《降雨及边坡稳定性》PPT课件

,边坡的稳定性分析,我国是世界上滑坡灾害最严重的国家之一，每年我国的自然灾害滑坡灾害占据了很大的比例。造成的经济和人员的损失仅次于地震，但滑坡波及的范围和发生的频率却远远高于地震。虽然滑坡的研究已有100多年的历史，但是由于滑坡地质过程、形成条件、诱发原因的复杂性、多样性及变化的随机性等，再加上现在的检测技术和滑坡的预报系统不成熟，从而要准确的预报滑坡发生的时间和地点目前还是十分困难的。,据我国国土资源部统计，2011年全国地质灾害通报中，全国发生地质灾害15664起，其中滑坡11490起，占全国地质灾害的73%。自然因素引起的占89%，人为因素引起的占11%。其中根据统计全年死亡失踪10人以上和直接经济损失1亿元以上的重大灾害中，滑坡灾害占四起。如：甘肃省临夏州东乡县县城撒尔塔广场发生滑坡直接经济损失4.43亿元；广西桂林市全州县咸水乡洛家村委广场坑漕采石场发生滑坡死亡22人，直,接经济损失350万元；陕西省西安市灞桥区席王街办石家道村白鹿塬北坡发生滑坡死亡32人，直接经济损失5200万元；河南省三门峡西陇海线观音堂至庙K780+200500m发生滑坡直接经济损失1亿元（如下图）。,据国家国土资源部统计全国发生的地质灾害大多数发生在59月，尤其是78月，13月和1012月较少。而59月发生的地质灾害占全年的90%以上，78月占70%以上。主要原因是我国78月这两个月暴雨偏多，降雨特别是暴雨、特大暴雨是引起地质灾害最主要的引发因素。因此做好滑坡的监测预报工作，减少人员伤亡，为国家减少经济损失。,近十年的地质灾害分析,通过分析近十年的地质灾害我们可以发现滑坡灾害造成的损失最大。下图为近十年中滑坡灾害所占的比例（图中2004年为中等以上的地质灾害数）。,从上面的图中我们可以看到在全国的地质灾害中滑坡是占据很大的比例的。同时我们根据国家每年发生的地质灾害造成重大损失的事件中滑坡也占有了很大的比例，给我国带来了重大的人员伤亡和经济损失。这些都说明了滑坡地质灾害预测的困难性、复杂性。下图为近十年来滑坡在全国地质灾害中所占的比例。,我们可以看到全国的地质灾害中平均60%以上都是滑坡引起的，因此滑坡仍然是我们现在要攻破的难题。,降雨是诱发滑坡的最主要的因素。主要是因为通过降雨一方面增加了坡体的重力，使土体的下滑力增大；另一方面由于降雨使坡体上的非饱和土逐渐向饱和土体过度，在这个过程中，土体的含水量逐渐增大，土体中的基质吸力逐渐减小，随着雨水的渗流使非饱和土逐渐形成饱和土或接近饱和土，这时土体中的基质吸力接近于零。这样大大的缩减了土体的抗剪强度，是土体的抗滑能力进一步降低，最终导致滑坡的发生。因此研究土体的含水率、基质吸力和雨水的渗流的过程对研究滑坡是非常的重要的。,非饱和土的强度理论,Fredlund等提出的非饱和土的抗剪强度公式中采用的是以孔隙气压力为基准的应力状态变量和为组合，利用这两个应力变量写成的剪切公式如下：,式中,含水率对基质吸力及非饱和土剪切强度的影响,要研究土体的含水率与土体的基质吸力之间的关系，我们应了解非饱和土的水土特征曲线。非饱和土特征曲线反映了它们之间的关系，通过研究非饱和土体的特征曲线我们可以更好的了解土体含水率对土体强度的影响。雨水的渗流是影响土体含水率的一个重要原因。