降雨型滑坡特征及其稳定分析研究

论文摘要

滑坡是一种严重的岩土体失稳现象，降雨原因引起的滑坡称为降雨型滑坡。滑坡的发生固然离不开不良的地质条件和岩土体结构条件等内因，但另一方面离不开各种外部营力的作用，引起滑坡的外部营力有很多种，在诸多外部营力中，降雨尤其是大量的降雨或暴雨无疑是触发滑坡的最主要的因素之一。降雨对滑坡的触发作用主要体现在：在降雨过程中，地表水进入岩土体增加了坡体的自重，增大了孔隙水压力，使处于极限平衡状态的坡体产生滑动；降雨由地表进入地下，转变成为地下水，浸泡软化滑动面，降低了坡体的抗剪强度；坡体多次的干湿交替变化导致岩土体开裂，产生大量的节理裂隙。研究表明，在具备了滑坡的地势和地质条件时，降雨在很大程度上是滑坡发生的最主要激发因素。国内外许多学者对降雨与滑坡的关系进行了很多有效的探索，他们采用不同的方法或模型来研究某个区域滑坡产生时雨强或降雨持续时间的临界值，在一定程度上说明了降雨与滑坡之间的关系，从不同的角度探讨了降雨对滑坡的作用，为深入开展降雨型滑坡的研究奠定了良好的基础。本论文在综合前人研究成果的基础上，搜集了部分区域多年的滑坡和降雨历史资料，应用系统分析法、数量化理论、渗流理论和数值分析法等理论方法，对降雨型滑坡特征、降雨型滑坡过程与过程控制、降雨型滑坡稳定性评价以及降雨型滑坡治理效果等方面进行了深入研究。主要取得的研究成果如下：（1）首先系统地分析了我国降雨型滑坡的空间分布特点、时间分布特点和降雨型滑坡的类型。然后以湖北省降雨型滑坡为研究对象，重点地研究了降雨型滑坡的时空分布特征和与之密切相关的降雨因子的时空分布规律，揭示了降雨型滑坡与降雨因子的一些关系。这对降雨型滑坡的评价和防治有着重要的意义。（2）分析了地下渗流对滑坡稳定影响的机理、降雨入渗对滑坡稳定影响的机理及其降雨因子（降雨量、降雨强度、降雨历时、降雨型式）对滑坡稳定性的影响。（3）系统地分析了渗流场的基本概念、基本定律、基本方程及定界条件。建立了降雨型边坡稳定性的渗流有限元分析模型，给出了降雨入渗有限元的实施步骤，结合实例，计算了不同降雨强度和不同降雨持时以及不同的渗透系数下雨后坡体内孔隙水压力变化趋势，探讨了上述参数变化对降雨滑坡渗流的影响。（4）建立了一个基于拉格朗日有限元法的降雨型滑坡过程的动态模型，该模型采用了Voellmy流变关系。以一降雨型滑坡为实例进行分析，模拟重现了由降雨所引起的边坡滑坡的动态破坏过程，模拟计算结果与实际结果吻合较好。（5）介绍了考虑孔隙水压力影响的滑坡稳定性分析方法及降雨作用下的滑坡稳定性分析方法；结合非饱和抗剪强度公式，对传统极限平衡分析法进行了改进，将孔隙水压力引入基于非饱和土抗剪强度理论的稳定性计算中，得到了改进后简布条分法的稳定性系数计算公式，并结合实例尽进行了详细地分析。（6）以模糊数学理论为基础，除考虑常规滑坡稳定性模糊评价模型所考虑的影响因子外，还考虑了降雨因子（包括降雨强度、降雨历时、累积降雨量、降雨型式等），从而建立了降雨型滑坡稳定性的模糊综合评价方法，并结合实例阐述该方法的应用。（7）针对降雨滑坡的破坏往往是突发性的特点，以突变理论为基础，建立了降雨型滑坡稳定尖点突变模型，根据岩土体含水量与岩土体的性质指标关系，就可根据降雨型滑坡稳定尖点突变模型求得降雨型滑坡发生失稳时的体积含水量，然后再根据降雨入渗对岩土体重度γ、内聚力c和内摩擦角φ的影响，对降雨型滑坡破坏进行评价与预测。（8）对于降雨型滑坡治理方案的确定，决策者往往广泛征求研究、设计、勘察和施工等多个部门的专家的意见，但由于各位专家的偏好不尽相同，因此各专家对治理方案的评判不完全一致，这就必将给决策者带来决策上的困难。降雨型滑坡治理决策显然是一个群决策问题。针对降雨型滑坡治理方案评价是一个群决策问题，提出了降雨型滑坡治理群决策的二维足码定位法。此法利用简单的二维足码坐标图或评价涵数，就可以定出降雨型滑坡治理的最优决策方案。以一降雨型滑坡体治理实例分析了该方法的实际应用。（9）降雨型滑坡治理方案选择过程中所要考虑的指标（属性）错综复杂，有些指标很难精确化，通常不能提供这些指标的准确值，即评价指标的不完备性，同时不同专家对方案有偏好，所以，降雨型滑坡治理方案的选择应是一个对方案有偏好的属性权重信息不能完全确知的多属性决策问题。为了处理这种决策问题，提出了一种基于相似度的对方案有偏好的降雨型滑坡治理的三角模糊数型多属性决策方法。该方法首先建立一个线性规划模型，通过求解该模型获得属性权重，然后，基于三角模糊数两两比较的可能度公式及互补判断矩阵的排序公式，对降雨型滑坡治理方案进行优化决策。