降雨入渗-重分布下土质边坡稳定性研究

摘要

准确预测预报滑坡和减少滑坡的危害一直是世界各国政府所关心的重要议题，其中降雨诱发滑坡的稳定分析更是滑坡研究中的热点问题。国内外众多学者已对降雨诱发滑坡这一现象开展了大量而有益的探索，并取得了实质性进展。但目前有关降雨诱发滑坡的研究大多集中在探讨降雨期间边坡的稳定性，且多采用确定性分析方法来评估其稳定性而忽略土体参数的自身变异特性。为此本文在现有研究成果的基础上，针对土质边坡分别从物理入渗模型和数值模型两个方面开展了雨水入渗-重分布条件下边坡稳定性的研究工作，并着重探讨了饱和渗透系数变异性及其趋势分量对边坡破坏概率的影响。本研究主要内容包括：
　　⑴基于经典Green-Ampt入渗模型分别针对均质土坡和双层土坡建立了相应的雨水入渗-重分布统一模型，并采用SEEP/W数值模型验证了该模型的合理性。计算结果表明：原入渗雨水在基质吸力和自身重力的双重作用下继续下渗，表现为湿润锋持续下移，坡体内原湿润区的体积含水率逐渐下降，但下降速率随雨水重分布持时的增加而逐渐降低，并最终趋于稳定。伴随着湿润锋的下移，斜坡体内深处的基质吸力在雨水重分布阶段继续丧失，此即从雨水重分布的角度上阐释了滑坡失稳滞后性的原因；雨后边坡的稳定性主要取决于前期累积入渗量和雨水重分布持时，且边坡的安全系数随前期累积入渗量和雨水重分布持时的增加而逐渐降低。相较而言，前期累积入渗量是决定雨水重分布阶段边坡稳定性的最关键因素。
　　⑵土体饱和渗透系数表现为天然的变异性且决定雨水入渗梯度，为此基于蒙特卡罗法提出了考虑土体饱和渗透系数变异性的边坡概率分析框架。其中，基于Green-Ampt入渗模型定义了一个关于降雨强度、降雨持时的函数以实现降雨入渗过程中不同入渗边界的转换，以建立不同入渗边界下相应的入渗控制方程，并结合无限长边坡稳定模型建立了解析形式的极限状态函数。研究表明：在常降雨条件下，边坡破坏概率随降雨持时的增加而增加，且存在一个临界降雨持时区间使边坡破坏概率骤然上升;同时，在降雨初期，饱和渗透系数变异性较小的边坡表现为较小的破坏概率;随着降雨的持续，饱和渗透系数变异性较小的边坡开始表现为较大的破坏概率。变异系数的大小并不影响滑坡最可能的发生时间，但滑坡最可能发生时间所对应的最大概率却随变异系数的增加而逐渐减小；随着降雨强度的增加，边坡的破坏概率呈上升趋势，且滑坡最可能发生时间逐渐减小，但减速变缓，表明降雨强度直接决定滑坡的最可能发生时间;当降雨强度较低时，滑坡发生时间概率分布的有效区间相对较广，表明边坡在低雨强、长历时的情况下更有可能发生滑坡破坏；在给定降雨强度下，雨水重分布阶段的边坡破坏概率及其相应的滞后时长取决于前期降雨持时，并受变异系数大小的影响；尽量避免采用平均安全系数来评价降雨诱发滑坡的稳定性。
　　⑶以FLAC为平台，利用FISH语言基于局部平均法建立了表征土体饱和渗透系数均值沿深度递减的一维非平稳随机场模型，并采用FLAC两相流模块模拟雨水的入渗过程，进而以蒙特卡罗法为框架，结合考虑正孔隙水压力的广义有效应力无限边坡稳定模型，探讨了饱和渗透系数空间变异性及其趋势分量在不同降雨时刻下对边坡最危险滑裂面分布规律以及相应的边坡破坏概率的影响。结果表明：降雨诱发浅层风化滑坡的最危险滑裂面并非总位于湿润锋处，而是有可能发生坡底基岩处。随着降雨持时的增加，边坡最危险滑裂面发生在坡底基岩处的概率逐渐降低。但当降雨持续时间足够大时，此时最危险滑裂面又必然发生在坡底；饱和渗透系数趋势分量的变化系数△k对边坡临界滑裂面的分布有重要影响，且忽略饱和渗透系数趋势分量的影响将会低估边坡的破坏概率，使边坡设计趋于危险；边坡临界滑裂面发生在坡底基岩处的概率随饱和渗透系数变异系数和相关距离的增加而增加;一旦降雨持时足够长，临界滑裂面发生在坡底处的概率反而随变异系数和相关距离的增加而降低。同时，相较于变异系数，相关距离对边坡临界滑裂面的分布和边坡破坏概率的影响并不显著。

目录

声明

致谢

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景

1．2 目前研究存在的问题

1．3 本文主要内容及研究方法

第2章 降雨诱发滑坡的研究方法综述

2．1 引言

2．2 数学统计分析

2．3 现场试验和模型试验

2．4 数值分析和概念物理入渗模型

2．4．1 非饱和土入渗特性

2．4．2 确定分析方法

2．4．3 概率分析方法

2．5 本章小结

第3章 土质边坡的雨水入渗-重分布模型及边坡稳定分析

3．1 引言

3．2 均质边坡的雨水入渗-重分布模型

3．2．1 均质土坡雨水入渗-重分布模型的建立

3．2．2 算例分析

3．3 双层边坡的雨水入渗-重分布模型

3．3．1 Moore双层入渗模型

3．3．2 雨水重分布模型

3．3．3 模型验证及稳定分析

3．4 本章小结

第4章 考虑Ks变异性的雨水入渗-重分布模型及边坡稳定概率分析方法

4．1 引言

4．2 基于蒙特卡罗法的概率框架

4．2．1 随机变量Ks的产生

4．2．2 边坡稳定的概率分析

4．3 极限状态函数的建立

4．3．1 考虑Ks变异性的扩展Green-Ampt入渗模型

4．3．2 无限边坡稳定分析

4．4 算例分析

4．4．1 计算参数

4．4．2 确定性分析

4．4．3 概率分析

4．5 本章小结

第5章 非平稳随机场下Ks空间变异性对边坡稳定性的影响

5．1 引言

5．2 非平稳随机场的实现

5．3 无限长边坡入渗及稳定分析

5．3．1 入渗分析

5．3．2 考虑正孔隙水压的无限边坡稳定分析

5．4 算例分析

5．4．1 研究方案

5．4．2 确定性分析

5．4．3 Ks典型非平稳随机场的具体实现

5．4．4 影响因素分析

5．5 本章小结

第6章 结论与展望

6．1 主要成果和结论

6．2 进一步研究的建议和展望

参考文献

作者简历及科研成果