川氣東送管道湖北恩施滑坡段穩(wěn)定性分析

1、川氣東送管道湖北恩施滑坡段穩(wěn)定性分析摘要本課題川氣東送管道湖北恩施滑坡段穩(wěn)定性分析所研究對象是恩施滑坡 段，跟據(jù)獲得的地質(zhì)勘探資料，進(jìn)行變形監(jiān)測，并根據(jù)檢測信息進(jìn)行穩(wěn)定性分析， 進(jìn)而給出合理的治理方案。本文擬采用GEO Studio SLOPE軟件進(jìn)行二維邊坡分 析計(jì)算，采用Midas GTS NX進(jìn)行三維模型的建立以及分析計(jì)算。在三維模型中， 考慮管線的受力及影響，并對降水及自然環(huán)境條件下的不同情況產(chǎn)生的邊坡穩(wěn)定 性變化進(jìn)行記錄和比對，進(jìn)一步模擬破壞類型。最后給出綜合的治理方案。1預(yù)期目標(biāo)當(dāng)前形勢下，川氣東送管道湖北恩施滑坡段滑坡已經(jīng)產(chǎn)生，在既有管線穿越 不良地質(zhì)體的過程中，出現(xiàn)了天然破壞。

2、天然氣是一種易燃易爆的高危氣體，如 果不能妥善處置其下穿危險(xiǎn)邊坡，不僅會對管線連通區(qū)域的人民生產(chǎn)生活安全帶 來極大威脅，也會對川氣東送工程的起止段產(chǎn)生較大的影響，通過對邊坡實(shí)際工 程資料的分析整理，采用電算數(shù)值模擬的方法進(jìn)行計(jì)算和驗(yàn)算，得出當(dāng)前邊坡存 在的問題所在，并綜合分析管線在管土耦合作用下的受力情況及危險(xiǎn)破壞面。然 后，對于邊坡利用所學(xué)知識和經(jīng)驗(yàn)，提出整理意見，達(dá)到邊坡穩(wěn)定，使最終計(jì)算 得出的邊坡安全系數(shù)達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)。2研究方法本邊坡已經(jīng)發(fā)生了滑動，主要針對當(dāng)前滑移量給出安全性評估報(bào)告，并用數(shù) 值模擬軟件進(jìn)行分析，在危險(xiǎn)滑動面上給出治理建議和措施，并檢驗(yàn)治理后安全 系數(shù)。具體方法如下：根據(jù)監(jiān)

3、測資料，分析滑坡現(xiàn)狀，給出滑坡的危險(xiǎn)性評價(jià)；采用GEO Studio SLOPE軟件，依據(jù)極限平衡方法分別采用四種算法對滑 坡在自然狀態(tài)下、暴雨?duì)顟B(tài)下進(jìn)行安全系數(shù)計(jì)算，對計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析對比，給 出滑坡危險(xiǎn)性評價(jià)；采用Midas/GTS軟件，依據(jù)強(qiáng)度折減方法，算出滑坡的塑性區(qū)分布情況 和滑坡在自然狀態(tài)下和暴雨?duì)顟B(tài)下的安全系數(shù)，并依據(jù)軟件結(jié)果，輸出應(yīng)力應(yīng)變 云圖；采用Midas/GTS軟件，對管線進(jìn)行析取分析，分析管線的受力及管土耦 合作用情況；對比計(jì)算結(jié)果，對滑坡目前狀況進(jìn)行評價(jià)，并給出合理的建議和措施；用Midas/GTS軟件計(jì)算治理后的安全系數(shù)。3研究進(jìn)度安排及可行性分析3.1研究進(jìn)度安排

