降雨对斜坡稳定性的影响

本科毕业论文 设计 题目 降雨对斜坡稳定性的影响 以南平市斜坡为例 姓 名 刘莹 学号 2114481 院 系 环境学院 专业 地下水科学与工程 指导老师 湖沉 职称 讲师 评 阅 人 赵锐 职称 2014 年 06 月 本科生毕业论文 设计 原创性声明本科生毕业论文 设计 原创性声明 本人以信誉声明 所呈交的毕业论文 设计 是在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果 论文中引用他人的文献 数据 图件 资料均已明确 标注出 论文中的结论和结果为本人独立完成 不包含他人成果及为获得中国 地质大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料 与我一同工作的同志 对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意 毕业论文作者 签字 签字日期 年 月 日 摘 要 斜坡失稳破坏是多山地区常见的一种自然灾害 而降雨是斜坡失稳破坏最重要的触发 因素 降雨通过以下方式影响斜坡的稳定性 降雨时 雨水入渗使原本的非饱和土变成饱 和土 孔隙水压力增大也即基质吸力减小 使斜坡的抗剪强度降低 其次 雨水入渗会增 加土壤的重度 加大下滑力 同时 长时间的雨水入渗会抬高地下水位 当地下水位达到 或超过潜在滑动面时 地下水会软化滑面从而降低斜坡的抗剪强度 在此文中 利用 Geostudio2007 软件主要分析降雨条件下 孔隙水压力的变化 也即基质吸力的变化 对 斜坡稳定性的影响 本文以福建省南平市西芹镇兴华街道后山比较有代表性的 区房后斜坡为例 首先对 其进行斜坡变形的宏观分析及敏感性因素的分析并计算得到天然条件下的斜坡稳定性系数 后取 区房后斜坡 28 28 号地质剖面 使用 Geostudio2007 软件建立了边坡饱和非饱和 降雨入渗有限元计算模型 得到不同降雨条件下雨水入渗时孔隙水压力的变化情况 并计 算得到不同降雨强度和不同降雨历时下的斜坡稳定性系数 进而分析降雨对斜坡稳定性的 影响 经过分析得到如下结论 1 区房后斜坡受降雨或者其他不利因素影响时 中上部岩土体仍存在崩塌或滑 坡的可能 计算结果表明 在天然情况下 此斜坡能基本保持稳定 稳定性系数为 1 294 2 在相同降雨时长的条件下 降雨强度越大 斜坡的稳定性系数减小得越快 但 在降雨强度大于雨水渗透系数时 各种不同降雨强度对斜坡稳定性的影响趋于相近 3 在相同降雨强度的条件下 降雨历时越长 斜坡的稳定性系数减小得越快 4 通过模拟斜坡监测点中孔隙水压力的变化可知 随着降雨的持续 孔隙水压力 会一直升高 而斜坡的稳定性系数下降 因此降雨引起的孔隙水压力增大是导致斜坡失稳 的重要原因 关键词 降雨入渗 斜坡稳定性 Geostudio2007 孔隙水压力 Abstract Slope instability and failure is a common natural disaster in mountainous areas and rainfall is the most important trigger factor Rainfall affects the slope stability in the following ways Firstly rainwater infiltration will make the original unsaturated soil become saturated soil so that pore water pressure increases ie matric suction decreases which will then reduce the shear strength of the slope Secondly rainwater infiltration will increase the soil s density and the pore water pressure and hence increase decline in force What s more prolonged rainfall infiltration will raise the water table and when the water table reaches or exceeds the potential sliding surface the groundwater will soften the slip surface which will reduce the shear strength In this paper Geostudio is used to analyze how the changes of pore water pressure affects the stability of slope This paper takes the example of a representative district slope in Fujian Province Nanping Xiqin town Xinghua Street The macro deformation of the slope and