录(1：50) m/条 110.00/2

地 泉（井）水点调查 点 13

质

实物调查 组日 4

房屋、地面变形调查 组日 10

地下水动态观测（1个水文年） 孔 4 长江委三峡勘测研究院勘 小口径钻探 m/孔数 350.52/4

坑槽探(基坑注水试验) m3/个 48.00/6

探

平硐勘探 m/个 110.00/2

水质分析取样 组 2

取 钻孔取样 组 1

样 平硐内取原状大样 组 16

平硐内取扰动大样 组 6

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水化学分析 组 2

钻孔注水试验 段/孔数 34/4

基坑注水试验 组 6

平硐内滑带土刚性板试验 组 2 长江科学院

平硐内滑带土大型剪切试验 组 2

试 滑带土三轴试验(UU) 组 4

验 滑带土三轴试验(CU) 组 16

滑带土三轴试验(CD) 组 2 湖北葛洲坝试验检测有

限公司

滑带土物理力学性质试验(土常规) 组 11

滑带土颗粒分析 组 11

滑带土环剪试验 组 2 香港大学

滑带土蠕变试验 组 2

二维稳定计算 组日 80 长江委三峡勘测研究院计 3D

Flac 三维数值模拟计算 组日 150 长江委三峡勘测研究院算 Virsual Moflow 3D 地下水三维数

组日 200 成都理工大学

值模拟及降雨三维数值模拟

野猫面滑坡区属于川东鄂西中低山地区。长江流向在九畹溪河口以上呈NNW向，经九畹溪河口弧形转折后自西向东流经该区。两岸河谷基本对称，呈窄陡的“U”形。

谷坡地形坡度一般40°，部分陡坡地段为70°～90°。滑坡区呈明显的陡崖斜坡地貌：滑坡区西侧及后侧均为陡崖，当地称为“铲子崖”，崖顶高程一般550m～1000m，上部坡度80°～90°，下部坡度50°～70°；陡崖之下至滑坡体东侧的吊岩壁一带为斜坡地形，地形坡度一般 25°～30°。滑坡区内发育有多条冲沟，其中较大的冲沟有小槽子沟、白石沟、大沟等，冲沟沟谷一般陡狭，沟宽约40m～80m，切深30m～40m（见图1.2）。

野猫面滑坡区属亚热带湿润气候区，季节变化明显，冬季干旱，夏季多雨。多年平均降雨量1025mm，年最大降雨量1430mm，日最大降雨量358mm，降雨多集中在5～10月，以暴雨为主，年降雨天数120～140天。滑坡总体为倾向长江的斜坡地形，大气降水沿坡面向南西方向汇入长江，总的汇水面积为1.14km，其中滑坡体自身的汇2

水面积为0.48 km，滑坡体后缘山坡的汇水面积为0.66 km。滑坡区的地下水主要表2 2

现为松散介质孔隙水、基岩裂隙水和岩溶裂隙水等三种类型。

野猫面滑坡区内出露基岩从东至西依次为震旦系上统灯影组（Zbdn）和寒武系下统水井沱组（∈1sh）、石牌组（∈1sp）、天河板组（∈1t）、石龙洞组（∈1SL）（见图1.3）。灯影组基岩厚 150m，主要分布于滑坡体东侧的山坡一带，物质成分以灰白色～灰黑色的灰岩、白云岩为主；寒武系下统水井沱组基岩厚 140m，分布于滑坡体后缘山坡及下伏基岩，物质成分为黑色薄层含炭质细晶灰岩与薄层炭质页岩互层，底部为黑色“锅底状”灰岩；寒武系下统石牌组基岩一般厚 470m，主要分布于滑坡体西侧陡崖的下部，物质成分主要为灰绿、黄绿色砂页岩夹薄层鲕状灰岩及条带状灰泥岩；寒武系下统天河板组基岩一般厚 88m，分布于滑坡体西侧陡崖的中部，物质成分深灰色薄～厚层泥质条带状灰岩及深灰色白云质灰岩，夹豆状灰岩；寒武系下统石龙洞组基岩一般厚 106m，分布于滑坡体西侧陡崖的上部，物质成分为深灰色厚层灰岩及灰白色微晶白云岩。

