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1 1 1 清华大学研究生课程灾害学 地质灾害 陆新征 清华大学土木工程系 2006 2 清华大学研究生课程灾害学 内容提要 地质灾害的概念、类型及分布 火山地质灾害 滑坡地质灾害及其防治滑坡地质灾害及其防治 崩塌地质灾害及其防治 泥石流地质灾害及其防治 地面沉降及其防治 岩土工程灾害 3 清华大学研究生课程灾害学 滑坡灾害 斜坡上的岩土体由于种种原因在重力作 用下沿一定软弱面整体向下滑动的现象 叫做滑坡 4 清华大学研究生课程灾害学 滑坡的构成 滑坡体 滑坡壁 滑动面 滑坡床 滑坡舌 滑坡裂缝 5 清华大学研究生课程灾害学 滑坡照片 滑坡体 滑坡壁 滑动面 滑坡床 滑坡舌 滑坡裂缝 6 清华大学研究生课程灾害学 滑坡照片 2 2 7 清华大学研究生课程灾害学 8 清华大学研究生课程灾害学 20世纪中国滑坡灾害 9 清华大学研究生课程灾害学 滑坡的危害 对城镇的危害 10 清华大学研究生课程灾害学 滑坡的危害 对铁路的危害 11 清华大学研究生课程灾害学 滑坡的危害 对公路的危害 12 清华大学研究生课程灾害学 易贡藏布山体滑坡 3 3 13 清华大学研究生课程灾害学 滑坡的危害 对河道航运的危害 14 清华大学研究生课程灾害学 15 清华大学研究生课程灾害学 滑坡的危害 对工厂、矿山的危害 16 清华大学研究生课程灾害学 滑坡的危害 对农田的危害 17 清华大学研究生课程灾害学 滑坡的危害 对水利水电工程的危害 18 清华大学研究生课程灾害学 Vaiont Dam Disaster 4 4 19 清华大学研究生课程灾害学 Vaiont Dam Disaster 20 清华大学研究生课程灾害学 Vaiont Dam Disaster 21 清华大学研究生课程灾害学 滑坡的危害 对水利水电工程的危害 22 清华大学研究生课程灾害学 滑坡的危害 滑坡的次生灾害 23 清华大学研究生课程灾害学 滑坡的危害 滑坡的次生灾害 24 清华大学研究生课程灾害学 Lituya Bay Tsunami The rockslide occurred along the eastern wall of the Gilbert Inlet. The mass of rock striking the surface of the bay created a giant splash, which sent water surging to a height of 1720 feet across the point opposite the inlet. 5 5 25 清华大学研究生课程灾害学 Lituya Bay Tsunami 26 清华大学研究生课程灾害学 Lituya Bay Tsunami 27 清华大学研究生课程灾害学 中国的滑坡发育图 28 清华大学研究生课程灾害学 滑坡的形成条件 内在因素 岩土类型 结构松软、抗剪强度和抗风化能力较低、在水的作用下其 性质易发生变化的岩土 地质构造 节理、裂隙、层理面、岩性界面、断层发育 地形地貌 斜坡、前缘 水文地质条件 软化岩石、产生动水压力、软化滑动面 29 清华大学研究生课程灾害学 滑坡的形成条件 外在因素 自然原因 地震、降雨降雪、地表水的冲刷、浸泡 人为原因 开挖坡脚 蓄水排水 堆填加载 破坏植被 30 清华大学研究生课程灾害学 滑坡的发育阶段 蠕动变形阶段 坡顶出现裂缝、两侧出现剪切裂缝、坡脚岩 石被挤出 滑动面尚未贯通 从斜坡发生变形、坡面出现裂缝到斜坡滑动 面全面贯通的发展阶段称为蠕动变形阶段 持续时间从几年到几天 6 6 31 清华大学研究生课程灾害学 滑坡的发育阶段 滑动破坏阶段 滑动面贯通后，滑坡开始整体下滑的阶段 滑动速度主要取决于滑动面的形状、抗剪强 