降雨对斜坡稳定性的影响.docx

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降雨对斜坡稳定性的影响

本科毕业论文（设计）

题目：

降雨对斜坡稳定性的影响

——以南平市斜坡为例

姓名：

刘莹学号：

2114481

院（系）：

环境学院专业：

地下水科学与工程

指导老师：

湖沉职称：

讲师

评阅人：

赵锐职称：

2014年06月

本科生毕业论文（设计）原创性声明

本人以信誉声明：

所呈交的毕业论文（设计）是在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果，论文中引用他人的文献、数据、图件、资料均已明确标注出，论文中的结论和结果为本人独立完成，不包含他人成果及为获得中国地质大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。

与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。

毕业论文作者（签字）：

签字日期：

年月日

摘要

斜坡失稳破坏是多山地区常见的一种自然灾害，而降雨是斜坡失稳破坏最重要的触发因素。

降雨通过以下方式影响斜坡的稳定性：

降雨时，雨水入渗使原本的非饱和土变成饱和土，孔隙水压力增大也即基质吸力减小，使斜坡的抗剪强度降低；其次，雨水入渗会增加土壤的重度，加大下滑力；同时，长时间的雨水入渗会抬高地下水位，当地下水位达到或超过潜在滑动面时，地下水会软化滑面从而降低斜坡的抗剪强度。

在此文中，利用Geostudio2007软件主要分析降雨条件下，孔隙水压力的变化（也即基质吸力的变化）对斜坡稳定性的影响。

本文以福建省南平市西芹镇兴华街道后山比较有代表性的Ⅲ区房后斜坡为例，首先对其进行斜坡变形的宏观分析及敏感性因素的分析并计算得到天然条件下的斜坡稳定性系数。

后取Ⅲ区房后斜坡28-28’号地质剖面，使用Geostudio2007软件建立了边坡饱和非饱和降雨入渗有限元计算模型，得到不同降雨条件下雨水入渗时孔隙水压力的变化情况，并计算得到不同降雨强度和不同降雨历时下的斜坡稳定性系数，进而分析降雨对斜坡稳定性的影响。

经过分析得到如下结论：

（1）Ⅲ区房后斜坡受降雨或者其他不利因素影响时，中上部岩土体仍存在崩塌或滑坡的可能。

计算结果表明，在天然情况下，此斜坡能基本保持稳定，稳定性系数为1.294。

（2）在相同降雨时长的条件下，降雨强度越大，斜坡的稳定性系数减小得越快。

但在降雨强度大于雨水渗透系数时，各种不同降雨强度对斜坡稳定性的影响趋于相近。

（3）在相同降雨强度的条件下，降雨历时越长，斜坡的稳定性系数减小得越快。

（4）通过模拟斜坡监测点中孔隙水压力的变化可知，随着降雨的持续，孔隙水压力会一直升高，而斜坡的稳定性系数下降。

因此降雨引起的孔隙水压力增大是导致斜坡失稳的重要原因。

关键词：

降雨入渗斜坡稳定性Geostudio2007孔隙水压力

Abstract

Slopeinstabilityandfailureisacommonnaturaldisasterinmountainousareas,andrainfallisthemostimportanttriggerfactor.Rainfallaffectstheslopestabilityinthefollowingways.Firstly,rainwaterinfiltrationwillmaketheoriginalunsaturatedsoilbecomesaturatedsoilsothatporewaterpressureincreases（ie,matricsuctiondecreases）whichwillthenreducetheshearstrengthoftheslope.Secondly,rainwaterinfiltrationwillincreasethesoil'sdensityandtheporewaterpressureandhenceincreasedeclineinforce.What'smore,prolongedrainfallinfiltrationwillraisethewatertableandwhenthewatertablereachesorexceedsthepotentialslidingsurface,thegroundwaterwillsoftentheslipsurfacewhichwillreducetheshearstrength.Inthispaper,Geostudioisusedtoanalyzehowthechangesofporewaterpressureaffectsthestabilityofslope.

ThispapertakestheexampleofarepresentativeⅢdistrictslopeinFujianProvince,Nanping,Xiqintown,XinghuaStreet.Themacro-deformationoftheslopeandsensitivityfactorsareanalyzedandtheslopestabilitycoefficientunderthenaturalconditioniscalculated.ByusingGeostudio,asaturated-unsaturatedfiniteelementmodelofrainfallinfiltrationisbuiltintakingthe28-28'geologicalsectionoftheⅢdistrictslope.Igettheresultsofchangesinporewaterpressureandslopestabilitycoefficientunderdifferentrainfallintensityandduration.ThenIanalyzetherainfall'simpactonslopestability.Followingaretheconclusions.