以一降雨型滑坡体治理实例分析了该方法的实际应用。（10）以溪沟口降雨型滑坡治理为研究对象，建立了降雨型滑坡治理效果分析的弹塑性有限元模型，对溪沟口滑坡治理前后的各种工况进行了数值模拟计算，得到了溪沟口滑坡治理前后各种工况下的等效塑性应变分布图、剪应力分布图、位移矢量分布图和溪沟口滑坡治理前后的稳定性系数。计算结果表明：①溪沟口滑坡治理后在天然状态下稳定性系数达到了1.32，达到了溪沟口滑坡防治安全等级的设计要求；溪沟口滑坡治理后在最不利情况（天然状态+暴雨+地震）下稳定性系数也达到了1.11，达到了溪沟口滑坡防治安全等级的设计校核工况要求。②溪沟口滑坡治理后的塑性区、剪应力和位移变化得了大大的改善。所以，溪沟口滑坡治理效果显著，治理方案设计达到了稳定安全要求。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究的目的与意义
• 1.2 课题的国内外研究现状
• 1.3 本课题的研究方法与研究内容
• 第2章 降雨型滑坡特征与降雨因素的关系研究
• 2.1 降雨型滑坡的时空分布特点
• 2.2 降雨型滑坡的时空分布特征与降雨因子的关系
• 2.2.1 湖北省降雨型滑坡概况
• 2.2.2 湖北省降雨的时空分布特征
• 2.2.3 湖北省降雨型滑坡的时空分布特征
• 2.2.4 湖北省降雨型滑坡与降雨因子的相关性分析
• 2.3 本章小结
• 第3章 降雨及渗流对滑坡稳定性影响的机理研究
• 3.1 渗流对边坡稳定影响的机理
• 3.2 降雨渗流对边坡稳定影响的机理
• 3.2.1 降雨渗流对土质边坡的影响
• 3.2.2 降雨渗流对岩质边坡的影响
• 3.3 降雨因子对滑坡稳定性的影响
• 3.3.1 降雨量对滑坡稳定性的影响
• 3.3.2 降雨强度对边坡稳定性的影响
• 3.3.3 降雨历时对边坡稳定性的影响
• 3.3.4 降雨类型对边坡稳定性的影响
• 3.3 本章小结
• 第4章 降雨型滑坡渗流分析研究
• 4.1 降雨入渗理论
• 4.1.1 降雨入渗的入渗理论
• 4.1.2 入渗率
• 4.1.3 土坡入渗分析中裂隙的处理方法
• 4.2 渗流基本概念和基本定律
• 4.2.1 渗流的几个基本概念
• 4.2.2 渗流的基本定律——Darcy定律
• 4.3 渗流基本方程
• 4.4 渗流的基本微分方程
• 4.5 渗流基本微分方程定界条件
• 4.5.1 边界条件
• 4.5.2 初始条件
• 4.6 降雨型滑坡稳定性的渗流有限元分析
• 4.6.1 渗流场分析的有限元法原理
• 4.6.2 无压渗流场自由面搜索技术
• 4.7 实例分析
• 4.8 本章小结
• 第5章 降雨型滑坡过程的动态模型及其应用研究
• 5.1 引言
• 5.2 C1滑坡基本概况
• 5.3 降雨型滑坡过程的动态模型建立
• 5.3.1 控制方程
• 5.3.2 Voellmy流变关系模型
• 5.3.3 拉格朗日有限元法分析
• 5.5 降雨型滑坡过程演化模拟分析
• 5.6 本章小结
• 第6章 降雨型滑坡稳定性分析与评价方法研究
• 6.1 降雨型滑坡稳定性分析的极限平衡法
• 6.1.1 考虑孔隙水压力的边坡稳定分析方法
• 6.1.2 降雨作用下的滑坡稳定分析方法
• 6.1.3 降雨型滑坡稳定性分析的改进极限平衡法
• 6.1.4 实例分析
• 6.2 降雨型滑坡稳定性的模糊综合评价方法
• 6.2.1 模糊评价基本原理
• 6.2.2 降雨型滑坡稳定性的模糊综合评价
• 6.3 基于突变理论的降雨型滑坡稳定性分析方法
• 6.3.1 突变理论的基本原理
• 6.3.2 降雨型滑坡稳定的突变分析
• 6.4 本章小结
• 第7章 降雨型滑坡治理分析研究
• 7.1 降雨型滑坡治理方案分析
• 7.2 降雨型滑坡治理方案优化决策方法研究
• 7.2.1 降雨型滑坡治理方案群决策的二维足码定位法及应用
• 7.2.2 降雨型滑坡治理方案群决策的多属性决策方法及应用
• 7.3 降雨型滑坡治理效果分析
• 7.3.1 溪沟口滑坡工程地质概况
• 7.3.2 溪沟口滑坡稳定性极限平衡法的计算与评价
• 7.3.3 溪沟口滑坡治理方案分析
• 7.3.4 溪沟口滑坡治理效果的弹塑性有限元分析模型
• 7.3.5 溪沟口滑坡治理效果的弹塑性有限元分析
• 7.4 本章小结
• 第8章 结论与展望
• 8.1 结论
• 8.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 作者在攻读博士学位期间发表的主要论文和参加的科研项目