sensitivity factors are analyzed and the slope stability coefficient under the natural condition is calculated By using Geostudio a saturated unsaturated finite element model of rainfall infiltration is built in taking the 28 28 geological section of the district slope I get the results of changes in pore water pressure and slope stability coefficient under different rainfall intensity and duration Then I analyze the rainfall s impact on slope stability Following are the conclusions 1 district slope is possible to collapse or landslide in the upper and middle part of the slope after another rainfall or other unfavorable factors The calculation results show that under natural condition this slope can basically stay stable and the slope stability coefficient is 1 294 2 Under the same rainfall duration the higher the rainfall intensity the faster that slope stability coefficient decreases However when the rainfall intensity is greater than rainwater permeability coefficient the impact of various different rainfall intensity is the barely the same on the stability of the slope no matter what the rainfall intensity is 3 under the same conditions of rainfall intensity the longer that rainfall lasts the faster stability of the slope coefficient decreases 4 Through monitoring changes in simulated pore water pressure we can know that with rainfall continues pore water pressure increases and it leads to decrease of the slope stability coefficient Therefore increase in pore water pressure caused by rainfall is an important factor that triggers the slope instability Keywords rainfall infiltration slope stability Geostudio2007 pore water pressure 目目 录录 第一章第一章 前言前言 1 第一节 选题意义和依据 1 第二节 国内外研究现状 1 第三节 存在的问题和展望 2 第四节 研究内容及技术路线 3 第二章第二章 自然地理及地质概况自然地理及地质概况 5 第一节 自然地理条件 5 第二节 斜坡基本特征 6 第三节 斜坡岩土体特征 7 第三章第三章 斜坡稳定性分析斜坡稳定性分析 9 第一节 斜坡变形宏观分析 9 第二节 斜坡稳定性敏感因素分析 9 第三节 天然条件下的斜坡稳定性 10 第四章第四章 降雨条件下的斜坡稳定性对比分析降雨条件下的斜坡稳定性对比分析 13 第一节 基本原理 13 第二节 计算模型 15 第三节 数值模拟结果分析 26 第五章第五章 结论和建议结论和建议 30 第一节 结论 30 第二节 建议 30 致致 谢谢 31 参考文献参考文献 32 中国地质大学 武汉 学士学位论文 0 第一章第一章 前言前言 第一节 选题意义和依据 不稳定的斜坡在内 外力的作用下 易发生斜坡的变形破坏 斜坡的变形破坏给工程 建筑等带来的危害非常广泛 甚至造成生命财产的巨大损失 全世界各种典型实例不胜枚 举 影响斜坡稳定性的因素复杂多样 其中内因主要包括斜坡岩土类型 岩土体结构 地 质构造 水文地质条件 此外还有外因 例如风化作用 地表水和大气降水的作用 地震 人类工程活动等 其中降雨是影响斜坡稳定性和导致斜坡失稳的最主要和最普遍的环境因 