赣南地区人工切坡降雨致灾机制现场模型试验

赣南地区滑坡等地质灾害频发,降雨和人工切坡是该地区地质灾害的最主要诱发因素,物理模型试验尤其是现场模型试验是揭示滑坡发生机制的最有效手段。以赣南地区某风化变质岩人工切坡为研究对象,自主设计降雨模拟系统,布设有4个含水率、孔压监测孔及两处位移监测点,开展现场人工模拟降雨试验。研究边坡土体含水率、孔隙水压力以及位移与降雨过程的响应关系,探索持续强降雨作用下风化变质岩边坡的入渗规律,并揭示变质岩风化土坡的变形失稳模式。结果表明:降雨后土体含水率的变化存在滞后,雨水开始入渗后含水率持续增加,含水率增大幅度随其深度增大而减小;各测孔浅层土体孔压值降雨入渗过程响应明显,表层1 m以下土体一直处于非饱和状态;监测点位移与含水率变化速率呈明显的正相关,边坡变形主要集中于含水率变化明显的边坡一侧;边坡位移与孔压值变化响应明显,边坡内部土体发生剪胀变形现象使得孔压值降低,边坡变形速率随即减小;强降雨条件下陡峭人工切坡的变形破坏过程可归纳为3阶段:陡峭坡面分散坍滑,平台形成拉裂缝,边坡大范围垮塌。     

库水位变化对库岸稳定的影响

澜沧江上某水电站蓄水运行后,库水位的变动对库岸边坡的稳定性有较大影响。以该电站库区的一个库岸为例,根据库水位调度规划及当地水文资料,运用土体渗流理论以及极限平衡方法对库岸边坡进行稳定性分析,同时在灵敏度分析的基础上,研究库岸渗透系数和库水位变化对库岸边坡稳定性的影响。结果表明:在库水位上升阶段,当库岸边坡渗透系数很大时(k=2.5×10-4m/s),库岸地下水位将和库水位同步上升,将降低边坡的安全系数;当库岸边坡渗透系数很小时(k=2.5×10-6m/s),库岸边坡地下水位的上升将滞后于库水位的上升,导致作用在库岸边坡上,有利于库岸边坡的稳定;在库水位下降阶段,当库水位下降速率小于等于库岸边坡渗透系数时,库岸边坡地下水位随着库水位的下降而降低,库岸边坡的稳定性随着库水位的降低而增加;当库水位下降速率大于库岸边坡渗透系数时,库岸边坡地下水位的下降将滞后于库水位的下降,产生动水压力作用于库岸边坡,不利于库岸边坡的稳定。并提出了水库蓄水阶段应尽量保持在2 m/d内的上升速度,水位下降阶段应将水位下降速度控制在1 m/d之内的建议。该研究对水库安全运行具有一定指导作用。     

非饱和-非稳定渗流条件下的边坡临界滑动场

受季节性降雨或水库运行的影响,岸坡外水位及坡内孔隙水压力场的变化较大,不利于岸坡的稳定性。在水位变化过程中,利用非饱和-非稳定渗流有限元计算得到孔隙水压力场,基于非饱和土的渗流和抗剪强度理论,对水位变化过程中的边坡临界滑动场法进行改进,提出可考虑水位变化与岸坡非饱和-非稳定渗流过程的边坡临界滑动场数值模拟方法。将改进后的水位变化过程中的边坡临界滑动场法分别应用于黏土、粉土岸坡在水位升降过程中的稳定性分析,研究了水位升降速率及基质吸力对岸坡稳定性的影响,并揭示了边坡在水位变化过程中的稳定性变化历程。研究表明,该方法计算结果合理、可靠,更适用于涉水边坡的稳定性计算,且岸坡稳定性变化历程受水位升降速率、基质吸力等多种因素共同影响,只有在考虑非稳定渗流的基础上同时考虑基质吸力的作用才能正确得出水位变化过程中岸坡稳定性变化规律和实质。     

