降雨入渗条件下震后都江堰二王庙边坡稳定性研究

发布时间：2016-03-19 09:06

第 1 章  绪    论 

1.1  问题的提出 
滑坡灾害在自然界最为常见，主要是由于自然因素和活人类的工程活动引起的。滑坡灾害往往会造成重大的人员伤亡、建筑物或构筑物损坏。给大自然及生态环境带来无法恢复的灾难，使人类正常的生产生活都无法继续，其危害程度仅次于地震和洪水。降雨、地震和人类工程活动极易产生滑坡灾害。根据统计，由于降雨产生的滑坡在世界上分布最为很广，仅在 20 世纪 70 年代，降雨型滑坡使美国经济损失就已经超过十亿美元，而进入到 80 年代，降雨型滑坡损失则增大到了十五亿美元。在滑坡灾害的经济损失中，日本、意大利损失均超过十亿美元/年，而中国则超过三十亿元/年[1-2]。近些年以来，随着人类生存环境的不断恶化，人们渐渐意识到保护环境的重要性，生产的同时要兼顾环境的保护，要把人类的生存和发展至于环境中。因此，环境地质与人类工程活动之间的关系成为研究领域里一个正要的课题。边坡工程是在这些课题领域里一个及其重要的分支，逐渐成为了人们研究的重点课题。在采矿领域、交通领域和水利水电工程领域，边坡工程都是这些领域里不可分割的一部分。为了能偶保证工程的安全运行和最大化地节约经费，工程师和理论研究者们从边坡的演化规律、稳定性以及预测预报等方面招手进行了广泛的研究。然而，随着人类活动日益频繁，各种建设工程的大规模扩展  逐渐出现了对于较高且陡俏的边坡稳定性和灾难性滑坡问题的预测问题[2]。根据目前的露天采矿在中国的发展情况，人工边坡的高度已经达到300-500m，在这类中，水利水电工程中所涉及到的天然边坡已经达到 500-1000m的高度，尤其是在中国西南山区，边坡的变形以及破坏现象较为常见，发生的滑坡灾害已经成为危及人民生命财产和工程正的常运营一种常见的地质灾害。因此，越来越多的学者对边坡进行稳定性分析近进行了大量的研究工作。 
..........

1.2   国内外研究现状
边坡稳定性分析关于水利水电、交通运输、国防建设以及采矿工程，，一直占据着不可忽视的位置，岩土工程研究者认识到边坡问题的重要性和特殊性故一直着重去研究边坡的稳定性[3]。针对土力学有关问题研究时，在初期主要是采用了土力学原理和方法，以最简单的均匀介质弹性理论和材料力学作为基。在此期间，它的显著特点就是半经验半理论性质边坡稳定性的计算分析方法。土压力Coulomb 理论是 Coulomb 在 1773 年建立的；在 1820 年 Fransais 和 Culman 经过合作研究，基于平面滑动面的分析方法历经 46 年建立起来；关于圆柱滑动面不考虑内聚力只考虑内摩擦力的在分析方法在 1916 年由 Petterson 建立。在 1922年瑞典国家委员会予以发表，Teizaghi 伙同 Fellenius 等人在前人圆柱滑动面的研究基础上发展了新的分析方法，此法关键是近似圆弧滑动面。较为全面的著名圆弧稳定分析方法由 Fellenius 在 1926 年创建，在此以后，以摩擦圆法为代表的图表解析法得到 Taylor 和 Fellenius 等学者的研究进步。在第二次世界大战后期，Bishop 于 1955 年对他的分析方法重新进行了修正，现在广泛使用的简化 Bishop 法从而形成，这种方法只适用滑动面是圆弧形的条件，仅仅满足竖向力平衡和力矩平衡这两个条件，可是对于水平力平衡的条件并不满足，这就是此法的局限所在；Morgenstern-Price 、Spencer、Janbu 这几位学者分别于 1965年，1967 年和 1968 年等建立了极限平衡法，此法满足所有的平衡条件，可以将破坏的岩土体都假定划分为若干条，这会引出这样两种假设：即条间力的方向的和关于平衡的假定，这两种方法之间的区别主要在于条间力的假定；Janbu 与Ducan 关于边坡稳定的图表法先后建立起来，而且此法的特点是获得的精度较高，时间是 1968、1987 年，但仅限简单的条件下使用其主要的局限所在，而近似处理必须在实际应用的时候进行，边坡安全系数值的大小近主要其处理是否合理决定；1970 年以来，在求解岩土体的稳定性问题中，极限分析法是较为广泛应用的方法，其中对于 Chen 全面的阐述了用上限定理求解地基承载力、土压力和边坡稳定性原理和方法。滑坡极限分析的极小值和极大值这两条基本原理是由潘家铮提出，极大值原理的证明由孙君利利用虚功原理于 1981 年证明。
.......

第 2 章  边坡稳定性的理论基础 

2.1  概述 
在土力学中，边坡稳定性理论与地基承载力和土压力分支理论基本在同一时期发展起来。18 世纪 70 年代，法国工程师库仑提出 l 针对挡土墙压力相应的计算方法，土力学从此诞生。朗肯，计算了主动和被动土压力的方法基于墙后土体各点处于极限平衡状态的基础上的假设。在地基承载力和边坡稳定性分析中库仑和朗肯对分析土压力时采取的方法得到广泛推广，极限平衡法逐渐形成[17-21]。 土体视为理想刚塑性材料是极限平衡理论的一个基本假设，认为，任何变形在整个加载过程中土体均不会发生，土体沿某破裂面产生剪切变形是在达到极限平衡状态开始。
........
 