4、1、資料調(diào)研，閱讀國內(nèi)外期刊及文獻(xiàn)，撰寫畢業(yè)論文選題報(bào)告；2、學(xué)習(xí) 了解計(jì)算分析軟件 FLAC3D、GEO Studio 2012、Midas/GTS、AutoCAD 等的使用；3、根據(jù)地質(zhì)勘測資料，對本文所涉及的滑坡體進(jìn)行計(jì)算分析；4、根據(jù)分析結(jié)果，撰寫設(shè)計(jì)說明書，并繪制相應(yīng)圖紙；5、畢業(yè)論文交由導(dǎo)師審閱、答辯；3.2可行性分析GeoStudio是一套專業(yè)、高效而且功能強(qiáng)大的適用于地質(zhì)工程和地質(zhì)環(huán)境模 擬計(jì)算的仿真軟件。其中的模塊之一 SLOPE/W (邊坡穩(wěn)定性分析軟件)是全球巖 土工程界首選的穩(wěn)定性分析軟件，包括在穩(wěn)定性分析中使用有限元計(jì)算孔隙水壓 力和應(yīng)力,本文主要采用GeoStudi

5、o軟件進(jìn)行二維的邊坡分析，主要原因在于其 在二維邊坡分析過程中具有分析方法全面，建模簡單的特點(diǎn)。FLAC3D軟件則是 建立在拉格朗日算法的基礎(chǔ)上，采用有限差分顯示算法來獲得模型全部運(yùn)動方程 （包括內(nèi)變量）的時(shí)間步長解，從而可以追蹤材料的漸進(jìn)破壞。采用這兩種方法 的邊坡穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果做對比，可以得出何種方法更適用于降水導(dǎo)致危險(xiǎn)邊坡的 計(jì)算和穩(wěn)定性分析。4工程概況4.1滑坡現(xiàn)狀川氣東送管道EES244-1段滑坡位于湖北省恩施州崔家壩鎮(zhèn)馬家坡。2016年 7月26日，川氣東送管道分公司管道保護(hù)部鄂西管理處在沿線地質(zhì)災(zāi)害排查過 程中，發(fā)現(xiàn)EES244-1樁管道上方出現(xiàn)大量的地面裂縫和沉降、錯動，管道下

6、方 民房的墻角開裂、地面沉降，輸氣管道的運(yùn)營安全受到直接威脅。目前該滑坡體已發(fā)育完全，屬于高危等級小型滑坡。經(jīng)過現(xiàn)場踏勘，發(fā)現(xiàn)滑 坡中后段地面產(chǎn)生大量的弧形拉張裂縫（長2-25米，寬0.1-0.4m），東、西兩 側(cè)緣剪切裂縫密布，最長約40m，下方地面沉降0.01-0.40m；前緣房后擋墻左側(cè) 產(chǎn)生剪切裂縫，將擋墻切斷，裂縫寬約2mm；管道南邊民房，北東角墻體產(chǎn)生貫 通沉降裂縫，最寬約80mm，地面沉降約20mm；民房后堡坎有一組平行的水平剪 切縫，水平位移約2mm；前緣東、西擋墻分別形成一組對應(yīng)的倒“八”形剪切縫。 根據(jù)上述破壞特征，初步判斷該滑坡為小型牽引式中淺層土質(zhì)滑坡，滑坡的形態(tài) 平面

7、呈簸箕形，東西橫寬約60m，南北縱長約150m，平面面積約5800皿。4.2滑坡體水文地質(zhì)特征大氣降雨滲透、居民用水排放、滑坡體平臺上田地農(nóng)用水的漏滲及山體側(cè)向 補(bǔ)給，是滑坡體地下水三大補(bǔ)給源。而分布于溝谷中的第四系沖洪積礫、卵石則 具有較好的透、含水能力，地下水與地表水聯(lián)系密切。分布于北側(cè)山坡上的第四 系坡積層，由于厚度薄、分布不連續(xù)等特征，且山高坡陡，無儲水構(gòu)造，往往不 含水。于南側(cè)山體上的第四系坡積層，分布較廣、厚度較大，透水性好，局部具 有一定的儲水能力，可形成穩(wěn)定連續(xù)的潛水位面，其地下水嚴(yán)格受降雨影響和控 制。地下水類型淺部主要以溶隙水、裂隙水為主，深部多形成巖溶管道水?；瑤?土由滑

