水位变化和降雨条件下的边坡稳定性分析---硕士论文

硕 士 学 位 论 文水位变化和降雨条件下的边坡稳定性分析Slope Stability Analysis of Unsaturated Seepage by 作 者 姓 名： 学科、 专业： 学 号： 指 导 教 师： 完 成 日 期： 大连理工大学Dalian University of Technology大连理工大学硕士学位论文摘 要边坡稳定问题是岩土工程领域经典的三大问题之一。边坡一般包括天然边坡和人工边坡。在高速公路路基、水坝和库岸堤坝等工程设计中，需要研究分析边坡的稳定性。在考虑水位变化及降雨等复杂因素影响时，准确确定安全系数一般比较困难。本文主要采用教授发展的有限元极限平衡法，在饱和与非饱和条件下，进行边坡结构的流-固耦合有限元分析后，应用有限元极限平衡法确定边坡的最危险滑动面以及安全系数性。有限元极限平衡法是一种基于极限平衡条件进行稳定性分析的确定性分析方法，其首先通过数值计算方法（有限元、离散元或边界元等）得到计算区域应力场，然后依据安全系数定义采用数学规划的方法搜索最危险滑动面，该方法安全系数定义物理意义明确，结合了极限平衡法和有限元法的优点，只要得到分析对象的应力场，即可方便快速的求出其相应的安全系数，非常适应于工程实际计算，而在复杂条件下的稳定性分析中优势更加明显。论文整体分为三个部分：一、考虑渗流作用的边坡稳定性研究背景及国内外研究现状综述，包括库水位变化，降雨引起的边坡失稳数值及实验研究，总结本论文研究思路及内容。二、边坡稳定分析方法综述。从传统方法和有限元法两方面进行阐述，重点介绍有限元极限平衡法和有限元强度折减法。以一个简单均质边坡的标准算例，对传统方法和有限元法得到的结果进行对比，采用引入场变量的方法进行强度折减计算并验证其结果合理性。三、非饱和土渗流条件下的边坡稳定分析。内容包括：1）非饱和土固结理论与数值处理方法介绍，其中包括：非饱和土的有效应力原理、非饱和土渗流应力耦合分析过程以及非饱和非稳定渗流计算中边界条件、初始条件的处理等。2）路基边坡在降雨条件下的稳定性分析。a)选取实际公路边坡土体参数进行计算，采用有限元法计算得到不同降雨强度下路基边坡的孔压场、渗流速度和等效塑性应变的时空变化，反映边坡在降雨条件下的渐进破坏过程；b)采用有限元极限平衡法和有限元强度折减法计算降雨历时边坡安全系数变化，并对两种方法得到的安全系数和滑弧形状进行对比，降雨条件分别为100mm/d、200mm/d和300mm/d；c)采用有限元极限平衡法在降雨条件下，进行非饱和土边坡稳定性分析，研究实测水力参数对边坡稳定性的影响。3）基于1999年Griffith给出的算例进行稳态渗流时边坡的稳定性分析，采用传统的条分法、有限元强度折减法、有限元极限平衡法分别进行计算，并对结果进行对比。4）基于Griffith算例进行库水位下降过程中的边坡稳定分析，计算三种模式下，即库水位理想骤降、库水位理想缓降、非饱和非稳定渗流条件下的边坡稳定性，考虑水位下降高度比等因素对稳定性的影响。计算水位骤降后超静孔压消散过程中安全系数的变化，采用有限元极限平衡法，并与有限元强度折减法的结果进行对比，阐述两者各自的特点。关键词：边坡稳定；有限元极限平衡法；有限元强度折减法；降雨；水位下降- I -Slope Stability Analysis of Unsaturated Seepage by AbstractSlope stability problem is a hot spot in the field of geotechnical engineering research, the natural slope and artificial slope exist extensively. In the highway subgrade and bank dike engineering, it becomes a difficult problem to determine safety coefficientexpressly whenconsidering the water level change and the complex factors such as rainfall. This paper uses the finite element limit equilibrium method proposed by professor Shao in analysis of the seepage slope stability considering fluid-solid interaction. As a kind of deterministic stability analysis methods based on limit equilibrium conditions, it gets the stress field through the numerical method (finite