土坡前端推力对降雨入渗响应的试验研究

降雨入渗可引起坡体前端推力发生显著改变,影响土坡的稳定和安全。利用构建好的降雨模拟和监测系统,对降雨诱发非饱和残积土坡失稳过程进行全方位、多参量的实时监测,着重分析不同位置、坡度、密实度和不同降雨条件下坡体前端推力的时变规律。结果表明:边坡上部土体含水率、吸力、坡体变形和下滑推力变化幅度较大,速度较快,而下部土体变化幅度较小,速度较慢;坡体前端推力变化可分为缓慢增加、加速上升和雨后衰减3个阶段,降雨过程中陡坡和高密实度边坡反映较为强烈,下滑推力峰值大于缓坡和低密实度边坡;降雨作用下新边坡坡体应力状态变化明显,较易失稳,而老边坡则相对比较稳定;高密实度和陡坡坡体内部的高应力区域在二次或多次降雨后可完全释放,边坡具有高水平的雨后剩余下滑力和更显著的土体软化效应。研究成果对进一步揭示闽东南地区降雨入渗对非饱和土坡的影响机制及对非饱和土强度与稳定性的弱化作用具有重要的理论及实际意义。     

水合物开采中深海古滑坡体的再启滑机制初探

我国南海北陆坡水合物富集区广泛发育古滑坡,若水合物开采不当可能导致古滑坡再次滑动。为了探究水合物开采诱发古滑坡再启滑机制,针对含下卧型水合物藏和伴生型水合物藏的两个典型古滑坡体,在边坡极限平衡分析框架内考虑了水合物开采过程中的瞬态孔压与土体抗剪强度变化,分析了水合物开采过程中不同古滑坡体的稳定性演变与失稳模式。研究表明,水合物分解导致所赋存土体的胶结强度弱化,同时逸出气体可能被阻滞于渗透性较低的古滑坡体下方,从而形成横向扩展的高压区。下卧型储层边坡的潜在滑移面贯穿古滑移面,一般表现为滑动型滑坡;开采初期因孔压积聚而导致边坡稳定性降低,开采中后期因二次水合物生成可能导致边坡稳定性有所回升,在本文计算条件下未触发古滑坡复活。伴生型储层边坡的稳定性受土体强度劣化与孔压积聚的共同影响,水合物开采导致古滑坡重新滑动,表现为滑塌型滑坡。     

饱和黄土卸载特性影响因素研究

黄土边坡开挖过程中常遇到边坡发生变形甚至破坏的情况,不同的开挖速率导致边坡的变形特征也不相同。通过饱和黄土的卸载三轴试验,研究固结围压及卸载速率对卸载状态下饱和黄土的应力-应变特性、孔隙水压力的发展及应力路径的影响。试验表明,固结围压越大,土体破坏所需的偏应力越大,抗剪强度越大;卸载速率越大,对应的偏应力峰值越大,抗剪强度越大。卸载速率相同时,土体卸载初期的超静孔压为负值,增大至正值后孔压的增长速率在其增大过程中逐渐减小;固结围压越大,土样剪切过程中对应的孔隙水压力越大。卸载三轴试验中,土体均表现为应变软化的特性;饱和黄土破坏时的应变均为1%~3%,且固结围压越高,破坏时的应变越小。固结围压相同时,卸载速率越大,孔压增长速率越快,但孔隙水压力值越小。     

降雨和库水联合作用下边坡稳定性变化规律

降雨与库水位骤降是影响边坡稳定性的重要因素。为研究不同类型降雨(平均型,前峰型,中峰型,后峰型)联合库水位骤降情况下某自拟边坡渗流特性以及稳定性的变化规律,利用Geostudio软件对不同类型降雨联合库水位骤降工况下的边坡渗流特性以及稳定性的变化规律进行了数值模拟,结果表明:库水位下降过程中孔压变化有一个"响应延迟"现象,且随着距离库岸距离的变大越来越明显;库水位下降速率越大,最小稳定系数出现的时间越早,最小稳定系数越小;在静库水位作用下不同类型降雨影响了最大孔压峰值的出现时间,前峰型最小稳定系数最大,后峰型最小稳定系数最小;不同时段降雨改变了孔压瞬时变化规律;平均型降雨,前峰型降雨,中峰型降雨最小稳定系数随着降雨发生时间的延后而越小,而后峰型降雨最小稳定系数出现在库水位下降过程中(10～20 d),且后峰型降雨容易导致边坡失稳。研究成果为不同类型降雨联合库水位骤降工况下边坡渗透稳定性规律提供了一个直观的认识。     