1.Ⅲdistrictslopeispossibletocollapseorlandslideintheupperandmiddlepartoftheslopeafteranotherrainfallorotherunfavorablefactors.Thecalculationresultsshowthatundernaturalcondition,thisslopecanbasicallystaystableandtheslopestabilitycoefficientis1.294.

2.Underthesamerainfallduration,thehighertherainfallintensity,thefasterthatslopestabilitycoefficientdecreases.However,whentherainfallintensityisgreaterthanrainwaterpermeabilitycoefficient,theimpactofvariousdifferentrainfallintensityisthebarelythesameonthestabilityoftheslopenomatterwhattherainfallintensityis.

3.underthesameconditionsofrainfallintensity,thelongerthatrainfalllasts,thefasterstabilityoftheslopecoefficientdecreases.

4.Throughmonitoringchangesinsimulatedporewaterpressure,wecanknowthatwithrainfallcontinues,porewaterpressureincreasesanditleadstodecreaseoftheslopestabilitycoefficient.Thereforeincreaseinporewaterpressurecausedbyrainfallisanimportantfactorthattriggerstheslopeinstability.

Keywords:

rainfallinfiltration;slopestability;Geostudio2007;porewaterpressure

目录

第一章前言-1-

第一节选题意义和依据-1-

第二节国内外研究现状-1-

第三节存在的问题和展望-2-

第四节研究内容及技术路线-3-

第二章自然地理及地质概况-5-

第一节自然地理条件-5-

第二节斜坡基本特征-6-

第三节斜坡岩土体特征-7-

第三章斜坡稳定性分析-9-

第一节斜坡变形宏观分析-9-

第二节斜坡稳定性敏感因素分析-9-

第三节天然条件下的斜坡稳定性-10-

第四章降雨条件下的斜坡稳定性对比分析-13-

第一节基本原理-13-

第二节计算模型-15-

第三节数值模拟结果分析-26-

第五章结论和建议-30-

第一节结论-30-

第二节建议-30-

致谢-31-

参考文献-32-

第一章前言

第一节选题意义和依据

不稳定的斜坡在内、外力的作用下，易发生斜坡的变形破坏。

斜坡的变形破坏给工程建筑等带来的危害非常广泛，甚至造成生命财产的巨大损失，全世界各种典型实例不胜枚举。

影响斜坡稳定性的因素复杂多样。

其中内因主要包括斜坡岩土类型、岩土体结构、地质构造、水文地质条件。

此外还有外因，例如风化作用、地表水和大气降水的作用、地震、人类工程活动等。

其中降雨是影响斜坡稳定性和导致斜坡失稳的最主要和最普遍的环境因素。

每年降雨导致的斜坡失稳破坏引起了数以千计的死亡和建筑物的严重破坏，因此在滑坡易发区建立模型并分析降雨对斜坡稳定性的影响是非常重要的。

在许多案例中，陡峭土坡上的滑坡都是由于降暴雨时雨水入渗到地下所引起的。

增加的含水量导致了毛细吸力的下降以及土壤重量的上升，这两个过程均导致了斜坡的失稳。

以下为降雨引起的斜坡失稳实例。

2009年7月23日，云南凤庆发生山体滑坡，根据专家组的考察测定，此次滑坡是由于在不良地质条件下的连续降雨和库水位连续上升造成的，降雨降低了边坡稳定性，引起滑坡，造成灾害。

2010年9月1日，云南保山市隆阳区发生山体滑坡，造成20户人家被掩埋。

据了解，此次灾害的主要原因，首先是滑坡体本身的地形地质条件不良；其次是此地区之前大旱，后又出现降雨所致。

2012年5月21日，一场强降雨造成重庆市多处发生山体滑坡事故，当地部分地区的交通因此而中断。

2013年5月贺州市出现长时间的强降水过程，导致某段公路出现多处滑坡。

2014年4月12日，东乡县董岭乡出现山体滑坡现象，致使几名施工人员被埋。

经调查分析，该区地形本就险峻，近期连续的降雨触发了此次滑坡。

在我国，由于特殊的自然地理和地质条件所制约，斜坡地质灾害分布广泛，活动强烈，危害严重，是山区主要的工程动力地质作用。

而降雨是引起滑坡的主要因素之一，因此有必要对降雨和斜坡稳定性的关系进行研究。

2010年6月12日至6月25日，福建省南平市出现长时间的持续性暴雨过程，过程降雨量达到252.6mm，西芹镇兴华街道后山山坡多处发生山体滑坡、崩塌等地质灾害，滑坡体导致兴华二路部分路段被埋，个别民房毁坏，严重威胁当地居民生命财产安全，影响交通要道的畅通。