element and discrete element or boundary element, etc.) firstly, and then according to the definitions of safety factor, we can search the most dangerous slip surface using the mathematical programming method. The physical meaning of safety factor definition is clear in the method, it combines the advantages of the limit equilibrium method and finite element method (FEM), as long as the stress field is obtained, it can be convenient and quick to find out the safety coefficient, the method is very suitable for engineering calculation and its advantages are more obvious in the stability analysis under complicated conditions.The overall framework of the paper carries out mainly in three parts:1. Illustrateresearchbackground, researchstatus at home and abroad about slope stability under the influence of water, including numerical and experimental study about slope instability caused by water level changes and rainfall, and review the research content;2. Summarize the slope stability analysis methods in two aspects: the traditional method and the finite element method. With a homogeneous slope standard example, this part compares the results of traditional method and the finite element method (fem), and also introduces a variable reduction method for strength calculation and verifying the rationality of the results;3. Slope stability analysis under the condition of unsaturated seepage, including:1) The unsaturated soil consolidation theory and numerical methods in the thesis, suchas the principle of effective stress of unsaturated soil, saturated and unsaturated soilseepage and coupling method and unsaturated unsteady seepage in the processing ofboundary conditions and initial conditions;2) Slope stability analysis under the condition of rainfall: a) A highway slopecalculation with actual soil parameters, using finite element method to obtain the field of pore water pressure, seepage velocity and the temporal variation of equivalent plastic strain under different rainfall intensity, reflecting the progressive failure process of a slope under rainfall; B)Comparison of results with the finite