降雨入渗条件下皖南山区残积土斜坡浅层滑动稳定性研究

摘要

滑坡灾害是世界上最严重的地质灾害之一。我国地质灾害中分布最广、灾害最严重的是滑坡灾害，降雨是其主要诱发因素。安徽省是我国地质灾害较为严重的省份之一，每年发生的地质灾害次数、造成的人员伤亡和直接经济损失处于全国前几位。皖南山区是安徽省的暴雨中心，该区也是地质灾害密集中心，残积土浅层滑坡在所有地质灾害中所占比重最大，灾害最为严重，已成为影响人民生产生活和制约皖南山区经济发展的重要因素之一。本文以安徽省自然科学基金项目“降雨触发浅层滑坡的孔隙水压力作用机制及滑动过程研究——以皖南山区为例”为依托，以皖南山区畈章组滑坡为研究对象，利用该边坡现场调查的数据和室内试验资料，运用饱和非饱和渗流理论以及非饱和土抗剪强度理论，通过数值模拟计算，研究降雨入渗对皖南山区残积土浅层斜坡的稳定性的影响。主要研究成果如下:
　　1、统计分析了皖南山区的灾害发育概况，其中降雨型浅层滑坡是典型，也是分布最广泛的灾害类型。以皖南山区某典型降雨型浅层滑坡——畈章组滑坡为案例，进行了现场调查，并取土样进行了室内土工试验，获得了基本物理力学参数。
　　2、建立了Seep/w分析模型，研究了不同降雨工况下坡体内部渗流场的变化。①同一降雨工况下，降雨历时越久，坡体浅层土体的孔隙水压力越大，地下水位线上移值越大。坡体内部的变化幅度要比浅表层土体的变化幅度大。②不同降雨强度下，坡体浅层土体的孔隙水压力整体变化趋势是一致的，但是降雨强度越大，坡体浅层土体的孔隙水压力变化幅度越大，地下水位线上移值越大。③降雨入渗过程中，坡脚处的地下水位线变化最为明显;坡脚处的地下水位线最先出现抬升上移，坡脚处最先出现暂态饱和区。
　　3、建立了Slope/w分析模型，研究了不同降雨工况下坡体稳定性变化。①同一降雨工况下，坡体的稳定性系数随着降雨历时的的增加而逐渐降低。②降雨总量相同时，降雨强度越大，坡体的稳定性系数下降的越快、越多。③自然状态下，坡体稳定性系数为1.029，处于欠稳定状态。目前坡体仍存在蠕滑变形。随着降雨强度的逐渐增大，坡体稳定性系数急剧减少。④不同降雨工况下，坡体潜在滑移面的形状相似。坡体受强降雨影响明显，在持续强降雨天气下发生失稳破坏的可能性很大。⑤分析了滑坡体参数敏感性因素。对坡体稳定性相对最敏感的是滑带土的内摩擦角，其次是滑带土的粘聚力，相对最不敏感是土体的容重。
　　4、建立了Sigma/w分析模型，研究了汛期暴雨工况下坡体内部位移场的变化。①随着降雨入渗的进行，坡体浅层的残积土有顺坡向下和向外的位移，并伴随有少量的下沉。坡顶的位移量大于坡脚的位移量;顺坡向外的位移量大于顺坡向下的位移量。若降雨入渗持续作用，坡体浅层残积土的位移变形逐渐增大，坡体滑体与滑床交界处发生滑动的可能性较大。②在自然状态下，斜坡朝趋向于平衡稳定的方向演化，极少会发生整体性失稳。降雨入渗条件下，坡体中下部位移变形较明显，有大量土体隆起;滑体与滑床交界处位移较大，可能存在轻微的滑动;坡体上部残积土层以下的滑床部分位移较小，忽略不计;坡脚处的土体有轻微隆起，位移变形较小，发生滑坡的可能性不大。
　　5、建立了无限斜坡渗流模型;在Iverson模型的基础上，推导出了残积土浅层斜坡稳定性计算表达式，本表达式能同时反映出非饱和区饱和度与土体重度在降雨入渗过程中的动态变化。研究了不同降雨工况下渗流潜蚀对坡体非饱和区饱和度、滑动面上孔隙水压力和坡体稳定性系数的影响规律。①滑动面处的孔隙水压力随着降雨入渗而逐渐增大，并随降雨结束而逐渐减小。在降雨总量和降雨历时一定的情况下，雨强越大，滑动面孔隙水压力增大越快。②降雨入渗条件下，坡体非饱和区能在短时间内达到饱和，并在30d时间内维持在饱和状态。滑坡体等效重度γ*近似等于其饱和重度γsat。③坡体稳定系数都随着降雨入渗的进行而逐渐减小，并最终稳定在某一数值，降雨结束后，稳定性系数开始上升，且上升速率明显地小于下降速率。在降雨总量一定时，降雨强度越大，坡体稳定性系数下降的越快、越多，越不利于坡体稳定。④渗流潜蚀会影响坡体稳定性，土体细颗粒流失的越多，渗流潜蚀越严重，坡体稳定系数减小越明显;土体颗粒级配越完整，渗流潜蚀越微弱，坡体稳定性系数减小越不明显。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 选题背景及研究意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 斜坡降雨入渗理论和稳定性研究

