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研究降雨诱发滑坡的机理主要有两种途径:一是用统计分析的方法寻求降雨与滑坡相关性规律,属定性分析;二是研究降雨入渗诱发滑坡的物理过程并建立定量的分析模型,属定量分析。降雨诱发滑坡的机理及相应的评价方法研究是学术界以及工程界都十分关注的课题,而又是一个难以解决的课题。本文作者认为尽管国内外在滑坡与降雨的关系方面研究取得了不少进展,但是,在机理研究方面,很多研究并未真正做到完全模拟真实的降雨过程,而是作出一定的假定条件,如假定定流量边界条件,采用搜索最危险滑动面进行计算等。
老滑坡堆积体一般属于非饱和土的范畴,非饱和土体的抗剪强度与土体的饱和度密切相关。因而滑坡滑坡稳定性与土体的抗剪强度参数的变化尤为敏感。降雨入渗过程中,由于受到降雨强度、降雨持时以及滑坡土体渗透系数的影响,土体的抗剪强度的变化也是复杂的。因而,降雨入渗条件下饱和—非饱和渗流规律应用于滑坡稳定性研究意义重大。
据统计降雨诱发的滑坡占滑坡总数的60%之多。对于一个降雨型老滑坡的治理设计,若能科学合理地确定滑坡体中的孔隙水压力的大小、分布,抓住治理的关键因素,将节省大量的工程投资,同时,取得更好的治理效果。然而,目前岩土工程界关于该课题的研究始终没有质的突破,相关理论需要完善的地方还很多,用于进行渗流计算的软件目前要用到工程实际还有一定的难度。
大量工程实践证明,地下排水工程和地表排水工程是降雨型老滑坡防治的首选方案。虽然越来越多的人都认识到滑坡排水的重要性,但是由于目前对排水系统的可行性、工程的合理性和效果评价难以有科学的标准,所以,排水工程这种治理措施还不能发挥其最大效益。排水方案的好与坏,直接影响到滑坡的稳定性。
纵观滑坡稳定性分析的各种方法及工程治理设计,均需引入岩土体的各种力学参数(C、φ、E等),而这些参数,往往难以准确测定,在水的作用下变化更大。通过降雨条件下对滑坡稳定性影响的分析,揭示出降雨对滑坡体的影响主要表现在两个方面:一是降雨入渗对滑坡体力学参数的影响,主要反映为滑坡体的c、φ值的削弱;二是力的作用,主要表现为降雨入渗产生的沿滑坡方向的渗透力和降雨形成的地表径流对滑坡体产生动水压力和冲刷力。因此,研究降雨条件下滑坡的变形机理具有十分重要的理论意义。
重庆市铜梁县西泉街滑坡是一个典型的降雨型滑坡,具有一定代表性。从2007年7月16日至9月,重庆市遭遇了115年以来的特大降雨,持续性强降雨导致滑坡体严重变形,滑坡后缘产生1~2m的拉张裂缝,滑坡前缘房屋条石台阶产生0.06~0.10m的鼓胀裂缝,对滑坡前缘的319国道造成严重破坏。降雨型滑坡的排水治理,若能科学合理地确定滑坡中的孔隙水压力,将节省大量的工程投资,其次,工程的安全稳定运营将带来巨大的社会效益以及经济效益。因此对滑坡的排水效果进行研究,为工程治理方案的选择和实施提供依据和有益的指导。
基于以上原因,开展降雨诱发滑坡机理及其排水效果研究具有重大的理论意义和工程意义。在导师指导下,结合西泉街滑坡实例,拟定了降雨型老滑坡复活变形机理及其排水效果研究主题,具体研究内容、思路及研究结论如下:
(1)作者建立了一套“室外现场试验一室内非饱和土物理力学试验—模型机理及相关理论分析—降雨入渗滑坡数值模拟—降雨诱发滑坡机理研究—排水效果研究”的方法体系。在此方法体系基础上,以重庆市西泉街滑坡为实例,运用上述方法进行系统地分析探讨。
(2)对土水特征曲线模型及饱和—非饱和渗流的相关理论进行了较深入的研究。阐述饱和稳定、非稳定渗流问题的基本概念及其定解条件,分析研究饱和—非饱和渗流数值模拟计算中的几个关键问题。
(3)在进行西泉街滑坡工程地质调查时,在现场完成了含水率测定试验、大体积重度试验、渗透系数测定试验、大面积剪切试验,获取了大量有价值的岩土特性参数,为计算或设计提供可靠的数据。
(4)运用GEO-STUDIO中的SEEP渗流计算程序,分别计算在不同降雨强度(q=30mm/h、q=15mm/h、q=5mm/h)、不同降雨持时、不同土体渗透系数的影响下基质吸力的变化曲线,分析以上各影响因子对滑坡渗流特性的影响。运用ANSYS有限元软件对滑体在饱和度分别为84.29%(对应稳定性计算中的工况一)和88.88%(对应稳定性计算中的工况三)时计算其位移和剪应变。分析滑坡在低水位(饱和度低)和高水位(饱和度高)时的变形情况,评价其稳定性。综合以上两部分的内容以及地下稳定水位和位移监测资料研究降雨型老滑坡的复活变形机理。
(5)通过现场观测,总结观测时间内的降雨过程曲线,以此为研究平台,分别在观测时间内对现场开挖土体的含水量变化、滑体的可排水性和地下稳定水位的变化进行研究,从而达到全面评价西泉街滑坡排水效果的目的,进一步指出对于降雨型老滑坡的治理关键在于治水。
(6)通过滑坡排水效果分析,更深入地掌握了滑坡体内水的动态变化,认识到水在滑坡体内所起的作用,因而研究其排水效果又能为研究降雨型老滑坡的复活变形机理提供证据。本文指出,降雨型老滑坡的治理关键在于治水。根据实际本文提出了西泉街滑坡的治理方案,同时,对于该类滑坡,均可借鉴此类治理方案。
总之,本文将传统的滑坡诱发机理分析方法和先进的计算机技术相结合,通过室内外试验、经验数据及参数反演确定稳定性计算参数,利用计算机进行数值模拟计算,在此基础上整个模拟过程均结合现场实测资料统计分析。整个过程数据来源有依据,验证过程更具有说服力。作者认为该思路也是科研工作者必备的。本文以重庆市西泉街滑坡为实例,抛砖引玉,揭示了降雨型老滑坡的复活变形机理,提出了该类滑坡有效的治理措施,进而对此类滑坡的排水效果进行研究,证实了治水的思想是正确的,为降雨型滑坡的治理设计和施工提供了理论指导。