堆积层滑坡水动力与位移耦合评价参数及预测方法研究——以三峡库区典型堆积层滑坡为例

摘要

滑坡的稳定性评价与预测是滑坡防治的核心内容和前提条件，也是滑坡研究领域的热点和难点问题。自斋藤模型提出以来，众多学者对滑坡的稳定性评价与预测研究取得了丰硕的成果和长足的进步，然而从现有的滑坡预测方法和模型看，应该承认不论是基于经验统计的方法，还是基于极限平衡的力学分析方法，都存在相应的不足和限制。堆积层滑坡作为一种复杂的非线性系统，其变形演化规律复杂，传统的滑坡评价及预测方法对其稳定性都很难达到有效地预测与防治的目的，急需提出和建立一种更适合当前认识水平和应用实践的滑坡稳定性评价与预测方法，以满足滑坡预防与整治的需要。
　　针对上述问题，论文在分析堆积层滑坡基本特征及其稳定性评价与预测方法的基础上，从滑坡的复杂性和系统性入手，以水作为堆积层滑坡的变形破坏动力因素，提出了基于动力与位移耦合的卸加载响应比（Unload-Load Response Ratio，ULRR）滑坡稳定性评价参数与预测方法。在对卸加载响应比的内涵及其用于滑坡稳定性评价与预测的可行性系统分析基础上，提出了基于水动力变化的卸加载响应比模型。通过数值模拟分析库水、降雨和地下水对滑坡的卸加载效应，建立相应的卸加载响应比数值分析模型，确定了滑坡在不同阶段相应的卸加载响应比和稳定性系数，发现卸加载响应比与滑坡稳定性系数二者的变化趋势基本一致，说明卸加载响应比同稳定性系数一样，可以有效反映滑坡的稳定状态。并以此为基础，运用损伤力学的基本原理，建立了卸加载响应比与边坡安全系数的定量化关系，结合相关工勘设计规范，确立了基于卸加载响应比的稳定性划分标准，提出卸加载响应比是一种基于损伤力学和可靠度的新的边坡稳定性系数。并通过新滩滑坡稳定性演化规律的分析，发现运用实际监测数据计算所得的卸加载响应比与该滑坡实际稳定性状况相吻合，表明卸加载响应比在水诱发滑坡稳定性的评价和预测中具有一定的有效性与可行性。本论文取得成果和结论如下:
　　(1)对堆积层滑坡形成的地质条件、基本物质组成、动力学变形机制及变形特征等方面进行了系统研究，认为堆积层滑坡常发育于濒水斜坡或前缘较开阔的山坡，其坡体由次生残积物、崩积物、坡积物以及冲洪积与崩坡积物混杂堆积而成。其坡体的特殊物质构成和结构决定了该类滑坡总体位移变形应该是整体滑移变形、塑性变形、压缩变形和蠕变位移变形等各种变形的综合反映，而且水将成为其变形与失滑的主要动因。
　　(2)论证并确定了复杂性理论对滑坡稳定性评价与预测的方法论启示。滑坡具有复杂性，滑坡的复杂性问题需要复杂性理论来解决。以系统论、控制论和信息论为代表的“老三论”和以耗散结构理论、协同学和突变理论等为代表的“新三论”为滑坡的稳定性评价与预测方法的探寻提供了崭新的方法论启示。基于复杂性理论基本原理，将系统论与非线性动力学理论有机整合在一起，用以分析滑坡这种复杂性开放系统的性质和演化运动的机制与规律，进而探索滑坡稳定性的评价与预测方法。
　　(3)提出了适合堆积层滑坡稳定性的卸加载响应比预测参数与评价方法。从黑箱方法入手，应用突变理论和耗散结构理论分析滑坡在与外界环境进行物质和能量交换过程中结构变化过程，通过将耗散结构理论与损伤力学方法相结合的研究方法，从能量耗散过程中耗散能和本构能的关系角度定义损伤变量，并将这种损伤变量转换为应力应变变化值对比关系表示的方式，用以描述和表达滑坡坡体的损伤程度与卸加载响应比，在滑坡稳定性评价与预测中具有科学性、合理性和可用性。