度、滑坡体的体积以及在斜面上的位置 如果滑带土的抗剪强度变化不大，则滑坡不 会急剧下滑，一般每天只滑动几米 如果滑带土的抗剪强度剧烈变化，可能会出 现每秒几米到几十米的高速滑动 32 清华大学研究生课程灾害学 滑坡的发育阶段 压密稳定阶段 重力作用下，滑坡体上的松散岩土逐渐压 密，地表裂缝被填充，滑动面附近岩石强度 由于压密、固结提高 滑坡面变缓，滑坡前缘无渗水，滑坡表面植 被重新生长，说明滑坡已经稳定 持续几年甚至更长的时间 33 清华大学研究生课程灾害学 滑坡的分级 按照滑坡体大小 34 清华大学研究生课程灾害学 滑坡常见滑动面的类型 均质土滑动面 碎石土滑动面 基岩滑动面 35 清华大学研究生课程灾害学 典型滑坡的多角度分析 36 清华大学研究生课程灾害学 7 7 37 清华大学研究生课程灾害学 38 清华大学研究生课程灾害学 土坡的稳定性分析 无粘性土简单土坡 39 清华大学研究生课程灾害学 土坡的稳定性分析 土坡分析的圆弧法 40 清华大学研究生课程灾害学 土坡的稳定性分析 折线滑坡稳定分析 41 清华大学研究生课程灾害学 岩石边坡破坏类型 42 清华大学研究生课程灾害学 土坡的稳定性分析 有限元法 建立有限元模型、划分网格 设定材料模型（莫尔－库仑或其他材料本构） 计算塑性应力区分布 调整土体承载力参数直至位移发生转折点 得到边坡的安全系数 8 8 43 清华大学研究生课程灾害学 边坡稳定分析的参数反演法 土工项目大量存在参数无法准确测量的问题 原状土 试验方法 水 土工材料在施工过程中会有很多不确定性变化 降雨 时间流变 冻融 44 清华大学研究生课程灾害学 需要采用参数反演技术 参数反演的基本思想 首先根据试验结果或经验给出一组模型参数 计算得到结构（岩土）的反应 分析参数的敏感性 根据实测结构变形对土体参数加以修正 用修正后的参数来模拟模型下一步的行为 45 清华大学研究生课程灾害学 核心问题 计算模型 极限平衡法 有限元法 反演算法 各种数学规划、数学优化算法 46 清华大学研究生课程灾害学 岩石边坡的稳定算法 工程类比法，应关注 已有滑坡等不良现象 有薄弱层或裂隙 软弱层和坡面倾角一致 地层渗水性差异较大 坡上漏水 存在爆破等施工方法 47 清华大学研究生课程灾害学 岩石边坡的稳定算法 图解法 有限元法 需要引入裂隙、节理单 元 需要考虑岩石之间的接 触非线性 48 清华大学研究生课程灾害学 岩石边坡的稳定算法 刚体－弹簧元法 离散单元法 9 9 49 清华大学研究生课程灾害学 岩石边坡的稳定算法 DDA方法 50 清华大学研究生课程灾害学 用有限元强度折减法进行边坡稳定分析 有限元强度折减系数法的基本原理 有限元强度折减系数法精度分析 均质土坡稳定分析 岩质边坡稳定分析 郑颖人院士报告 51 清华大学研究生课程灾害学 用有限元强度折减法进行边坡稳定分析 边坡稳定分析是经典土力学最早试图解 决而至今仍未圆满解决的课题，各种稳 定分析方法在国内外水平大致相当。 对于均质土坡，传统方法主要有极限 平衡法，极限分析法，滑移线场法等， 就目前工程应用而言，主要还是极限平 衡法，但需要事先知道滑动面位置和形 状。 52 清华大学研究生课程灾害学 用有限元强度折减法进行边坡稳定分析 对于均质土坡，可以通过各种优化方法 来搜索危险滑动面，但是对于岩质边 坡，由于实际岩体中含有大量不同构造、 产状和特性的不连续结构面（比如层面、 节理、裂隙、软弱夹层、岩脉和断层破 碎带等），这就给岩质边坡的稳定分析 带来了巨大的困难，传统极限平衡方法 尚不能搜索出危险滑动面以及相应的稳 定安全系数。 53 清华大学研究生课程灾害学 用有限元强度折减法进行边坡稳定分析 随着计算机技术的发展，尤其是岩土材 料的非线性弹塑性有限元计算技术的发 展，有限元强度折减法近来在国内外受 到关注，对于均质土坡已经得到了较好 的结论，但尚未在工程中实用 54 清华大学研究生课程灾害学 用有限元强度折减法进行边坡稳定分析 本文采用有限元强度折减法，对均质土坡进行 了系统分析，证实了其实用于工程的可行性， 对节理岩质边坡得到了坡体的危险滑动面和相 应的稳定安全系数。 