（岩土工程专业论文）降雨条件下梧州学院西校区边坡稳定性分析.pdfVIP

桂林理工大学硕士学位论文 摘要 降雨是影响土坡稳定性的重要因素，土坡失稳大多发生在雨季或暴雨之后。 因此，研究降雨对土坡稳定性产生的影响及准确预报事故发生的可能性，是当前 需要解决的一个复杂工程问题。传统土力学理论中，边坡稳定分析方法是建立在 饱和土假设基础之上的，理论上不能定量考虑雨水入渗作用的影响，在进行土坡 渗流计算和渗流作用下的土坡稳定计算时考虑较为简单，不能反映实际情况，计 算结果存在较大误差。 本文针对土质边坡在降雨条件下的稳定问题，运用饱和一非饱和渗流理论及 降雨入渗理论，通过模拟一次降雨过程，对梧州学院西校区土坡的瞬态稳定性进 行了分析。其主要成果如下： ( 1 ) 降雨初期，边坡非饱和土体的饱和度较低，相对渗透系数较小，土体的 水相渗透性较差，雨水不能完全深入坡体。随着降雨持时的增加，降雨入渗量逐 渐增大，饱和度缓慢上升，土体的含水量增大，边坡上部土体的容重增加，土体 所受的剪力增大，致使边坡的稳定性系数逐渐减小； ( 2 ) 初始状态，边坡坡体非饱和土孔隙水压力为负值，随着降雨持时的增加， 降雨导致孔隙水压力上升，使得边坡从坡脚往上表层土孔隙水压力逐渐从负值上 升为0 ，饱和度也逐渐上升为l 。随着孔隙水压力上升，边坡非饱和土基质吸力 丧失或减小，导致土的抗剪强度降低，边坡稳定性系数逐渐减小； ( 3 ) 在降雨过程中，边坡的含水量分布主要是上部接近饱和，水分逐渐向下 部移动，呈现明显的上大下小的规律，且含水率变化的梯度较大。边坡中存在一 个非饱和区域，在降雨持续过程中该区域不断缩小。但在暴雨持时达到9 6 h 时， 该区域仍未完全浸润。 。 本文的研究工作在改进和完善边坡稳定性分析方法方面进行了有益尝试。通 过对梧州学院西校区边坡进行深入细致的分析，对降雨引发非饱和土边坡失稳的 机理和规律有了进一步的认识，可为非饱和土边坡稳定分析、滑坡灾害预报和边 坡治理等方面提供有用的参考，具有一定的理论意义和实用价值。 关键词：降雨入渗；边坡稳定；非饱和土；饱和一乍饱和渗流；有限元分析 桂林理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t r a i n f a l li s 觚i m p o r t a n tf a c t o ri ns o i ls l o p es t a b i l i t y , a n ds o i ls l o p ef a i l u r e o c c u i t e sa l w a y sd u r i n gt h er a i n ys e a s o no ra f t e rh e a v yr a i n s t h e r e f o r e ，t h es t u d yo f r a i n f a l lo i lt h ei m p a c to fs l o p es t a b i l i t ya n dt h ea c c u r a c yo ff o r e c a s tt h ep o s s i b i l i t yo f t h ea e e i d e n t a r et h ec o m p l e xe n g i n e e r i n gp r o b l e m sn e e dt oa d d r e s sa tp r e s e n t i nt h e t r a d i t i o n a lt h e o r yo fs o i lm a 醴l a n i c s s l o p es t a b i l i t ya n a l y s i sm e t h o di sb a s e do nt h e a s s l t l m p t i o l lo fs a t u r a t e ds o i l st h e o r y , a n dc a l ln o tc o n s i d e rt h eq u a n t i t a t i v ee t f e e t so f r a i n f a l li n f i l t r a t i o n , a n dc o n s i d e ram o l es i m p l ei nc o m p u t i n gt h es e e p a g eo fs l o p e s a n dt h ec a l c u l a t i o no ft h es t a b i l i t yo fs l o p e su n d e rs e e p a g e a n dc 锄n o tr e f l e c ta n a c t u a ls i t u a t i o n t h e r ei s1 1b i ge l t o ro fe a l e u l a t i o nr e s u l t s f o rt h ep r o b l e mo ft h e s t a b i l i t yo fs o i ls l o p eu n d e rr a i n f a l le o n d i t i o m ，t h i sp a p