element limit equilibrium method and finite element strength reduction method for the slope during rainfall, including the variation of the slope safety coefficient and slip surface, rainfall condition is respectively 100 mm/d, 200mm/d and 300mm/d;3) Based on Griffiths example in1999, steady seepage slope stability analysis byfinite element strength reduction method, and comparison between the finite elementmethod and traditional limit equilibrium method;4) Based on Griffiths example, study the influence of reservoir water level drawdownon slope stability, considering three kinds of mode proposed by other researcher, theideal rapid drawdown mode, the ideal slow drawdown mode, and the drawdown under unsaturated and unsteady seepage , the calculation also considers the impact of some factors on the safety factor, such as water level drop height ratio. This part also analysis the safety coefficient variation during pore pressure dissipation after rapid drawdown, using the finite element limit equilibrium method, and compare with the results of finite element strength reduction method;Key Words：Slope Stability; Finite Element Limit Equilibrium Method; Finite Element Strength Reduction Method; Rainfall; Water Drawdown;- V -目 录摘 要IAbstractIII1 绪论11.1 引言11.2 非饱和土边坡稳定性的研究现状31.2.1 降雨边坡稳定性研究现状31.2.2 库水位渗流稳定性研究现状51.2.3 小结81.3 主要研究内容及研究方法82 边坡稳定性分析方法综述102.1 传统方法102.1.1 极限平衡条分法102.1.2 滑移线法112.1.3 极限分析法112.2 有限元法112.2.1 有限元强度折减法122.2.2 有限元极限平衡法132.3 均质边坡对比算例192.4 引入场变量进行有限元强度折减计算的合理性分析222.5 本章小结253 非饱和渗流条件下的边坡稳定性分析263.1 非饱和土固结理论与数值方法263.1.1 非饱和土有效应力263.1.2 饱和土和非饱和土的渗流-应力耦合分析263.2 渗流-应力耦合方程的数值求解303.2.1 序贯耦合303.2.2 直接耦合303.3 瞬态分析的时间步长与初始条件313.3.1 时间步长选择313.3.2 非饱和非稳定渗流分析中边界条件和初始条件的处理314 有限元极限平衡法在库水位下降边坡稳定分析中的应用334.1 模型及参数选取334.2 稳态渗流状态下稳定性分析344.3 库水位理想变化对坝体稳定性影响394.3.1 库水位理想缓降对坝体稳定性影响404.3.2 库水位理想骤降对坝体稳定性影响474.3 骤降超静孔压消散过程稳定性分析534.3.1 渗流计算结果534.3.2 有限元极限平衡法结果574.5 本章小结585 有限元极限平衡法在降雨条件下边坡稳定分析中的应用595.1 算例一605.1.1 模型及参数选取605.1.2 边界条件及初始状态的建立625.1.3 有限元计算结果645.1.4 结果对比695.2 算例二725.2.1 水力参数对降雨边坡稳定性影响725.2.2 坡脚对对降雨边坡稳定性影响725.3 本章小结756 结论与展望766.1 结论766.2 展望77参考文献78攻读硕士学位期间发表学术论文情况83致 谢84大连理工大学学位论文版权使用授权书851 绪论1.1 引言我国地域广阔，地形气候条件复杂，水文和地质条件差异很大，每年发生大量地质灾害及工程建设事故，滑坡是其中最常见的灾害和事故。