素 每年降雨导致的斜坡失稳破坏引起了数以千计的死亡和建筑物的严重破坏 因此在滑 坡易发区建立模型并分析降雨对斜坡稳定性的影响是非常重要的 在许多案例中 陡峭土 坡上的滑坡都是由于降暴雨时雨水入渗到地下所引起的 增加的含水量导致了毛细吸力的 下降以及土壤重量的上升 这两个过程均导致了斜坡的失稳 以下为降雨引起的斜坡失稳 实例 2009 年 7 月 23 日 云南凤庆发生山体滑坡 根据专家组的考察测定 此次滑坡是由 于在不良地质条件下的连续降雨和库水位连续上升造成的 降雨降低了边坡稳定性 引起 滑坡 造成灾害 2010 年 9 月 1 日 云南保山市隆阳区发生山体滑坡 造成 20 户人家被 掩埋 据了解 此次灾害的主要原因 首先是滑坡体本身的地形地质条件不良 其次是此 地区之前大旱 后又出现降雨所致 2012 年 5 月 21 日 一场强降雨造成重庆市多处发生 山体滑坡事故 当地部分地区的交通因此而中断 2013 年 5 月贺州市出现长时间的强降 水过程 导致某段公路出现多处滑坡 2014 年 4 月 12 日 东乡县董岭乡出现山体滑坡现 象 致使几名施工人员被埋 经调查分析 该区地形本就险峻 近期连续的降雨触发了此 次滑坡 在我国 由于特殊的自然地理和地质条件所制约 斜坡地质灾害分布广泛 活动强烈 危害严重 是山区主要的工程动力地质作用 而降雨是引起滑坡的主要因素之一 因此有 必要对降雨和斜坡稳定性的关系进行研究 2010 年 6 月 12 日至 6 月 25 日 福建省南平市出现长时间的持续性暴雨过程 过程 降雨量达到 252 6mm 西芹镇兴华街道后山山坡多处发生山体滑坡 崩塌等地质灾害 滑坡体导致兴华二路部分路段被埋 个别民房毁坏 严重威胁当地居民生命财产安全 影 响交通要道的畅通 本文以南平市西芹镇兴华街道 区房后斜坡为例 用 Geostudio2007 软件的 SLOPE W 模块和 SEEP W 模块耦合计算各种不同降雨条件下斜坡的稳定性系数 通过对比稳定性系数的大小以及孔隙水压力的变化情况来分析降雨对斜坡稳定性的影响 第二节 国内外研究现状 中国地质大学 武汉 学士学位论文 1 广义滑坡 即各类滑坡 崩塌 泥石流 可因多种外界因素的刺激而发生 如地震 火山 河流冲刷 融雪 降雨及不良人类活动等 其中以降雨诱发的滑坡 通常称为降雨 型滑坡 在世界上分布最广 发生频率最高 给人类造成的危害最大 由于斜坡的变形破 坏常威胁到人们的生命安全并会对经济活动带来巨大损失 而降雨又是引起斜坡失稳破坏 最重要的外界因素 因此关于降雨对斜坡稳定性影响的研究正日益受到重视 各国都有很 多公开出版的相关研究文献 1999年吴宏伟和陈守义等分析了七个不同的因素对由于雨水入渗引起的斜坡暂态渗流 场的影响 他们用有限元法对一个非饱和斜坡进行数值模拟 得到的结论是降雨强度 历 时以及雨型对斜坡稳定性有较为明显的影响 土体的渗透系数影响显著 斜坡中相对隔水 层的存在等因素对其也有影响 2003 年张华 陈善雄通过对一维及二维非饱和土的降雨入渗分析及数值模拟 研究 结果是 Richards 模型能很好地模拟二维降雨入渗过程以及地下水在土体中的运动 降雨入 渗首先会使土体中压力升高 然后湿润锋面并向下推进 到达地下水面时会使地下水位抬 升 水在土体中运动分为入渗 水分重分布和排水三个过程 2003年兰恒星 周成虎等人以香港某地区降雨引起的浅层滑坡为例 在GIS的支持下 分析了瞬时降雨响应模型造成的瞬时孔隙水压力响应规律及滑坡危险性的时空分布特征 研究结果为短期集中降雨所引起的瞬时孔隙水压力变化是导致斜坡失稳的主要影响因素 降雨对浅层的低渗透性斜坡的稳定性影响很大 但对浅层的渗透性较好的斜坡稳定性影响 较小 2007年在降雨对斜坡失稳的影响作用探讨一文中 高晓斐 陈植华等人讨论了降雨作 用引发斜坡失稳的机理 并以施家梁子滑坡东变形体为实例进行分析 得出水的作用会增 加斜坡体的下滑力同时会降低斜坡体的基质吸力 有效粘聚力及有效内摩擦角 从而降低 斜坡体的抗剪强度 2010年程彬等采用了Geostudio软件中的边坡稳定性分析模块Slope W 渗流分析模块 Seep W和应力应变分析模块Sigma W对陕西一边坡为进行了应力场与渗流场的耦合分析 及安全系数的计算 结论为斜坡稳定性在进行了应力场与渗流场的耦合时更符合实际 2013年程思 王运生在有限元法分析降雨条件下斜坡稳定性一文中采用工程地质条件 分析和有限元分析法 进行了华蓥市马鞍坪滑坡的滑坡体在降雨条件下渗流与稳定性分析 结果表明降雨与斜坡稳定性的关系十分密切 降雨量是此区斜坡失稳下滑的主要触发因素 并且不同的降雨量对斜坡稳定性具有不同的影响 2013年陈芳和田凯在降雨入渗作用下土质斜坡稳定性的数值分析一文中 运用有限元 软件建立了一个数值模型 分析降雨入渗对斜坡稳定性影响 经过分析得到降雨入渗会使 斜坡中的非饱和土变成饱和土 减小了土壤的基质吸力 降低其抗剪强度从而影响斜坡的 稳定性 第三节 存在的问题和展望 1 虽然关于降雨对斜坡稳定性影响的研究成果很多 但是仍有些机理没有完全弄 中国地质大学 武汉 学士学位论文 2 清楚 很多文献都针对研究降雨入渗引起土壤基质吸力的变化导致的斜坡失稳 而各个不 同研究方向的耦合分析是研究降雨型滑坡非常重要的一点 但是关于斜坡内具体的物质组 成等一些岩土体的变化研究得不够深入 