库水位波动下库岸边坡变形特征研究

为研究库区水位波动库岸边坡的稳定性影响,基于多期现场实时监测数据,分析库水位波动作用下对库岸边坡的稳定性影响。结果表明：蓄水位对于坡体稳定性影响很较大,具体表现在,当蓄水位较低时,边坡的稳定性性较好,与之相似,在水库蓄水初期,岸坡变形受蓄水速率影响较小;随着水位的升高,边坡的稳定性表现出较复杂的变化规律,水整个过程中岸坡的稳定性根据水位的高低表现出稳定—较不稳定—稳定三段式;蓄水位在一定高度时,水位下降对边坡稳定性有积极影响(如本滑坡的115～130 m)。     

土坡地震稳定性影响因素分析

针对目前土质边坡地震稳定性评价还没有成熟可靠的标准,采用FLAC3D对土坡进行地震稳定性分析,得出:在土体强度参数中,摩擦角对土坡的稳定性影响最大。地震波传播方向平行于坡面时,比地震波传播方向与坡面相交时对土坡的危害要小得多。提出对土坡采用分级处理,多设置平台,更利于抗震。      

黄土路堑边坡土体水热变化特征现场监测研究

基于现场监测资料,对黄土路堑边坡坡面下土体水热变化规律进行分析研究.结果表明,左边坡坡面下土体温度高于右边坡,左边坡冻结期和冻结深度小于右边坡;右边坡含水率变化深度大于左边坡,水分在边坡5 cm以上浅层土体中迁移速度基本相同,在边坡坡面25 cm以下土体渗透性差异较大,左边坡迁移速度低于右坡;冬季左边坡坡面下浅层土体和右边坡观测范围内地温低于0℃,右边坡坡面25 cm以上对应的含水率为零,而左边坡浅层土体和右边坡25 cm以下土体含水率并不为零;干湿循环和冻融循环在左右边坡土体中的显著程度和影响深度不同.     

水位下降条件下黏性土边坡稳定性的图表法

库（河）岸边坡由于坡体迎水面水位下降经常造成坡体稳定性降低,建立快速评估水位变化条件下的边坡稳定性分析方法具有重要的工程实用价值。基于库（河）水位下降过程及坡体内非稳定渗流条件,通过对ABAQUS程序进行二次开发,发展了考虑地表水-地下水联动作用下的黏性土边坡强度折减有限元分析方法;在分析边坡土性参数、相对渗透比值、边界条件对边坡稳定性影响的基础上,建立了考虑土性参数、相对渗透比值、库水位下降比、坡角等一体化的相对稳定安全系数综合图表表示方法。该方法能够简便、快捷地查出实际涉水边坡在不同工况下的稳定安全系数及设计边坡坡比,可作为现有图表法的有益补充。     

非稳定渗流条件下非饱和土质边坡稳定性的矢量和分析法研究

研究可以同时考虑渗流、变形与稳定的非饱和土质边坡稳定性分析方法具有重要的理论意义及工程实用价值。基于Fredlund双应力变量理论进行非饱和非稳定渗流-应力耦合分析,同时与传统非耦合渗流方法确定的孔压场进行对比发现,两种方法确定的浸润线变化过程相近,堤底处孔压的最大相对误差为8.8%,验证了耦合分析结果的可靠性。将基质吸力对强度的贡献纳入黏聚力中得到坡体强度参数的空间分布规律,又基于滑面强度参数时空分布规律借助Matlab平台开发了非稳定渗流条件下非饱和土质边坡稳定性的矢量和法分析程序。以库水位下降条件下堤坡的稳定性分析为例,将不同方法的计算结果进行对比,发现文中方法搜索得到的滑面位置相对于传统方法要深缓,但总体位置相差不大,不同方法对应的安全系数相差不足0.096,验证了所提方法的合理性。     