触发滑坡的原因多种多样，坡体与水之间的相互作用是诱发滑坡的主要原因之一，具体而言，水在滑坡中的作用主要表现为两点：一是降低岩土材料的强度属性，如对岩土的软化、潜蚀；二是对边坡结构物有效应力场的改变，如增大孔隙水压力使有效应力发生不利于结构稳定的变化，从而使处于极限平衡状态的滑坡体产生滑动，同时，干湿状态多次交替会引起岩土体形成裂隙，形成有利于地表水入渗的通道，加速了滑坡发生1-3。临水边坡水位变化，降雨等均会对边坡中的渗透水压力及渗流场分布等形成较大影响，进而影响边坡的稳定性。资料统计显示，在日本大约60的水库滑坡发生在库水位骤降时期，40发生在水位上升时期。历史上，由临水坡体附近水位升降引发的国内外重大事故众多，最为典型的是我国湖南水柘溪水库近坝库区滑坡及意大利瓦依昂水库4-6岸坡大面积滑坡。1961年2月5日湖南资水柘溪水库大坝建筑至153m标高时，水库提前进入蓄水期，库水位以7-11m/d的速度急速上升，随后水位上升速度减为1-2m/d，10天内达到6.6亿立方米。至3月6日，水库水位由100m上升至148.9m，日均上升1.75m。3月6日上午7时左右，在滑坡区出现小的岸坡坍滑，岸坡上出现弧形裂缝，并逐渐加宽。下午6时，巨大滑坡突然发生，最终，近坝库区发生体积为165万立方米的高速滑坡，滑坡体高速滑落库区，引发巨大涌浪。涌浪漫过坝顶造成巨大损失。1963年10月9日瓦依昂水库岸坡在库水位骤降期间在库区周围长约2km、宽1.6km范围发生大面积整体滑坡，滑坡体积达2.4亿立方米。滑坡发生时，涌水淹没对岸高出库水面259m的凯索村，向水库上游回溯到拉瓦佐镇，其后约300万立方米洪水冲入下游河谷，到达瓦依昂峡谷出口，汇积涌入皮亚威河，使对岸市镇村庄大部分被冲毁，造成近2000人死亡。图1.1 瓦伊昂水库滑坡溃坝Fig1.1 landslip of the Vajont Dam由持续降雨导致的滑坡事故更是屡见不鲜，近年来我国发生的重大滑坡事故，几乎均与强降雨环境有关。2009年7月31日起，四川省雅安市汉源县区内连续降雨，一周降雨量达88毫米，8月6日晚汉源县顺河乡境内省道306线改线K73+50+347米段公路内侧边坡发生重大高位滑坡灾害，造成2人死亡，29人失踪，18人受伤，直接经济损失1.3亿元。滑坡体规模约90万立方米。该滑坡高速崩落后堵断坡脚大渡河形成堰塞湖，次日凌晨3时许堰塞湖决口下泄。2010年8月7日，甘肃省舟曲县城北部山区三眼峪、罗家峪流域突降暴雨，每小时降水量达96.77毫米，急促时半小时瞬时降水量达到77.3毫米。超强暴雨在三眼峪、罗家峪两个流域分别汇聚形成巨大山洪，导致附近山谷形成多处滑坡，大量滑坡体伴随山洪冲出山口形成特大规模山洪泥石流，淤填河道长度约1千米，江面堵塞回水淹没部分舟曲县城，造成县城交通、电力和通信中断，事故造成20多栋楼房损毁，造成1481人死亡，284人失踪。图1.2 强降雨引发舟曲滑坡Fig1.2 Landslip in ZhouQu county under heavy rainfall滑坡会造成巨大经济损失及人员伤亡，暴雨及临水坡水位变化引发滑坡，其中涉及滑坡体内孔隙水压力变化的渗流及水力及其他外力作用下的稳定性两方面问题，是诸多理论以及工程中面临的实际问题，因此，相关研究不仅具有理论和实际意义，也具有巨大的社会经济效益。1.2 非饱和土边坡稳定性的研究现状非饱和渗流条件下的边坡稳定性计算是一个比较复杂的问题。非饱和渗流边坡稳定性研究，包括非饱和稳定渗流和非饱和非稳定渗流两个方面，而非饱和非稳定渗流条件下的稳定性分析主要涉及降雨诱发失稳及临水边坡水位变化导致的失稳研究；库水位下降和暴雨入渗引起土水作用变化时，结构物滑坡的变形机制及稳定性相关研究，同样涉及到两个问题，一是暴雨及库水位下降时滑坡体内部孔隙水压力的变化，即渗流问题；二是土水相互作用条件下滑坡体安全评定，即稳定性问题。目前，库水位变化和降雨极易引发滑坡已是公认的事实，但是涉及非饱和土的渗流及稳定性研究，由于理论模型及参数确定存在困难，目前相关量化研究仍然较少。1.2.1 降雨边坡稳定性研究现状降雨尤其是强降雨条件是诱发边坡失稳的重要因素之一，据相关统计，95%的边坡失稳与降雨及地下水渗流有密切关系7，可见其在重要性。降雨入渗会增加土体容重增大下滑力，同时饱和区孔隙水压力上升，非饱和区基质吸力下降会降低土体抗剪力，雨水入渗还会降低某些土的土体强度参数，使边坡整体状态发生不利变化，潜在滑动面整体滑动力大于阻滑力引起边坡失稳。