本文以南平市西芹镇兴华街道Ⅲ区房后斜坡为例，用Geostudio2007软件的SLOPE/W模块和SEEP/W模块耦合计算各种不同降雨条件下斜坡的稳定性系数，通过对比稳定性系数的大小以及孔隙水压力的变化情况来分析降雨对斜坡稳定性的影响。

第二节国内外研究现状

广义滑坡，即各类滑坡、崩塌、泥石流，可因多种外界因素的刺激而发生，如地震、火山、河流冲刷、融雪、降雨及不良人类活动等，其中以降雨诱发的滑坡（通常称为降雨型滑坡）在世界上分布最广，发生频率最高，给人类造成的危害最大。

由于斜坡的变形破坏常威胁到人们的生命安全并会对经济活动带来巨大损失，而降雨又是引起斜坡失稳破坏最重要的外界因素，因此关于降雨对斜坡稳定性影响的研究正日益受到重视，各国都有很多公开出版的相关研究文献。

1999年吴宏伟和陈守义等分析了七个不同的因素对由于雨水入渗引起的斜坡暂态渗流场的影响，他们用有限元法对一个非饱和斜坡进行数值模拟，得到的结论是降雨强度、历时以及雨型对斜坡稳定性有较为明显的影响；土体的渗透系数影响显著；斜坡中相对隔水层的存在等因素对其也有影响。

2003年张华、陈善雄通过对一维及二维非饱和土的降雨入渗分析及数值模拟，研究结果是Richards模型能很好地模拟二维降雨入渗过程以及地下水在土体中的运动；降雨入渗首先会使土体中压力升高，然后湿润锋面并向下推进，到达地下水面时会使地下水位抬升；水在土体中运动分为入渗、水分重分布和排水三个过程。

2003年兰恒星、周成虎等人以香港某地区降雨引起的浅层滑坡为例，在GIS的支持下，分析了瞬时降雨响应模型造成的瞬时孔隙水压力响应规律及滑坡危险性的时空分布特征，研究结果为短期集中降雨所引起的瞬时孔隙水压力变化是导致斜坡失稳的主要影响因素；降雨对浅层的低渗透性斜坡的稳定性影响很大，但对浅层的渗透性较好的斜坡稳定性影响较小。

2007年在降雨对斜坡失稳的影响作用探讨一文中，高晓斐、陈植华等人讨论了降雨作用引发斜坡失稳的机理，并以施家梁子滑坡东变形体为实例进行分析，得出水的作用会增加斜坡体的下滑力同时会降低斜坡体的基质吸力、有效粘聚力及有效内摩擦角,从而降低斜坡体的抗剪强度。

2010年程彬等采用了Geostudio软件中的边坡稳定性分析模块Slope/W、渗流分析模块Seep/W和应力应变分析模块Sigma/W对陕西一边坡为进行了应力场与渗流场的耦合分析及安全系数的计算。

结论为斜坡稳定性在进行了应力场与渗流场的耦合时更符合实际。

2013年程思、王运生在有限元法分析降雨条件下斜坡稳定性一文中采用工程地质条件分析和有限元分析法，进行了华蓥市马鞍坪滑坡的滑坡体在降雨条件下渗流与稳定性分析，结果表明降雨与斜坡稳定性的关系十分密切，降雨量是此区斜坡失稳下滑的主要触发因素，并且不同的降雨量对斜坡稳定性具有不同的影响。

2013年陈芳和田凯在降雨入渗作用下土质斜坡稳定性的数值分析一文中，运用有限元软件建立了一个数值模型，分析降雨入渗对斜坡稳定性影响。

经过分析得到降雨入渗会使斜坡中的非饱和土变成饱和土，减小了土壤的基质吸力，降低其抗剪强度从而影响斜坡的稳定性。

第三节存在的问题和展望

（1）虽然关于降雨对斜坡稳定性影响的研究成果很多，但是仍有些机理没有完全弄清楚，很多文献都针对研究降雨入渗引起土壤基质吸力的变化导致的斜坡失稳，而各个不同研究方向的耦合分析是研究降雨型滑坡非常重要的一点，但是关于斜坡内具体的物质组成等一些岩土体的变化研究得不够深入。