该方法可以对贯通和非贯通的节理岩质边坡进 行稳定分析，同时可以考虑地下水、施工过程 对边坡稳定性的影响，可以考虑各种支挡结构 与岩土材料的共同作用，为节理岩质边坡稳定 分析开辟了新的途径。 1010 55 清华大学研究生课程灾害学 有限元强度折减系数法的基本原理 用折减系数法求解实际边坡稳定问题时，通常 将土体假设成理想弹塑性体，其中屈服准则常 选用摩尔-库仑准则（M-C）、D-P准则以及摩 尔-库仑等面积圆准则。 1 trial cc F ′ 1 arctantan trial F φφ ′ 56 清华大学研究生课程灾害学 不同准则换算表 aφ 2 sin 33sin φ φ− 2sin 33sin φ φ 2 sin 33sin φ φ 2 2 3sin 2 3 9sin φ πφ− k 6cos 3 3sin cφ φ− 6 cos 33sin cφ φ 2 3 cos 33sin cφ φ 2 6 3 cos 2 3 9sin cφ πφ− 等面积D-P圆DP4 内切D-P圆DP3 内角点外接 D-P圆 DP2 外角点外接 D-P圆 DP1 准则种类编号 kJIF 21 α 57 清华大学研究生课程灾害学 不同换算方法比较 摩尔库仑等面积圆准（M-C EAC）则与简 化Bishop法所得稳定安全系数最为接近 01020304050 0.30 0.60 0.90 1.20 1.50 1.80 2.10 2.40 2.70 3.00 3.30 折减系数 摩擦角 o DP1 DP2 DP3 DP4 简化Bishop法 58 清华大学研究生课程灾害学 不同流动法则的影响 有限元计算中，采用关联还是非关联流动法则，取决 于ψ值（剪胀角） ψ φ，为关联流动法则, ψ 0，为非关联流动法则. 0.0450.0290.018 相对 误差 1.4251.1370.887关联 1.3631.105 0.871 非关 联 φ25φ17φ10 材料 参数 β 45，C40KPa，H＝20m，DP4准则 59 清华大学研究生课程灾害学 有限元法引入的误差 网格的密度影响 60 清华大学研究生课程灾害学 网格疏密对计算结果的影响 0.0170.0600.134 DP4- Bishop/Bishop 0.583 0.583 0.583简化Bishop法 0.593 0.618 0.661DP4 22501111577节点数 H20m β45φ17c10000Pa 1111 61 清华大学研究生课程灾害学 模型边界范围 1.1311.1321.1241.1311.1201.1171.106B/H 1.1231.1201.1221.1221.1211.0781.097R/H 1.1291.1211.1221.1201.1241.1241.129L/H 3.02.52.01.51.00.50 相对 边距比 L坡脚到左端边界的距离（左边距），R坡顶到右端边界的距离（右 边距），B坡脚到底端边界的距离（底边距），H坡高 62 清华大学研究生课程灾害学 均质土坡稳定分析 均质土坡，坡高，土容重，粘聚 力，内摩擦角，求坡角 时边坡的稳定安全系数。 mH20 3 /25mkNγ kPac42 o 17ϕ 5045403530、、、、β 63 清华大学研究生课程灾害学 计算结果 坡角（度）3035404550 有限元法（外接圆屈 服准则） 1.781.621.481.361.29 有限元法（莫尔-库 仑等面积圆屈服准则） 1.471.341.221.121.06 简化Bishop法1.3941.2591.1531.0620.99 Spencer法1.4631.3181.2121.1151.04 β 64 清华大学研究生课程灾害学 从表中计算结果可以看出，采用外接圆屈服准则计算 的安全系数比传统的方法大许多，而采用莫尔-库仑等 面积圆屈服准则计算的结果与传统极限平衡方法 （Spencer法计算的结果十分接近，说明采用莫尔-库 仑等面积圆屈服准则来代替莫尔-库仑不等角六边形屈 服准则是可行的。 