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由于降雨导致边坡失稳进而影响交通的情况越来越多,降雨对边坡的稳定性影响非常大。对于岩质边坡,降雨入渗对其稳定性同样具有巨大的影响。本文首先全面分析水对边坡稳定性的影响,引入非饱和土的抗剪强度理论,对地表降雨入渗对岩质边坡稳定性的影响机理进行深入定性的探讨。并且简要介绍了多孔介质渗流理论的基本原理和方程、土—水特征曲线和渗透性函数的数学表达式及其简化形式,以及水相非饱和渗流的控制方程。介绍了FLAC2D中水气两相流(Two-Phase Flow)的基本控制方程和数值计算公式,以及与应力耦合的计算公式。
在分析总结裂隙岩体渗流基本理论和规律的基础上,本文采用岩体结构面网络模拟对工程实例下川岛某岩质边坡进行节理裂隙统计分析,计算出岩体的等效渗透系数。然后运用FLCA2D两相流模块,在考虑非饱和带基质吸力和暂态附加水荷载以及地下水对抗剪强度的影响下,模拟其饱和—非饱和渗流场,并进行流—固耦合分析计算,并采用强度折减法计算滑面和稳定性系数;最后分析总结在降雨入渗过程中,降雨强度、降雨持时等重要参数对该边坡渗流场及稳定性的影响规律,进而分析降雨入渗对该岩质边坡稳定性的影响。得到了理想、具有一定指导意义的建议和结论。
本文主要成果如下:
(1)全面分析水对边坡稳定性的影响,并引入非饱和土的抗剪理论,对降雨入渗对裂隙岩质边坡稳定性的影响机理进行深入定性的探讨;
(2)综述裂隙岩体渗流特性及规律,采用岩体结构面网络模拟Monte-Carlo研究岩质边坡裂隙特征,并求解等效渗透系数;
(3)通过实例分析可知:降雨一部分被表层的非饱和土体吸收,增加了含水量,提高了饱和度,另一部分则流向坡脚,使得坡脚水位迅速抬升。坡体浅部较快饱和,水份向斜坡深度流动较慢,而坡脚水位抬升速度快。
(4)该裂隙岩体的渗透系数较小,浅部较快饱和,水分向斜坡深度流动较慢,暂态饱和区主要存在于坡体的表层上部。随着深度的增加坡体的状态为:暂态饱和—非饱和—饱和。但在暴雨情况下,降雨仍未能使该边坡坡体完全浸润。
(5)由于岩体的渗透性是由表及里逐渐减弱的,雨水入渗裂隙岩体后,坡体内出现暂态饱和区,随着入渗的进一步进行,暂态饱和区的范围逐渐变大,入渗结束时暂态饱和区的最大深度(距坡面地表的垂直距离)大约为4m。
(6)对于最不利工况Ⅲ(降雨强度为300mm/d),在降雨持时为0~192小时过程中,该岩质边坡稳定性系数由1.78降到1.23,其降幅为30.9%,可见降雨入渗对岩质边坡稳定性的影响非常显著,而且是一个非常重要的不容忽视的因素;
(7)在各种工况下,该岩质边坡的稳定性系数随着降雨裂隙入渗而逐渐降低。导致边坡稳定性系数降低主要有以下三方面的原因:一是由于雨水的入渗引起滑裂面处水压力的增加,使潜在滑裂面的抗剪强度降低;二是水位的上升导致潜在滑裂而岩土体的基质吸力降低甚至丧失,从而降低有效应力;三是由于暂态饱和区的形成,增加了滑动力。
(8)在各种工况下,该岩质边坡的稳定性系数随着降雨入渗而逐渐降低。随着地表裂隙入渗持续时间的推移,稳定性系数下降逐渐减缓。即同样的降雨强度下,随着降雨持续的时间推移,稳定性系数减幅逐渐减少。
(9)在降雨持时较短的情况下,不同的降雨强度对稳定性系数的影响较小,而随着降雨持时的增加,不同降雨强度对边坡稳定性系数的影响程度加剧。