1、 分类号 : 10710-学号 工程硕士学位论文 水位变化对边坡稳定性影响的研究 任 振 华 导师姓名职称 杨光辉 副教授 申请学位级别 工程硕士 工程领域名称 论文提交日期 年 月 日 论文答辩日期 年 月 日 学位授予单位 长安大学 答辩委员会主席 学位论文评阅人 IIResearch on Slope Stability under the Variation of the Water Level A Dissertation Submitted for the Degree of Master Candidate： Ren Zhenhua Supervisor： A/Prof. Yan
2、g Guanghui Changan University, Xian, China 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下 ,独立进行研究工作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表 的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 年 月 日 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属学校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关
3、的学术论文或成果时，署名单位仍然为长安大学。 （保密的论文在解密后应遵守此规定） 论文作者签名： 年 月 日 导 师 签 名： 年 月 日I 摘 要 作为全球性三大地质灾害（地震，洪水，崩坍滑坡泥石流）之一的边坡失稳严重危及到人类的财产和生命安全。特别是水位升降时产生的非稳定渗流不利于坝体和岸坡的稳定。对存在快速蓄水、水位降落的非稳定渗流下的库岸边坡，结合边坡中非稳定渗流的复杂流态实际分布研究地下水渗流作用下的边坡稳定性 ,具有重要的理论价值和实用价值。 本文首先对渗流和边坡稳定性分析国内外的工作做了一个简要的回顾；在此基础之上，利用有限元方法研究了水 流运动连续方程非稳定渗流场的变化规律，得
4、出了在给定定解条件下水流连续微分方程的数值解。同时，采用极限平衡原理对边坡稳定性进行了分析；在考虑非稳定性渗流对边坡稳定性的影响时，利用有限元方法求得的孔隙水压力场进行来模拟渗流力对土体的作用力，代入极限平衡法进行计算边坡稳定分析，来完成渗流场和应力长的耦合。 在通过实际工程具体进行有限元和极限平衡分析后，在理论和数值上都可以得出：渗流作用在增加土体下滑力的同时，降低了土体的有效应力，减少了土体的抗滑力，从而大大降低了边坡的稳定性。在不稳定渗流中，身流速度越大 ，身流流量越大，且水位降落越快，自由水面位置越高，对边坡的危害越大。 关键词： 边坡、有限元、非稳定渗流、极限平衡法 IIAbstra
5、ct The unstable slopes, one of three geological disasters in the world (earthquake, flood and slope), seriously imperil human beings properties and life safety. It is obvious for case where unstable seepage due to variation of water level could have adverse effect on slope stability. At present, the
6、 researches on slope stability under the variation of water level according to real underwater flow distribution will present important theoretical and practical value for civil engineering. In this paper, firstly the literature review on seepage and slope stability was carried out. Secondly, the fi
7、nite element method was adopted to study the variation laws of underwater flow and obtained the numerical solution of the flow differential equation at the given boundary conditions. At the same time, the limited equilibrium analysis method was employed to analyze the slope stability; In order to co