通过4组计算方案（改变内摩擦角、内聚力、坡角β、 坡高H的值）共计106个算例的比较分析表明，用莫尔- 库仑等面积圆屈服准则求得的安全系数与Bishop法的 误差为4-8，与Spencer法的误差为0.5--4，说 明了有限元强度折减法完全可以实用于土坡工程 65 清华大学研究生课程灾害学 岩质边坡稳定分析 岩体中的结构面，根据结构面的贯通情况，可以将结 构面分为贯通性、半贯通性、非贯通性三种类型。根 据结构面的胶结和充填情况，可以将结构面分为硬性 结构面（无充填结构面）和软弱结构面。 由于岩体结构的复杂性，要十分准确地反映岩体结构 的特征并使之模型化是不可能的，也没有必要使问题 复杂化，基于这种考虑，对于一个实际工程来说，往 往根据现场地质资料，根据结构面的长度、密度、贯 通率，展布方向等着重考虑2-3组对边坡稳定起主要控 制作用的节理组或其它主要结构面。 66 清华大学研究生课程灾害学 有限元模型及其安全系数的求解 （1）软弱结构面 岩体是弱面体，起控制作用的是结构面强度，对于软 弱结构面，可采用低强度实体单元模拟，按照连续介 质处理，材料本构关系采用理想弹塑性模型，屈服准 则为广义米赛斯准则。 ωω αk JIF 21 1212 67 清华大学研究生课程灾害学 有限元模型及其安全系数的求解 （2）硬性结构面。 无充填的硬性结构面，不能按照传统连续介质 原理进行处理 68 清华大学研究生课程灾害学 接触面的接触摩擦行为服从库仑定律 安全系数 ϕστtgc 0≥σ ϕ ϕ tg tg c c Fs 69 清华大学研究生课程灾害学 折线型滑动面边坡稳定分析算 70 清华大学研究生课程灾害学 不同方法求得的稳定安全系数 0ϕ 30ϕ 10ϕ 45ϕ 45ϕ 有限元强度折 减法 Spencer法 C160kPa,1.000.99 C160kPa,2.112.11 C320kPa,2.332.33 C160kPa,2.091.98 C03.082.94 71 清华大学研究生课程灾害学 具有一组平行节理面的岩质边坡算例 计算方法安全系数 有限元法（外接圆屈服准则）1.26 有限元法（等面积圆屈服准则）1.03 极限平衡方法解析解1.06 极限平衡方法Spencer1.06 72 清华大学研究生课程灾害学 具有两组平行节理面的岩质边坡算例 计算方法安全系数 有限元法（外接圆屈服准则）1.62 有限元法（等面积圆屈服准则）1.33 极限平衡方法Spencer1.36 1313 73 清华大学研究生课程灾害学 深路堑高边坡算例 碎石土 强风化晶屑凝灰岩 堆土 弱风化晶屑凝灰岩 74 清华大学研究生课程灾害学 原设计开挖断面 75 清华大学研究生课程灾害学 修改设计后开挖断面及加固措施 76 清华大学研究生课程灾害学 不同工况下的稳定安全系数 2.45按照修改设计开挖（加锚索） 1.06按照修改设计开挖（未加锚索） 0.92按照原设计开挖 1.31未开挖前 稳定安全系数 77 清华大学研究生课程灾害学 按照原设计开挖后的滑动面 滑动面 78 清华大学研究生课程灾害学 按修改设计进行开挖没有支护情况下的滑动面 1414 79 清华大学研究生课程灾害学 不加锚杆时的塑性区加锚杆时的塑性区 80 清华大学研究生课程灾害学 有限元法较传统的方法有如下优点 能够对具有复杂地貌、地质的边坡进行 计算; 考虑了土体的非线性弹塑性本构关系， 以及变形对应力的影响； 能够模拟土坡的失稳过程及其滑移面形 状。