野猫面滑坡区内的第四系覆盖层按成因可分为冲洪积层（Qal+pl）、残积层（Qel）、崩积物（Qcol）等几种类型。冲洪积层主要分布于滑坡体西侧小槽子沟出口与长江交汇处，物质成分主要为漂石、砾石夹中细砂，次棱角状，少数具磨圆状，粒径0.2m～2m，厚3m～10m；残积层主要分布于滑坡区的山脊处，

三峡工程库区滑坡研究

物质成分主要为粘土夹少量碎石，厚 0.5m～5m；崩积物广泛分布在本区的陡崖之下，为滑坡的主要组成物质，物质成分主要为块石、碎块石夹土，厚度在滑坡前缘一带达到 110m～130m，而在滑坡后缘以上桐树湾一带仅3m～5m。

野猫面滑坡体在地质构造上位于黄陵背斜的西翼，基岩岩层产状为：走向 260°～270°，倾向上游偏右岸，倾角18°～35°，岩层走向及倾角变化较小，属典型的单斜构造。滑坡区内未发现规模较大的断层，裂隙按其走向可分为NNE、NNW两组，

两组裂隙相互切割，将岩体分成大小不等的岩块，其中控制性的结构面倾向坡外侧，为岩体崩落提供条件。 野猫面滑坡区岩体风化形式主要有均匀风化、溶蚀风化及夹层风化等几种类型。其中均匀风化具有明显的垂直分带性，根据分化程度可划分为全、强风化带、弱风化带、微风化带等。全、强风化带的岩体结构大部分被破坏，岩石破碎，矿物变异；弱风化带的岩体结构有轻微破坏迹象，原岩矿物轻微变异；微风化带仅沿少数裂隙面有轻微风化现象，岩体结构基本完好。

野猫面滑坡区在历史上未发生过强烈地震，其外围邻近地区曾发生过几次较大的地震，但距本区的距离均超过100公里，对野猫面滑坡区影响甚微。最近一次地震为2001年12月秭归贾家店发生的3.5级地震，距离滑坡约25km，对滑坡体无明显影响。根据《中国地震动峰值加速度区划图》（GB18306-2001）与《中国地震动反应谱特征周期区划图》，滑坡区在50年超越概率为10％条件下的地震动峰值加速度为0.05g，地震动反应谱特征周期0.35s，相应的地震基本烈度为Ⅵ度。

1.3 滑坡体分区及其基本特征

根据地形地貌、覆盖层厚度、滑动面的空间形态、滑坡体的物质成分及滑坡体在水库135 139）m蓄水后的变形调整特征等因素可将野猫面滑坡体划分为东西两个区：Ⅰ区和Ⅱ区（见图 1.2）。Ⅰ区为滑坡的主要部分，Ⅱ区为滑坡的次要部分，两个区以小槽子沟东侧地形脊梁为界，分界线在滑坡前缘即TP07观测墩至滑坡剪出口一带斜向下游，西侧为Ⅰ区，东侧为Ⅱ区。Ⅰ区前缘宽约500m，后缘宽约150m，平面略呈喇叭形，面积约0.28km，平均厚度约60m，体积约1680×10m，占滑坡堆积物总2 4 3

方量的80%；Ⅱ区前缘宽约200m，后缘宽约200m，平面略呈弯曲带状，面积约0.2km，2平均厚度约20m，体积约380×10m，占滑坡堆积物总方量的20%。4 3

由于Ⅱ区滑坡体总体上滑坡堆积体厚度小，体积少，稳定程度比较高，因此本治理工程方案研究主要针对Ⅰ区滑坡体进行。

1.4 滑坡体岩土的主要地质特征

滑坡体岩土（包括滑床、滑带土等）的主要地质特征是决定滑坡体稳定程度高低的重要物理指标。本次勘察过程中，对滑坡体岩土进行了在大量的钻探取样分析及物理力学试验，并综合了前期的勘察成果，得出滑坡体岩土的主要地质特征如下：