2 二维饱和非饱和渗流控制方程 含水量变化方程等一些分析地下水渗流方面的 研究方程或者理论很多都是建立在许多假设条件下对实际情况进行的分析 3 Geostudio2007 有限元分析软件能耦合分析降雨和斜坡稳定性关系 由于计算机 的飞速发展 以后完善的数值模拟技术和坚实的理论基础的结合将能更好地解决许多实际 问题 第四节 研究内容及技术路线 1 4 11 4 1 研究内容研究内容 国内外许多学者对降雨与滑坡的关系进行了卓有成效的探索 他们在实验室中建模 使用数值模拟方法和在野外进行调查 研究说明了斜坡稳定性和降雨之间有一定的联系 并且针对不同的方面探讨了降雨对斜坡稳定性的影响 例如 许多非饱和土滑坡经常在降 雨季节发生 降雨引起斜坡失稳破坏是由于雨水入渗到土壤中 改变了颗粒间的摩擦力和 有效应力 降雨强度的不同 降雨持续时间的不同等对不同渗透性系数的斜坡会产生不同 的影响 这些研究成果为后人进行更深入的研究奠定了坚实的基础 本文主要研究了以下 内容 1 通过对研究区前期资料的整理收集和成果汇总分析 掌握研究区地形地貌 水文 气象 构造 第四系土层结构等相关基础资料 分析外部环境和含水介质的特征 2 对南平市西芹镇兴华街道后山滑坡 区房后斜坡的资料进行相关分析 完成斜坡 变形宏观分析及敏感性因素的分析 并使用简化Bishop法计算得到天然条件下的斜坡稳定 性系数 3 根据资料设计不同工况 运用Geostudio2007软件建立降雨入渗模型 得到不同降 雨条件下孔隙水压力随时间的变化 计算不同降雨条件下的斜坡稳定性系数 并对其进行 对比分析 进而得出降雨会影响斜坡稳定性的结论 1 4 21 4 2 技术路线技术路线 本人在前人研究的基础上 搜集了南平市西芹镇兴华街道后山滑坡的资料 进行了 区房后斜坡变形的宏观分析和敏感性因素的分析 并选取某一典型斜坡地质剖面 本文为 28 28 剖面 利用简易 Bishop 法计算了此剖面在天然条件下 降雨量为零时 的斜坡 稳定性系数 之后通过使用 Geostudio2007 软件建立数值模型 耦合 SEEP W 非饱和土渗 流模块和 SLOPE W 斜坡稳定性模块得到不同条件下雨水入渗时孔隙水压力的变化 并在 SLOPE W 模块中同样使用简易 Bishop 法计算不同降雨强度和不同降雨持续时间下的斜坡 稳定系系数 再通过对比不同条件下孔隙水压力随时间的变化来分析降雨是如何对斜坡稳 定性产生影响 并给出几条今后的研究建议 中国地质大学 武汉 学士学位论文 3 图 1 1 技术路线图 收集研究区有关地 质 地貌 及自然 地理条件等资料 获取地下水水位 线等相关要素的 资料 进行斜坡变形的 宏观分析及敏感 因素的分析 使用软件对所选 滑坡区进行建模 选取不同降雨 条件的工况 计算得到不同工况下 的斜坡稳定性系数 分析降雨对斜坡 稳定性的影响 计算天然条件下 斜坡稳定性系数 得到不同降雨条 件下孔隙水压力 随时间的变化图 中国地质大学 武汉 学士学位论文 4 第二章第二章 自然地理及地质概况自然地理及地质概况 第一节 自然地理条件 2 1 12 1 1 地理位置地理位置 西芹镇隶属于福建省南平市延平区 位于延城中心区 10 公里 人口 7 1 万 地理坐 标为北纬 26 51 26 50 东经 117 50 118 20 境内自然资源丰富 交通方便 205 316 国道和京福衢南高速公路及鹰厦铁路纵横交汇 经济持续稳步发展 2010 年 全镇实现农业总产值 4 35 亿元 工业总产值 9 48 亿元 图 2 1 西芹镇地理交通图 2 1 22 1 2 气象水文气象水文 该区域属中亚热带季风气候 全年温暖潮湿 四季分明 根据本地区多年资料 该区 雨量充沛 属我省丰水区 年平均降雨量 1656mm 最大年降水量 2255mm 最小年降水 量 1131mm 过程最大降雨量为 252mm 按降水量划分 2 3 月为春雨季 4 6 月为夏 雨季 又称梅雨季 约占全年降雨量的 52 降雨量最多的是 6 月中旬 平均为 141 2 毫米 7 9 月为第二雨季 主要是台风雷雨 雨日 30 天左右 雨量 340 毫米左右 多年 月平均降雨量 134 08 毫米 占年雨量 8 3 10 月 次年 1 月为旱季 多年平均气温 7 月 最高 达 28 4 最低位 1 月 为 10 2 年平均气温为 19 2 中国地质大学 武汉 学士学位论文 5 第二节 斜坡基本特征 2 2 12 2 1 斜坡地形地貌斜坡地形地貌 区房后斜坡位于路侧开挖斜坡往南约 75m 4 幢民房后方开挖坡体 斜坡总长约 55m 开挖成台阶状 最顶部标高 108 5m 110 8m 坡脚标高 79 10m 高差约 30m 坡 顶为兴华街道山体后山 山顶坡面平缓延长 坡度约为 20 坡面共分 6 级开挖而成 每级高 2 7m 不等 坡度 40 坡脚 4 幢民房距离开挖坡面 2 5m 3 5 层 砖混结构 民 房前方为兴华街道 图 2 2 区房后斜坡 2 2 22 2 2 斜坡空间形态斜坡空间形态 区房后斜坡在 2010 年持续暴雨期间发生坡面崩塌 表层残坡积粘性土及坡面灌木 一并下滑 崩塌体总宽度约 60m 上下高差达 40m 崩塌体厚 1 5m 估算下滑土方量约 4000m3 崩塌体直接危及到坡脚 4 幢民房内居民的安全 目前房后坡面分 6 级开挖成台阶 状 