水位变化和降雨条件下的边坡稳定性分析---硕士论文.docx

1、 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 - I - 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，

2、 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

3、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

4、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

5、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 。 非饱和渗流边坡稳定性分析的有限元极限平衡法 - II - 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

6、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 大连理工大学硕士学位论文 - III - Slope Stability Analysis of Unsaturated Seepage by Abstract Slope stability problem is a hot spot in the field of geotechnical engineering research, the natural slope and artific

7、ial 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 propose

8、d 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 elem

9、ent, 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

10、 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 fr

11、amework of the paper carries out mainly in three parts: 1. Illustrate research background, research status 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

12、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 var

13、iable 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, such as the principle of effective stress

14、 of unsaturated soil, saturated and unsaturated soil seepage and coupling method and unsaturated unsteady seepage in the processing of boundary conditions and initial conditions; 2) Slope stability analysis under the condition of rainfall: a) A highway slope 非饱和渗流边坡稳定性分析的有限元极限平衡法 - IV - calculation

15、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 resu

16、lts 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 i

17、n1999, steady seepage slope stability analysis by finite element strength reduction method, and comparison between the finite element method and traditional limit equilibrium method; 4) Based on Griffiths example, study the influence of reservoir water level drawdown on slope stability, considering

18、three kinds of mode proposed by other researcher, the ideal 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 al

19、so 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

20、 Element Strength Reduction Method; Rainfall; Water Drawdown; 大连理工大学硕士学位论文 - V - 目 录 摘 要 . I Abstract .III 1 绪论 . 1 1.1 引言 . 1 1.2 非饱和土边坡稳定性的研究现状 . 3 1.2.1 降雨边坡稳定性研究现状 . 3 1.2.2 库水位渗流稳定性研究现状 . 5 1.2.3 小结 . 8 1.3 主要研究内容及研究方法 . 8 2 边坡稳定性分析方法综述 . 10 2.1 传统方法 . 10 2.1.1 极限平衡条分法 . 10 2.1.2 滑移线法 . 11 2.1.

21、3 极限分析法 . 11 2.2 有限元法 . 11 2.2.1 有限元强度折减法 . 12 2.2.2 有限元极限平衡法 . 13 2.3 均质边坡对比算例 . 19 2.4 引入场变量进行有限元强度折减计算的合理性分析 . 22 2.5 本章小结 . 25 3 非饱和渗流条件下的边坡稳定性分析 . 26 3.1 非饱和土固结理论与数值方法 . 26 3.1.1 非饱和土有效应力 . 26 3.1.2 饱和土和非饱和土的渗流 -应力耦合分析 . 26 3.2 渗流 -应力耦合方程的数值求解 . 30 3.2.1 序贯耦合 . 30 3.2.2 直接耦合 . 30 3.3 瞬态分析的时间步长与

22、初 始条件 . 31 3.3.1 时间步长选择 . 31 3.3.2 非饱和非稳定渗流分析中边界条件和初始条件的处理 . 31 4 有限元极限平衡法在 库水位下降边坡稳定分析中的应用 . 33 非饱和渗流边坡稳定性分析的有限元极限平衡法 - VI - 4.1 模型及参数选取 . 33 4.2 稳态渗流状态下稳定性分析 . 34 4.3 库水位理想变化对坝体稳定性影响 . 39 4.3.1 库水位理想缓降对坝体稳定性影响 . 40 4.3.2 库水位理想骤降对坝体稳定性影响 . 47 4.3 骤降超静孔压消散过程稳定性分析 . 53 4.3.1 渗流计算结果 . 53 4.3.2 有限元极限平衡

23、 法结果 . 57 4.5 本章小结 . 58 5 有限元极限平衡法在降雨条件下边坡稳定分析中的应用 . 59 5.1 算例一 . 60 5.1.1 模型及参数选取 . 60 5.1.2 边界条件及初始 状态的建立 . 62 5.1.3 有限元计算结果 . 64 5.1.4 结果对比 . 69 5.2 算例二 . 72 5.2.1 水力参数对降雨边坡稳定性影响 . 72 5.2.2 坡脚对对降雨边坡稳定性影响 . 74 5.3 本章小结 . 77 6 结论与展望 . 78 6.1 结论 . 78 6.2 展望 . 79 参考文献 . 80 攻读硕士学位期间发表学术论文情况 . 85 致 谢 .

24、 86 大连理工大学学位论文版权使用授权书 . 错误 !未定义书签。 大连理工大学硕士学位论文 - 1 - 1 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 ，

25、 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

26、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

27、，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 。 非饱和渗流边坡稳定性分析的有限元极限平衡法 - 2 - 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

28、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

29、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 大连理工大学硕士学位论文 - 3 - 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

30、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

31、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 6

32、0 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