1）基岩：滑坡体滑床为基岩，其主要物质成分为水井沱组的黑色薄层含炭质细晶灰岩（∈1sh），约占滑床面的90％。滑坡体下覆基岩属单斜构造，岩层产状260°～270°，倾角18°～30°，局部倾角略陡。按风化程度主要可划分为强风化带和弱风化带：强风化带厚度约5m～13m，岩体破碎，局部呈泥状，贴近滑带的3m～5m，产状不清，极为破碎；强风化带以下为弱风化带，岩体相对较完整，岩质较坚硬。

2）滑坡堆积体：从组成成分上大致可划分为两层，上部为碎块石土，约占总量的20％，下部为块石夹碎石及土，约占总量的80％。碎块石土位于滑坡体的表层，厚度约15m～20m，土主要为棕黄色、灰黄色的粉质粘土，含量约占30％～40％，碎块石含量约占60％，碎块石大小一般10cm～20cm，碎块石之间无明显的胶结物，结构较松散。块石夹碎石及土是滑坡堆积体最主要的一层，厚度40m～100m，以较坚硬的灰岩、砂岩、白云岩质的块石为主，约占总量的60％～70％，块石直径一般4m～6m，块石之间夹有一些粉质粘土，约占总量的 30％。现场容重试验表明碎块石土的天然容重为2.028×103 kg/m，块石夹碎石及土的天然容重为2.34×103 3 kg/m。基坑3注水试验表明碎块石土的渗透系数在

1.94×10-5cm/s～6.43×10-4cm/s之间，变化范围相对较小；而块石夹碎石及土的渗透系数变化范围为

8.93×10-6cm/s～1.16×10-1cm/s，不同部位的渗透系数相差很大，主要为土的含量及碎石之间胶结程

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度不同所致。

3）滑带土：综合前期及本次钻孔、竖井和平硐中的地质勘察成果，滑带土的物质成分主要为碎石土和粘土夹碎石，Ⅰ区滑带土厚度约 1.0m～1.5m，Ⅱ区滑带土厚度约0.2m～0.7m。滑带土从上至下呈明显的三层结构，上部为浅黄色，中部棕黄色，局部砖红色，底部灰黑色；碎石土密实，粘土呈硬塑状；碎石总体含量一般 30％～50％，具有由底至顶逐步增多的趋势，以次棱角状为主，局部见粒径10cm～20cm的碎块石。滑带土的渗透系数在1.20×10-5cm/s左右。

1.5 主要地质勘察结论及建议

本次野猫面滑坡的地质勘察研究工作综合了前期多次勘察成果，并在原有工作的基础上补充了大量的野外勘探、试验等地质勘察工作，同时，针对滑坡的稳定性、危害性做了大量的计算和定性分析，最终得出野猫面滑坡的主要勘察结论及建议如下：

1）滑坡的主要特征及规模：滑坡后缘高程430m～450m，前缘剪出口入江，横向宽500m～700m；纵向长约1100m，平面面积约0.48km，平均厚度50m～60m，最大厚2

度达130m，总体积约2060×10m。其中，Ⅰ区面积约0.28km，体积约1680×10m，4 3 2 4 3占滑坡堆积物总方量的80%；Ⅱ区面积约0.2km，体积约380×10m，占滑坡堆积物2 4 3

总方量的20%。

2）滑坡的构造特征：野猫面滑坡位于黄陵背斜南西翼，距离背斜核部结晶岩体边缘2km；根据国家地震局1/400万《中国地震烈度区划图》，本区50年超越概率为10％时，地震动峰值加速度为0.05g，地震动反应谱特征周期0.35s，相应的地震基本烈度为Ⅵ度。

3）滑坡滑带土的地质特征：野猫面滑坡体的滑带土从上至下大致呈三层结构，物质成分主要为碎石土和粘土夹碎石，上部为浅黄色，中部为棕黄色，局部砖红色、底部为灰黑色，碎石土密实，粘土呈硬塑状；碎石总体含量一般30～50%，具由底至顶逐渐增多趋势，以次棱角状为主，局部见粒径10cm～20cm的碎块石。滑带土的厚度，根据勘探成果综合分析，滑坡体Ⅱ区的滑带土厚度一般 0.2m～0.7m，Ⅰ区的滑带土厚度为1.0m～1.5m。