8、坡滑動過程強(qiáng)烈擠壓、錯動、揉搓、碾磨等作用生成，顆粒組成相對較細(xì)、 結(jié)構(gòu)較密實(shí)而成為隔水層。5基于Midas/GTS的強(qiáng)度折減法滑坡穩(wěn)定性分析Midas/GTS是針對巖土工程而開發(fā)的有限元軟件，此軟件具有簡潔的界面、 前后處理功能強(qiáng)大的巖土材料模型庫，因而能滿足大部分巖土體的破壞模式。用 該軟件對建筑物地基基礎(chǔ)進(jìn)行數(shù)值模擬，比較接近真實(shí)情況，且計(jì)算結(jié)果相對安 全。GTS模塊是包含施工階段的應(yīng)力分析和滲透分析等巖土和隧道所需要的幾乎 所有分析功能的通用分析軟件，具有快速準(zhǔn)確的有限元求解器、CAD水準(zhǔn)的多維 幾何建模功能、自動劃分網(wǎng)格、映射網(wǎng)格等高級網(wǎng)格劃分功能、方便快速的隧道 建模助手、大模型的

9、快速顯示和最優(yōu)的圖形處理功能，并使用最新圖形技術(shù)變現(xiàn) 分析結(jié)果、計(jì)算輸出功能.Midas/GTS中提供的分析功能有靜力分析、施工階段 分析、滲流分析、滲流-應(yīng)力耦合分析、固結(jié)分析、動力分析等。Midas/GTS軟件概述Midas/GTS的基本介紹Midas/GTS是由韓國MIDAS IT公司開發(fā)研制的，將通用的有限元分析與巖土 專業(yè)有機(jī)結(jié)合而開發(fā)的，以其中文界面、CAD風(fēng)格建模、高效的前后處理以及與 其他軟件相互轉(zhuǎn)換為廣大巖土工程專業(yè)人士所熟知，可應(yīng)用于巖土工程的施工階 段、滲流分析、固結(jié)分析、邊坡穩(wěn)定分析、動力分析以及襯砌、錨桿的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 與分析等。Midas/GTS軟件的本構(gòu)模型Midas

10、/GTS中提供了十種巖土模型，分別是橫觀同性線推廣和彈性(Transversely Isotropic Linear-Elastic)、線彈性模型(Linear-Elastic)、 彈塑性認(rèn)同感和模型、應(yīng)變一軟化(Strain-Softtening)模型、非線性彈性雙 曲線模型、劍橋(Cam-clay)模型、節(jié)理高耗能巖(Jointed Rock)模型、修正 的劍橋模型(Modified Cam-clay)、修正的莫爾一庫侖模型等，我們解決不同 的巖土問題就使用不同的本構(gòu)模型。本文使用的是彈塑性模型中的莫爾一庫侖準(zhǔn)則，屬于彈性一完全塑性的本構(gòu) 關(guān)系，它的典型的應(yīng)力一應(yīng)變曲線如圖所示，即應(yīng)力達(dá)到

11、屈服點(diǎn)之前與應(yīng)變成正 比關(guān)系，而超過屈服點(diǎn)推廣和之后應(yīng)力一應(yīng)變關(guān)系將為水平線。其中，彈性一完 全塑性本構(gòu)模型如圖6-2所示。根據(jù)莫爾原理，對于土體破壞可以用下列公式表達(dá)：t =f(6)由此可以看出，任意平面上的極限剪應(yīng)力只與同平面上的正應(yīng)力有關(guān)系，與 其他因素?zé)o關(guān)。該公式表達(dá)的是莫爾圓的破壞包絡(luò)線，而破壞包絡(luò)線可通過實(shí)驗(yàn) 得到，根據(jù)莫爾原理：變形破壞發(fā)生的時(shí)期為最大的莫爾圓和破壞發(fā)的方法包絡(luò) 線相切時(shí)，由此可以判定巖土坡的破壞。當(dāng)然，最簡單的莫爾破壞包絡(luò)線一般是直線，方程為：t =c+6 tan中式中：c、中二材料的強(qiáng)度指標(biāo)將莫爾庫侖用主應(yīng)力(6 1N6 2N6 3)表達(dá)可得：將上式用應(yīng)力不變