雨水的渗流也是一个很复杂的，坡体上是否有植被和有什么样的植被、坡体上是否设置排水设施以及当地的气候条件对土体中,水分蒸发的影响等因素都影响着雨水的渗流。因此我们要根据实际的情况对降雨入渗过程中的各种因素进行分析研究。下面是我通过参阅相关资料，分别对非饱和土的特征曲线和降雨过程中土体的入渗蒸发的一些简单的总结。,一.非饱和土的土水特征曲线,土水特征曲线（SWCC）最先提到这个概念的是在土壤学中，是指土壤水的基质势或土壤水吸力是土壤含水率的函数，它们之间的关系曲线称为土壤水分特征曲线。土水特征曲线在非饱和土力学中具有重要意义，对于研究非饱和土的物理力学性质非常重要。在非饱和土中一般采用的应力状态是土的有效应力和基质吸力，基质吸力随着土的含水率而变化的，因此在非饱和土中我们研究土的含水量的变化就是研究基质吸力对非饱和土受力的影响。我们可以从SWCC中可以确定非饱和土的强度和渗透系数等。,1.1非饱和土的基质吸力的量测由非饱和土的力学理论我们知道，非饱和土中的基质吸力与渗流分析、抗剪强度、体变和沉降计算都有关。因此我们研究在边坡中非饱和土带的基质吸力随外界因素的变化对研究因降雨对滑坡的影响有重要意义,1.1.1观测井及观测目的,为了掌握滑坡的基质吸力的变化规律，特意在三峡库区泄滩滑坡上建立了基质吸力观测井，对非饱和带的基质吸力等进行长期系统的观测研究。观测竖井位于古滑坡的中部右侧。井口高程约为171.5m，井经2.5m，井深20m，其贯穿于整个非饱和带直至滑坡体的滑带。在井中安置了30个快拔型张力计和20个孔隙水压力计传感器，探头距离井壁11.5m，仪器之间的垂直距离为0.51.0m。井内有扶梯可供人上下读取数据。,张力计分三纵排布置，主要以S75E向的那一排为主，布置方向和大致延伸方向如右图所示。传感器与张力计并排，与真空表水平方向间隔大约20cm,如下图所示。张力计与传感器向下一直延伸到井底。观测从2002年10月开始，每日一次，至今仍在持续观测。,通过在三峡库区泄滩滑坡设置观测井，获取了坡体内不同深度的基质吸力、空隙水压力和滑坡区降雨量的大小，以及随时间和深度的变化情况。从观测中我们可以得到以下情况泄滩古滑坡体非饱和区基质吸力随深度的变化情况。泄滩古滑坡体非饱和区基质吸力随时间和季节的变化情况。泄滩古滑坡体非饱和区基质吸力随降雨的变化情况。泄滩古滑坡体非饱和区在吸湿过程中基质吸力的变化情况。,泄滩古滑坡体非饱和区在脱湿过程中基质吸力的变化情况。泄滩滑坡通过测量不同深度的基质吸力随降雨、孔隙水压力和时间的变化，分别做出了它们的变化曲线，从中得出了很多可靠数据。在滑坡监测中为了量测非饱和土的基质吸力而建立如此大规模的基质吸力监测竖井，在我国还是首例，即使在国外也是很少见的。,二、降雨入渗对滑坡体的影响,降雨使诱发滑坡的主要因素。根据“中国地质灾害数据库”记录在1949年1995年期间发生的滑坡灾害，其中有68.5%的滑坡都是有降雨诱发的。而在中国典型滑坡（孙光忠撰写）一书中的90多个滑坡实例中，有95%以上都是和降雨有关系。据我国有关部门的研究在突发性自然灾害中大多数都集中在雨季，也就是58月份是自然灾害的高峰期。,2011年7月5日，一场暴雨突袭了千百年来兵家必争之地陕西略阳。上午11时前后，5000方左右的滑踏体在略阳县城金亚路倾下，现场12间房屋瞬间被埋。