4）滑坡的稳定性：滑坡在蓄水前基本稳定；滑坡体现状（156m蓄水位）处于基本稳定；正常蓄水位及变水位工况下也处于基本稳定状态，但安全系数储备不足；在多年水位变化作用下，滑带土的参数将持续降低，如果再出现暴雨等激发因素，滑坡局部可能失稳，进而引起大面积破坏。

5）滑坡失稳的危害性：在正常情况下，滑坡不会产生大规模失稳；如果滑坡出现大面积的失稳，所引起的涌浪对三峡枢纽工程建筑物影响也不大，但涌浪会对附近区域内的航运及人民群众的生命财产安全产生很大的威胁。

6）地质建议：鉴于野猫面滑坡失稳产生的涌浪对长江航道及下游锚地区船舶的威胁很大，因此必须尽快采取必要的工程治理措施以尽量阻止或减缓滑坡失稳。

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2 滑坡治理的必要性论证

滑坡治理的必要性除应从地质条件的角度进行定性分析（即宏观分析）外，还应该从计算的角度进行定量分析。目前国内外对于滑坡的稳定性计算大多采用二维刚体极限平衡法，这也是我国国家规范规定的标准方法。在本章中，除采用二维刚体极限平衡法外，还采用了目前岩土工程界广为流行的数值方法对滑坡稳定性进行了分析。2.1 滑坡稳定性的宏观分析

2.1.1影响滑坡稳定性的主要因素

1)地形地貌条件

野猫面滑坡体前缘高程210m至江边一带，坡度约30°～35°，局部40°以上甚至直立，陡且高的临空斜坡存在，为堆积体表层的碎块石滚落、滑动等提供了有利的地形条件。

2)滑坡体及滑带土的物质组成及分布情况

野猫面滑坡体堆积物主要块石夹碎石及土组成，虽然少数碎块石之间已钙质胶结，但仍有块石处于架

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空势态，一旦滑坡体前缘的坍塌或滚落规模发展，造成前缘一带的不稳定，即可形成堆积体牵引式滑坡。同时堆积物底部的滑带土较软弱，分布较广且连续，也是影响滑坡稳定的重要因素之一。

3)迳排条件及地下水

滑坡体的地表、地下水迳排条件总体较好，但持续久雨或暴雨可使堆积体呈饱和状，增加滑坡体的自重，对滑坡体的稳定不利。

4)库水位作用

三峡水库蓄水运营后，滑坡体相当一部分没于库水面下，库水面以下的堆积物长期呈饱和状态，增加了滑坡体的自重与静水压力；同时，库水位以下的滑带土长期受到库水位浸泡，其抗剪强度等力学性质将明显下降；特别是库水位骤降时，骤降段内的滑坡体内外水压力差将对滑坡体的稳定不利；另外，滑坡体前缘地形较陡，水库运营中库岸将受冲刷再造，可引起滑坡体的局部变形破坏。

5)人类活动

野猫面滑坡体上的人类活动目前仅限于一般性的种植及放牧等，对滑坡体的稳定影响较小；野猫面至庙河的乡村公路从滑坡体高程320m～330m之间穿过坡体，局部形成高约5m～8m的边坡，在雨季局部产生崩塌现象，同时公路形成的边坡对滑坡体后缘的稳定性有一定影响。

2.1.2滑坡稳定性现状及变形运动趋势

滑坡体在三峡工程蓄水前处于基本稳定状态。

蓄水后，滑坡体内稳定条件发生相应的变化，地下水径流场、土体应力场重新调整，滑坡体产生相应的变形。随着库水位的抬升，滑坡内地下水位也跟着抬升，库水面以下的滑坡体处于饱和状态，大面积的滑带土长期浸泡在水下，力学性将发生改变，水位骤变、库水浸蚀、冲刷造成前缘陡坡库岸再造，这些因素可能导致堆积体滑坡向不利的方向发展。