12、量J1、J2及。0表達(dá)如下：fJ1,J2, 0 0=-13I1sin中 +J2sin0 0+n 3-13J2cos0 0+n 3sin中-ccos中=-I1sin中 +31+sin中 sin0 0+33-sin中 cos0 02J2-3ccos中=0用不變量&，p及0 0表達(dá)如下：fg , p , 0 0=-2g sin中 +3p sin0 0+n 3+p cos0 0+n 3sin中-6ccos中=-6g sin中 +31+sin中 sin0 0+33-sin中 cos0 02p -32ccos中=0莫爾一庫侖準(zhǔn)則在的主應(yīng)力空間上表現(xiàn)為不規(guī)則的六角天錐形，子午線是直 線，n平面(6 1+6

13、1+6 1=0)上的屈服和曲線呈不規(guī)則的六邊形。由于該準(zhǔn)則 在使用的約束壓力范圍之內(nèi)極具認(rèn)同感和較高的準(zhǔn)確性，且使用簡單，因此，該 方法在巖土分析中得到廣泛的應(yīng)用。Midas/GTS軟件中地方公共邊坡穩(wěn)定性分析SRM法的基本原理是有限元強(qiáng)度 折減法，具體是將土體的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)粘聚力c和內(nèi)摩擦角中除以一個折減高耗 能系數(shù)Fs，從而可以得到新的強(qiáng)度指標(biāo)c和中，再用新的強(qiáng)度指標(biāo)進(jìn)行試算， 并且不斷地重復(fù)以上步驟進(jìn)行計(jì)算，直到滑坡達(dá)到極限平衡狀態(tài)為止，這時(shí)得到 的Fs就是滑坡的穩(wěn)定性系數(shù)。在理論體系上有限元強(qiáng)度折減法比極限平衡法更為嚴(yán)格，它充分考慮了邊坡 巖土體的非均質(zhì)性和不連續(xù)的特性，可以近似地從巖

14、土體的第三色溫本構(gòu)關(guān)系去 分析滑坡的變形和破壞機(jī)理，從而使計(jì)算完全滿足應(yīng)變相容、靜力許可以及土體 的非線性應(yīng)力應(yīng)變個方法關(guān)系。相比傳統(tǒng)極限平衡法而言，有限元折減法分析邊 坡的穩(wěn)定性的優(yōu)點(diǎn)有如下幾個方面：（1）求解穩(wěn)定性系數(shù)可以不假設(shè)滑動面的具體形狀及位置，更無需進(jìn)行條 分，可以通過程序自動得到滑移面，滑動破壞一般自然地發(fā)生在巖土體的剪切帶 或者塑性應(yīng)變和位移發(fā)生突變的位置。（2）可以模擬得到土體與各種支檔結(jié)構(gòu)共同作用的結(jié)果，能根據(jù)巖土介質(zhì) 和支檔結(jié)構(gòu)的共得到的同作用來計(jì)算獲得各種支檔的內(nèi)力。（3）能夠計(jì)算出在各種支檔結(jié)構(gòu)作用下邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)。（4）數(shù)值模擬分析方法能夠應(yīng)對具有復(fù)雜地貌、地質(zhì)情

15、況的邊坡，不受材 料不均勻性、邊坡幾何形狀及邊界條件的制約。（5）可以模擬邊坡的整個破壞過程，并可以獲得位移、應(yīng)力及應(yīng)變等全部 模擬結(jié)果。6.2西氣東輸管線EES-224段滑坡穩(wěn)定性數(shù)值模擬6.2.1模型的建立及參數(shù)的選取根據(jù)地質(zhì)勘探資料可知，由于該巖質(zhì)邊坡地質(zhì)條件很復(fù)雜，巖層分界、斷層、 軟弱結(jié)構(gòu)面交錯，給三維建模帶來一定的難度，運(yùn)用Midas/GTS對邊坡的地質(zhì)體 及結(jié)構(gòu)進(jìn)行幾何建模和網(wǎng)格劃分，重點(diǎn)劃分坡體的地表地形、巖體結(jié)構(gòu)節(jié)理分層、 斷層、軟弱結(jié)構(gòu)面、破碎帶等復(fù)雜地質(zhì)界面網(wǎng)格，使之更接近實(shí)際模擬邊坡整體 的三維幾何形態(tài)和空間分布情況，可以更真實(shí)地模擬實(shí)際邊坡巖土體之間的三維 受力狀態(tài)和