Strength reduction FEM in stability analysis of soil slopes subjected to transient unsaturated seepage

The instability of soil slopes induced by the fluctuation of water level or rainfall has received much attention in the literature recently and the failure mechanism is closely related to the change of matric suction of unsaturated soils. Such a change is basically induced by unsaturated transient seepage. The traditional approach for estimating the stability of slopes subjected to unsaturated transient seepage is based on the limit equilibrium method (LEM). The limit equilibrium approach is limited by assumptions about analysis method and failure mechanism. In order to overcome those limitations, a finite element method with shear strength reduction technique (SSRFEM) has been successfully applied to the slope stability analysis in absence of seepage. The main objective of this paper is to extend the use of the strength reduction FEM to include the effects of unsaturated transient seepage and some primary numerical results concerning the stability of an earth dam under rapid drawdown are presented. Emphasis has been given to comparison of the safety factors obtained by LEM and SSRFEM. Topics for the further research in this area are also suggested.     

水位波动下非饱和心墙土坝体的渗流和稳定性

基于Richards方程,对坝体的饱和-非饱和渗流场进行了模拟,再根据饱和-非饱和渗流场和非饱和土抗剪强度公式,对坝体的稳定性进行了分析。结果表明,水位骤降过程中坝体的安全系数通常呈现先缓慢增加后迅速减小的变化过程,分析坝体失稳时塑性区和位移场发现,水位下降的初期,坝体左侧坡体的安全系数要低于坝体右侧坡体,但水位下降到一定程度,右侧坡体的安全系数迅速减小,并先于左侧坡体失稳;采用有限元强度折减法用于多坡面边坡稳定分析时,只能获得最小安全系数的包络线;心墙具有隔水防渗的作用,对水位变化渗流具有阻尼作用。     

Coupled transient saturated–unsaturated seepage and limit equilibrium analysis for slopes: influence of rapid water level changes

This study investigates the influence of the water level fluctuation on the stability of soil slopes using coupled seepage and slope stability analysis. A simulation framework was proposed and implemented seamlessly using Python code to seek insights into three factors that have not been thoroughly studied for this issue: soil unit weight variation in the unsaturated zone, unsaturated shear strength models, and velocity of water drawdown. For this purpose, the seepage analysis was carried out by discretizing a numerical seepage analysis model using a finite element analysis platform, FEniCS. The output of the seepage analysis, i.e., pore water pressure distribution, was used as input for the slope stability analysis. Limit equilibrium methods including the Bishop Simplified method and the Ordinary Method of Slices were modified to take into consideration the unsaturated shear strength, unit weight variation in the unsaturated zone, and hydrostatic pressure changes in response to the water level fluctuation of a reservoir. Both seepage and slope analysis modules were validated against commercial programs. Analysis results obtained with the validated framework clearly revealed the distinct influences of the three factors in representative silty and sandy slopes.

     

连续降雨作用下非饱和土边坡的稳定性分析

在边坡稳定性研究中,吸力的影响经常被忽略。基于非饱和土的渗流理论,利用数值分析方法研究了一个由于连续降雨导致的非饱和土边坡失稳的工程实例。研究结果表明:非饱和土的吸力对于维持边坡稳定具有重要影响,而吸力与降雨频率、降雨量、降雨时间、蒸发量等密切相关。对于工程实践而言,吸力的监测对于维持土坡稳定具有重要意义。     