对于不同类型的滑坡，降雨作为诱因引起其失稳形式有所不同，20世纪60年代以来，国内外学者针对不同类型降雨边坡进行了一些研究，取得的成果如下：Lumb等8对香港地区降雨与滑坡事故的关系进行分析，并基于湿润锋面入渗及含水率再分布的简单一维模型，根据抗剪强度与饱和度的经验关系式，研究降雨条件对边坡稳定性的影响；Fredlund9,10采用自编程序进行了暴雨入渗下边坡的瞬态渗流及稳定性计算，得出边坡负孔隙水压力在边坡稳定性中起极其重要作用的结论；Alonson等11采用极限平衡法分析了黏土，粉土和粉砂边坡在降雨条件下的稳定性，考虑了降雨时间和强度对边坡稳定性的影响；陈守义等14提出同时考虑入渗及蒸发条件影响的边坡稳定性分析方法，在假定的土体水分运动参数下，采用数值计算方法求解了给定入渗及蒸发边界条件下边坡的瞬态含水率分布，进而采用极限平衡法求得边坡安全系数；吴宏伟等15用有限元法计算降雨条件下香港地区某种非饱和土斜坡的渗流场，得到的暂态孔隙水压力，并用于极限平衡分析，计算中考虑基质吸力的影响，研究了降雨特征、水文地质条件及坡面防渗处理等对暂态渗流场和斜坡安全因数的影响；陈善雄等16假定降雨后土坡水分分布场及抗剪强度参数为饱和度的函数，建立了能考虑水分入渗的非饱和土边坡的极限平衡稳定性分析方法，通过实例计算得出降雨引起的土坡失稳往往为浅层破坏的结论；李兆平等17采用一维入渗模型建立土体在降雨入渗过程中的瞬态含水量计算模型，并结合土体强度理论和极限平衡法粗略考虑了基质吸力对边坡安全系数的影响；姚海林等18,19针对非饱和膨胀土研究了其瞬态非饱和渗流，得到了裂隙对孔隙水压力及体积含水率分布的影响，进一步进行了相关参数研究，并得到结论认为膨胀土渗透系数越低，越需要考虑裂隙的作用；汪自力等20将不动网格有限元应用于非饱和渗流计算，用土体单元受到的渗透力代替周围孔隙水压力，以期利用渗流计算时的网格及计算结果继续进行稳定性分析；朱文彬等21将Duncan-Chang模型引入饱和非饱和土的本构关系模型，并应用于降雨滑坡的机理分析，认为该模型应用于由于大气降雨而引起的土体滑坡的形成与发展过程是可行的；殷坤龙等22计算了三峡库区鸡扒子滑坡降雨入渗引起的地下水动力场的时空分布变化，计算结果表明，地下水水位和流速场的时空演化过程与滑坡发生的时空特点基本吻合；王瑞钢等23针对高填土路堤边坡，设计了基于饱和非饱和渗流的二维非稳定渗流程序分析土体中含水率及基质吸力的变化规律，进而分析其对稳定性影响；许建聪等24采用数理统计分析得到的参数作为不分离接触弹塑性有限元强度折减法的强度参数并分析强降雨作用下浅层滑坡稳定性；徐晗等25引入修正Mohr-Coulomb破坏准则，进行降雨入渗条件下下非饱和土边坡渗流场和应力场耦合的数值模拟，得到非饱和土边坡变形与应力的若干规律；周家文等26把降雨入渗条件下的边坡稳定性问题转化为图论中的最短路问题，基于饱和非饱和渗流有限元计算得到的应力场和渗流场来计算边坡的最危险滑动面及其安全系数；刘礼领等27应用有限元分别模拟有裂隙和无裂隙时斜坡体内瞬态渗流场的变化，并采用Bishop法对不同埋深情况做了稳定性分析，结果表明降雨入渗边坡充分考虑裂隙的存在很有必要；荣冠等28基于非饱和土强度理论，利用有限元计算了考虑非饱和区基质吸力和饱和区渗透作用影响的降雨过程边坡稳定性，稳定性分析采用强度折减分析法，并将其应用于实际公路边坡工程稳定性计算，研究其在降雨过程的变形情况及稳定性；吴长富等29依实际气象数据设计了若干组单峰及双峰降雨模型，采用极限平衡法对相应工况下边坡的瞬态稳定性进行了计算和分析；林鸿州等30建立了降雨边坡模型试验与现有研究成果结合，探讨降雨对边坡失稳的诱发机理，并以此为参照建立降雨预警参数；刘俊新等31以FLAC软件为基础，建立了非饱和水气两相流固耦合方程，并以公路边坡实例对计算理论模型进行了验证；海龙等32运用GEO-SLOPE计算软件模拟了不同的降雨强度和降雨持时对边坡稳定性的影响，并探讨各参数变化对边坡稳定性安全系数的影响；郭爱斌等33通过正交实验确定饱和-非饱和渗流计算参数，采用SEEP/W计算饱和-非饱和渗流并结合工程实例水位线验算降雨入渗情况下的安全系数的计算；何忠明等34对模型边坡在设计降雨方案条件下的饱和渗透系数、降雨强度、降雨历时及边坡坡度的大小对土体边坡安全系数的影响规律进行了研究。总体而言，降雨入渗边坡稳定性研究，渗流及稳定性计算限于模型及参数研究的困难及理论方面的欠缺，量化研究仍然较少，稳定性计算多以传统极限平衡法为主，在多种简化条件前提下进行非饱和非稳定渗流稳定性较复杂的分析。1.2.2 库水位渗流稳定性研究现状以1961年我国塘岩光滑坡及1963年意大利瓦依昂水库滑坡为重要时间点，库区边坡的稳定性问题得到国内外工程界的高度重视，水库选址、可行性论证及工程运营过程中，勘察与研究力度均有极大加强，制定相关设计规范对水库规划阶段、可行性研究阶段、初步设计阶段和技术施工设计阶段的岸坡滑坡的稳定勘测与研究工作做了详细的规定，从而为及时发现、评沽、监测和处置水库滑坡的问题提供了基础。库区周边结构物发生滑坡，其根本原因在于土水间作用：一是水对土强度参数的影响；二是水的作用改变边坡结构物的应力状态，目前国内外学者针对库水位变化引起渗流场变化及其对稳定性的影响做了大量研究。