e r a u t h o ru s et h es a t u r a t e d u n s a t u r a t e ds e e p a g et h e o r ya n dr a i n f a l li n f i l t r a t i o nt h e o r y , a n d b ys i m u l a t i n gar a i n f a l l a n a l y s i st h es t a b i l i t yo ft h es l o p ei nt h ew r e s tc a m p u so ft h e w u z h o uc o l l e g e t h em a i nr e s u l t sa r ef i t sf o l l o w s ： 1 a tt h ee a r l yr a i n f a l l t h eu n s a t u r a t e ds o i li sl o w e ri ns a t u r a t i o n , a n dt h e r e l a t i v ep e r m e a b i l i t yc , o e 岱c i e n ti sl e s sa n dt h ew a t e rp e r m e a b i l i t yi sp o o l t h e r a i n w a t e rc a l ln o tb ec o m p l e t e l yt h o r o u g hs l o p e w i t ht h ei n c r e a s eo fr a i n f a l l d u r a t i o n , t h er a i n f a l li n f i l t r a t i o ng r a d u a l l yi n c r e a s i n g , a n dt h ev o l u m eo fs o i lw a t e r c o n t e n ti n e r e a s e c t , t h eb u l kd e n s i t yo ft h es o i lo ft h eu p p e rs l o p ei n e r e a s e c k a n dt h e s h e a ri n c r e a s e d , r e s u l t i n gt ot h es t a b i l i t yo ft l a es l o p et o e 塌e i e n td e c r e a s e s 2 i n i t i a ls t a t e 。t h ep o r ew a t e rp r e s s u r eo ft h eu n s a t u r a t e ds o i li sn e g a t i v e w i t h t h ei n c r e a s i n go fr a i n f a l ld u r a t i o n , r a i n f a l ll e dt oi n c r e a s e dp o r ew a t e rp r e s s u r e 。 m a k i n gu pt h ep o r ew a t e rp r e s s u r eg r a d u a l l yf r o mn e g a t i v el o s et o0t ot h et o p s o i l f r o mt h ef o o to ft h es l o p e a n dt h es a t u r a t i o ni sg r a d u a l l yi n c r e a s e dt o1 w i t ht h e i n c r e a s eo fp o r ew a t e rp r e s s u r e 。t h em a t r i xs u c t i o no fu n s a t u r a t e ds o i ll o s so rr e k l u e e d , r e s u l t i n g i nr e d u c e dt h es h e a rs t r e n g t ho fs o i l ，a n dt h e s l o p es t a b i l i t yf a c t o r d e c r e a s e d 3 i nr a i n f a l l t h ew a t e rc o n t e n td i s t r i b u t i o no ft h es l o p ei st h a tt h eu p p e rp a r ti s c l o s et of i l l lc a p a c i t y , a n dt h ew a t e rg r a d u a ld o w n w a r dm o v e m e n t , w i 也t h e s i g n i f i c a n t l ys m a l l e ru n d e rt h el a wo fl a r g e ，a n dt h eg r a d i