每级高 2 7m 不等 总体坡度 40 2 2 32 2 3 斜坡物质组成及结构特征斜坡物质组成及结构特征 根据野外对 区房后斜坡现有槽探开挖情况看 区房后斜坡崩塌体主要由表层残坡 积粘性土组成 厚 1 5m 不等 坡面灌木随同崩塌体一并滑落 2 2 42 2 4 斜坡水文地质斜坡水文地质 斜坡水文地质条件较简单 以主山脊为分水岭 以各山沟为主要通道 坡面降雨顺地 中国地质大学 武汉 学士学位论文 6 形汇集于各山沟中 由西向东径流 排泄于坡脚 一 场地地下水类型 根据地层岩性及地下水在含水介质中的赋存特征判断 地下水类型以孔隙水和基岩裂 隙水为主 孔隙水分布于表层残坡积粘性土中 主要接受大气降水补给 由坡顶向坡脚渗 透 含水量受季节 降雨量影响较大 基岩裂隙水赋存于下伏黑云母二长花岗岩节理裂隙 和风化裂隙中 主要补给来源为大气降水 上部土层垂直补给与临近基岩裂隙水的侧向补 给 多为潜水类型 路侧滑坡西南侧坡脚见有泉眼出露 流量约 0 09L s 1 松散岩类孔隙含水岩组 场地松散岩类孔隙含水岩组主要为表层残坡积粘性土 地下水以孔隙水的形式赋存于 孔隙中 富水性较差 主要接受大气降水补给 短途迳流 由坡顶往坡脚排泄 为弱透水 层 2 基岩裂隙含水岩组 场地基岩裂隙水主要赋存于花岗岩的节理裂隙和风化裂隙中 富水性差 主要补给来 源为大气降水 上部含水层补给及临近基岩裂隙水的补给 短途迳流 向地势低洼处排泄 为弱透水层 二 地下水水位 勘查期间在部分勘探孔内测得地下水位稳定水位埋深为 0 50 31 20m 稳定水位标高 为 114 81 125 92m 水位年变幅约 5 2m 没有 区房后斜坡地下水水位埋深的数据 表 2 1 场地地下水水位埋深 孔号孔位水深孔号孔位水深孔号孔位水深 ZK19 1 00 ZK20 0 50 ZK21 0 80 ZK23 13 50 ZK24 15 0 ZK30 12 40 ZK33 3 90 ZK37 16 70 ZK38 11 40 ZK39 15 20 ZK41 15 80 ZK43 17 80 ZK46 21 50 ZK47 31 20 ZK48 14 0 ZK49 18 30 ZK50 16 80 ZK51 28 40 ZK52 9 20 第三节 斜坡岩土体特征 根据钻孔揭露情况 场地岩土体自上而下可分为 残坡积粘性土 全风化花岗岩 散 体状强风化花岗岩 碎块状强风化花岗岩 中风化花岗岩 第一层为残坡积粘性土 厚度大约在 1 40 18 40m 左右 场地内均有分布 呈红褐 色 成份主要为长石风化的粘粉粒 石英颗粒 粘性一般 韧性中等 干强度中等 无摇 振反应 稍有光泽 第二层为全风化花岗岩 厚度大约在 2 20 13 40m 左右 场地内均有分布 呈黄褐 色 矿物已基本风化为土状 有残余强度 属极软岩 极破碎岩体 岩石基本质量等级为 中国地质大学 武汉 学士学位论文 7 类 第三层为散体状强风化花岗岩 厚度大约在 2 0 36 90m 左右 场地均有分布 民房 后方及路侧滑坡坡脚局部有出露 整体呈 灰黄色 褐黄色 呈散体状 大部分矿物成份 显著变化 花岗结构 具有泡水易软化 崩解 强度降低的特点 属极软岩 岩石基本质 量等级为 类 第四层为碎块状强风化花岗岩 厚度大约在 0 4 11 40m 左右 场地均有分布 局部 民房后方有出露 整体呈 灰白色 矿物成份友长石 石英 云母组成 岩芯呈碎块状 岩石坚硬程度为较软岩 岩石基本质量等级为 类 第五层为中风化花岗岩 场地均有分布 整体呈 灰白 浅灰色 由长石 云母 石 英 角闪石组成 中粗粒花岗结构 节理 裂隙较发育 岩芯呈短柱状 岩石坚硬程度属 较软岩 岩体基本质量等级为 级 中国地质大学 武汉 学士学位论文 8 第三章第三章 斜坡稳定性分析斜坡稳定性分析 斜坡稳定性评价方法可分为两大类 即定性评价和定量评价 定性评价方法包括成因 历史分析法 工程地质类比法 赤平投影作图法等 定量评价方法包括极限平衡计算法 有限元分析法 破坏概率计算法等 本章选取 区房后斜坡进行斜坡变形宏观分析及敏感 性因素的分析 并使用简易 Bishop 法计算天然条件下斜坡的稳定性系数 第一节 斜坡变形宏观分析 由于地质条件的复杂性和人们认识事物的局限性 工程地质定性评价在斜坡稳定性评 价中仍然占有极其重要的地位 区房后斜坡现状 坡顶 坡脚未见变形迹象 但受雨水 冲刷影响 坡面可见多条冲沟 且开挖坡体总高约 30m 坡面岩土体裸露 仅在坡体下部 用简易干砌挡墙进行支挡 受降雨等不利因素影响 中上部岩土体仍存在崩塌或滑坡的可 能 如图所示 区斜坡失稳破坏后的斜坡坡度仍然较大 并且坡面岩土体裸露 在降雨 尤其是暴雨时 雨水入渗冲刷引起再次的滑坡崩塌可能性很大 图 3 1 区斜坡失稳破坏后 第二节 斜坡稳定性敏感因素分析 3 23 2 1 1 地形地貌地形地貌 中国地质大学 武汉 学士学位论文 9 兴华街道后山山体属于侵蚀剥蚀丘陵地貌 地势西南高 东北低 高差起伏较大 尤 其是原滑坡 泥石流处坡面 大都三面环山 一面出口 两侧及后缘坡度陡 中间坡度较 缓 空间上呈向下倾斜的簸箕状 漏斗状 形成有利的汇水条件 降雨时 坡面雨水能迅 速汇集到下部沟口 且沟口又直对民房 区房后斜坡开挖呈台阶状 总体高差约 30m 但上部台阶开挖坡度 57 65 仍无法满足放坡稳定坡度要求 3 23 2 2 2 