16、反映邊坡的實(shí)際形態(tài)，其計(jì)算結(jié)果更符合實(shí)際，再運(yùn)用有限元方法計(jì) 算邊坡穩(wěn)定性，具體三維建模具體過程如下：（1）邊坡坡體的三維地表地形生成。運(yùn)用Midas GTS軟件中的地形生成器功 能模塊（TGM），導(dǎo)入CAD中轉(zhuǎn)存為DXF格式的線段集（具有真實(shí)標(biāo)高的等高線，）， 采樣點(diǎn)要盡可能多，因?yàn)椴蓸狱c(diǎn)越多，生成的地形地表越接近真實(shí)情況，然后生 成邊坡復(fù)雜的地形地表曲面。（2）利用生成地形地表曲面進(jìn)行分割實(shí)體，得到邊坡實(shí)體模型，要保證實(shí)體 模型邊界的平整。在實(shí)體模型基礎(chǔ)上，根據(jù)邊坡巖體分層的三維坐標(biāo)點(diǎn)、空間分 布、斷層的走向、傾角、軟弱結(jié)構(gòu)面的空間位置等，生成三維曲面進(jìn)行分割實(shí)體 模型，劃分出碎（塊）石土

17、層、軟弱帶、強(qiáng)風(fēng)化粉質(zhì)泥沙巖層、中風(fēng)化粉質(zhì)泥沙 巖層四個底層，并依據(jù)所獲得的鉆孔信息，以及勘探得到的地層數(shù)據(jù)信息，輸入 地層參數(shù)。（3）對實(shí)體模型進(jìn)行劃分實(shí)體網(wǎng)格。劃分為四面體網(wǎng)格，劃分網(wǎng)格尺寸越小， 計(jì)算精度就越高，但計(jì)算所花的時(shí)間也就越長，對于一些重要的關(guān)鍵部位，如斷 層、軟弱結(jié)構(gòu)面，坡腳部位等，應(yīng)劃分細(xì)密一點(diǎn)的網(wǎng)格，以保證其計(jì)算精度。在 本項(xiàng)目進(jìn)行網(wǎng)格劃分的時(shí)候，為了提高網(wǎng)格劃分的精度，對影響模擬結(jié)果的關(guān)鍵 部位（滑帶）進(jìn)行局部加密，將網(wǎng)格單元長度設(shè)定為1，其他地方劃分稀疏一些， 網(wǎng)格單元長度設(shè)定為4,從密集到稀疏要有一個平緩的過渡，采取按單位梯度進(jìn) 行網(wǎng)格劃分，避免單元大小的急劇變化，從而在保證計(jì)算高精度的情況下盡量節(jié) 約時(shí)間。6.2.2模擬結(jié)果及分析在前處理進(jìn)行完畢之后，運(yùn)行Midas/GTS軟件，進(jìn)行對模型的分析，得到滑 坡的穩(wěn)定性系數(shù)、X/Y/Z方向位移云圖，應(yīng)變及應(yīng)力云圖等。之后利用圖形分析 邊坡的位移、應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系以及如何發(fā)生破壞。通過軟件的分析運(yùn)行，得到的結(jié)果如下若干圖所示位移分析圖6-1總位移云圖圖6-2 X方向位移云圖圖6-3 Y方向位移云圖圖6-4 Z方向位移云圖由于本設(shè)計(jì)考慮了管線在地層中穿行的因素，在各方向位移的示意圖當(dāng)中， 也能很明顯的表現(xiàn)出來。網(wǎng)格受力圖6