　　(4)阐述了卸加载响应比的内涵，论述了水对堆积层滑坡的动力作用，建立了基于水动力（降雨、库水、地下水）的各类卸加载响应比评价模型，提出用于分析堆积层滑坡失稳的初步判据:当Y'＜(Y')-σ且Y'→0时，边坡将会失稳。并通过实例验证卸加载响应比用于滑坡稳定性评价具有准确性和可行性。
　　(5)提出了基于k/v比值的库岸涉水滑坡分类方法。采用影响渗流场变化的两个最为关键而又相互对立统一的要素:坡体渗透系数k和库水升降速率v，将库岸涉水滑坡分为k/v＞1和k/v＜1两个大类，这是一种随水环境条件变化而变化的动态分类方法，以满足和适应基于力学机理进行滑坡稳定性评价与预测的需要。
　　(6)通过数值模拟，分析了库水、降雨、地下水变化对堆积层滑坡的卸加载效应，并计算了各自相应的卸加载响应比和滑坡的稳定性系数，结果表明卸加载响应比与稳定性系数时序变化趋势与规律基本一致，即卸加载响应比值降低时，边坡的稳定性系数也处于减小状态，而卸加载响应比值升高时，边坡的稳定性系数同样增大。表明卸加载响应比能够较好地反映边坡的稳定性变化状态，进一步验证了用其进行边坡稳定性的评价与预测是有效和可行的。
　　(7)建立了卸加载响应比与安全系数的定量关系。基于损伤力学的视角，认为滑坡的孕育过程就是滑坡岩土体的损伤演化过程，并推导出了卸加载响应比与损伤变量之间的函数关系:Y'=1-D，表明卸加载响应比能够在宏观上定量地体现滑坡坡体的损伤演化过程。损伤变量D描述的是坡体损伤的程度，而卸加载响应比Y'体现的是坡体剩余的稳定强度。通过定义滑坡稳定性系数为极限损伤与当前损伤之比，建立了卸加载响应比与稳定性系数的定量关系:Y'=1-1/Fs。
　　(8)结合滑坡防治的工程勘察和设计规范以及相关的研究文献，提出了基于卸加载响应比的滑坡稳定状态划分标准，用以对滑坡的稳定性进行评价与预测。当Y'=0时，滑坡失稳;当0＜Y'＜0.05时，滑坡欠稳定或临界稳定;当0.05≤Y'＜0.13时，滑坡基本稳定或暂时稳定;当Y'≥0.13时，滑坡处于稳定状态。因此，卸加载响应比不仅可以作为滑坡失稳的判据，而且还能对滑坡稳定状态进行定量化准确评价。通过对新滩滑坡卸加载响应比的计算，发现所得数值及其对应的滑坡稳定状态与滑坡实际变化情况三者相吻合，说明卸加载响应比在滑坡防治工程的优化设计中同样具有一定的理论意义和实际应用价值。
　　研究表明，卸加载响应比作为一种位移动力学方法，既考虑了滑坡系统的外部特征变化—卸加载响应（位移、位移速率、位移加速度等），又考虑了导致这些响应的卸加载动力因素（降雨量、库水、地下水变化），从因果关系和系统输入-输出角度，体现着滑坡的变形机理和变形过程。不仅可以作为滑坡失稳的判据对滑坡进行预测预报，而且还可以定量评价滑坡的稳定状态，在实际应用中方便可行，为滑坡的稳定性评价与预测开辟了一条新的思路和方法。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题来源及研究意义

