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滑坡,作为一种主要地质灾害,由于其影响因素及运动机理的多变性和复杂性,一直是世界各国研究的重要地质和工程问题之一。滑坡的稳定性由内在因素和外在因素决定,内在因素是边坡本身固有的,外在因素包括地震、水(库水、雨水等),开挖等,而降雨是诱发滑坡的常见因素。一般滑坡体通常处于非饱和条件下,但目前大多数有关地下水的渗流模型以及稳定性系数的求解仅仅涉及饱和带,与边坡的实际情况不相符,计算的结果与实际情况也有一定的差别。本文针对在降雨条件下的边坡稳定问题,运用饱和一非饱和渗流理论、传统极限平衡方法及基于非饱和土理论的延伸法,系统的针对降雨入渗情况下渗流域非饱和渗流场的变化以及边坡稳定分析的影响机理、边坡状态预测等进行了较为深入的研究,得出了一些有意义的结论。
本文比较系统地阐述了非饱和土的特性,即基质吸力、土水特征曲线和渗透特性,特别是对非饱和土中的基质吸力进行了较深入的讨论,并在简要分析已有的各种土水特征曲线模型以后,提出了一种多项式形式的约束优化模型来拟合土水特征曲线。
为了分析降雨入渗条件下,边坡渗流场的变化情况及其对边坡稳定性的影响,本文首先阐述了饱和稳定、非稳定渗流问题的基本概念及其定解条件,以总水头为基本未知量推导了饱和一非饱和渗流的控制方程,并基于Galerkin加权余量法推导了饱和一非饱和渗流计算有限元列式。本文以湖北恩施施家梁子滑坡为例,运用GEO-SLOPE软件SEEP/W渗流计算程序模拟给定降雨条件下降雨及降雨停止后滑坡体内饱和-非饱和渗流场,探求相同降雨量条件下,不同强度降雨工况导致的地下水渗流场中孔隙水压力以及水头分布的变化,揭示了降雨入渗作用下边坡非饱和区内暂态饱和区及暂态水压力的变化。对两工况进行了对比,指出:当降雨强度接近土壤的入渗容量时,容易在地表以下的浅层土体内形成暂态饱和区;当降雨强度远小于土壤的入渗容量时,孔隙水压力可能在渗流区域达到稳定平衡的状态。
将降雨入渗作为边坡稳定分析的重要因素,本文将渗流场的基质吸力引入基于非饱和土抗剪强度理论的稳定性计算中,对施家梁子滑坡在降雨入渗情况下的边坡稳定性系数进行计算、分析和评价,并提出对于强降雨,边坡稳定性系数的最小值出现在降雨停止若干时间后,随后边坡的稳定性系数有回升的趋势。同样对比了两种工况,指出:降雨总量相同时,降雨强度对于渗透系数较大的土体的稳定性影响显著,降雨强度越大,稳定性系数越低;而对于渗透系数较小的土体,降雨持时越长,稳定性系数将越低。
论文系统探讨了降雨条件下影响边坡渗流场及稳定性的主要因素,为雨季边坡失稳的预报、合理设计和有效的防护均提供了决策依据。