1．2．2 降雨触发浅层滑坡机制研究

1．3 主要研究内容及技术路线

1．3．1 主要研究内容

1．3．2 主要技术路线

2 皖南山区地质背景与灾害发育概况

2．1．2 气象水文

2．2 皖南山区工程地质条件

2．2．1 地形地貌

2．2．2 地层岩性

2．2．3 地质构造

2．2．4 新构造运动及地震

2．2．5 水文地质条件

2．2．6 人类工程活动

2．3 灾害发育概况

2．4 本章小结

3 降雨入渗基本理论

3．1 土水特征曲线

3．1．3 土-水特征曲线的测定方法

3．2 饱和-非饱和渗流的基本理论

3．2．1 饱和土中的Darcy定律

3．2．2 非饱和土的达西定律

3．3 非饱和土渗透性函数

3．3．1 渗透系数和有效饱和度的关系

3．3．2 渗透系数和体积含水率、基质吸力的关系

3．4 饱和土体渗流基本方程

3．4．1 渗流的连续性方程

3．5 非饱和土体渗流的基本方程

3．5．1 渗流连续性方程

3．6 降雨渗流理论、过程及其影响因素

3．6．1 渗流理论

3．6．2 降雨特征量及表示方法

3．6．3 降雨入渗过程

3．6．4 降雨入渗过程的影响因素

3．7 降雨渗流方程的定解条件

3．8 本章小结

4 典型降雨型残积土斜坡浅层滑动稳定性分析

4．1 畈章组滑坡工程地质概况

4．1．1 滑坡区气象水文

4．1．2 地形地貌

4．1．4 地质构造

4．2 滑坡土样物理力学性质试验

4．3 畈章组滑坡数值模拟分析

4．3．1 畈章组滑坡渗流模型

4．3．2 土水特征曲线和渗透系数曲线

4．3．3 计算工况

4．3．4 模型边界条件和定解条件

4．3．5 渗流场模拟结果及分析

4．3．6 稳定场模拟结果及分析

4．3．7 位移场模拟及结果分析

4．3．8 参数敏感性因素分析

4．4 本章小结

5 渗流潜蚀作用下坡体稳定性分析

5．1 无限斜坡渗流模型

5．2 重塑土物理力学性质试验

5．3 计算结果及分析

5．3．1 计算工况及参数选取

5．3．2 讨论及分析

5．4 本章小结

6 结论与展望

6．1 主要结论

6．2 讨论与展望

参考文献

致谢

作者简介及读研期间主要科研成果