岩土体特征岩土体特征 场地覆盖层表面主要由残坡积粘性土构成 土层厚度较厚 多在 1 40 18 40m 区 最厚 6 20m 呈可塑 硬塑状态 当遭遇降雨时 雨水渗入坡体 软化各岩土层 受雨水 软化后 岩土层物理力学性质降低 尤其表现为 C 值粘聚力的下降 不利于斜坡的稳定 3 23 2 3 3 降雨降雨 降雨是影响斜坡稳定的重要外界因素 南平市延平区年平均降雨量约 1664mm 最大 过程降雨量可超过 150mm 在 2010 年 6 月中旬遭遇百年一遇的短时性特大暴雨 13 天内 降雨量达 684 8mm 其中典型特大暴雨有 6 月 18 日延平大横 12 点至 13 点的 1 小时降雨 量达到 61 5mm 降雨一方面渗入岩土体 增加了土体的重量 加大下滑力 另一方面受 雨水浸泡 岩土体的力学强度降低 从而降低了斜坡的稳定性 也就是在这一轮强降雨后 斜坡发生了滑塌地质灾害 可以说强降雨是此次边坡产生滑塌地质灾害的主要外在诱因 3 23 2 4 4 人类工程活动人类工程活动 在斜坡区域的勘查中发现对斜坡有产生影响的常见人类工程活动为居民日常耕作和对 原始山体坡脚进行大面积的开挖 区域内山体坡面普遍被居民来当日常耕作用地 种植蔬 菜 毛竹 灌木等浅层根茎农作物 一方面破坏了山坡的植被覆盖 另一方面日常劳作中 需要对山坡表层土体进行松动 致使山坡表层土体孔隙增大 有利于雨水的渗入 对斜坡 稳定影响最大的人类活动是对原始山体坡脚进行大面积的开挖 使得山体坡脚形成高陡临 空面 破坏了原始山体的应力平衡 不利于边坡的稳定 第三节 天然条件下的斜坡稳定性 本节通过简易Bishop法来计算天然条件下 降雨量为零 斜坡的稳定性并对其进行简 单分析 瑞典条分法忽略了土条侧面的作用力 算出的安全系数可能偏低10 20 这种 假定方法不是很精确 它是将不平衡的问题按极限平衡的方法来考虑并且未能考虑有效应 力下的强度问题 在同样的边坡条件下 简化Bishop法的安全系数一般比瑞典条分法高 6 7 在此先介绍简易Bishop法的基本原理 假定滑动面是以圆心为O 半径为R的圆弧 从中任取一土条i为分离体 其分离体的 周边作用力为 土条的重力Wi 切向力Ti和法向反力Ni 土条侧面作用法向力Pi Pi 1和切 向力Hi Hi 1 根据静力平衡条件和极限平衡状态时各土条力对滑动圆心的力矩之和为零 中国地质大学 武汉 学士学位论文 10 整理得到Bishop法的公式为 3 ii iiiii i W HWbc m F sin tan 1 1 其中 3 F m ii ii tansin cos 2 图 3 2 毕肖普法条块作用力分析 简化Bishop法中土坡稳定系数是指整个滑动面上土的抗剪强度 f与实际产生的剪应力 之比 考虑了各土条侧面间存在的作用力 但忽略了条间切向力 即 3 01 iiiHHH 3 将式3 3带入式3 1 于是 式3 1进一步简化为式3 4 3 ii iiii i W Wbc m F sin tan 1 4 选取 区房后斜坡 28 28 剖面 此剖面实际长度为 280m 以 5m 为单位剖分土条 每隔 5m 搜索新圆心 以 5m 为半径画圆弧滑面 场地岩土体物理力学指标值见下表 再 以上述简易 Bishop 公式来计算 得到此剖面的斜坡稳定性系数为 F 1 294 因此 区房 后斜坡在天然条件下 采用天然参数 处于基本稳定状态 表 3 1 场地岩土体物理力学指标值 名称天然重度 kN m3粘聚力 C kPa 内摩擦角 坡残积粘土层191620 中国地质大学 武汉 学士学位论文 11 全风化花岗岩层201525 散体状强风化花岗岩层213024 碎块状强风化花岗岩层213228 中风化花岗岩层 图 3 3 区房后斜坡 28 28 地质剖面图 中国地质大学 武汉 学士学位论文 12 第四章第四章 降雨条件下的斜坡稳定性对比分析降雨条件下的斜坡稳定性对比分析 Geostudio2007软件是加拿大GEO SLOPE公司开发的一款应用于岩土 环境 交通等 领域的仿真软件 其中使用得最多的是SLOPE W SEEP W SIGMA W模块 本章内容 中 SEEP W模块用来模拟不同的降雨条件 并得到孔隙水压力随时间变化的曲线图 SLOPE W模块能够运用多种不同方法计算斜坡的稳定性 并具有引入SEEP W模块的功 能 因此将SLOPE W模块与SEEP W模块耦合 计算得到不同降雨条件下斜坡的稳定性 系数 并对其计算结果进行对比 同时根据孔隙水压力随时间变化的曲线图分析降雨对斜 坡稳定性的影响 并分析是如何影响斜坡的稳定性的 图 4 1 本章流程图 第一节 基本原理 4 1 14 1 1 SEEP WSEEP W的基本原理的基本原理 SEEP W是一款分析地下水渗流的有限元软件 它不仅可以分析简单的饱和土渗流也 可以分析与时间相关的饱和 非饱和土渗流问题 通过分析在时间变化下的孔隙水压力从 而可以研究斜坡稳定性和时间的关系 水在饱和土及非饱和土中的渗流均符合达西定律 与在饱和土中的渗流不同 水在非 饱和土中渗流的渗透系数K不再是一个常数 而是一个随着土壤含水率或者土壤基质吸力 变化的函数 下式为二维饱和一非饱和渗流控制方程 由水流的连续性条件和达西定律相 结合得出 4 1 t H hCQ z H hKz zx H hKx x 式中 H 水头 x z 相对水平距离和高程 