1勘察及实验方面中村浩之等35对大量库区滑坡分析及实测研究后认为，库区滑坡形成的主要因素是浸泡、库水位急剧下降以及暴雨；王思敬36通过勘察数据研究，将水库滑坡分为两类：一种是在水库的水岩作用影响下产生，另一种则是天然滑坡；蔡耀军37认为，水库诱发库岸滑坡变形与失稳可归结为三方面的因素，一是材料力学效应，二是水动力学效应，三是水力机械作用；朱冬林等38对水库蓄水过程进行勘察，监测滑坡过程中监测点动态位移规律，并依此确定水库蓄水过程中的最危险水位，反演进行稳定性计算时的参数；严福章等39研究清江隔河岩水库茅坪库区滑坡，认为该滑坡在水库蓄水后发生持续缓慢滑移，其根本原因是水库蓄水产生的材料力学效应和水力学效应综合作用的结果，其次是滑体发生变形后，滑动带抗剪强度随变形而降低的应变软化作用；李邵军等41基于三峡库区典型滑坡的工程地质特征，建立土质边坡离心模型，模拟库区边坡在水位升降作用下的失稳过程；贾官伟等42通过大型模型试验研究水位骤降引致临水边坡滑坡的原因及失稳模式；孙永帅等 43通过室内模型试验研究水位骤降对边坡稳定性的影响，结论认为水位下降速度越快，边坡沉降也就越大，试验模型最终会形成明显的位移集中区域；陈勇等44采用三轴试验研究了水库运行周期，岸坡土体在库水循环加卸载作用下发生的阶梯状变形，探究了循环加卸载对岸坡深部变形的诱发机理；2基于极限平衡法的稳定性分析对于水位骤降非稳定渗流，国内外众多学者采用假定边界条件随时间变化的渗流自由面的方式确定浸润面，进而采用极限平衡法确定安全系数，但该方法尽管得到较为合理的浸润面但未考虑非饱和区的影响，此类算法经典的有Bishop和Morgenstern47,48在引入参数简化渗流计算假定孔压不消散的理想前提下，采用极限平衡分析方法进行了土坝水位下降过程中边坡的稳定性分析，得出了水位下降过程中安全系数随之下降的结论；Desai C S50在假定简化条件下采用有限元方法实现求解渗流自由面，在得到水位下降各时刻自由面的前提下利用极限平衡法求得水位下降过程中坡体安全系数的变化情况，并以此方法对密西西比河河岸的稳定性进行了分析；顾慰慈53提出基于坝坡稳定的指标速度系数，来衡量水库水位降落的速度，提出了库水位降落骤缓的标准，列出了计算水库水位降落时坝坡稳定安全系数下降百分数的曲线图；郑颖人等54,55得到了考虑渗透系数、下降速度、给水度、含水层厚度和下降高度影响的库水位下降条件下坡体内浸润线简化计算公式，得到了条分法中渗透力的计算公式，并认为边坡中的地下水对坡体的稳定系数起着决定性的作用；马崇武56等人假设水位升降坡体为准静态，土体饱和后抗剪强度指标立即减小，并依传统饱和土理论得出结论：水位上升时安全系数先下降后上升，水位下降时安全系数先下降后上升；张文杰等57以SEEP/W分析程序模拟水位升降过程中岸坡内孔压场，通过假定非饱和区处处相等，采用极限平衡法计算安全系数，从而考虑了基质吸力对抗剪强度的贡献及其对安全系数的影响；刘才华等58研究了库水位上升对边坡稳定性的影响，研究认为在库水位由坡脚上升到坡顶的过程中边坡的稳定性先降低后增加，水库蓄水初期孔隙水压力变化会使边坡的稳定性降低，滑动面强度参数的弱化也给边坡稳定性造成不利影响；廖红建等59以三峡工程为背景，针对三峡库区水位下降周期，采用Geo-slope/seep获得库水位下降期间不同渗透系数滑坡体的渗流场，结合极限平衡法对滑坡体稳定性进行了数值计算分析，得到了库区水位下降速度和土体渗透系数与边坡稳定性之间的变化规律；刘新喜等60采用Geo-slope/seep模拟库水位变化结合降雨条件时边坡的渗流场，将得到的孔隙水压力分布用于滑坡的极限平衡分析，研究不同降雨强度、降雨雨型对滑坡稳定性的影响；唐明辉等61针对三峡库区赵树岭滑坡水位下降时的边坡稳定性进行研究，在库水位以不同下降速度时不同时刻的稳定性进行了评价，库岸边坡在水位下降过程中安全系数会出现极小值，水位下降速度越快，极小值出现越快；章广成等62,63 采用考虑了非饱和区影响的剩余推力法对赵树岭滑坡水位下降时的边坡稳定性进行研究，在库水位以不同下降速度时不同时刻的稳定性进行了评价；罗红明等64将有限元计算得到的赵树岭滑坡孔隙水压力用于极限平衡分析，探讨了库水位上升和下降对库岸滑坡稳定性的影响，并得出结论：库水位上升和下降时，稳定性系数极小值位置在同一库水位下，且水位上升时的稳定性系数比下降时的稳定性系数大；李俊业等65在三种工况下采Morgenstern-Price方法研究了重庆鹤峰滑坡瞬态稳定性，研究了坡体内水分运移对稳定性的影响，发现较高库水位下伴随降雨工况下水位骤降对边坡稳定性极为不利；张大伟等66考虑了土体材料渗透系数各向异性及基质吸力摩擦角对库水位下降时安全系数的影响；刘钊等67根据有限元计算得到的渗流场结果，结合Morgenstern-Price法计算上游坝坡安全系数随库水位下降的变化过程；梁学战等68采用Geostudio软件seep/w和slope/w模块，分析了三峡水库库水位升降作用下不同渗透系数滑坡体浸润线的分布规律及由此引起的滑坡稳定性变化规律；3基于有限元法数值研究D. V. Griffiths和P. A. Lane70,