2.2  极限平衡理论的基本原理 
土体内部中各点在外力作用下将产生应力和应变。应力分为正应力和剪应力，而应变分为线应变和剪应变。针对极限平衡问题的研究，假设土体是一种理想刚塑性材料，所以不予考虑达到极限平衡状态之前的变形过程，对于极限平衡状态下的应力关系认为变形过程不产生影响。 极限平衡法具有只考虑静力平衡条件和土的摩尔-库仑破坏准则的基本特点。即所求解问题的解是通过分析土体在破坏那一刻的力平衡来解决。在求解时，我们需要引入一些极限平衡方法来简化的问题的假设，这是因为，在大多数情况之下，我们所求解的问题一个静不定问题。 众所周知，岩土体中剪应力的增加或岩土的抗剪强度的降低是引起边坡滑动的主要因素，最终降低岩土体的强度。因此，在土建施工时应充分合理的选择设计边坡的坡角，太大不合理，太小易滑坡。这就要求我们必须对边坡的稳定性进行分析从而对边坡坡度、坡角以及边坡的合理断面给出合理结果。国内外学者为了解决这些常见的问题，提出了许多方法或几种方法联合的方法。其中，使用最为广泛的是条分法。条分法认为：若干剪切面假定存在，土体分成成若干垂直分条进行分析力与力矩的平衡，土体稳定的安全系数在极限平衡状态下求出，最危险滑裂面位置和最低安全系数通过一定量的计算得出。
.......

第 3 章 二王庙地质环境条件及不良地质作用分析 ...... 19 
3.1 地质环境条件 .......... 19 
3.1.1 地层与岩性 ........ 19 
3.1.2 地质构造与地震 .... 20 
3.1.3 水文地质概况 ...... 22 
3.2 二王庙古滑坡的基本特征 ....... 25 
3.3 古滑坡稳定性分析评价 ......... 29 
第 4 章 降雨入渗条件下都江堰二王庙边坡稳定性计算 ......... 31 
4.1 GEO-SLOPE 软件简介 .... 31
4.1.1 概述 ....... 31 
4.1.2 边坡稳定性分析模块（SLOPE/W） .......... 31 
4.1.3 地下水渗流分析模块（SEEP/W） .... 32 
4.2 模型建立及条件 ........ 33 
4.2.1 模型基本概况 ...... 33 
4.2.2 数值计算分析模型及定解条件 ...... 33 
4.2.3 计算结果分析 ...... 36 
第 5 章 结论与展望 .... 46 

第 4 章  降雨入渗条件下都江堰二王庙边坡稳定性计算

由于四川都江堰地区降雨频繁，震后都江堰二王庙边坡能否稳定对周围居民及生态环境影响较大，然而现场勘查及分析只是对稳定性的定性分析，没有充分考虑外界因素影响，特别是降雨强度及降雨持时对边坡稳定性影响及预测，为此本章通过数值计算方法研究降雨入渗下震后都江堰二王庙边坡整体稳定性情况。


4.1 GEO-SLOPE 软件简介 

目前岩土工程设计分析中经常要用的软件 GEO-SLOPE，他是一套适用于岩土工程和岩土环境模拟计算的仿真软件。其特点是专业、高效而且功能强大，他被广泛已经被应用到岩土工程、水力水电工程和环境工程领域。由于 GEO-SLOPE软件分析功能强大，已经成为工程技术人员解决工程实际问题、科学研究人员理论研究和广大师生教学实践中最有效的岩土工程设计分析手段之一。 GEO-SLOPE 软件共包括七种专业分析模块：边坡稳定性分析模块（SLOPE/W）、地下水渗流分析模块（SEEP/W）、岩土应力变形分析模块（SIGMA/W)、地震动力响应分析模块（QUAKE/W）、地热分析（TEMP/W）、地下水污染物传输分析模块（CTRAN/W）、综合渗流蒸发区和土壤表层分析模块（VADOSE/W）。这些模块可以单独使用，也可以组合搭配使用。本文主要使用 GEO-SLOPE 软件的边坡稳定性分析模块（SLOPE/W）和地下水渗流分析模块（SEEP/W）进行问题研究。

......

结论

本文首先详细介绍了基于极限平衡理论的极限平衡法和通用极限平衡法，对条分法和不平衡推力法进行简单的说明，为二王庙场地边坡稳定性分析和计算提供了理论基础。 本文通过二王庙场地边坡实例，详细地对土坡在降雨入渗条件下的瞬态稳定安全系数进行了计算，对土坡在降雨入渗条件下的瞬态渗流场的分布进行了分析，研究内容和结论有如下几个主要方面：  
1）介绍了边坡稳定性的理论基础—极限平衡法，然后简单地介绍了研究边坡稳定性分析的几种常见方法：条分法、不平衡推力法及通用极限平衡法（GLE），并且进一步研究了降雨入渗条件下边坡稳定性分析的方法；
2）有关饱和-非饱和渗流问题的基本理论及其定解条件进行了详细阐述，采用有限元方法对建立的饱和-非饱和渗流的控制方程进行求解； 
3）结合二王庙地质环境分析对都江堰古建筑群地质条件及不稳定地质作用分析；    
4）从饱和-非饱和基本理论出发，运用 SEEP/W 模块模拟了随降雨强度、探求了土坡内部孔隙中孔隙水压力在降雨持续时参数变化情况，并给出了孔隙水压力变化对渗流场的影响。 
.........
参考文献(略)

本文编号：34931