三峡水库初期135（139）m蓄水后，2003年7月至9月期间，滑坡体进行了不同程度的变形调整，其中变形主要表现为地面出现拉张裂缝，居民房、渔池等建筑物出现裂缝；白石沟两侧的库岸发生一般性库岸再造，2003年10月后，未发现明显的变形调整现象。2006年10月，三峡水库蓄水至156m，至2007年3月滑坡体未发现变形调整现象。

两次蓄水后，滑坡稳定状态向不利方向发展，但仍属基本稳定。后续三期 175m水位正常蓄水，滑坡体稳态可能将进一步弱化。但考虑滑面在高程139m～175m间较陡，滑体重心较低，透水性较好以及三峡大坝建成后库水位每年从175m至145m变动等因素，滑坡的整体仍处于基本稳定状态，但可能会出现一些调整，甚至出现局部变形破坏，进而引起大面积失稳。

2.2 滑坡稳定性的二维刚体极限平衡法分析

2.2.1基本原理

按《岩土工程勘察规范》（GB50021-2001）的规定，当滑动面为折线形时，滑坡稳定性分析可采用传递系数法（属于二维刚体极限平衡法的一种）。该方法适用于滑面为任意形状的滑坡，并可以考虑滑坡体中的动水压力、浮托力、地震等动荷载及各个滑块不同抗剪强度参数的影响。其计算基本公式如下： n 1 n 1

∑(R∏ψ )+R

i j n

i=1 j=i （2－1）

Fs=

n 1 n 1

∑(Ti∏ψj)+Tn

i=1 j=i

式中，Fs为滑坡的稳定系数；Ri为第i条块的抗滑力；Ti为第i条块的下滑力；ψj为传递系数，ψj =cos(θi θi+1) sin(θi θi+1)tan i+1；θi为第i条块底部滑面的倾角； i为第i条块底部滑带土的内摩

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擦角；n为条块总数。

2.2.2计算边界条件

为了较全面地定量评价滑坡体的稳定性，选择了较为典型的 11-11′，10-10′

两条典型的地质剖面（见图1.2）作为研究对象，其中11-11′剖面位于Ⅰ区滑坡体内，10-10′剖面位于Ⅱ区滑坡体内。各计算剖面简化示意图见图2.1所示。根据勘察成果及以往工程经验综合分析，预测野猫面滑坡体潜在失稳破坏的方式有如下几种：

1)滑坡体整体失稳。滑坡体沿基岩面发生整体滑移，滑带为滑坡体与基岩接触部位的碎石土（图2.1中的滑面①）。

2)滑坡体沿后缘潜在滑面滑动。滑坡体地面在高程280m～330m存在变形，假定滑坡体沿变形部位作为后缘，沿基岩面发生滑移，滑移面为已揭露到的滑带土（图2.1中的滑面②）。

3)假定滑坡发生牵引式失稳，经计算程序人工智能搜索出的最具危险的滑动破坏面，如图2.1中的滑面③，其路径穿插于滑坡体的块石夹土层的堆积体内，剪出口高程大约在50m左右。

以上述三种可能的失稳模式作为本次稳定性计算三种不同的边界条件。2.2.3计算工况

参考《三峡库区三期地质灾害防治工程地质勘察技术要求》，滑坡稳定性计算考虑以下几种工况： 工况1：自重+地表荷载＋156m水位＋50年一遇暴雨；

工况2：自重+地表荷载＋175m水位＋50年一遇暴雨；

工况3：自重+地表荷载＋175m水位降到145m水位（坝前水位降速<1.0m/day） ＋50年一遇暴雨；

工况4：自重+地表荷载＋162m水位降到145m水位（坝前水位降速<3.0m/day）＋50年一遇暴雨。

其中工况1、2为水库静止水位工况，工况3、4为水库水位降落工况；按照地质勘察成果，暴雨后地下水位抬高约4m～6m，计算时，50年一遇暴雨后的地下水位线按抬高6m考虑。