e n to fc h a n g eo ft h em o i s t u r e c o n t e n ti sl a r g e t h e 他i san o n - s a t u r a t e dr e g i o ne x i s ti nt h es l o p e a n dt h er a i n f a l l c o n t i n u e dt os h r i n kt h er e g i o n h o w e v e r , w h e nh e l di nt h er a i l la t9 6 i l , t h er e g i o nh a s n o tf u l l yi n f i l t r a t e d n er e s e a r c hw o r ki nt h i sp a p e rh a sm a d es o m eu s e f u la t t e m p t st oi m p r o v ea n d p e r f e c tt h em e t h o d so fs l o p es t a b i l i t ya n a l y s i s b ya n a l y s e d t h es l o p ei nt h ew e s t c a m p u so fw u z h o uc o l l e g ei n - d e p t ha n dd e t a i l e d , t h ea u t h o rf u r t h e ru n d e r s t a n dt h e l a wo fr a i n f a l lt r i g g e r e du n s a t u r a t e ds o i ls l o p ei n s t a b i l i t ym e c h a n i s m a n dt h ea r t i c l e c a nb ep r o v i d eau s e f u lr e f e l l l c et on o n - s a t u r a t e ds o i ls l o p es t a b i l i t ya n a l y s i s ， l a n d s l i d ed i s a s t e rm a n a g e m e n ts u c ha sf o r e c a s t i n ga n ds l o p et r e a t m e n t , w i t hac e r t a i n d e g r e eo ft h e o r e t i c a la n dp r a c t i c a lv a l u e k e yw o r d s r a i n f a l ls l o p e ；s t a b i l i t y ：u n s a t u r a t e ds o i l ；s a t u r a t e d u n s a t u r a t e d s e e p a g e ：f i n i t ee l e m e n tm e t h o d 研究生学位论文独创性声明和版权使用授权书 独创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含他人已 经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得其它教育机构的学位或证书而使用 过的材料。对论文的完成提供过帮助的有关人员已在论文中作了明确的说明并表 示谢意。 学位论文作者( 签字) ；之鲞垒 签字日期：22 ：垒：生 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解( 学校) 有关保留、使用学位论文的规定，有权保留 并向国家有关部门或机构送交论文的印刷本和电子版本，允许论文被查阅和借 阅。本人授权( 学校) 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。同时授权中国 科学技术信息研究所将本学位论文收录到 l o o ) 滑坡体积 死亡人数 滑坡名称 滑坡地点 ( 1 0 0 0 m 3 )( l o o ) 城西滑坡 - l i ：, 1 1 l 县4 8 0 1 6 0 0 都一汶路滑坡都江堰一九寨沟旅游公路 1 0 0 0 01 0 0 0 樱桃沟滑坡北川县陈家坝乡茶园梁村 1 8 89 0 6 北川新中滑坡北川县新县城中学新区 2 4 05 0 0 陈家坝滑坡北川县陈家坝场镇 1 2 0 04 0 0 东河口滑坡 青川县红光乡东河口村 1 0 0 0 2 6 0 太洪村滑坡；i f d t i 县陈家坝乡太洪村 2 0 0 1 5 0 红村电站滑坡石郝县石亭江红村电站 1 0 0 1 5 0 红岩村滑坡北川县陈家坝乡红岩村 4 8 0 1 4 1 黎明村滑坡都江堰市黎明村( 2 1 3 线) 2 0 1 2 0 罐津滑坡安县雎水镇罐滩 1 4 4 1 0 0 小龙潭崩塌彭州市银厂沟景区 5 4 1 0 0 大龙潭沟口崩塌彭州市银厂沟景区 1 01 0 0 谢家店滑坡彭州市九峰村7 社 4 0 01 0 0 在国外，历史上曾发生过一些较大的边坡事故，如1 9 3 4 年1 2 月3 1 日在美 国加利福尼亚发生的泥石流滑坡，造成了4 0 人死亡，4 0 0 问房子被毁【3 j 。