1．1．1 课题来源

1．1．2 选题依据及研究意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 水对滑坡的影响研究现状

1．2．2 滑坡变形破坏机理研究现状

1．2．3 滑坡的预测预报理论与方法研究现状

1．3 研究内容与研究思路

1．3．1 主要研究内容

1．3．2 研究方案与技术路线

1．4 论文的创新之处

第2章 三峡库区堆积层滑坡基本特征及地质环境分析

2．1 堆积层滑坡形成的地质条件

2．2 堆积层滑坡的基本物质组成及特征

2．2．1 堆积层滑坡坡体的组成与特征

2．2．2 堆积层滑坡的形态特征

2．2．3 堆积层滑坡的动力学特征

2．3 三峡库区堆积层滑坡的分布

2．3．1 三峡库区的范围

2．3．2 三峡库区堆积层滑坡分布特征

2．4 三峡库区工程地质环境

2．4．1 三峡库区地理概况

2．4．2 库区气象条件

2．4．3 地质构造及地形地貌条件

2．5 三峡库区水库运行情况

2．6 本章小结

第3章 基于动力与位移耦合的滑坡稳定性评价及预测方法的提出

3．1 滑坡的复杂性分析

3．2 解决复杂性问题的基本理论

3．2．1 系统论、控制论和信息论

3．2．2 耗散结构理论、突变理论和协同学

3．3 现有的滑坡稳定性评价与预测方法分析

3．3．1 现有滑坡预测方法的基本分类

3．3．2 现有滑坡预测方法的评析及启示

3．4 复杂性理论对滑坡预测的方法论启示

3．4．1 影响滑坡预测方法有效性的原因分析

3．4．2 复杂性理论对滑坡预测的方法论启示

3．5 滑坡动力与位移耦合预测方法的探索与提出

3．5．1 黑箱理论和方法

3．5．2 突变理论和模型分析

3．5．3 耗散结构理论与损伤力学方法

3．6 本章小结

第4章 水诱发堆积层滑坡卸加载响应比模型及其应用研究

4．1 卸加载响应比建模理论依据及其预测作用与意义

4．1．1 卸加载响应比建模理论依据分析

4．1．2 卸加载响应比方法用于滑坡预测的可行性分析

4．1．3 卸加载响应比与加卸载响应比的比较及预测意义

4．2 堆积层滑坡稳定性影响因素及水动力作用规律分析

4．2．1 堆积层滑坡稳定性影响因素

4．2．2 水对堆积层滑坡的动力作用和影响规律分析

4．3 卸加载响应比参数变量的选择与模型的建立

4．3．1 卸加载响应比参数变量的选择

4．3．2 卸加载响应比模型的建立

4．3．3 卸加载响应比模型的适用性分析

4．3．4 卸加载响应比的滑坡失稳判据

4．4 卸加载响应比在堆积层滑坡稳定性评价与预测中的应用

4．5 本章小结

第5章 降雨及地下水卸加载响应比与滑坡稳定性关系数值模拟分析

5．1 降雨卸加载响应比与滑坡稳定性关系数值模拟分析

5．1．1 降雨卸加载效应的数值模拟分析

5．1．2 降雨卸加载响应比与滑坡稳定性系数关系的数值模拟分析

5．2 地下水卸加载响应比与滑坡稳定性关系数值模拟分析

5．2．1 滑坡地下水极限平衡模型及其稳定性分析

5．2．2 地下水对滑坡的卸加载效应的数值模拟分析

5．2．3 地下水卸加载响应比与滑坡稳定性系数关系的数值模拟分析

5．3 本章小结

第6章 库水位卸加载响应比与堆积层滑坡稳定性关系数值模拟分析

6．1 基于k／v比值的库岸涉水滑坡分类

6．1．1 已有滑坡分类概述

6．1．2 选择k／v作为涉水滑坡分类指标的依据

6．1．3 基于k／v比值的库岸涉水滑坡分类

6．1．4 基于k／v比值的库岸涉水滑坡分类的理论意义

6．2 库水位卸加载响应比与堆积层滑坡稳定性关系数值模拟分析

6．2．1 库水对堆积层滑坡的卸加载动力效应理论分析

6．2．2 堆积层滑坡的库水盔p／Jg载动力效应数值模拟分析

6．2．3 库水位卸加载响应比与滑坡稳定性关系的数值模拟分析

6．3 库水位卸加载响应比应用于滑坡稳定性分析的相关思考

6．4 本章小结

第7章 卸加载响应比的稳定性评价标准及其与传统稳定性系数的关系研究

7．1 基于损伤力学和破坏概率的卸加载响应比解析

7．1．1 损伤力学视角下对堆积层滑坡变形破坏的思考与理解

7．1．2 损伤变量与卸加载响应比的关系

7．1．3 基于损伤力学和破坏概率的卸加载响应比解析

7．2 卸加载响应比与边坡稳定性系数的关系

7．2．1 损伤变量与边坡稳定性系数的关系

7．2．2 卸加载响应比与边坡稳定性系数的关系

7．3 基于卸加载响应比的滑坡稳定性划分标准

7．4 卸加载响应比作为基于损伤力学和可靠度的边坡稳定性系数分析

7．4．1 传统的边坡安全系数内涵及其局限性

7．4．2 卸加载响应比是基于可靠性分析方法的安全度表达形式

7．4．3 卸加载响应比的应用方法及其优越性

7．5 本章小结

第8章 结论

8．1 主要结论

8．2 存在不足与研究展望

参考文献

攻读博士学位期间论文发表及科研情况

致谢