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滑坡是我国最主要的地质灾害之一,近年来随着经济的发展,各地纷纷新建大型水库、水电站,导致库区周围地下水位升高,引起了库区周围滑坡的复活,因此库水位变化对滑坡稳定性的影响是库区运营面临的一个新课题,特别是在水库运营后水位周期性波动时滑坡稳定性评价既是一个复杂的理论课题,同时也是一个重大的工程应用课题。目前大多数有关地下水的渗流模型只涉及全饱和带,即使考虑非饱和带,也仅仅是通过对饱和带参数折减来代替其真实的参数,与地下水实际情况不相符,计算的结果与实际情况也有差别:另外,库水位周期性波动边界条件对渗流场的影响,波动次数对渗透性系数、容水度的影响,双场耦合作用等问题远未得到满意的解决。
总之,周期性水位波动作用下库岸滑坡稳定性分析是当前岩土工程和工程地质界研究的热点。本文正是建立在这一内在因素和外在因素分析基础之上,进行了以下主要内容的研究:
1.分别从物理作用、化学作用、力学作用三个方面阐述了水对岩土体性质的影响。
2.分析了非饱和土的渗流理论——广义达西定律,然后按质量守恒定律推导了以总水头为因变量的饱和-非饱和渗流的数学物理微分方程,并对其进行了有限元离散化;对比渗流方程和热方程的相似性,利用ANSYS热模块,采用APDL编制二维饱和非饱和渗流程序ANSYS程序,利用实例来证明了该思路和方法的可行性和正确性;最后,利用该程序对不同介质的库岸边坡进行了饱和-非饱和渗流分析,得到其渗流规律。
3.阐述了Biot三维固结微分方程,归纳总结出渗流场与应力场之间相互影响的规律;对基于虚功原理的渗流场和应力场的微分方程进行空间域及时间域离散,给出等效节点渗透力的计算方法,编制渗透力的计算程序;充分考虑双场耦合作用,推导出以位移增量和孔隙水压力增量为方程域变量的饱和-非饱和岩士体耦合固结控制方程;给出该方程的求解思路,画出程序流程框图,最终编制耦合计算控制程序。
4.结合工程实例——双龙洞滑坡,分析水位周期性波动对该滑坡稳定性的影响。通过两个波动周期的模拟计算,求得滑坡体内水头分布、渗透压力、应力场、位移场、塑性区等的变化分布情况。计算结果表明:
1)双龙洞滑坡目前处于稳定状态,随着库水位周期性的波动,滑坡后缘将首先出现塑性区,随着波动次数的增多后缘塑性区逐渐扩大,并最终贯通引起滑坡失稳破坏,因此其破坏机制为推移式破坏。
2)水位下降时,滑坡体内部的渗透力主要集中在滑坡前缘,特别是在水库泄水过程中,表现为扬压力,对滑坡稳定性不利;渗透力随波动次数的增加而增大。
3)由于耦合计算充分考虑了渗透体积力以及坡外的库水压力,因此,模拟结果表现出不同于单场计算结果。