降雨滑坡形成机理及预测方法研究

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我国是世界上滑坡灾害最严重的国家之一。在滑坡的诱发因素中,降雨是诱发滑坡的主要因素。一直以来对降雨滑坡的研究都是学者们热衷的研究课题之一。然而目前对于降雨滑坡的研究,在其形成机理及预测方法的研究方面存在某些不足之处,主要表现在:(1)现有的降雨临界值计算模型大多建立在统计学基础上,缺乏明确的物理力学基础,不能考虑边坡地形地貌、地质环境条件、局地降雨特性对滑坡稳定性的影响;(2)研究中没有考虑降雨滑坡灾害链的特性,将降雨滑坡从降雨入渗-滑坡启动-运动-运动停止的各个过程分开对待,不能够真实的反应降雨滑坡的实际过程特性。因此,本文以降雨滑坡形成的物理力学机理研究为基础,建立物理力学基础明确,综合考虑地层下垫面特性和降雨特性的滑坡降雨临界值计算模型;从降雨滑坡灾害链的特性出发,考虑降雨入渗-滑坡启动-运动-运动停止各个过程的联系性,研究降雨滑坡灾害链的形成机理,揭示降雨作用下边坡土体含水量变化、孔隙水压力分布规律,分析孔隙水压力变化对边坡稳定性的影响,确定边坡最危险滑移面分布,构建降雨滑坡运动物理模型,进行降雨滑坡运动速度与危害范围预测。研究分别以“区域降雨滑坡”和“典型降雨滑坡”为研究对象,展开降雨滑坡形成机理及预测方法研究,具体研究内容和研究成果如下:   (1)对于区域降雨滑坡,根据坡地降雨入渗的物理过程,建立坡地水文模型,研究降雨入渗过程中边坡地下水响应规律。论文从降雨入渗致使边坡坡面有、无坡面流产生两种情况出发,分别建立其坡地水文模型,揭示了土体结构特性以及不同降雨强度、降雨类型、时间和前期降雨对地下水的影响,同时对于有坡面流产生的情况,揭示了不同降雨强度、时间对坡面流流深的影响。   (2)基于坡地水文模型,研究降雨入渗对边坡稳定性的影响,建立降雨临界值计算模型。论文基于无限边坡理论及摩尔-库伦破坏准则结合坡地水文模型,建立边坡稳定性计算模型,揭示了地下水位、坡面流深度变化对边坡稳定性的影响。综合坡地水文模型和边坡稳定性模型,分别针对边坡坡面有、无坡面流产生两种情况,建立降雨诱发滑坡的降雨临界值计算模型,该模型物理力学基础明确,同时能够将降雨强度、降雨类型、降雨历时以及前期降雨的影响考虑在内,将该模型应用于都江堰降雨滑坡危险性分区中,其研究结果证明了模型的合理性和可靠性。   (3)对于典型降雨滑坡,基于饱和-非饱和土渗流理论,利用有限元方法,研究降雨入渗对土体含水量、孔隙水压力的影响。研究结果表明:降雨条件一定时,土体的饱和渗透系数是影响坡体孔隙水压力、入渗深度以及体积含水量的关键;当降雨强度大于土体的饱和渗透系数时,在相同的降雨持时下,降雨强度的增大,对边坡孔隙水压力、体积含水量的影响不大;降雨强度小于土体的饱和渗透系数时,在相同的降雨持时下,随降雨强度增大,边坡内的孔隙水压力、体积含水量也逐渐增大;当降雨量相同,降雨持时越长,降雨的入渗深度越大,孔隙水压力、体积含水量越小;在降雨量和降雨历时相同时,不同降雨类型下的土体含水量和孔隙水压力分布是不同,降雨类型对边坡的瞬态渗流场影响不容忽视。   (4)基于饱和-非饱和土抗剪强度理论,考虑负孔隙水压力作用对边坡稳定性的影响,将降雨作用下的瞬态渗流场与极限平衡法相结合,研究不同饱和渗透系数、降雨强度、降雨历时以及降雨类型对边坡稳定性的影响。研究结果表明:在降雨条件一定时,土体饱和渗透系数不同,边坡的安全系数是不同的;当降雨强度大于土体饱和渗透系数时,增加降雨强度对边坡安全系数的影响较小,而当降雨强度小于土体饱和渗透系数时,增加降雨强度对边坡安全系数的影响大;当降雨历时相同时,降雨强度越大,边坡安全系数下降的越快,同时降雨结束时边坡的安全系数越小;当降雨总量一定时,边坡的安全系数随着降雨历时的增加而减小;当降雨总量和降雨时间相同时,降雨类型不同边坡的安全系数是不同的。   (5)考虑降雨滑坡的运动特性,建立降雨诱发滑坡的运动物理模型,进行降雨诱发滑坡滑动的运动速度、滑动距离以及危害范围的预测研究。论文将整个滑坡的运动看作是一个质点组的运动,针对滑动面为圆弧面的滑坡,进行滑坡运动的相关研究,建立其运动物理模型,进行降雨滑坡的运动速度和危害范围的预测,实现了完整的降雨滑坡灾害链过程的研究,为滑坡灾害的危害评估和预测提供理论和技术支持。
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