2.2.4 计算参数

滑坡稳定性计算参数（主要指强度参数）的选择一般采用以下几条原则：

第一，以现场、室内试验参数为依据；

第二，以滑带土的物质组成及工程地质性状为基础；采用工程类比法，参考其它相关滑坡计算参数； 第三， 反算及及敏感性分析。

本滑坡体计算参数参考类比了三峡工程库区新滩滑坡、鸡扒子滑坡、黄腊石滑坡、

树坪滑坡、大坪滑坡、向家湾滑坡、鸭浅湾滑坡、范家坪滑坡、淹锅沙坝滑坡、清江隔河岩水利枢纽库区杨家槽滑坡、宜昌盐池河磷矿滑坡体等特大型滑坡的资料，同时，还针对滑带土的有效应力强度参数c′、φ′对滑坡稳定性的敏感性进行了分析，敏感性分析结果详见第2.2.5节。根据上述分析最终拟定的滑坡稳定性计算参数如下：

表2.1 野猫面滑坡体稳定计算参数表

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2.2.5 有效应力强度参数c′、φ′对滑坡稳定性的敏感性分析

滑带土的粘聚力和内摩擦角这两个强度参数与滑坡稳定系数关系最密切。本报告选用11-11′地质剖面，研究野猫面滑坡在工况3作用下稳定系数对滑带土有效应力强度参数c′、φ′的敏感性，计算采用的边界条件为滑坡整体失稳（图2.1中的滑面①）。计算成果如表2.2及图2.2～2.3所示。

从计算结果可以看出在相同的c′或φ′值情况下，滑坡的稳定系数Fs分别与φ′或c′大致成正比例关系，且有效内摩擦角对滑坡稳定性系数的影响较大。

2.2.6 滑坡稳定性计算成果

滑坡稳定性计算成果如表2.3所示。

表2.3 野猫面滑坡稳定计算成果

边界条 稳定系数

计 算 工 况 11-11′剖

件 10-10′剖面

面

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工况1：自重+地表荷载+156m水位+50年一遇暴雨 1.05 1.40整体型 工况2：自重+地表荷载+175m水位+50年一遇暴雨 1.04 1.39滑面① 工况3：自重+地表荷载+175m水位降到145m水位+50年 1.03 1.38

一遇暴雨

工况4：自重+地表荷载+162m水位降到145m水位+50年 1.03 1.39

一遇暴雨

工况1：自重+地表荷载+156m水位+50年一遇暴雨 1.05 0.97指定 工况2：自重+地表荷载+175m水位+50年一遇暴雨 1.04 0.96滑面② 工况3：自重+地表荷载+175m水位降到145m水位+50年 1.03 0.97

一遇暴雨

工况4：自重+地表荷载+162m水位降到145m水位+50年 1.02 0.98

一遇暴雨

工况1：自重+地表荷载+156m水位+50年一遇暴雨 0.98 /搜索 工况2：自重+地表荷载+175m水位+50年一遇暴雨 0.99 /滑面③ 工况3：自重+地表荷载+175m水位降到145m水位+50年 0.97 /

一遇暴雨

工况4：自重+地表荷载+162m水位降到145m水位+50年 0.97 /

一遇暴雨

计算表明滑坡在不考虑库水位多年变化等因素下，滑坡主体部现状稳定系数为1.04～1.05，为基本稳定，正常高水位及降水位情况下，滑坡体主体部分仍属基本稳定，但主体部分稳定系数均小于 1.06，稳定系数较小。滑坡体Ⅱ区滑面呈前陡后缓形态，计算表明Ⅱ区在各种工况下为稳定，但前缘部分均处于极限状态。

2.3 滑坡稳定性的数值分析

除了常规的二维刚体极限平衡法外，数值分析法是近些年来大型岩土工程常用的分析方法之一。在本节中将利用FLAC3D软件对野猫面滑坡的稳定性进行分析。FLAC3D软件是美国ITSCA咨询公司开发的大型岩土结构数值分析软件，它最适用于求解非线性结构的大变形问题，因此在当前的岩土力学数值分析领域中占有十分重要的地位。2.3.1 FLAC3D软件的基本原理