略阳县民政局的统计数据显示，截至6日上午11时，这起山体滑坡事件已造成18人死亡，4人受伤，1人失踪，共有16个镇受灾，受灾人口达26400人，成灾人口7340人，农作物受灾面积达27480亩，成灾面积9416亩。,因短期的强降雨而引起的滑坡,在降雨的过程中，雨水入渗到边坡土体内是非饱和土的基质吸力降低，从而影响了边坡体的抗剪强度，影响了边坡的稳定性。降雨入渗边坡体到潜水面的过程中经历了一个有饱和-非饱和的渗流过程，在入渗过程中根据含水率的分布和分成四个区。随着降雨时间的变化首先在土体的最顶层形成了饱和带，雨水不断向下入渗过程中有形成了过渡带、传导层和湿润层，随着降雨量的不断增加，入渗时间的延续，各层会向下移，含水率曲线逐渐变得平缓。如下图,饱和带,过渡带,传导带,湿润层,湿润锋,0,s,Z,降雨入渗含水率的分布与分区,降雨渗入土体的强度主要由降雨的强度和土的入渗性能决定的。当外界的降雨强度大于土体的入渗强度的时候，入渗的强度就取决于土体的入渗强度，这样坡体的地表就会形成积水；当外界的降雨强度小于土体的入渗强度时，则入渗强度主要取决于外界的降雨强度，入渗过程中土体表面的含水率不断的上升，直到达到一个稳定的含水率值。,(z,0)=i(z)(t=0,z0),h(z,0)=hi(z)(t=0,z0),坡体入渗方程的定解条件,一般入渗求解的定解条件包括初始条件和边界条件初始条件,2.边界条件,降雨时地表不形成积水，土表的含水率为某一含水率时，即,在降雨的过程中，降雨强度不超过坡体的渗流强度时，地表不形成积水，即,或,式中R(t)降雨入渗强度。,(0,t)=0t0,z=0,当降雨量大于坡体的入渗强度时，没有排水设施的情况下，地表形成积水，成为压力入渗问题。即,其中，H(t)地表积水深度。,下边界条件当地下水埋深较小时，地下水作为边界条件时有：,由上面我们可以看出计算方法是很复杂的。,当地下水的水位波动较大时，埋深d是时间t的函数，这时地下水的负压为零。所以有：,当地下水埋深较大时，计算范围内的下边界含水率为初始含水率。所以有：,当下边界为不透水层时有：,降雨入渗的近似解,Green-Ampt模型的入渗解Green-Ampt模型是1991年提出的一种简化入渗模型，它是建立在毛管理论基础上的一种入渗模型。该模型是在土壤学中提到的，但在分析降雨入渗的过程中也可以用到。该模型假设土壤是由一束直径不相同的毛管组成，水在土体入渗的过程中，湿润锋面几乎是水平锋面，而且各个点的吸力水头均为Sm。锋面后面土体的含水率为均一的，所以k()也是常数，这种模型又叫活塞模型。,根据达西定理知,式中：H地面以上的积水深度；,Sm锋面处的土壤负压；,z锋面的推进距离；,上式表示在单位时间、单位面积流入土体的水量。有水量的平衡原理，流入土体的水量应等于土体内增加的水量,其中,于是二者建立等式并化简得,上式是tz之间的关系式，原则上是可以求得任何时刻t时入渗锋面所到达的位置，同时也可以求得该时刻的累计入渗量：,Green-Ampt入渗模型,z,q,Sm,H,0,0,s,同时可以得出t时刻的累积入渗量为,0,当地表没有积水时，即H时可得：,锋面推进的距离为,即入渗强度近似等于土体的饱和渗透系数。,上式Q对t求导可得入渗率即：,由上式可得当入渗的时间较长时，入渗率为,入渗线性化方程的近似解,为了简单起见，我们只考虑在垂直入渗的情况，可简化为z轴方向的一维运动。