基于饱和—非饱和渗流理论的岩质边坡稳定性分析

发布时间：2020-10-18 16:20

　　 边坡土体内地下水的渗流与库水位和降雨密切相关,在大型水利水电工程建设完成后的运行期,水库两岸的坡体将不断受到库水位的涨落以及降雨入渗的影响。如果处理不当,这些因素都有可能导致滑坡的发生从而影响到水电站的运行。目前,利用饱和-非饱和理论对土质边坡稳定性的影响研究较为成熟,但是对于岩质边坡而言,由于其地质条件的复杂性,水的作用对边坡稳定性的影响研究比土质边坡更为困难。锦屏一级水电站是世界第一高拱坝,坝址周围以岩质边坡为主,地质条件复杂,降雨频繁,库水位变动及降雨作用对边坡的稳定性影响显著。本文以锦屏一级水电站左岸边坡为例,基于饱和-非饱和渗流理论,以左岸坝头滑移破坏模式为研究对象,通过有限元方法得到左岸边坡在库水位变动以及降雨入渗过程中地下水的渗流规律并分析其对边坡稳定性的影响,利用矢量和稳定性评价方法研究库水位变动及降雨对锦屏一级水电站左岸边坡稳定性的影响规律。主要成果如下:(1)将矢量和边坡稳定分析方法与有限元方法结合,可基于边坡的真实应力状态,在数值模拟过程中快速获得不同库水位及降雨条件下的边坡安全系数和潜在下滑方向;(2)采用饱和渗流理论对水库首次蓄水过程库水位变动条件下坡体内地下水的渗流进行了分析,并分析了蓄水过程中左岸坝头滑移破坏模式的稳定性的变化情况。研究结果表明,左岸坝头滑移破坏模式的安全系数随着水位的上升而增加,这主要有两方法因素的影响:(1)库水位上升时,地下水由坡体表面向内渗流,渗流力方向与潜在下滑方向相反,所以有利于边坡的稳定性;(2)当滑体内达到饱和状态后,由于浮力的作用,下滑力减小,安全系数升高;(3)采用饱和渗流理论研究了库水位以不同速度下降过程中,边坡的稳定性演化规律。结果表明,当库水位以1m/d的速度由1880m高程下降至1800m高程时,左岸坝头滑移破坏模式的安全系数由1.214降低到1.147,且安全系随着库水位下降趋于稳定,而当库水位下降速度达到2m/d时,安全系数的降低速度随着库水位的下降逐渐加剧,当库水位达到1800m高程时,安全系数降至1.052,左岸坝头滑移破坏模式接近临界状态;(4)利用非饱和渗流理论对降雨条件下坡体内地下水的渗流进行了分析,并研究了不同降雨条件对边坡稳定性的影响规律。研究表明由于弱卸荷带以下的基岩完整性好,渗透性低,所以雨水入渗后,在弱卸荷带靠近基岩一侧最先形成暂态饱和区,而左岸坝头滑移模式的潜在滑面靠近弱卸荷带下限,随着暂态饱和区的扩大,对边坡的稳定性影响越来越明显,则安全系数随着降雨时间的增加而降低。
【学位单位】：上海交通大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TU457
【文章目录】：
摘要
abstract
第一章 绪论
    1.1 研究背景和研究意义
    1.2 国内外研究现状
        1.2.1 饱和-非饱和渗流研究现状
        1.2.2 坡体内地下水渗流对边坡稳定性影响的研究现状
        1.2.3 矢量和边坡稳定性评价方法研究现状
    1.3 研究内容与创新成果
第二章 渗流理论及边坡稳定性分析方法
    2.1 饱和-非饱和渗流理论
        2.1.1 渗流运动方程
        2.1.2 连续性方程
        2.1.3 饱和渗流微分方程
        2.1.4 非饱和渗流微分方程
    2.2 矢量和法边坡稳定评价方法
        2.2.1 矢量和法的矢量表达式
        2.2.2 下滑方向的确定
第三章 库水位涨落条件下的饱和边坡地下水渗流分析
    3.1 工程实例概况及地质条件
        3.1.1 锦屏一级水电站概况
        3.1.2 锦屏一级水电站左岸边坡地层岩性
        3.1.3 锦屏一级水电站左岸边坡主要地质结构面
        3.1.4 坝区岩体及结构面的力学特性
        3.1.5 坝区水文地质条件
    3.2 滑移模式
    3.3 数值模型
    3.4 初始地应力
    3.5 边界条件
    3.6 库水位涨落条件下的边坡失稳机理
    3.7 库水位涨落条件下边坡地下水渗流分析
        3.7.1 首次蓄水过程中坡体内地下水位演化规律
        3.7.2 库水位下降过程中坡体内地下水位演化规律
        3.7.3 地下水位对边坡稳定性的影响分析
    3.8 库水位涨落条件下边坡的安全系数
        3.8.1 首次蓄水过程中边坡的安全系数
        3.8.2 库水位下降时边坡的安全系数
        3.8.3 库水位上升和下降过程中安全系数的对比分析
    3.9 本章小结
第四章 降雨入渗条件下库岸非饱和边坡地下水渗流分析
    4.1 降雨计算条件
    4.2 边界条件
    4.3 降雨入渗条件下边坡失稳机理
    4.4 降雨条件下坡体内地下水渗流分析
        4.4.1 3日大雨条件下坡体内地下水位演化规律
        4.4.2 1日暴雨条件下坡体内地下水位演化规律
    4.5 降雨条件下边坡的安全系数
        4.5.1 3日大雨条件下坡体安全系数
        4.5.2 1日暴雨条件下坡体安全系数
    4.6 本章小结
第五章 结论与展望
    5.1 主要结论
    5.2 研究展望
参考文献
致谢
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【参考文献】

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本文编号：2846530