FLAC3D软件基于拉各朗日法，而拉格朗日法的名词则源于流体力学。在流体力学中研究流体质点运动的方法有两种：一种是定点观察的方法，称为欧拉法；另一种是随流观察的方法，称为拉格朗日法，后者是研究每个流体质点随时间而变化的情况，即着眼于某一个流体质点，研究它在任意一段时间内走出的轨迹、所具有的速度、压力等。将拉格朗日法移植到固体力学中，将所研究的区域划分成网格，而网格的节点就相当于流体的质点，然后按时步用拉格朗日法来研究网格节点的运动，这种方法就称为拉格朗日法。这种方法与离散元一样，按时步采用动力松弛的方法来求解，不需要形成刚度矩阵，不用求解大型联立方程组，占用内存较少，便于用微机求解较大的工程问题。

FLAC3D软件将计算区域划分为若干单元，每个单元在给定的边界条件下遵循指定的线性或非线性本构关系，如果单元应力使得材料屈服或产生塑性流动，则单元网格及结构可以随着材料的变形而变形，这就是所谓的拉格朗日算法。FLAC3D软件采用了“显式”有限差分格式来求解场的控制微分方程，并应用了混合单元离散模型，可以准确地模拟材料的屈服、塑性流动、软化直至大变形，尤其在材料的弹塑性分析、大变形分析以及模拟施工过程等领域有其独到的优点。FLAC3D软件将计算单元之间的不平衡力（Unbal-force），将此不平衡力重新加到各节点上，再进行下一步的迭代运算，直到不平衡力足够小或者各节点的位移趋于平衡为止。图2.4为FLAC3D软件的计算循环示意图。

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结点不平衡力

运 应

单元应力 力

结点 单元

动 │

结点速度 应

定 变

单元应变

律 关

系

结点位移

节点4

图2.4 求解过程示意图

综上所述，FLAC3D软件的求解过程中使用了

如下3种计算方法: 1 3

①离散模型方法：连续介质被离散为若干互相 面4连接的单元(如六面体单元、矩形单元等)，作用力均被 2

集中在节点上； 图2.5四面体

②有限差分方法：变量关于空间和时间的一阶导数均用有限差分来近似；

③动态松弛方法：应用质点运动方程求解,通过阻尼使系统运动衰减至平衡状态。2.3.1.1空间导数的有限差分近似

在 FLAC3D软件中采用了混合离散方法，区域被划分为常应变六面体单元的集合体，而在计算过程中，程序内部又将每个六面体分为以六面体角点为角点的常应变四面体的集合体，变量均在四面体上进行计算，六面体单元的应力、应变取值为其内四面体的体积加权平均。

如图2.5所示的四面体，节点编号为1～4，第n面表示与节点n相对的面，设其内任一点的速率分量为vi，则可由高斯公式得：

vi,jdv= vinjds （2－2）

∫v ∫s

式中：V为四面体的体积；S为四面体的外表面；nj为外表面的单位法向向量分量。对于常应变单元；vi为线性分布；nj在每个面上为常量，由式（2－2）可得：

1 4

l (l) (l)

vi,j= ∑vinj s （2－3）

3vi=1

并且，其应变张量εij可表示为：

1 4

l (l) l (l) (l)

ξi,j= ∑(vinj +vjni )s （2－4）

6vi=1

式中：上标l表示节点l的变量；(l)表示面l的变量。

2.3.1.2运动方程

FLAC3D软件以节点为计算对象，将力和质量均集中在节点上，然后通过运动方程

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在时域内进行求解。节点运动方程可表示为如下形式:

l l dv l

F =M ( i) l=1,n （2－5）

i dt n

式中:上标<l>代表全局坐标系中节点l的量值。如F<l>为在t时刻l节点的在i方向

i

的不平衡力分量，可由虚功原理导出；M<l>为l节点的集中质量，在分析静态问题时,采用虚拟质量以保证数值稳定，而在分析动态问题时则采用实际的集中质量；nn为总的节点数目。