1 9 6 6 年1 0 月2 1 日在英国a b e f f a n 发生的流动滑坡，造成了1 4 4 人死亡 3 1 。1 9 6 3 年意 大利的瓦依昂水库近坝地段滑坡致使当时世界最高的双曲拱坝失效，造成约 2 6 0 0 人死亡和巨大的经济损失，举世震惊1 3 】。 人类与滑坡灾害斗争的努力始终没有中断过。这一努力表现在认识滑坡机 理、完善边坡稳定分析理论和方法、地质和岩石力学、土力学等一系列科学分支 的形成、发展和完善上。而滑坡预报和治理又是围绕着确保人身安全和经济建设 顺利开展这一中心进行的。只有在诸多领域内共同开展深入的研究，人类才有可 能在防治滑坡方面取得重大进展。 2 桂林理工大学硕士学位论文 梧州市地处于南岭山系的南侧，群山连绵、丘陵起伏，地质构造较为发育， 地处北回归线上，降水充沛，高温湿热，风化作用等地质作用强烈，地质灾害发 育，是广西城市地质灾害发生较为频繁的地区之一。每年汛期，受强降雨的影响， 梧州市区都会发生数十起崩塌、滑坡等地质灾害。据梧州国土资源局提供的数据 显示，梧州市区查明的主要不稳定斜坡、滑坡、崩塌共有9 8 处，其中中型3 6 处、小型6 2 处，共有9 处地方已被列入广西壮族自治区重点地质灾害隐患点1 4 j 。 2 0 0 6 年的6 月8 日8 日凌晨l 时起，梧州市区普降暴雨，持续9 个小时，降雨 量达到3 0 0 r a m 以上。这次降雨，造成了严重的山体滑坡、山体崩塌和山洪暴发， 造成泥石流冲进市区造成大面积内涝。到1 1 日，全市山体滑坡2 0 0 0 多处，倒塌 房屋8 0 0 0 多间，死亡1 4 人，紧急转移撤离群众1 0 万多人，直接经济损失数亿 元人民币【5 】。 梧州学院西校区位于梧州市蝶山区，校区建于一近南北走向的山坡上，在梧 ：| - h 军分区一侧( 东侧) 为一弧形凹槽，该山体顶部经整平最高标高为7 4 2 m ，与 军分区大院地面高差4 8 o m ，自然斜坡坡度3 0 - 5 0 。，局部达7 0 。，在长约3 3 0 m 边( 斜) 坡仅坡脚有1 5 m 高挡墙及浆砌石护坡且护坡大部分已破坏，大部分边 ( 斜) 坡土体裸露地表，没有采取任何防护加固治理措施。整个山体分布三七 层建筑，学校教学楼及运动场、宿舍楼建于山顶至坡顶顶侧一带，教职工住宅楼 建于山体下部一带。 由于该山体边坡坡高及坡度较大，坡面为坡残积粘土覆盖，局部存在填土， 填土土体松散，加上边坡没有进行必要的防护加固措施和采取有效防排水措施， 边坡稳定性差，在暴雨、连续降雨等不利因素影响下，坡眉及坡面岩土体易失稳 崩塌、滑坡和形成泥土流。2 0 0 6 年6 月8 日受强降雨影响，该边坡发生较大规 模崩塌、滑坡及泥土流，边坡受损严重，山顶东侧学院办公楼东面钢筋砼柱有开 裂现象，楼前排水沟错动较大，宽0 3 - 1 2 m ，错位0 5 1 o m ，上山道路台阶开 裂错动，砖砌护栏倒塌，半坡大树倾倒较多，边坡中部学院宿舍楼前道路开裂， 人工边坡滑坡严重，使军分区西侧边坡浆砌石护坡大部分损坏。由于该区部分建 筑为浅基础，抗滑能力差，且坡脚为梧州军分区大院，院内新建干部楼及其他住 宅楼距边坡仅4 - - - 2 5 m ，地质灾害的发生严重威胁山上、山下建筑、居民及学校 师生生命财产安全。为了消除地质灾害隐患，防止重特大事故再次发生，避免和 减轻地质灾害造成的损失，保护人民生命和财产的安全，梧州市人民政府把其列 入梧州市“6 8 ”地质灾害治理工程项目。 因此，在导师的指导下，作者以梧州学院西校区边坡在降雨条件下的稳定性 分析作研究目标，选择降雨条件下梧州学院西校区边坡稳定性分析作为研究 题目，通过模拟计算降雨入渗条件下梧州学院西校区边坡的瞬态渗流场，利用非 桂林理工大学硕士学位论文 饱和土力学理论考虑降雨入渗对边坡稳定性的影响，对梧州学院西校区边坡在降 雨入渗条件下的边坡稳定性进行了计算分析，其成果可以为梧州地区边坡稳定性 分析与评价提供理论依据和方法借鉴。 1 2 国内外研究历史及现状 1 2 1 边坡稳定性研究的进展 边坡稳定性研究由来已久，对于它的研究是基于人类的生产活动而形成的。 随着世界上各个国家大规模工程建设的开展，开始出现了各种边坡灾害，造成了 很大的损失，这使得人们把边坡的稳定性研究作为一项课题来进行分析研究，就 边坡稳定性的研究而言，其大致经历了以下几个阶段： ( 1 ) 定性研究阶段：1 9 世纪中叶起，随着社会经济的发展，西方国家首先开 始了滑坡现象的研究，但初期只限于对滑坡现象的观测。1 8 6 6 年，c u l m a n n 通过 假设土坡破坏面为通过坡趾的平面来分析土坡的稳定性，标志着土坡稳定性分析 进入到理论分析的阶段。2 0 世纪2 0 至5 0 年代，由于实际工程中滑坡的危害日 趋严重，在工程地质学和土力学的形成和发展中，滑坡问题引起了更多国家的重 视，瑞典和挪威分别成立国立土工研究所对土坡稳定问题进行研究1 6 l 。这个时期， 边坡稳定性的计算分析方法，以半经验半理论性质及假定滑动面具有某一固定位 置和形状为其显著特点。