71在假定土体内的浸润线为直线且不考虑非饱和区影响的前提下，分析了稳定渗流对土坝稳定性影响，并采用自编程序研究了理想库水位作用下的边坡稳定性，并用有限元强度折减法得到的边坡安全系数与传统方法计算得到的安全系数对比，结果吻合较好，但结果未能显示出滑裂面；于玉贞等73,74结合强度折减法和极限平衡分析法针对分析了边坡在水位逐渐上升与骤降情况下的稳定性，讨论边坡稳定分析中应用Bishop与Fredlund非饱和强度公式的差异，并对结果进行了对比；黄茂松等75利用强度折减有限元方法分析了有无自由面渗流条件下土坝的安全系数，并与极限平衡法进行对比，其自由面由非饱和渗流分析得到；贾苍琴等76,77使用有限元程序分析有无自由面渗流条件及库水位骤降后孔隙水压力消散工况下的库坝稳定性，用强度折减有限元方法分析，并与极限平衡法得到的结果进行对比；卢波等78基于ABAQUS平台采用Python语言实现了耦合计算的直接强度折减法，并对比了库水位上涨过程中序贯耦合和间接耦合的计算结果；徐文杰等79以金沙江中游梨园电站坝前大型土石混合体边坡为例，采用有限元强度折减法研究了三维坡体在水位上升及骤降过程中的稳定性；年廷凯等80考虑边坡土体的非饱和非稳定渗流过程，对水位下降过程浸润线简化处理的前提下，采用强度折减有限元法，研究了几种水位下降模式水位下降过程中边坡的整体稳定性；郭飞等81考虑饱和-非饱和渗流场与应力场耦合理论效应，并使用ABAQUS采用强度折减法分析库水下降对树坪滑坡稳定性的影响。1.2.3 小结涉及到非饱和非稳定渗流稳定性分析较为复杂，具体到降雨条件下及水位变化条件下的稳定性分析，已有的研究均在一定程度上进行了简化处理。而综合所见文献，简化的后的分析方式大致可以分为三类：一是基于经验或现场勘查概化出浸润线，然后采用极限平衡法或有限元强度折减法进行分析；二是由布辛涅斯克渗流微分方程，得到相应边坡浸润线解析解，结合极限平衡法或强度折减法进行稳定性分析；三是通过有限元渗流计算，在耦合或非耦合条件下获得边坡在时域内的渗流场，再结合极限平衡法或强度折减法进行稳定性分析。目前，非饱和非稳定渗流稳定性方面的研究工作，多集中在渗流计算的处理上，而在稳定性分析上，多数学者采用极限平衡法进行分析。使用强度折减法进行非饱和非稳定渗流稳定性研究的文献仍然较少，从理论基础方面考虑，非饱和非稳定渗流条件下的稳定性计算，最合理的分析方法是进行渗流和变形耦合有限元分析，然后进行稳定分析，采用非饱和土固结理论进行直接求解，从而得到每一时刻的安全系数，其分析方法理论上是比较完善的，但在实际应用中，若使用强度折减法，则计算量非常大，每一个时间步都需要进行强度折减，而且与不考虑渗流的土单相有限元分析相比，耦合求解使得非线性迭代收敛性难度大大增加，因而在为数不多的采用折减法研究非饱和非稳定渗流稳定性的文献中几乎均采用了渗流和变形分离的计算方法，即在稳定性计算时，将土水分离，先进行渗流计算，再将渗流力作用于土单相固体介质坡体，采用有限元程序分析每一时刻的安全系数。已有研究采用直接耦合方式结合强度折减法进行非饱和非稳定渗流稳定性计算非常少，且多数缺乏必要的具体操作及分析说明，实现手段描述不清，仍有待于进一步研究。1.3 主要研究内容及研究方法影响土质边坡稳定性的因素是复杂多样的，但其根本原因在于土体内部某滑面剪应力达到或超过了其抗剪强度，从而使稳定性被破坏。在众多导致边坡失稳的原因中，涉水边坡的水位变化以及降雨等气候因素的影响是最常遇到的工程实际中导致边坡失稳的外在因素。二者的物理作用可部分归纳为非饱和非稳定渗流对边坡稳定性的影响。本文将分别探讨涉水边坡水位下降以及降雨条件对边坡稳定性的影响。本文采用提出的有限元极限平衡法82进行非饱和非稳定渗流稳定性分析，稳定分析计算程序由Fortran语言编制。作为一种基于极限平衡条件进行稳定性分析的确定性分析方法，有限元极限平衡法首先通过数值计算方法（有限元、离散元或边界元等）得到计算区域应力场，然后依据安全系数定义采用数学规划的方法搜索最危险滑动面，该方法安全系数定义物理意义明确，结合了极限平衡法和有限元法的优点，只要得到分析对象的应力场，即可方便快速的求出其相应的安全系数，非常适应于工程实际计算，而在复杂条件的稳定性分析中优势更加明显。论文主要分三部分：一、综述涉水边坡稳定性研究现状，包括库水位变化、降雨引起的边坡失稳数值及实验研究；综述论文的研究内容。 二、边坡稳定分析方法综述，总结传统方法和有限元法，着重于有限元极限平衡法和有限元强度折减法，计算一个均质边坡算例，对比采用不同方法所得到的安全系数以及滑弧形状。三、非饱和渗流条件下的边坡稳定分析，内容包括：1）非饱和土固结理论与数值方法，介绍非饱和土的有效应力、饱和土和非饱和土渗流应力耦合分析以及非饱和非稳定渗流中，边界条件和初始条件的处理等。2）基于1999年Griffith算例进行稳态渗流边坡稳定性分析，采用有限元强度折减法，有限元极限平衡法和传统方法进行对比。