高填方边坡在强降雨条件下稳定性分析——以攀枝花机场为例

摘要

随着国家西部大开发的进行，越来越多的机场在山区修建，山区地形起伏变化大，高填方边坡稳定性是机场修建过程当中面临的一个重大安全性问题。而在降雨条件下的高填方边坡稳定性更加突出;因此研究高填方边坡在强降雨条件下的稳定性具有重大意义。研究高填方边坡稳定性常用有数值模拟、物理模拟。物理模拟中的室内离心模型实验在近年来发展较快，并且在工程领域用的越来越多，涉及到大坝、地下构筑物、岩土地基、兰挡墙、隧道以及各类边坡稳定性方面。室内离心实验能够用一个较小的模型结构在高加速度环境下，模拟出相对于模型几百倍大的实体，充分实现了应力场的重塑过程，把一些较为复杂而历时较久的物理机制在较短时间内通过离心加速实现。本文借助于成都理工大学国家重点实验室TLJ-500土工离心机对攀枝花机场一期滑坡进行模拟。此外通过Geostudio-2007软件中seep与slope模块对滑坡进行数值模拟。通过数值与物理模拟相结合，得出如下结论:
　　1.Geostudio-seep模拟降雨入渗，降雨过后，坡体表面瞬间达到饱和，雨水垂直坡面向内部缓慢入渗;随着降雨量与降雨次数增加，降雨入渗深入坡体内部，坡体整体含水量逐渐增大，内部含水量由外及里逐渐减小。
　　2.Geostudio-slope模块计算结果中显示，第一、二次降雨量分为60ml、120ml，降雨间隔为5天，对边坡的稳定性影响很小，因为降雨量小且入渗时间短，入渗深度不够;第二次降雨6天后进行第三、四次降雨，降雨量均为240ml，，模拟结果显示降雨对边坡影响较大，使边坡稳定性系数从1.09降至1.01，处于稳定零界状态，主要因为:①降雨量增加，入渗量增多含水量增大;②降雨入渗时间增加使得入渗深度加深;③受前两次降雨入渗影响使含水量与入渗深度增加。第四次降雨后12天进行第五次降雨，降雨量为300ml，受前四次降雨影响以及本次降雨量增加，对边坡稳定性影响也最大，稳定性系数从1.01降至0.85，滑坡发生。
　　3.离心模型从0g加速至120g时，相当于原型填筑高度从0.29m填筑至35m，坡体发生微小沉降变形;在120g匀速运行下，相当于原型填筑高度35m不变，匀速过程就是坡体发生自然沉降过程，根据离心模型含水率传感器监测数据表明，前四次人工降雨入渗深度不够，并未对坡体造成明显破坏性影响，加大了坡体沉降以及坡体向下蠕滑程度，坡边处土层发生蠕滑—沉降且较明显，据监测资料显示，最大沉降量近2cm，相当于原型沉降2.4m;坡脚前缘隆起相对明显（与攀枝花机场在长期降雨过程中前缘发生隆起变形相吻合），降雨同时对坡面造成一定冲刷。
　　4.在120g加速至150g并且伴随降雨，相当于原型填筑高度从35m填筑至45m且伴随降雨，由于填筑体增高，土压力增加，随着降雨量、历时、次数增加坡体含水量增高，土体被软化，抗剪强度降低，在147g时(原型高度为43.5m)坡体发生明显破坏变形，坡顶前缘明显开裂、下沉并滑移一段距离后停止（与攀枝花机场滑坡发生时，后缘拉裂坡体整体向前滑移吻合）;坡脚前缘隆起变形大，隆起最高厚度达5.9cm，相当于原型高度增高8.85m。上述表明:坡体坡坏机制为推移蠕滑模式，上部以推移拉裂为主，下部以蠕滑变形为主。
　　5.坡顶面从距后缘29cm处开始发生沉降，止于97cm处，中间沉降量最大，达6.5cm，相当于模型原型沉降9.75m，沉降趋势向两侧呈不规则波浪形减小;破顶面发育三大裂缝带，分别距后缘距离为40cm、60.9cm、80.9cm;裂缝带对应玻璃一侧正下方发育不连续裂缝。根据传感器监测数据及实验现象推理出5＃与①裂缝区之间存在一条贯通拉裂缝，向下发展至粉质粘土层形成破坏。这与攀枝花滑坡破坏特征相似，坡体后缘拉裂向下发展至粉质粘土层后在粉质粘土层形成滑带，坡体整体沿滑带向下滑动。
　　6.攀枝花机场一期滑坡是一个由降雨为诱发原因，以内部岩土体在后缘基岩裂隙水长期入渗情况下以及在填筑过程中降雨入渗对整个填筑体含水量增加的影响下，导致地下水长期侵泡、软化岩土体为根本原因发生的滑坡，破坏方式为推移—蠕滑式，坡项以推移滑动—拉裂为主，坡脚以以蠕滑—隆起变形为主。

目录

声明

摘要

第一章 前言

1．1 选题依据和意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 边坡稳定性分析方法及现状

1．2．2 非饱和土渗流分析方法及现状

1．2．3 降雨条件下边坡稳定性研究

1．3 主要研究内容及技术路线

第二章 工程地质条件

2．1 地形地貌

2．2 场区地质条件

2．2．1 斜坡地层岩性

2．2．2 填筑体斜坡特征

2．2．3 水文地质条件

2．2．4 滑体特征

2．3 离心试验模型选取

第三章 土工离心模型试验原理

3．1 土工离心模型试验的意义

3．2 离心模型试验相似理论

3．2．1 相似理论

3．2．2 各物理量的相似问题

3．2．3 相似关系

3．3 离心模型试验的比尺关系

3．4 离心力场特性

3．4．1 离心力场与重力场的区别

3．4．2 离心力场的特性

3．5 离心模型试验的误差分析

3．5．1 离心机启动和制动误差

3．5．2 边界效应问题

3．5．3 粒径效应与几何尺寸效应的问题

3．5．4 科氏加速度误差分析

3．5．5 采集系统引起的误差分析

第四章 高填方边坡离心模型设计与制取

4．1 试验目的

4．2 试验设备及参数

4．3 模型设计

4．3．1 模型尺寸

4．3．2 人工降雨设置

4．4 模型材料及配置

4．4．1 土样选择原理

4．4．2 填筑体物理性质参数及取值

4．4．3 滑带土物理性质参数及取值

4．5 传感器布设

4．5．1 孔压传感器布设

4．5．2 土压传感器布设

4．5．3 含水率传感器布设

4．5．4 传感器型号

4．6 模型制作

4．6．1 填料、滑带土、基岩制备

4．6．2 填筑模型

4．6．3 模型安装

4．7 试验加载过程

第五章 离心模型试验以及数值模拟结果分析

5．1 离心模型模拟边坡变形失稳机制

5．1．1 土压力变化特征分析

5．1．2 孔隙水压力变化特征分析

5．1．3 土壤含水率变化特征分析

5．1．4 斜坡变形特征分析

5．1．5 特征曲线与坡体变形分析

5．2 软件模拟边坡变形破坏

5．2．1 降雨入渗过程seep模块分析

5．2．2 边坡稳定性slope模块分析

5．3 斜坡降雨失稳机制分析

5．3．1 降雨入渗影响

5．3．2 粘土含水率与软化特性

5．3．3 边坡失稳分析

5．3．4 边坡稳定性计算机制

本章小结

结论与建议

致谢

参考文献

攻读学位期间取得学术成果