雨水入渗对非饱和土坡稳定性影响的参数研究

很多国家和地区的斜坡失稳与雨水入渗有密切关系。通过参数分析研究可以深化对这种关系的认识和理解,因而对滑坡灾害的预测和预防有重要意义。针对香港地区一种典型非饱和土斜坡,用有限元法模拟雨水入渗引起的暂态渗流场,然后将计算得到的暂态孔隙水压力分布用于斜坡的极限平衡分析。计算中采用延伸的摩尔－库伦破坏准则以便考虑基质吸力对抗剪强度的贡献,研究了降雨特征、水文地质条件及坡面防渗处理等因素对暂态渗流场和斜坡安全因数的影响。数值模拟结果表明：降雨强度、降雨历时和雨型对暂态渗流场及斜坡稳定性有明显的影响;土体的渗透系数,尤其是渗透系数各向异性的影响特别显著;斜坡中相对隔水层的存在以及斜坡防渗护面的效果等因素的影响均不容忽视。     

降雨作用下煤系土路堑边坡稳定分析

基于掌握的降雨气象资料,利用非饱和瞬态渗流有限元程序对开挖后和风化后两种情况下的煤系土路堑边坡进行了降雨入渗坡体渗流场数值计算和分析。依据非饱和土力学强度理论,基于Morgenstern-Price方法,调用不同降雨时间的渗流计算结果,对两种情况下煤系土路堑边坡的瞬态稳定性进行了计算和分析。研究结果表明,水分在风化煤系土路堑边坡体内的渗透迁移对路堑边坡稳定性和最危险滑动面有时空影响;在煤系土路堑边坡降雨入渗和稳定性分析中考虑风化层较为合理。     

水位骤降时的非饱和坝坡稳定分析

从非饱和土抗剪强度理论出发,应用极限平衡法和以有限元应力计算为基础的极限平衡法,分别对库水位骤降时的坝坡稳定进行了计算。分析中采用非饱和-非稳定渗流理论,模拟了孔隙水压力的消散过程,并考虑基质吸力对土体抗剪强度的影响,将每个渗流分析结果调入稳定分析模块计算其稳定性。最后将两类极限平衡法稳定分析结果进行了比较,结果表明,库水位的骤降,易引起坝坡的滑动,随着超静孔隙水压力的消散,坝坡稳定性逐渐提高;随着孔压消散,基质吸力对抗剪强度的贡献增大。     

Liquefaction potential of coastal slopes induced by solitary waves

Tsunami runup and drawdown can cause liquefaction failure of coastal fine sand slopes due to the generation of high excess pore pressure and the reduction of the effective over burden pressure during the drawdown. The region immediately seaward of the initial shoreline is the most susceptible to tsunami-induced liquefaction failure because the water level drops significantly below the still water level during the set down phase of the drawdown. The objective of this work is to develop and validate a numerical model to assess the potential for tsunami-induced liquefaction failure of coastal sandy slopes. The transient pressure distribution acting on the slope due to wave runup and drawdown is computed by solving for the hybrid Boussinesq—nonlinear shallow water equations using a finite volume method. The subsurface pore water pressure and deformation fields are solved simultaneously using a finite element method. Two different soil constitutive models have been examined: a linear elastic model and a non-associative Mohr–Coulomb model. The numerical methods are validated by comparing the results with analytical models, and with experimental measurements from a large-scale laboratory study of breaking solitary waves over a planar fine sand beach. Good comparisons were observed from both the analytical and experimental validation studies. Numerical case studies are shown for a full-scale simulation of a 10-m solitary wave over a 1:15 and 1:5 sloped fine sand beach. The results show that the soil near the bed surface, particularly along the seepage face, is at risk to liquefaction failure. The depth of the seepage face increases and the width of the seepage face decreases with increasing bed slope. The rate of bed surface loading and unloading due to wave runup and drawdown, respectively, also increases with increasing bed slope. Consequently, the case with the steeper slope is more susceptible to liquefaction failure due to the higher hydraulic gradient. The analysis also suggests that the results are strongly influenced by the soil permeability and relative compressibility between the pore fluid and solid skeleton, and that a coupled solid/fluid formulation is needed for the soil solver. Finally, the results show the drawdown pore pressure response is strongly influenced by nonlinear material behavior for the full-scale simulation.