人们借用土力学中极限平衡的概念，由静力平衡条件计 算边坡极限状态下的稳定性。 ( 2 ) 二十世纪6 0 年代至7 0 年代，边坡稳定性研究理论和方法有了很大的发 展。 2 0 世纪6 0 年代初期，意大利v a i o n t 水库岸坡失事1 3 】，在工程地质界和岩石 力学界均引起了巨大的震动，人们开始意识到边坡失稳破坏是渐进性变形破坏过 程，有明显的时问效应，提出了累进性破坏的观点以及边坡变形破坏的机制模式。 对边坡研究必须将地质分析和力学机制紧密结合起来，边坡稳定性研究进入力学 机制和内部作用研究阶段。在边坡稳定性计算分析方面，基本上沿着两种途径进 行：一种是以刚体极限平衡理论为基础，考虑岩体中结构面的控制作用，利用数 学分析法或图解法，最后求得稳定性系数或类似稳定性系数概念来进行定量评价 ( 如结构分析法、块体理论等) ；另一种途径是以有限元、边界元或离散元法分 析计算岩质边坡内部的变形特征和应力状态，给出直观形象的评价结果阴。 ( 3 ) - - 十世纪8 0 年代，边坡稳定性研究的理论和方法更加成熟，可以利用计 算机定量或半定量的模拟边坡开挖至破坏的全过程。特别是在7 0 年代后期，蒙 特卡罗模拟技术应用于岩体结构面几何参数概率分布模型模拟，得出边坡岩体结 4 桂林理工大学硕士学位论文 构面网络图像，直观的仿真了岩体结构特征，并将其结果应用于岩质边坡稳定性 评价，出现了边坡稳定性破坏概率分析方法。此外，一些新理论、新方法，诸如 系统论方法、信息论方法、灰色理论和数量化理论等被引入边坡稳定性研究，为 定量评价和预测岩质边坡稳定性开辟了更为广阔的前景，边坡稳定性研究已经步 入了系统工程分析研究阶段。1 9 8 6 年f l a c 的出现，为边坡分析提供了一种极其 有效的方法，它不但可以处理大变形问题，而且可以模拟某一软弱面的滑动变形， 能真实反映实际材料的动态行为，并可考虑锚杆、挡土墙、抗滑桩等支护结构与 围岩的相互作用，被公认为是岩土力学数值模拟行之有效的方法。 ( 4 ) 2 0 世纪9 0 年代后，随着非线性科学理论、非连续介质理论、可靠性 分析理念以及计算机技术的发展，为边坡稳定性问题的研究提供了新的途径和方 法，多学科、多专业的交叉渗透研究己成为边坡研究的发展方向。可靠性分析理 念、模糊数学、块体理论、灰色系统理论、神经网络理论、分形理论、突变理论、 自组织理论以及各种复杂的数值计算方法广泛地应用于边坡研究中。边坡稳定性 研究步入了定性与定量相结合、概念模型与仿真模拟相结合、监测与反馈分析相 结合的新阶段，取得了大量有意义的成果。 综上所述，边坡稳定研究经历了从现象认识一地质分析岩石力学分析一机 制分析一定量评价的发展历程。 1 2 2 边坡稳定性分析研究方法 边坡稳定性分析方法有很多种，例如极限平衡法、拉格朗日法、有限单元法、 b p 神经网络、遗传算法等【2 】，不同的边坡可根据不同的力学模型、不同的分析 目的与精度要求选用不同的分析方法。边坡稳定性分析方法经过数十年的发展， 特别是近代计算机和数值分析方法的飞速发展给其带来了质的提高。 目前，对于土质边坡来说，为人们所熟知和广泛讨论的方法主要有以极限平 衡理论为基础的条分法和以弹塑性理论为基础的数值计算方法。 1 条分法 条分法以极限平衡理论为基础，由瑞典人彼得森( k e p e t t e r s o n ) 在1 9 1 6 年提出，2 0 世纪3 0 - - 4 0 年代经过费伦纽斯( w f e l l e n i u s ) 和泰勒( d w t a y l o r ) 等人的不断改进，直至1 9 5 4 年简布( n j a n b u ) 提出普通条分法的基本原理，1 9 5 5 年毕肖普明确了土坡稳定性系数值，该方法逐渐成为目前工程界普遍采用的方 法。 条分法建立在摩尔库仑强度准则、稳定性系数的定义和静力平衡条件基础 上。其优点是可以方便考虑斜坡岩土体的不连续性、各向异性以及非均质性和水 压力作用等复杂边界条件及外荷载作用，在不给出应力形变图像情况下，仍能对 5 桂林理工大学硕士学位论文 滑坡稳定给出较精确的结论。 由于没有考虑土体本身的应力应变关系和实际工作状态，条分法所求出的 土条之间的内力或土条底部的反力均不能代表边坡实际工作条件下的真正内力 和反力，更不能求出变形，因此人们只能利用通过人为假定的虚拟状态来求出稳 定性系数。 2 数值计算方法 为了克服极限平衡法的不足，人们提出了以有限元法为代表的各种数值计算 方法。目前在工程技术领域内常用的数值计算方法有：有限单元法f e m ( f i n i t e e l e m e n tm e t h o d ) ( 简称有限元法) 、边界元法b e m ( b o u n d a r ye l e m e n tm e t h o d ) 、 有限差分法f d m ( f i n i t ed i f f e r e n e em e t h o d ) 和离散单元法d e m ( d i s e r e t e e l e m e n t m e t h o d ) 等，其中有限元法是最具实用性和应用最广泛的。 