8、nsider the unstable seepage effect on slope stability, the seepage forces simulated by pore water pressure on soil should be taken into account in slope stability analysis by the limited equilibrium method. At last, a specific engineering case on slope stability was studied and the theoretical and p
9、ractical results could be found: seepage increases soil slopes force down glide, it decreases effective stress and glide force resistance, intenerates soil body and intension of glide force at the same time. And so, decreases soil slope stability. At the unstable seepage: the faster the flow seepage
10、, the more the flow is; the faster the descent of water level, the more harm the seepage has. Key words: slope, the finite element method, unstable seepage, limited equilibrium method III 目 录 第一章 绪论 . 1 1.1 工程背景 1 1.1.1 边坡失稳 .1 1.1.2 渗流对边坡稳定性的影响 2 1.2 渗流及边坡稳定性的研究现状和发展趋势 4 1.2.1 渗流国内外的研究状况 .4 1.2.2 边
11、坡稳定性分析研究综述 .6 1.2.3 边坡稳定性分析中考虑渗流的计算方法 .11 1.3 本文的主要工作 .12 第二章 渗流场有限元分析 14 2.1 渗流的基本理论 .14 2.1.1 Darcy 定律 . 14 2.1.2 渗流基本方程 .15 2.1.3 渗流基本方程的定解条件 .18 2.2 非稳定渗流场有限单元法分析 .19 2.2.1 非稳定渗流的有限单元法 .20 2.2.2 结点移动法 .24 第三章 渗流作用下的边坡稳定性分析 .28 3.1 边坡稳定性分析 .28 3.1.1 边坡稳定性的概念 .28 3.1.2 边坡稳定性分析 .30 3.2 渗流作用的边坡稳定性分析
12、 .35 3.2.1 非稳定流的渗流方向 .35 3.2.2 渗流作用下边坡稳定 性计算 .36 第四章 数值分析 .55 4.1 软件介绍 .55 4.2 渗流数值分析 .57 4.2.1 不同渗透系数对渗流的影响 .58 IV4.2.2 不同水头差对渗流的影响 .59 4.2.3 不同渗流速 度对渗流的影响 .60 4.3 边坡稳定性数值分析 .63 4.3.1 不同安全系数计算方法的比较 .63 4.3.2 不同水头差对边坡稳定性的影响 .64 4.3.3 不同渗流速度对边坡稳定性的影响 .65 4.3.4 不同渗透系数对边坡稳定性的影响 .66 第五章 结 论 .67 5.1 结论 .
13、67 5.2 展望 .68 参考文献 .69 致谢 .72 长安大学工程硕士学位论文 - 1 - 第一章 绪 论 1.1 工程背景 1.1.1 边坡失稳 边坡是自然或人工形成的斜坡，是人 类工程活动中最基本的地质环境之一，也是工程建设中最常见的工程形式。 边坡是地面、坡顶和下部一定深度坡体的总称。边坡的临空斜面称为坡面，边坡的顶部缓坡面或水平面叫坡顶面，坡面与坡顶的转折部分叫坡肩，边坡的最下部与平地相接的部位叫坡脚，坡面与坡顶面下部至坡脚高度的地质体叫坡体，坡面与理想水平面的交线叫边坡走向线，坡面与理想水平面的最大夹角叫坡角。边坡横断面外形和各部位名称如图 1.1 所示。 图 1.1 边坡构成
14、要素 作为全球性三大地质灾害（地震，洪水，崩坍滑坡泥石流）之一的边坡失稳严重危及到国 家财产和人们的生命安全。随着我国基础建设的大力发展，在矿山，水利，交通等部门都涉及到大量的边坡问题。而由于边坡的失稳给工程建设造成的破坏和损失是十分惊人的。 1981 年宝成线北段暴雨成灾，引起大量的滑坡、泥石流，整段路基被毁，桥梁冲垮，中断行车数月，一些地段不得不作局部改建，损失巨大，修复工程历时四年之久才结束。 1982 年重庆市云阳县城下游长江北岸的鸡扒子滑坡，滑坡体积 1916104 m3推入长江，河床堆积高 30-40 米，水面宽度由 120 米减小到只有 40 米。鸡扒子滑坡的整治费用高达 800