（2）二维饱和非饱和渗流控制方程、含水量变化方程等一些分析地下水渗流方面的研究方程或者理论很多都是建立在许多假设条件下对实际情况进行的分析。

（3）Geostudio2007有限元分析软件能耦合分析降雨和斜坡稳定性关系，由于计算机的飞速发展，以后完善的数值模拟技术和坚实的理论基础的结合将能更好地解决许多实际问题。

第四节研究内容及技术路线

1.4.1研究内容

国内外许多学者对降雨与滑坡的关系进行了卓有成效的探索，他们在实验室中建模，使用数值模拟方法和在野外进行调查，研究说明了斜坡稳定性和降雨之间有一定的联系，并且针对不同的方面探讨了降雨对斜坡稳定性的影响。

例如：

许多非饱和土滑坡经常在降雨季节发生；降雨引起斜坡失稳破坏是由于雨水入渗到土壤中，改变了颗粒间的摩擦力和有效应力；降雨强度的不同、降雨持续时间的不同等对不同渗透性系数的斜坡会产生不同的影响。

这些研究成果为后人进行更深入的研究奠定了坚实的基础，本文主要研究了以下内容：

（1）通过对研究区前期资料的整理收集和成果汇总分析，掌握研究区地形地貌、水文、气象、构造、第四系土层结构等相关基础资料，分析外部环境和含水介质的特征。

（2）对南平市西芹镇兴华街道后山滑坡Ⅲ区房后斜坡的资料进行相关分析，完成斜坡变形宏观分析及敏感性因素的分析，并使用简化Bishop法计算得到天然条件下的斜坡稳定性系数。

（3）根据资料设计不同工况，运用Geostudio2007软件建立降雨入渗模型，得到不同降雨条件下孔隙水压力随时间的变化，计算不同降雨条件下的斜坡稳定性系数，并对其进行对比分析，进而得出降雨会影响斜坡稳定性的结论。

1.4.2技术路线

本人在前人研究的基础上，搜集了南平市西芹镇兴华街道后山滑坡的资料，进行了Ⅲ区房后斜坡变形的宏观分析和敏感性因素的分析，并选取某一典型斜坡地质剖面（本文为

28-28’剖面），利用简易Bishop法计算了此剖面在天然条件下（降雨量为零时）的斜坡稳定性系数。

之后通过使用Geostudio2007软件建立数值模型，耦合SEEP/W非饱和土渗流模块和SLOPE/W斜坡稳定性模块得到不同条件下雨水入渗时孔隙水压力的变化，并在SLOPE/W模块中同样使用简易Bishop法计算不同降雨强度和不同降雨持续时间下的斜坡稳定系系数，再通过对比不同条件下孔隙水压力随时间的变化来分析降雨是如何对斜坡稳定性产生影响，并给出几条今后的研究建议。

图1-1技术路线图

第二章自然地理及地质概况

第一节自然地理条件

2.1.1地理位置

西芹镇隶属于福建省南平市延平区，位于延城中心区10公里，人口7.1万。

地理坐标为北纬26°51'-26°50'，东经117°50'-118°20'，境内自然资源丰富，交通方便，205、316国道和京福衢南高速公路及鹰厦铁路纵横交汇。

经济持续稳步发展，2010年，全镇实现农业总产值4.35亿元；工业总产值9.48亿元。

图2-1西芹镇地理交通图

2.1.2气象水文

该区域属中亚热带季风气候，全年温暖潮湿，四季分明。

根据本地区多年资料，该区雨量充沛，属我省丰水区，年平均降雨量1656mm，最大年降水量2255mm，最小年降水量1131mm，过程最大降雨量为252mm。

按降水量划分，2～3月为春雨季，4～6月为夏雨季（又称梅雨季），约占全年降雨量的52%，降雨量最多的是6月中旬，平均为141.2毫米。

7～9月为第二雨季，主要是台风雷雨，雨日30天左右，雨量340毫米左右，多年月平均降雨量134.08毫米，占年雨量8.3%。

10月～次年1月为旱季。

多年平均气温7月最高，达28.4℃，最低位1月，为10.2℃，年平均气温为19.2℃。

第二节斜坡基本特征

2.2.1斜坡地形地貌

Ⅲ区房后斜坡位于路侧开挖斜坡往南约75m4幢民房后方开挖坡体，斜坡总长约55m，开挖成台阶状，最顶部标高108.5m-110.8m，坡脚标高79.10m，高差约30m。