3）基于Griffith算例进行库水位下降过程中的边坡稳定分析，并借鉴以前学者研究成果，在三种模式（库水位理想骤降、库水位理想缓降、非饱和非稳定条件下的库水位下降）下计算，考虑下降高度比等对安全系数的影响，计算水位骤降后超静孔隙水压力消散过程中安全系数的变化，采用有限元极限平衡法，并与有限元强度折减法的结果进行对比，阐述两者各自的特点。4）边坡在降雨条件下的稳定性分析。算例1：a)选取实际公路边坡土体参数进行计算，采用有限元法计算得到不同降雨强度下路基边坡的孔压场、渗流速度和等效塑性应变的时空变化，反映边坡在降雨条件下的渐进破坏过程；b)采用有限元极限平衡法和有限元强度折减法计算降雨历时边坡安全系数变化，并对两种方法得到的安全系数和滑弧形状进行对比，降雨条件分别为100mm/d、200mm/d和300mm/d；c)采用有限元极限平衡法在降雨条件下，进行非饱和土边坡稳定性分析，研究不同土实测水力参数对边坡稳定性的影响。算例2：选取实测水力参数进行降雨条件下边坡稳定分析，考虑坡角、水力参数等对边坡稳定性的影响。2 边坡稳定性分析方法综述土质边坡的稳定性问题是土力学中研究的热点课题之一。土质边坡按成因一般可分为两种，一是山坡、江河岸坡等天然边坡；二是高速公路、铁路、机场、高层建筑深基坑开挖等土木工程建设中由于人工挖填形成的人工边坡。边坡稳定性分析广泛应用于天然土坡失稳引发的自然地质灾害预防治理，以及土木工程建设形成的人工边坡安全性评价中。随着我国经济建设的迅猛发展，基础设施建设在全国各地不断兴起，工程建设中人为引起以及由于强降雨等恶劣自然条件引起的滑坡事故给人民的生命财产造成了巨大的损失，因此，边坡稳定性分析研究有着相当的必要性。边坡稳定性的研究在土力学研究中一个热点领域，同时又是一个历史久远的领域。关于稳定性的评价分析方法，可以被归纳为传统方法、有限元方法以及各种非确定模糊随机分析方法。2.1 传统方法2.1.1 极限平衡条分法极限平衡法是土坡稳定分析中发展最早、也是当前工程应用比较多的一种方法。到目前为止，在众多边坡稳定分析的传统方法中，条分法是认可度比较高工程中应用最为广泛的一种稳定分析方法，其基于平面应变假定，将土体视为刚性体，假设滑动面为圆弧状，且滑动面上各点同时达到极限状态，安全系数定义为滑动面上抗滑力矩和滑动力矩之比，整体滑动面上抗滑稳定安全系数不变。在计算过程中涉及到如下未知数：1）底部法向反力；2）条间法向和切向作用力；3）底部合力及其作用点；4）抗滑稳定安全系数。显然，上述问题是一个超静定问题，其求解可通过增设一系列不同假定对未知量进行简化，从而将超静定问题转化为静定问题目的，从而通过求解静定方程得到评价稳定性的抗滑安全系数，这种简化以牺牲一定准确度的代价降低了工作量，并且得到能够满足实际工程要求的计算结果。极限平衡法条分法细分领域众多，各种方法主要区别在于对超静定问题的简化处理方式，亦即相邻土条间作用力的简化方式，极限平衡条分法中比较经典的有：瑞典圆弧法、简化Bishop法、Spencer方法、陆军工团法、Janbu法、Morgenstern-Price方法、不平衡推力法等，由于各方法对条间作用力的处理方法不一，故所满足的平衡条件有所不同，以上方法各自有其优缺点。由于极限平衡的条分法研究历史久，并在长期的工程实际应用中积累了大量的经验，因此，其在工程中应用的可靠性较高。2.1.2 滑移线法滑移线方法是基于传统极限平衡理论进行稳定分析的一个重要分支，通过力平衡方程、屈服准则以及边界条件求解抗滑稳定安全系数。滑移线方法将土体视作理想弹塑性，只满足力的平衡方程及屈服准则，不考虑本构关系及相应变形影响，这在大多数实际问题中，是无法进行求解的，严格意义上的滑移线法，其求解还需要满足变形速率边界条件以及塑性区塑性功非负，这两点在实际应用同样难以得到满足，而且传统滑移线法方程求解需要通过差分法求得数值解，无法直接得到出理论解，差分法求解则通常需要编制特定的求解程序，因此，滑移线方法应用范围较小，往往只在科研问题中有所应用。2.1.3 极限分析法边坡稳定分析的极限分析法的理论基础是塑性力学的上下限定理。其具体做法是：将滑坡体分成若干土条，此时的滑坡体被看成是服从流动法则的理想塑性体，在假设滑动面（该滑动面为对数螺旋线或直线）的前提下构筑协调位移场，最后应用虚位移原理求出滑坡体抗滑稳定安全系数。极限分析下限法是基于下限定理，通过建立满足条件的静力许可应力场，然后应用应力不连续法或应力柱法等来求得下限解。因其为偏安全解，所以具有一定的实用性，但通常下限解是很难获得的。如今计算机技术不断更新，一些研究者们尝试利用将有限元的思想应用在极限分析法当中，使得上下限理论得到了充分的发展，反映了上下限理论在基于严格的塑性理论基础上通过有限元法求解复杂边坡稳定性问题的一种发展走向。2.2 有限元法边坡稳定分析的有限元法可分为两种，有限元强度折减法和有限元极限平衡法。极限平衡法由于其简便实用的特点在工程实际中被广泛应用。但该方法引入了多种理想化条件，如将土体视作刚体，不考虑土体的应力应变特性等。因此，采用诸如条分法等极限平衡方法计算出来的内力并不能反映土坡实际工况下