有限元法分析边坡稳定性思路是：1 ) 用有限元方法计算边坡中的应力分布， 将应力水平较高的点连接起来作为计算边坡中潜在的滑动面，以该面上抗剪强度 的总和与各单元沿滑动方向的剪应力总和的比值作为安全度量指标：2 ) 对抗剪 强度指标进行一定的强度折减或荷载放大，计算此时的土体变形量，若变形量已 与折减倍数基本无关时，即认为土体已经失稳，此时的折减系数或放大系数即为 稳定性系数。 有限元法与传统的边坡稳定分析方法相比有如下优点【g j ： 1 ) 能够对具有复杂地貌、地质的边坡进行计算； 2 ) 可以考虑土体的非线性弹塑性本构关系，以及变形对应力的影响，模拟 土坡的施工过程，得到较准确的应力场和位移场，作为稳定分析的基础。 3 ) 能够动态模拟边坡的滑坡过程及其滑移面形状，了解土坡的逐步破坏机 理，跟踪土坡内塑性区的开展情况； 4 ) 求解稳定性系数时，可以不需要假定滑移面的形状，也无需进行条分也 不需要假定土条之间的相互作用力。 有限元法虽然有其自身的优点，但也有其自身的局限性，主要是在确定边坡 的初始应力状态、把握边坡临近破坏时的弹塑性本构关系以及保证非线性数值分 析的稳定性等方面遇到了困难。另外，也没有解决好计算成果与工程实践中采用 的传统的稳定性系数判据接轨的问题。 1 2 3 渗流作用下边坡稳定性研究现状 降雨入渗闯题其实是一种非稳定饱和非饱和渗流问题 9 1 。要进行边坡的降雨 过程稳定性分析，其重要途径之一即是首先着手边坡降雨入渗条件下的渗流场研 究。各国专家学者对降雨入渗条件下非饱和边坡中渗流问题展开了大量的试验与 6 桂林理工大学硕士学位论文 理论研究，试图了解降雨诱导边坡失稳破坏的机理，深化对边坡失稳与雨水入渗 关系的认识和理解，取得了大量的成果，主要有： l u m b 和f l e a l u n d 对饱和一非饱和土渗流问题作了较完整的论述，将非饱和 土壤水运动理论与非饱和土固结理论相结合，得到了符合岩土界使用的饱和一非 饱和渗流控制方程，并运用二维有限元方法对复杂地下水运动系统的几个暂态渗 流实例问题进行了数值模拟【i o 】。 s a m m o r i 和t s n b o y a n m a 采用g a l e r k i n 有限元法模拟了恒定降雨强度条件下 的边坡暂态渗流过程，并对边坡稳定性进行了参数研究，分析出斜坡稳定的影响 因素有土坡的渗透状况，斜坡的长度以及土层的厚度等等【l i 】； a l o n s o 等在考虑土体类型、降雨历时、降雨强度和土体渗透性能的基础上 采用考虑空气压力变化涡合的分析方法计算了二维非饱和渗流场，进行了土坡二 维非饱和渗流和极限平衡法的联合分析，研究了降雨入渗对边坡稳定性影响u 2 j 。 s h i m a d a 等用g a l e r k i n 有限元法模拟了二维非饱和渗流，并采用刚体弹簧模 型进行了斜坡稳定性数值分析。得出不同的降雨强度和基质吸力的变化对斜坡稳 定性系数的影响情况；s u n 等发展了应力和两相流涡合理论，分析了降雨条件下土 坡的浅层破坏。在对实际边坡分析时，分别研究了在考虑和不考虑空气压力影响 条件下的土坡渗流情况，并得出考虑空气压力的分析是合理的结论l l 引。 n g 和s h i 等对香港地区利用有限元方法对降雨情形和初始条件的暂态渗流 对斜坡稳定性进行了研究，分析出降雨特征、水文地质条件和坡面防渗情况对斜 坡稳定性系数的影响【1 4 】； 朱文彬、刘宝琛等利用饱和一非饱和土的渗流理论，并运用有限元法和有限 差分法对公路边坡在降雨过程中的渗流规律进行了一个实例分析，模拟了于水在 土坡中的渗流过程【1 5 】。 吴梦喜、高莲士对饱和一非饱和土体非稳定渗流作了数值分析，对一般的非 饱和渗流有限元计算方法加以改进，以消除非饱和渗流计算存在的数值弥散现 象，同时提出了一种溢出面处理新方法，并给出了非饱和非稳定渗流计算的实例 【1 6 】1 1 7 】 o 邵龙潭，王助贫( 2 0 0 0 ) 等采用孔隙介质力学分析方法，把土体骨架、孔隙水 和孔隙气分别作为独立的研究对象，结合孔隙水和孔隙气在气液交界面上满足的 力学条件建立耦合方程，求解非饱和土中孔隙水的入渗和孔隙气体的排出过程， 并对标准砂进行了一维有压水流入渗的试验和计算【1 3 】【1 9 1 。 史弘鹤、王殿春在研究雨水入渗和蒸发过程的基础上，提出了一种考虑土体 气水的涡合暂态渗流场模型，用此模型分析了降雨入渗引起的暂态渗流场变 化，并分析了渗流场变化对土坡稳定的影响【2 0 】； 7 桂林理工大学硕士学位论文 高润德等针对南水北调中线工程河南段某一黄土边坡，研究了雨水入渗作用 下的土体渗透性和坡顶垂直裂缝对边坡稳定性的影响【2 1 1 。 汪自力( 2 0 0 2 ) 等在饱和一非饱和渗流不动网格有限元计算的基础上，寻求用 土体单元所受的渗透力代替其周边的孔隙水压力，以达到利用渗流计算时的剖分 网格和计算结果，直接连续进行渗流作用下的边坡稳定分析的目的。但在对非饱 和土土骨架进行受力分析时，仍然沿用了饱和土的概念田l 。 其他一些学者也对饱和一非饱和渗流计算，降雨条件下土坡的渗流稳定进行 了探讨l z 3 - 2 s 。 1 3 本文的研究内容 本文在前人的研究基础上，主要研究内容包括如下几个方面： 1 阐述降雨条件下的饱和一非饱和渗流基本理论，介绍非饱和渗流控制方 程，给出降雨条件下的边界条件。 