坡顶为兴华街道山体后山，山顶坡面平缓延长，坡度约为20°，坡面共分6级开挖而成，每级高2-7m不等，坡度40°,坡脚4幢民房距离开挖坡面2-5m，3-5层，砖混结构，民房前方为兴华街道。

图2-2Ⅲ区房后斜坡

2.2.2斜坡空间形态

Ⅲ区房后斜坡在2010年持续暴雨期间发生坡面崩塌，表层残坡积粘性土及坡面灌木一并下滑，崩塌体总宽度约60m，上下高差达40m，崩塌体厚1-5m，估算下滑土方量约4000m3。

崩塌体直接危及到坡脚4幢民房内居民的安全。

目前房后坡面分6级开挖成台阶状，每级高2-7m不等，总体坡度40°。

2.2.3斜坡物质组成及结构特征

根据野外对Ⅲ区房后斜坡现有槽探开挖情况看，Ⅲ区房后斜坡崩塌体主要由表层残坡积粘性土组成，厚1-5m不等，坡面灌木随同崩塌体一并滑落。

2.2.4斜坡水文地质

斜坡水文地质条件较简单，以主山脊为分水岭，以各山沟为主要通道，坡面降雨顺地形汇集于各山沟中，由西向东径流，排泄于坡脚。

一、场地地下水类型

根据地层岩性及地下水在含水介质中的赋存特征判断，地下水类型以孔隙水和基岩裂隙水为主。

孔隙水分布于表层残坡积粘性土中，主要接受大气降水补给，由坡顶向坡脚渗透，含水量受季节、降雨量影响较大。

基岩裂隙水赋存于下伏黑云母二长花岗岩节理裂隙和风化裂隙中，主要补给来源为大气降水、上部土层垂直补给与临近基岩裂隙水的侧向补给，多为潜水类型。

路侧滑坡西南侧坡脚见有泉眼出露，流量约0.09L/s。

1.松散岩类孔隙含水岩组

场地松散岩类孔隙含水岩组主要为表层残坡积粘性土，地下水以孔隙水的形式赋存于孔隙中，富水性较差，主要接受大气降水补给，短途迳流，由坡顶往坡脚排泄，为弱透水层。

2.基岩裂隙含水岩组

场地基岩裂隙水主要赋存于花岗岩的节理裂隙和风化裂隙中，富水性差，主要补给来源为大气降水、上部含水层补给及临近基岩裂隙水的补给，短途迳流，向地势低洼处排泄，为弱透水层。

二、地下水水位

勘查期间在部分勘探孔内测得地下水位稳定水位埋深为0.50-31.20m，稳定水位标高为114.81-125.92m。

水位年变幅约5.2m（没有Ⅲ区房后斜坡地下水水位埋深的数据）。

表2-1场地地下水水位埋深

孔号

孔位水深

孔号

孔位水深

孔号

孔位水深

ZK19

1.00

ZK20

0.50

ZK21

0.80

ZK23

13.50

ZK24

15.0

ZK30

12.40

ZK33

3.90

ZK37

16.70

ZK38

11.40

ZK39

15.20

ZK41

15.80

ZK43

17.80

ZK46

21.50

ZK47

31.20

ZK48

14.0

ZK49

18.30

ZK50

16.80

ZK51

28.40

ZK52

9.20

第三节斜坡岩土体特征

根据钻孔揭露情况，场地岩土体自上而下可分为：

残坡积粘性土、全风化花岗岩、散体状强风化花岗岩、碎块状强风化花岗岩、中风化花岗岩。

第一层为残坡积粘性土，厚度大约在1.40~18.40m左右，场地内均有分布。

呈红褐色，成份主要为长石风化的粘粉粒，石英颗粒。

粘性一般，韧性中等，干强度中等，无摇振反应，稍有光泽；

第二层为全风化花岗岩，厚度大约在2.20~13.40m左右，场地内均有分布。

呈黄褐色，矿物已基本风化为土状，有残余强度，属极软岩，极破碎岩体，岩石基本质量等级为Ⅵ类；

第三层为散体状强风化花岗岩，