土石混合体滑坡的流—固耦合特性及其预测预报研究

论文摘要

本文结合交通部科技项目：“西部地区公路地质灾害监测预报技术研究（2003-318-802-01）”，采用室内试验、现场试验、理论分析和数值模拟相结合的研究方法，对土石混合体滑坡的流-固耦合特性及其预测预报进行了系统深入的探讨。主要工作有：1．采用自制的大型常水头渗透仪，测定了不同含砾量时土石混合体渗透系数值，研究发现含砾量与土石混合体渗透系数之间存在指数关系；基于幂平均法，提出了土石混合体复合渗透系数的计算公式，并通过试验结果验证了该式的正确性，为土石混合体渗透系数的理论计算提供了一个简明实用的计算工具。2．土石混合体属于典型的多孔介质，其渗透特性与颗粒的大小、孔隙比及颗粒形状关系密切。利用自制的常水头渗透仪，采用正交实验方法，研究了砾石含量、孔隙比和颗粒形状三个因素在不同水平下对土石混合体渗透系数的影响。通过正交试验确定了三种因素对土石混合体渗透系数的影响顺序及各因素的显著性水平。3．土石混合体边坡人工降雨致滑的原位监测试验表明：在降雨入渗影响下滑动变形区为坡面以下0-4m之内，变形量以坡面最大，从坡面到坡体深部逐渐减小；在实施降雨的前2小时，平均入渗百分率为86％，之后，入渗率由于地表径流的增加而随时间逐渐减少，一段时间（6小时）之后，入渗率降到一个相对稳定值（50％）；降雨入渗造成土体中孔隙水压力增加，致使边坡土体的抗剪强度由于有效应力的减少及土体吸水软化而降低，降雨入渗的这一双重效应是降雨诱发土石混合体边坡失稳的主要原因之一。4．土石混合体边坡开挖致滑的原位监测试验表明：土石混合体在切坡开挖影响下多发浅层牵引式破坏，滑动变形区为坡面以下0-4m之内，变形量以坡面最大，从坡面向下逐渐减小；此类边坡切坡开挖的警界临空高度为3m，临空高度超过3m的边坡应采取适当的防范措施；切坡开挖后裸露的土石混合体边坡，在强降雨的影响下易发生滑塌事故。5．考虑流体的可压缩性和土石混合体变形特性，建立了孔隙率n和渗透系数K的动态计算模型；针对应力场对土体孔隙率和渗透系数的影响、渗透体积力对应力场的影响进行了量化的分析，建立了土石混合体流-固耦合的数学模型，并根据有限元变分原理，对耦合微分方程组进行空间离散和时间离散，建立了两场的耦合有限元方程组。6．运用FLAC（Version 5.0）对土石混合体边坡在降雨入渗条件下不同水位时的渗流场与应力场进行分析，研究了流-固耦合作用下滑坡体的变形趋势与破坏特征，探讨了不同水位时滑坡的稳定性变化规律。7．在Verhulst反函数预报模型的基础上，与BP神经网络相结合，建立了Verhulst反函数残差修正模型。对该模型的建立及预报方法进行了系统的讨论，并通过国内外滑坡监测实例对比分析，预报结果接近实际观测数据，验证了模型的正确性，为滑坡的预测预报提供了一个新途径。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 研究的目的及意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 土石混合体
• 1.2.2 流-固耦合
• 1.2.3 滑坡的预测预报
• 1.3 主要研究内容及及关键技术路线
• 1.3.1 主要研究内容
• 1.3.2 关键技术路线
• 第二章 土石混合体滑坡特性研究
• 2.1 引言
• 2.2 土石混合体滑坡基本特征
• 2.2.1 土石混合体滑坡的分类
• 2.2.2 基本特征
• 2.3 土石混合体滑坡诱发因素分析
• 2.4 土石混合体边坡变形破坏的主要地质模式
• 2.5 土石混合体边坡的防护措施
• 2.5.1 防护原则
• 2.5.2 防护方法与措施
• 2.6 本章小结
• 第三章 土石混合体渗透性能的室内试验研究
• 3.1 引言
• 3.2 土石混合体的渗透特性
• 3.2.1 渗流基本定律
• 3.2.2 土石混合体渗透特性的主要影响因素
• 3.2.3 土石混合体渗透系数的确定方法
• 3.3 土石混合体渗透性能的室内试验研究
• 3.3.1 土石混合体渗透性能试验
• 3.3.2 试验结果分析
• 3.3.3 结论
• 3.4 土石混合体渗透性能的室内正交试验研究
• 3.4.1 正交试验方案设计
• 3.4.2 试验结果分析
• 3.4.3 土石混合体渗透系数
• 3.4.4 结论
• 3.5 本章小结
• 第四章 土石混合体边坡失稳的现场试验研究
• 4.1 引言
• 4.2 试验场地
• 4.2.1 试验场地的确定
• 4.2.2 土体性质
• 4.3 土石混合体边坡人工降雨致滑的现场监测试验研究
• 4.3.1 监测内容和监测手段
• 4.3.2 测点布置
• 4.3.3 监测仪器设备的选用
• 4.3.4 监测仪器的埋设
• 4.3.5 试验的实施顺序
• 4.3.6 监测周期和频率
• 4.3.7 试验成果分析
• 4.4 土石混合体边坡切坡开挖致滑的现场监测实验研究
• 4.4.1 试验设计
• 4.4.2 开挖顺序
• 4.4.3 实施顺序
• 4.4.4 试验成果分析
• 4.5 监测注意事项
• 4.6 本章小结
• 第五章 土石混合体边坡失稳的流-固耦合特性研究
• 5.1 引言
• 5.2 流-固耦合问题的求解方法
• 5.2.1 解析方法
• 5.2.2 数值方法
• 5.3 土石混合体边坡失稳的流-固耦合数学模型
• 5.3.1 基本假定
• 5.3.2 孔隙率n和渗透系数K的动态计算模型
• 5.3.3 渗流场影响下的应力场方程
• 5.3.4 应力场影响下的渗流场方程
• 5.3.5 定解条件
• 5.3.6 流-固耦合方程的有限元算法
• 5.4 本章小结
• 第六章 土石混合体边坡失稳的流-固耦合数值模拟
• 6.1 引言
• 6.2 流-固耦合数值分析方法
• 6.2.1 计算程序简介
• 6.2.2 计算原理
• 6.3 数值分析模型及计算条件
• 6.3.1 计算模型
• 6.3.2 模拟降雨过程
• 6.4 模拟计算结果分析
• 6.4.1 稳定性分析
• 6.4.2 应力场分析
• 6.4.3 渗流场分析
• 6.4.4 位移场分析
• 6.5 本章小结
• 第七章 土石混合体边坡失稳的时间预报理论模型及其应用
• 7.1 引言
• 7.2 滑坡预测预报的基本问题
• 7.2.1 预报参数的选取
• 7.2.2 监测数据分析与处理
• 7.2.3 变形阶段判识
• 7.2.4 预报模型的分类及实用性分析
• 7.2.5 预报判据的分类及实用性分析
• 7.3 Verhulst反函数残差修正模型及应用
• 7.3.1 Verhulst预报模型概述
• 7.3.2 BP神经网络概述
• 7.3.3 Verhulst反函数残差修正模型的建立
• 7.3.4 工程应用及模型检验
• 7.4 本章小结
• 第八章 结论及展望
• 8.1 主要结论
• 8.2 创新点
• 8.3 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读博士期间主要研究成果