2 将降雨入渗作为边坡稳定分析的重要因素，利用饱和一非饱和渗流计算的 有限元列式，运用s e e p w 软件对梧州学院西校区边坡在给定降雨条件下的渗流 场进行计算，掌握孔隙水压力随降雨持时的分布，探讨降雨持时对渗流场的影响； 3 介绍了饱和一非饱和渗流条件下边坡稳定分析理论，将渗流场的孔隙水压 力与基质吸力作用引入非饱和土抗剪强度理论的抗滑稳定计算中。运用s l o p e w 软件，将降雨入渗作为土坡稳定分析的重要因素，将渗流场的孔隙水压力引入基 于非饱和土抗剪强度理论的抗滑稳定计算中，对边坡的稳定性进行计算分析。 8 桂林理工大学硕士学位论文 2 1 概述 第2 章饱和一非饱和渗流理论 传统土力学理论中，边坡稳定分析方法是建立在饱和土假设基础之上的，理 论上不能定量考虑雨水入渗作用的影响。在进行土坡渗流计算和渗流情况的土坡 稳定计算时考虑较为简单，不能反映实际情况，计算结果存在较大误差【3 5 】【3 0 1 。 事实上，降雨入渗边坡岩土体，到达潜水面经历了一个非饱和饱和的渗流 过程。降雨前，边坡中处于非饱和状态的岩土体的物理、力学性质及在降雨渗入 过程中的变化，对于边坡稳定性的降低甚至失稳至关重要。近年来，随着非饱和 土力学理论的发展，为如何适当估计降雨对边坡稳定性的影响提供了新的理论基 础及相关的分析方法。 2 2 非饱和土的强度理论 2 2 1 非饱和土m o h r - - - c o u l o m b 准则 1 9 3 6 年，t e r z a g h i 提出饱和土体有效应力的概念【3 l l 。土体m o h r - - c o u l o m b 强度准则的表达式为： f ，= c + 仃t a n q ，= c + ( 仃一“，) t a n 9 ( 2 1 ) 式中：f ，破坏面上的剪应力； c 一有效粘聚力； 盯、仃破坏面上的总法向应力和有效法向应力； 破坏面上的水压力； 9 一有效内摩擦角。 1 9 6 0 年，b i s h o p 等提出了非饱和土抗剪强度的有效应力公式1 3 2 1 1 3 3 ： o = c + ( 口一”，) + x ( 一) t a n 伊 ( 2 2 ) 式中，为破坏时的孔隙气压力；x 为经验系数，与土体的饱和度、类型以 及应力路径有关。对于饱和士，x 爿；对于干土，x = o 。x 与饱和度之间的关系通 过试验确定。 由于式( 2 2 ) 中的x 难以确定，1 9 7 8 年，f r e d l u n d 等提出了他们的非饱和 土抗剪强度公式为： r r = c + ( 仃一心) t 刁m 伊t + ( 1 乞一“。) t a n 矿 ( 2 3 ) 9 桂林理工大学硕士学位论文 式中：c 。一m 0 h 0 0 i i l o m b 破坏包线的延伸与剪应力轴的截距，在剪应力轴 处的净法向应力和基质吸力均为零，也叫有效粘聚力： 9 一与净法向应力状态变量p 一) 有关的内摩擦角； 矿抗剪强度随基质吸力( 一) 增加的速率； 其它符合同前。 f r e d l u n d 在非饱和抗剪强度公式中采用的是以孔隙气压力为标准的应力 状态变量p 一) 和( 一) 的组合，其是m o h r - - c o u l o m b 饱和土抗剪强度公式 的延伸，两者之间可以平顺地过渡。 2 2 2 水土特征曲线 土水特征曲线是非饱和土中含水量和基质吸力的关系曲线，描述了土体吸力 与含水率之间的关系，是非饱和土力学研究的重要内容【硼。 目前大部分用于描述土水特征曲线的数学模型都是根据经验、土体结构等特 征和曲线的形状而建立起来的。对于非饱和土。土水特征曲线的数学模型并不是 唯一的。土的类型不同，所得出的数学模型也有所不同。依据其数学表达式的形 式，可分为以下四种类型1 9 】： l 、以对数函数的幂函数形式表达的数学模型 f r c d l u n d 等通过对土体孔径分布曲线的研究，用统计分析理论推导出适用于 全吸力范围内的任何土类的土水特征曲线表达式为： 昙州咖c ( 5 f ，丽1 c ( y ) = l 一旦l n ( 1 必+ l o 9 ，, ) ( 2 4 ) 式中：口、b 、c 一拟合参数，a 为进气值函数的土性参数，b 为当基质吸力 超过土的迸气值时，土中水流出率函数的土性参数；c 为 残余含水量函数的土性参数； l f ，基质吸力； 悱残余含水量p 所对应的基质吸力； p 一体积含水量； 鼠饱和体积含水量。 2 、幂函数形式的数学模型 v a ng c n u c h t c n 通过对土水特征曲线的研究，得出非饱和土体含水量与基质 吸力之间的幂函数形式的关系式为： 1 0 桂林理工大学硕士学位论文 两o - o , 州咖而拓 式中：口、b - 拟合参数。 其它符合意义同前。 3 、土水特征曲线的分形模型 土水特征曲线的分形模型基于土体质量分布具有分形特征，以及孔隙数目与 孔径之间也具有分形关系的认识，依据分形孔隙数目与孔径之间关系和 y o n g - l a p l a e e 方程得到分形模型的通用表达式为： 器= 时。 旺6 ) 式中：d ，一孔隙体积分布的分维值，d 。 3 。 4 、对数函数形式的土水特征曲线模型 包承纲等通过对非饱和土气相形态的研究和划分，认为在实际工程应用中， 只有部分连通和内部连通两种气相形态需要着重研究。