水的运动方程可写成：,定解条件初始条件假设土体的初始含水率为i,（1）,边界条件当地表水有一层薄水层，地表的水认为是饱和含水率s；在地下水埋深较大时，计算时不会影响下边界的含水率，我们认为下边界的含水率为初始含水率i，则边界条件可以写成：,由于上面（1）式是非线性的微分方程，解起来比较困难，为了简化计算，我们近似的用平均扩散度来代替，并以代替，所以上式可以简化为,由上式和定解条件我们可以解得,补余误差函数可查表得到，其中可用下式表示,通过上式可以求得入渗过程中介质剖面上的含水率分布图如下图,入渗初期入渗率为,入渗时间久时，入渗率为,0,z,0,s,入渗条件下剖面上含水率分布图,t1,t2,t3,t4,t5,两种方法达到了同样的结果，即在入渗时间较长时入渗率等于饱和土的渗透系数。,土中水入渗的经验公式前面介绍的都是理论公式，并且都是在简化的形式下计算的，计算的式子较复杂，且常数也往往需要经过试验来确定，应用起来比较困难。在生产实践中为了计算入渗强度和入渗总量常采用经验公式，下面是两种应用较多的经验公式。,一、考斯恰阔夫经验公式考斯恰阔夫入渗的形式为,第一单位时间的入渗速度，决定于土体的性质和初始含水率,经验指数，变化与0.30.8之间，轻质土值较小，重质土值较大，初始含水率越高，值越小，一般土的值常取0.5。,式中：,在时间t内的入渗总量（以水层深度表示）为,当=0.5时，,这个公式在入渗时间较长时，入渗强度i趋近于0，不符合地下水埋深较大时的入渗情况。所以常用于入渗初期或入渗时间较短时的入渗计算。,二、Horton入渗公式Horton的入渗公式形式为,if时间久时的入渗率；i0初始入渗速度；反应土体特性的常数。,式中,上面的公式中表明，入渗初期入渗速度不是趋于无穷大，而是一有限入渗速度，当时间久时，趋于一个稳定的入渗强度。这与实际比较符合，但在计算中需要三个经验常数。,上面介绍的理论和经验入渗公式都是在边界条件简单，均质土的情况，且初始土体剖面上含水率分布均匀，地下水埋深较大的条件下下计算的。在实际的工程中，因土质不均匀和地下水影响较大，我们在计算时就不能采用以上的公式，而要采用数值分析求解。,三、土体中水分的蒸发,土体内水分的蒸发主要来自两部分，一部分是来自地下水位以下的水量；另一部分是直接来自地下水，消耗地下水的的部分称为潜水蒸发。水分的蒸发包括稳定蒸发和不稳定蒸发两种状态，当土体内的水分蒸发量与地下水的补给量相等时称为稳定蒸发状态，这种状态常发生在连续干旱的时期；当土体的水量的蒸发不等于地下水的补给量时，称作不稳定蒸发。,土体中水分的蒸发一方面是有土体的土质决定的，另一部分是由外界的环境条件来决定的，同时也决定于表土的含水率。,表土的蒸发土体表面的稳定蒸发,表土的蒸发是因为土体内的水汽压力与地表气中水汽压力有一定的差值，在压力梯度的作用下，土体中水汽向大气中扩散而产生的。压力差越大，蒸发的强度随之也越大。此阶段当土体的含水率在某一定值以上时，土体中的水汽压不随含水率的变化而变化，其数值接近于饱和水汽压力。此阶段为稳定蒸发阶段，蒸发强度可用下式来表示：,式中,土体的不稳定蒸发（蒸发强度随土体含水率而变化）,当土体含水率降低至临界含水率以下时，土体中水分的蒸发进入下一个阶段水分的不稳定蒸发。裸地面的蒸发强度主要受气象条件、土质、地下水埋深等因素影响，总体上是受土质性质（土体的输水