15、0 多万元 1。世界 上每年由于人工边坡或者自然边坡失稳造成的经济损坡底 坡高 坡趾 坡角 坡面 坡肩 坡顶 坡体 第一章 绪论 - 2 - 失数以亿计，如 1978 年 Schuster 收集的资料显示 2，在美国仅加州由于边坡失稳造成的经济损失每年可达 33 亿美元，除此之外，在美国平均每年至少有 25 人死于这种灾害。2001 年 5 月 1 日，我国重庆武隆县县城江北西段发生山体滑坡，造成一栋 9 层楼房垮塌，死亡 79 人，阻断了 319 国道新干道。随着西部大开发号角的吹响，随着经济的迅速发展，土木工程建设必将迎来又一个发展的高潮。人类必然会更大范围地开发利用土地，由于一些不合理的
16、开发利用方式，而造成危及人类安全的边坡稳定性 问题。通过对边坡稳定性的分析，对局部场地或区域进行风险评价，从而对各类斜坡进行有效的预测，以减少灾害所造成的生命及财产损失。这对于人类的安全，国家财产的安全及工程建设的安全都有着显而易见的重要性。 1985 年 6 月 12 日长江西陵峡新滩北岸，发生 3000 万立方米的大型滑坡，由于预报及时、准确，事先作好撤离工作，避免了人员伤亡。边坡稳定性分析及其成果具有广泛的应用价值，主要体现在以下几个方面： (1) 为区域发展及中长期规划提供地质背景资料。 (2) 为评价建设工程的适宜性以及基础设施布置提供依据。 (3) 为边坡灾害威胁的地区制定应急措
17、施以及为保障生命及财产安全提供基础。 (4) 直接为科学、经济地组织实施防灾减灾工程服务。 (5) 为灾害保险及发生次生灾害的可能性及损失提供参考依据。 1.1.2 渗流对 边坡稳定性的影响 影响边坡稳定性的因素很多，通常可以把它们归纳成以下几类 2： (1) 边坡体自身材料的物理力学性质：抗剪强度，容重等。 (2) 边坡的形状和尺寸：边坡的坡度，高度等。 (3) 边坡的工作条件：边坡的外部荷载。 (4) 边坡的加固措施。 在以上的影响因素中，前两类属于自然因素，它是决定边坡稳定性的主要因素。后两类属于人类工程 -经济活动影响因素，它们是决 定边坡稳定性的次要因素。在众多影响因素中，水文地质条
18、件对边坡稳定性的影响占了很大比列。“十个边坡九个水”，这句话形象的反映了边坡失稳往往与地下水的活动有密切的关系这一客观事实。随着人类活长安大学工程硕士学位论文 - 3 - 动类型逐渐增多，活动空间不断扩大，出现的工程渗流问题以及诱发的环境问题越来越多，越来越复杂，造成的各方面损失也越来越严重。主要表现有 3： (1) 在水利工程中，闸坝渗漏损失引起工程效益下降，下游浸没；土坝中渗流作用引起的冲蚀和滑坡等破坏；渗透破坏和渗流变形导致垮坝等。 (2) 在建筑工程中 ,渗流引起的基坑边坡失稳 ,基坑支护结构的破坏；基 坑降水；基坑涌水造成的淹没；地基处理；渗透变形和破坏以及引起的周围土体移动，引发的
19、地面建筑和地下设施破坏。 (3) 在采矿工程中，矿坑突水造成矿井淹没 ,矿山排水造成的塌陷。 (4) 在农业工程中，灌渠渗漏造成的工程效益下降；灌渠渗漏和灌渠渗入引起的土地湿化，盐碱化等。 (5) 与渗流有关的环境问题，地震引起的砂土液化，水库蓄水诱发的地震；大量抽取地下水或开采液体矿引起的地面沉降。 降水、融雪所形成的地表水渗透到土坡的孔隙和岩石边坡的裂隙中，一方面增加了坡体的重度，加大了滑坡体的自重，使下滑距离加大，另一方面降低了坡体的抗剪 强度；同时，降水、融雪所形成的水渗透到地下水中，使地下水位或地下水压增加，其结果必然减少坡体的抗剪强度。另外，渗透到地下的渗透水以一定的流速通过透水层
20、到不透水层的面层上滞留，会形成一个在均质边坡中不可能有的含有很大孔隙水压力的含水层，这种孔隙水压力一方面在透水层中将引起流沙或砂层剪切破坏，另一方面在不透水层上的结合层中，土颗粒将因之发生塑性破坏。从而将加剧边坡的失稳。 渗流作用下边坡的破坏形式可分为整体破坏和局部破坏 4：整体破坏的边坡稳定性问题，首先应对边坡进行整体稳定性分析，正确考虑作用在土体 上的渗透力的大小和方向。渗流的局部破坏主要发生在地下水渗流集中的渗出点以及坡体下游坡尾水面和坡面的交点上。通过研究与边坡失稳相关的危险水力条件和不同渗流方向时允许的渗透坡降等因素，从而采取必要的措施改变地下水渗流的方向、高度、渗出点坡降等来进一步提高工程的安全与可靠。边坡稳定性分析时的危险水力条件主要包括：高水位时的背水坡、蓄 (泄 )水过快的迎水坡、降雨饱和的堤坝岸坡。当高水位坡体的下游没有适当的排水措施时、地下水浸润线会很高，且渗流溢出点处渗透力与坝坡平行，渗透坡降大，易产生