由图可见滑移面大致在水平位移突 变的地方，也是在塑性区塑性发展最充 分的地方，呈条带状； 81 清华大学研究生课程灾害学 有限元法较传统的方法有如下优点 能够模拟土体与支护的共同作用，为无 锚杆（锚杆单元被杀死）时边坡稳定安 全系数为1.1，有锚杆支护时安全系数为 1.5，且塑性区后移。 求解安全系数时，可以不需要假定滑移 面的形状，也无需进行条分。 82 清华大学研究生课程灾害学 滑坡的防治措施 选址尽量避开易滑坡的区域 在难以避免的情况下 直接整治滑坡，避免滑坡发生 采取工程技术措施，避免滑坡是造成严重危 害 83 清华大学研究生课程灾害学 滑坡整治原则 以防为主，尽量避开 尽量避开滑坡，尽量减少诱发滑坡的不利因素 区别情况，综合整治 深入研究滑坡发生的原因和周边条件 彻底根治，以绝后患 避免重复出现，长远规划，连续整治 84 清华大学研究生课程灾害学 滑坡整治的途径 终止或减轻诱发滑坡的外部条件 截流排水，卸荷减载，坡面防护 改善边坡内部力学特性和物质结构 土质改善，注水泥浆 设置抗滑工程直接阻止滑坡的发展 抗滑桩，挡土墙，预应力锚固 1515 85 清华大学研究生课程灾害学 具体工程防治措施 截流排水 滑坡体外的水避免进入滑坡体，滑坡体内的水要尽 量排出 外围截水沟，在滑坡体周边外侧开挖引水沟避免地 表水进入滑坡体 内部排水沟，在滑坡体内部开挖排水沟使水能够尽 快流出滑坡体 坡面夯实防渗，让地表水能够尽快流走，避免渗入 滑坡体 排水孔和盲沟 86 清华大学研究生课程灾害学 具体工程防护措施 削坡减荷 降低滑坡体的下滑力 减小滑坡体坡度 削去滑坡体后缘的土体 增加滑坡体前缘的重量 87 清华大学研究生课程灾害学 具体工程防护措施 边坡防护 岩石边坡防护 抹面、喷浆、喷混凝土、片石护墙、锚杆喷 浆护坡、挂网喷浆护坡 避免边坡滑落和冲刷 88 清华大学研究生课程灾害学 具体工程防护措施 边坡防护 土质边坡防护 种草，降低水对边坡的冲刷，提高边坡土体 的抗剪强度 砌片石框架或锚杆护坡 土工织物 89 清华大学研究生课程灾害学 具体工程防护措施 江河湖海和水库边坡 边坡经常受到冲刷，以及水位变化的影响， 非常容易发生滑坡 凹岸必防 当冲必防 软岸必防 凡有局部冲刷的地方 90 清华大学研究生课程灾害学 具体工程防护措施 抗滑工程 支撑滑坡体，阻止滑坡体在重力下发生滑动 挡土墙，借助自身重量来阻挡滑坡，适用于小型滑 坡 抗滑桩，穿过滑坡面使得滑坡体和滑坡面以下稳定 土体形成整体，可以用于固定巨型滑坡 锚杆，提高滑坡面的正应力，进而提高其抗剪强度 支撑，防止陡峭山坡的破坏和滑动 1616 91 清华大学研究生课程灾害学 具体工程防护措施 土质改良 增加土体强度，防止土体破坏 添加材料改变岩土成分 其他改变方法 直接拌合（沥青，水泥，石灰等） 灌浆法 92 清华大学研究生课程灾害学 具体工程防护措施 防御避绕 避开滑坡，施工防护结构 明硐和御塌棚 内移做隧和外移做桥 93 清华大学研究生课程灾害学 挡挡挡挡, , , , 排排排排, , , , 削削削削, , , , 护护护护, , , , 绕绕绕绕 94 清华大学研究生课程灾害学 治理边坡照片 95 清华大学研究生课程灾害学 治理边坡照片 96 清华大学研究生课程灾害学 治理边坡照片 1717 97 清华大学研究生课程灾害学 治理边坡照片 98 清华大学研究生课程灾害学 滑坡的监测与预报 滑坡的动态监测 滑坡位移观测 监测坡体的水平位移和累积位移，掌握滑坡体变 形情况 滑坡水文观测 监测滑坡体地下水位是否有明显变化 99 清华大学研究生课程灾害学 重要的异常现象 地下水位异常活动 坡体出现裂缝 岩石开裂和挤压声响 滑坡体周围土体出现坍塌和松弛 位移明显加速 滑坡后缘裂缝急剧张开
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