t 时间 SEEP W 模块 模拟降雨功能 同时得到孔隙 水压力随时间 的变化 与 SLOPE W 模块耦合 计算出不同 工况下斜坡 的稳定性系 数 分析在不同的 工况下 降雨 条件和斜坡稳 定性系数变化 的关系 分析降雨是 通过影响斜 坡的哪些方 面如何影响 斜坡稳定性 中国地质大学 武汉 学士学位论文 13 Q 流量边界条件 Kx h Kz h 水平方向和垂直方向的渗透系数 在渗流计算中假设渗透系数各向 相等 即 Kx h Kz h K h h 为用水头表示的基质吸力 当 H z 时 坡体处于非饱和阶段 如果 h 不超过设定 的最大基质吸力 hmax h z H 否则 h hma 当 Hz 时 坡体处于饱和阶段 h 0 C h 比水容重 非饱和条件下为土水特征曲线 SWCC 中单位基质吸力的变化引 起的含水量变化 4 2 h hC 式中 C h 代表非饱和土的储水能力 为体积含水量 4 1 24 1 2 SLOPE WSLOPE W的基本原理的基本原理 SLOPE W是一款计算斜坡稳定性系数 分析斜坡稳定性的软件 该软件能准确 快 速地求解各种不同危险滑动面和最小安全系数 最符合的滑动面则再根据经验和实际情况 选取 SLOPE W采用的是极限平衡法 条分法 条分法的基本原理为将滑动土体竖直分 成若干土条 把土条当成刚体 分别求作用于各土条上的力对圆心的滑动力矩和抗滑力矩 土坡的稳定安全系数Fs为抗滑力矩除以滑动力矩 SLOPE W中常使用的方法有Ordinary法 简易Bishop法 Janbu法 Morgenstem Price法 Spence法和GLE分析方法 各个方法的静 力平衡条件和土条间力的性质如下表所示 本章使用SLOPE W计算斜坡稳定性的时候采 用的是简易Bishop法 表 4 1 静力平衡条件 方法是否有法向力 E 是否有切向力 X X E 性质和关系 Ordinary 法否否没有条间力 简化的 Bishop 法是否水平 简化的 Janbu 法是否水平 Spencer 法是是固定值 Morgenstem Price 法 是是变量 用户定义 表 4 2 土条间力的性质和关系 方法是否满足力矩平衡是否满足力平衡滑动面形状 Ordinary 法是否圆弧 简化的 Bishop 法是否圆弧 简化的 Janbu 法否是任意 Spencer 法是是任意 Morgenstem Price 法 是是任意 中国地质大学 武汉 学士学位论文 14 第二节 计算模型 本节首先使用 Geostudio2007 软件的 SEEP W 模块 通过导入 CAD 中的斜坡剖面图 建立计算模型 对不同岩层进行分区并进行参数赋值 主要参数为饱和渗透系数 饱和体 积含水量和残余含水量 并添加边界条件和初始条件 最重要的步骤是选取不同降雨条 件的工况 通过考虑 选择了如下几种工况 降雨时长均为 5 天 降雨强度分别为 50 mm d 100 mm d 200 mm d 降雨时长均为 10 天 降雨强度分别为 50 mm d 100 mm d 200 mm d 之后再在 SEEP W 模块下建立 SLOPE W 模块 在 SLOPE W 模块 中对不同的岩层进行参数赋值 主要参数为天然重度 粘聚力和内摩擦角 最后通过耦 合两个模块计算出不同条件下的斜坡稳定性系数 4 2 14 2 1 基本模型基本模型 选取 区房后斜坡 28 28 剖面图 基于下图所示水文地质概化模型采用二维渗流问 题有限元分析程序进行暂态的饱和一非饱和渗流计算 图 1 为入渗模型的地质概化剖面斜 坡 图 2 为渗流计算采用的有限元网格模型 此层状非均质斜坡计算模型从上到下一共分 层残坡积粘性土层 全风化花岗岩层 散体状强风化花岗岩层 碎块状强风化花岗岩层 中风化花岗岩层 网格剖分时大小约为 1m 剖分得到有限元网格模型共有节点 2218 个 单元 2178 个 中国地质大学 武汉 学士学位论文 15 图 4 2 区房后斜坡模拟地质剖面图 图 4 3 边坡饱和非饱和降雨入渗有限元计算模型 中国地质大学 武汉 学士学位论文 16 4 2 24 2 2 计算参数计算参数 一 饱和渗透系数 饱和体积含水量及残余含水量 坡残积粘土层中的渗透系数通过现场渗坑实验确定 由于只在 区和 区做过渗坑实 验 区的渗透系数只能够根据 区和 区的数据来估算 而全风化花岗岩层 强风化花 岗岩层及中风化花岗岩层的渗透系数没有确定 因此只能依靠经验值估算 表 4 3 场地渗透系数估算值 名称渗透系数 m days 坡残积粘土层 0 05 全风化花岗岩层 0 1 散体状强风化花岗岩层 0 02 碎块状强风化花岗岩层 0 005 中风化花岗岩层 0 003 残坡积粘性土和全风化花岗岩层 强风化花岗岩层以及中风化层的饱和体积含水量及 残余含水量由实验室的土工试验结果得到 表 4 4 场地饱和体积含水量及残余含水量 名称饱和体积含水量 m 3 m3残余含水量 m3 m3 坡残积粘土层 0 60 28 全风化花岗岩层 0 60 15 散体状强风化花岗岩层 0 40 16 碎块状强风化花岗岩层 0 30 11 中风化花岗岩层 0 30 12 二 场地岩土体物理力学指标值 建立 SLOPE W 模块时需要给每层赋值 最重要的三个指标是天然重度 粘聚力和内 摩擦角 各值见第三章第三节表 3 1 场地岩土体物理力学指标值 三 各土层的土水特征曲线 