2.3.1.3速度及位移计算

将式（2－5）左端用中心差分来近似，则可得到：

l t l t t l

vi (t+ )=vi (t )+ Fi （2－6）

2 2 l

M

同理，节点的位移也据此可得：

l l t l t

ui (t+ t)=ui (t)+ Fi (t+ ) （2－7）

l 2

M

2.3.1.4阻尼力

对于静态问题，FLAC3D软件在式（2－5）的不平衡力中加入了非粘性阻尼，以使系统的振动逐渐衰减直至达到平衡状态(即不平衡力接近零)。此时式（2－5）变为：

l l l dv l

F +Γ =M ( i) l=1,n （2－8）

i i dt n

阻尼力Γ<l>为：

i

Γl = αFl sign(vl) （2－9）

i i i

式中:α为阻尼系数，其缺省值为0.8；而

+1, x>0

sign(x)= 1, x<0 （2－10）

0, x=0

2.3.1.5应变、应力及节点不平衡力

FLAC3D软件由速率来求某一时步的单元应变增量，即:

e =1(v +v ) t （2－11）

ij 2 i,j j,i

式中速率可由式（2－6）近似。有了应变增量，即可由本构方程求出应力增量，各时步的应力增量叠加即可得到总应力，在大变形情况下，还需根据本时步单元的转角对本时步前的总应力进行旋转修正。

旋转应力增量为：

σij=H*ij(σ ,ξ t) （2－12）

ij ij

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其中：H*为一给定的函数，具体公式这里不再赘述。这样应力增量即可得到：

σ = σij+ σ C （2－13）

ij ij

其中： σc为应力积累量。

ij

在FLAC3D软件计算中，不平衡力（不平衡率）是作为系统进入平衡与否的重要控制性参数。其计算公式如下：

l 1 (l) (l) 1

pi = σijnj S + ρbiv （2－14）

3 4

其中：ρ为研究对象的密度；bi为研究对象单位质量上的体积力。

2.3.2 计算条件

计算模型与计算范围：计算选取 11－11′地质剖面，并在原有模型的基础上向两侧适当延伸，其范围取-100m~1380m，竖直向上为z轴正向，y轴为横截面方向取一定长度（50m），均匀剖分为5份（10m间距），模型底板高程为-50m，选取20m～30m之间的区域作为结果显示区域，网格模型如图2.6所示。

图2.6 网格剖分模型

边界条件：模型的左右边界在x方向约束，即x＝-100m的边界上在x方向约束，其它方向上自由，x＝1380m的边界上在x方向约束，其它方向上自由；y方向的两侧边界上在y方向上固定，其它方向上自由；z＝-50m的边界上（底部边界）在x、y、z方向均固定。

表2.4 野猫面滑坡稳定性计算参数

体积模 剪切模 容重 摩擦角 粘聚力 抗拉强度

材料类型 建模代号 3 o

量(MPa)量(MPa) (kN/m) () C (MPa) （MPa）

基岩 1 10870 5906 25 50 1.1 12

滑带土 2 167 56 21.0 23 0.025 0

块石夹碎石及土 3 510 195 21.8 30 0.005 0

碎块石土 4 307 134 21.0 27 0.010 0

深埋式抗滑桩 5 21700 13000 25 52 3.50 360

钢筋砼阻滑键 6 21700 13000 25 52 3.50 360注：1、滑带土由于大部分处于库水位和地下水位下，因此采用了有效应力参数；

2、基岩、抗滑桩等的计算参数系参考《工程地质手册》。

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三 峡 大 学 工 程 硕 士 专 业 学 位 论 文

计算参数选取列于表2.3所示。计算参数的取值主要参考了野猫面滑坡的工程地质勘察报告中、《工程地质手册》以及前期勘察报告中的三维数值计算。

计算模型与屈服准则：采用比较常用的弹塑性模型，屈服准则为莫尔－库仑准则。

根据目前的长江水库的水位及大坝运营情况，本次模拟选取以下四种工况进行模拟分析：

工况一：自重＋145m库水位；

工况二：自重＋156m库水位；

工况三：自重＋175m库水位；

工况四：自重＋175m库水位突降至145m水位。

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