基于渗流场和应力场耦合作用的岸坡稳定性分析

摘要

库岸滑坡问题是水库蓄水诱发的灾害之一，随着大型水利工程的兴建，岸坡险情分布范围扩大，岸坡在水位变动下的稳定问题越来越受到学术界和工程界关注。目前，许多岸坡的研究工作中，渗流分析和应力分析是分开单独计算的，但是只要有水的地方，应力场和渗流场就会相互影响、相互作用，处于一种复杂的动态变化过程中，构成了流固耦合关系。本文在总结前人研究成果的基础上，基于极限平衡理论和渗流场-应力场耦合理论对一水库近坝区的一实际古滑坡进行了稳定性分析。首先采用极限平衡法进行稳定分析，然后基于渗流场-应力场耦合理论建立数学模型并求得其有限元解，通过对各种工况下的岸坡稳定进行基于耦合理论的数值分析，研究水位变动下岸坡的稳定状态，并根据分析结果提出了加固方案。计算结果表明，加固后的边坡可以应对各种设计工况，满足稳定要求。论文主要研究内容与成果如下：
　　（1）水库第一次蓄水条件下岸坡稳定性预测。水库蓄水会提高滑坡体内的地下水位，改变原有的渗流场，随着渗流区域增大，沿渗流方向的动水压力将增大岸坡的下滑力，又因为岸坡坡脚被淹没，水下土体抗剪强度衰减，岸坡的抗滑力将被削减，使得岸坡前缘存在滑动危险。本文分析结果显示，岸坡前缘在水位上升过程中产生了趋向水库方向的较大位移，形成明显的滑动区域，坡体前缘局部失稳。边坡整体安全系数也随水位上升明显下降到低于规范要求。根据计算结果，可知岸坡在水库第一次蓄水过程中将处于不稳定状态。
　　（2）坡脚滑动对岸坡稳定性的影响分析。分析表明，水位上升导致坡脚局部滑动后，岸坡原来的平衡状态被打破，应力场将重新分布，坡体中上部因失去坡脚土体的支撑可能沿着古滑动带产生下滑，存在复活的危险。本文分析结果揭示了水位上升过程中岸坡中部、下部古滑动带处剪切变形区域扩大，贯通坡脚，坡体有沿着古滑动带向水库方向滑动的趋势，岸坡整体安全系数因前缘坡脚失稳从1.759降至0.992。由此可知，若岸坡前缘失稳，中上部坡体失去支撑而沿古滑动带整体下滑，将形成牵引式滑坡。
　　（3）坡脚加固对岸坡稳定性的作用。为防止岸坡牵引式滑坡的形成，本文建立了对岸坡坡脚进行压重加固的数值分析模型，计算结果表明，无论是水库蓄水还是水位骤降，岸坡的位移量都明显减少，坡脚没有形成滑动区域，也没有局部滑动的趋势。虽然滑坡体沿古滑动带有局部、少量的剪切变形带，但对于坡体整体稳定、坡体前缘局部稳定都没有造成明显的不良影响。由此可知，坡脚加固的措施能够有效地增强坡脚材料的抗剪强度，提升坡脚抗滑力，从而遏制牵引式滑坡机制的形成，加固后岸坡处于稳定状态。
　　（4）基于变形监测的边坡预警系统研究。由于实测元件方面的制约，目前边坡监测的内容一般是针对监测点位移，很少有针对材料强度进行的监测，但是边坡稳定性的判别模型和方法一般是基于材料的强度，这就存在一个明显的不衔接。针对这一现状，本文从简单适用的原则出发，以现行规范推荐的极限平衡法为基础，初步建立了考虑强度-应变软化关系的边坡稳定预警系统。然后以一简单边坡为例给出了基于变形监测资料的稳定预警流程。在此基础上，本文进一步结合有限元技术对此预警系统的平台进行了扩充，使之可容纳更多如流固耦合的岩土专业研究成果，有望形成基于变形监测和强度-应变软化理论的预警系统，以便更适用于水库管理和边坡滑动防治。

目录

封面

声明

中文摘要

英文摘要

目录

1、绪论

1.1 选题依据及意义

1.2 国内外研究现状

1.3 研究内容及技术路径

2、基于极限平衡理论的岸坡稳定分析及预警

2.1工程概况

2.2计算方法、模型与参数

2.3稳定分析结果

2.4基于极限平衡法的岸坡预警

3、渗流场-应力场耦合理论

3.1基本理论

3.2 渗流场-应力场的直接耦合方法

3.3 渗流场-应力场间接耦合法

4、基于渗流场-应力场间接耦合法的岸坡稳定分析

4.1控制方程

4.2水库水位上升条件下岸坡稳定性分析

4.3坡脚滑动对岸坡整体稳定性的影响

4.4坡脚实施反压加固后岸坡稳定性分析

5、结论与展望

5.1结论

5.2展望

参考文献

在校期间科研成果清单

致谢