对照f r e d l u n d 等的土水特 征曲线( 2 4 ) 式，发现该曲线在进气值和残余含水量两个特征点之间近乎为一 条直线。于是建议以对数方程来表征土水特征曲线，并将其简化为： 堡_ 旦= f ( 杪) = 塑也 ( 2 7 ) 色一q ”7 l g 缈，一l g 式中：土的进气值。 2 3 饱和一e 饱和渗流基本理论【骣删 2 3 1 土水势理论 l 、土水势的定义 土水势就是土壤中水分所具有的势能，其在决定土壤水分的能态和运动上具 有极为重要的意义。任意两点土壤水势能之差，即土水势之差，是水分在两点之 间运动的驱动力。一般情况下，可选定一个标准的参考状态，土壤中任一点的土 水势为该点的长壤水分状态和标准参考状态势能值之差。从热力学观点出发，土 水势9 即为： 矿= 败+ 9 p + + 织+ 弭 ( 2 8 ) 式中：为重力势；砟为压力势；为基质势；识为溶质势；仇为温度 势。 在不同的条件下，土水势由各不同的分量组成。土水势的单位因所采用水的 单位不同，可以有三种表示方法。 桂林理工大学硕士学位论文 ( 1 ) 单位质量水的势能( 比水势) 口：n i g h ：h g n ( 2 9 ) 矿= = k 厶y ， 历 式中，m 为水的质量；g 为重力加速度；h 为水的位置相对于参照面的高度。 比水势的单位为：j k g 。 ( 2 ) 单位容积水的势能( 容积势) 伊= n i ，g ，h ：p g h 7 一t o ) t 2 伊=f ， 。 ， 式中，v 为水的容积；风为水的密度。 容积势的单位为n m m 3 或n m 2 ，也就是压强的单位p a ，常用的有k p a 、 m p o 。 ( 3 ) 单位重量水的势能( 重量势) 矽= m g h ：h ( 2 1 1 ) 矽= = k 厶， m g 重量势的单位为m 或g i n 。 2 、土水势分量 ( 1 ) 、重力势 重力势指相对于基准面的单位重量的水所具有的势能，是由重力场引起的， 决定于所处的高度，其具有长度单位，一般称为水头，它仅与计算点和基准面的 相对位置有关，与介质属性无关。 吼= 虹 ( 2 1 2 ) ( 2 ) 、压力势 压力势是由于压力场中的压力差形成的。定义标准参考状态下的压力为标准 大气压，若土壤中任一点的土壤水分所受的压力不同于参考状态下的压力，则该 点存在附加势。对于饱和土壤，地下水面以下深度h 处的单位重量土壤水分的压 力势为： = h ( 2 1 3 ) 对于饱和土壤水，压力势0 。对于非饱和土壤水，考虑到通气孔隙的连 通性，各点所受的压力均为大气压，故各点的压力势为o 。但当非饱和土壤中存 在有闭塞的未充水孔隙时，其中与土壤水相平衡的气压可能不同于大气压，由此 产生的压力势称为气压势。闭塞气泡及相应气压势的存在，对土水分布状况有一 定影响，但目前研究一般不考虑此项。 ( 3 ) 、基质势 土壤水的基质势是由于土壤基质对土壤水分的吸持作用引起的，一般这种吸 持作用可以概括为吸附作用和毛细作用。以不含有土壤基质作用的自由水为标准 参考状态，除了土壤基质作用以外其他各项维持不变，则土壤水所做的功即为该 1 2 桂林理工大学硕士学位论文 点土壤水的基质势。非饱和土壤水的基质势永远为负，即 0 ；饱和土壤水的 基质势为零，即死= 0 土壤水基质对水分吸持作用的大小与土壤中所含水量的多少有关，因此非饱 和土壤水的基质势是土壤含水量。的函数。 ( 4 ) 、溶质势 溶质势是由于土壤溶液中所有形式的溶质对土壤水分综合作用的结果。参考 状态是以不含有溶质的纯水作为标准的，当土壤中任一点的土壤水含有溶质时， 该点土壤水分便含有一定的溶质势。土壤水溶液中的溶质对水分子有吸引力，实 施上述移动时必须克服这种吸持作用对土壤水做功，因此溶质势为负值。 ( 5 ) 、温度势 温度势是由于土中存在温度场的温差引起的。通常认为该项比较小，在一般 的分析中不考虑。 土水势的五个分势在实际问题中并不等同重要，溶质势和温度势通常不考 虑。所以在土体饱和带中，地下水具有的土水势为压力势和重力势之和，其总水 势若以总水头h 表示，则可写为： h = h + z( 2 1 4 ) 式中：卜静水压力水头，即压力势，等于地下水面以下深度； 川置水头，即重力势，等于该点到基准面的距离。 对于非饱和土壤水，在不考虑气压势的情况下，其总水头为重力势和基质势 之和，即： 矿= z ( 2 1 5 ) 若将以负压水头h ( 脚) 表示，则式( 2 1 5 ) 可写成与式( 2 1 4 ) 相同的形 式，这样相当于将两者统一起来，对于分析饱和一非饱和流动有利。此时一般称 基质势为负压势，或统称为压力水头h 。 2 3 2 饱和一非饱和渗流的基本方程 l 、饱和土壤水流动的d a r c y 定律 早在一个多世纪以前，法国工程师达西( h d a r c y ，1 8 5 6 ) 通过饱和沙层的 渗透试验，得出了通量q ( 单位时间内通过单位面积土壤的水量) 或者说渗透流速 v 和水力梯度成正比的d a r c y 定律： q 枷掣或y = 里a “祟= 材 ( 2 1 6 ) 式中：q 一渗流量5 a 一断面面积； 蝴透系数； 1 3 桂林理工大学硕士学位论文 卜测压管水头：h = p y + z ，p 为压强，