土水特征曲线的研究非常重要 因此很多学者提出了大量有关土水特征曲线的数学模 型 其中以 Fredlund Xing 模型及 Van Genuchten 模型效果较好 1 Fredlund Xing 模型原理 通过对土体孔径分布曲线的研究 用统计分析理论推导出非饱和土体积含水率与基质 吸力之间的对数函数型式的土水特征曲线 其归一化表达式如下 中国地质大学 武汉 学士学位论文 17 4 mnrs r n a e ln 1 3 式中 为基质吸力 为与基质吸力 相对应的体积含水率 其取值范围为 r s r 和 s分别为残余含水率和饱和含水率 n为归一化的体积含水率 有效饱和度 a n m 为拟合参数 a 是与进气值有关的吸力值 对应于曲线的拐点 n 是与孔径分布 有关的参数 对应于曲线的斜率 m 是与曲线拐点处的不对称性有关的参数 e 为自然 对数的底 2 Van Genuchten 模型原理 通过对土水特征曲线的研究 得出非饱和土体积含水率与基质吸力之间的幂函数形式 的土水特征曲线 其归一化表达式如下 4 mnrs r n a 1 1 4 通过阅读文献 Fredlund Xing 模型可较好地表征非饱和粘性土土壤含水量和基质吸 力的相关关系 文献中从拟合曲线可知 Fredlund Xing 模型和 Van Genuchten 模型在大部 分含水量范围内与试验数据吻合较好 但在接近于完全干燥状况时 Fredlund Xing 模型 计算的含水量接近于 0 更符合理论情况 而此时 Van Genuchten 模型的误差较大 因此 本文 在使用 Geostudio2007 软件 有 Fredlund Xing 模型和 Van Genuchten 模型这两种选项 设 置参数计算时 选择的是 Fredlund Xing 模型 以下为各个土层的含水率与基质吸力的关 系图 也即土水特征曲线 中国地质大学 武汉 学士学位论文 18 图 4 4 第一层岩土层土水特征曲线 图 4 5 第二层岩土层土水特征曲线 图 4 6 第三层岩土层土水特征曲线 图 4 7 第四层岩土层土水特征曲线 中国地质大学 武汉 学士学位论文 19 图 4 8 第五层岩土层土水特征曲线 4 2 34 2 3 计算模型中的边界条件和初始条件计算模型中的边界条件和初始条件 根据第二章的地下水水位埋深表大概画出相应的地下水水位线 模型的左侧边界为分 水岭 将其设置为零流量边界 模型底部为不透水层边界 也设为零流量边界 模型的右 侧设置潜在渗流面 potential seepage pace 斜坡表层设置降雨条件 见图 4 3 降雨条 件分别按如下几种工况设置 降雨时长均为 5 天 降雨强度分别为 50 mm d 100 mm d 200 mm d 降雨时长均为 10 天 降雨强度分别为 50 mm d 100mm d 200 mm d 4 2 44 2 4 计算结果计算结果 将 SEEP W 和 SLOPE W 进行耦合 计算得到不同工况下的斜坡稳定性系数 最符 合的滑面是根据滑坡的云图和实际情况进行的估计 表 4 6 不同工况下第十天的斜坡稳定性系数 工况 降雨时长为 5 days 最符合滑面第十天的稳定性系数 Bishop 工况一 降雨强度 50 mm days13 号 1 11 工况二 降雨强度 100 mm days13 号 1 06 工况三 降雨强度 200 mm days13 号 1 059 工况 降雨时长为 10 days 最符合滑面第十天的稳定性系数 Bishop 工况四 降雨强度 50 mm days13 号 1 027 工况五 降雨强度 100 mm days13 号 1 002 工况六 降雨强度 200 mm days13 号 1 001 中国地质大学 武汉 学士学位论文 20 一 工况一 降雨强度为 50 mm days 模拟时间从第一天至第十天 降雨从第三天开始持续到第 七天 图 4 9 工况一地下水渗流 图 4 10 工况一斜坡稳定性 图 4 11 工况一斜坡稳定性系数随时间变化 图 4 12 工况一斜坡孔隙水压力随时间变化 表 4 7 工况一斜坡稳定性系数 Time days 12345678910 Factor of Safety 1 1791 2051 2021 1931 1831 1691 1511 1351 1211 11 中国地质大学 武汉 学士学位论文 21 二 工况二 降雨强度为 100 mm days 模拟时间从第一天至第十天 降雨从第三天开始持续到 第七天 图 4 13 工况二地下水渗流 图 4 14 工况二斜坡稳定性 图 4 15 工况二斜坡稳定性系数随时间变化 图 4 16 工况二斜坡孔隙水压力随时间变化 表 4 8 工况二斜坡稳定性系数 Time days 12345678910 Factor of Safety 1 1791 2051 1971 1851 1681 1421 111 0851 071 06 中国地质大学 武汉 学士学位论文 22 三 工况三 降雨强度为 200 mm days 模拟时间从第一天至第十天 降雨从第三天开始持续到 第七天 图 4 17 工况三地下水渗流 图 4 18 工况三斜坡稳定性 图 4 19 工况三斜坡稳定性系数随时间变化 图 4 20 工况三斜坡孔隙水压力随时间变化 表 4 9 工况三斜坡稳定性系数