考虑多参数空间变异性的降雨入渗边坡失稳机理及可靠度分析

降雨入渗边坡稳定可靠度研究大多只考虑了土体饱和渗透系数空间变异性的影响,而忽略了土体抗剪强度参数空间变异性的影响。以无限长边坡模型为例,发展了可确定不同降雨历时边坡土体含水率分布和湿润锋深度的修正Green-Ampt入渗模型,探讨了土体多参数(饱和渗透系数和抗剪强度参数)空间变异性与降雨入渗相互作用下的边坡失稳机理,进而比较了不同降雨历时下的边坡失效概率。结果表明:考虑土体饱和渗透系数变异性时,降雨初期较小的饱和渗透系数变异系数对应较小的边坡失效概率,但随着降雨历时的增加,较小的饱和渗透系数变异系数反而对应更大的边坡失效概率。此外,降雨初期土体抗剪强度参数空间变异性引起的滑动面位置不确定性是影响边坡稳定性的关键因素。边坡除了会沿湿润锋附近和不透水层处失稳,还可能沿因抗剪强度参数空间变异性引起的软弱带处失稳,故考虑抗剪强度参数空间变异性对应的边坡失效概率更大。相比之下,降雨后期湿润锋的推进是影响边坡稳定性的关键因素,此时不管是否考虑了抗剪强度参数空间变异性边坡都主要沿湿润锋附近失稳,获得的边坡失效概率相近。     

融合观测信息的降雨诱发斜坡失稳机理及可靠度分析

目前降雨诱发滑坡机理及可靠度研究不仅很少同时考虑土体水力参数和抗剪强度参数空间变异性的影响,而且忽略了“天然工况下斜坡基本上不会发生失稳破坏”这一客观事实。以无限长斜坡模型为例,融合观测信息提前对空间变异抗剪强度参数进行概率反演分析,再建立非平稳随机场模型模拟土体渗透系数的空间变异性及非平稳分布特征,在蒙特卡洛模拟框架下评估不同降雨历时下斜坡失效概率及最危险滑动面分布特征。在此基础上,探讨同时考虑土体水力参数和抗剪强度参数空间变异性的降雨诱发斜坡失稳机理。结果表明：利用概率反演获得的抗剪强度参数后验信息,计算的斜坡失效概率由先验的28.1%降至7.2%。不同降雨阶段斜坡失稳的诱因不同,如果忽略“天然工况下斜坡不会失稳破坏”这一观测信息,将会造成对降雨诱发斜坡失稳机理和失效概率的错误估计,特别是在降雨初期。     

非平稳随机场下饱和渗透系数空间变异性的无限长边坡稳定概率分析

土体饱和渗透系数表现为天然的空间强变异性,其均值通常沿土层深度方向呈递减趋势,但目前鲜有文献考虑这一特性。为此,以FLAC为平台,利用fish语言基于局部平均法建立了表征土体饱和渗透系数均值随深度递减的一维非平稳随机场模型,采用FLAC两相流模块模拟雨水的入渗过程,以蒙特卡罗法为框架,结合考虑正孔隙水压力的广义有效应力无限边坡稳定模型,探讨了饱和渗透系数空间变异性在不同降雨时刻下对边坡最危险滑裂面分布规律以及相应的边坡破坏概率的影响。结果表明：忽略饱和渗透系数的空间变异性的确定分析方法将不能真实反映边坡的安全性;随着降雨持时的增加,边坡最危险滑裂面发生在坡底基岩处的概率逐渐降低;随着饱和渗透系数竖向相关距离的增加,边坡最危险滑裂面发生在坡底的概率逐渐增加,而相应的边坡破坏概率却随竖向相关距离的增加而逐渐降低。     

降雨诱发滑坡的实时概率分析

近年来降雨诱发了大量滑坡,其主要原因是降雨入渗使得非饱和边坡的饱和度增加,从而渗透系数增加,抗剪强度降低,因此滑坡发生的概率随着入渗雨量和时长的变化而变化.本文提出了一种基于实时降雨量计算滑坡实时概率的方法.首先模拟某降雨量下滑坡的孔隙水压力分布及最危险滑裂面,然后统计滑裂面上正应力和孔隙水压力的概率密度函数,最后结合可靠度理论计算边坡在此降雨量下的实时失稳概率.结果表明不同时刻滑裂面上的孔隙水压力的均值随着降雨入渗而增加,边坡的失效概率随着降雨入渗而明显增加.     

持续降雨作用下折线型滑裂面堆积体滑坡稳定性分析

青藏高原边缘地带堆积体滑坡的发生与降雨密切相关,其中不少滑坡的滑裂面为折线型。为研究折线型滑裂面堆积体边坡在持续降雨作用下的稳定性,首先,基于传统降雨入渗Green-Ampt(G-A)模型,同时考虑边坡倾角、饱和区渗流和非饱和区渗透系数变化的影响建立适用于有限长边坡的降雨入渗模型;其次,结合不平衡推力法和降雨入渗模型,推导折线型滑裂面堆积体边坡在持续降雨作用下稳定性动态变化的计算公式;最后,对比现场入渗试验结果验证所提出入渗模型的合理性,并基于舟曲江顶崖堆积体滑坡与传统入渗模型下稳定性算法进行对比。研究结果表明：(1)降雨强度、边坡坡面倾角、渗透系数等都影响着坡体饱和层的形成快慢以及湿润层厚度的扩展速度;(2)降雨入渗开始阶段,三种模型得到的湿润层扩展速率相同,随着降雨的持续,本文模型计算的湿润层扩展速率大于G-A模型而小于分层假定入渗模型;(3)江顶崖堆积体滑坡的稳定性随着降雨的持续逐渐减小,降雨初期,滑坡稳定性下降较快,降雨后期,稳定性下降速率逐渐放缓;提出的稳定性计算方法得到的边坡滑动时间要早于传统入渗模型下稳定性计算结果。研究成果可供持续降雨作用下堆积体边坡稳定性分析参考。     

降雨入渗条件下土质边坡的稳定性分析

降雨对边坡的稳定性具有重要影响。在降雨作用下,土坡中的饱和度及含水率增加,基质吸力减小,而水、气压力的变化又影响着土体骨架的变形。文章基于饱和–非饱和渗流分析及强度折减法,对降雨作用下的土质边坡进行了固体和流体的耦合分析及不耦合分析,研究了饱和渗透系数及降雨强度对边坡安全系数及滑面位置的影响,并分析了安全系数及滑面位置与时间的关系。研究表明:土体的饱和渗透系数对边坡的稳定性影响很大;对于渗透性较好的土体,降雨强度越大,在降雨作用下边坡的安全系数变化程度也越大,安全系数降低及恢复的速度也越快;对于渗透性较差的土体,降雨强度对边坡稳定性的影响有限;在相同的计算条件下,不耦合分析对应的安全系数小于耦合分析的相应值;在不同强度的降雨作用下,滑面位置变化的范围有所不同,不耦合分析的滑面位置变化范围主要出现在坡肩,而耦合分析的滑面位置变化范围主要出现在坡脚。     

考虑参数空间变异性的边坡可靠度分析非侵入式 随机有限元法

提出了考虑土体参数空间变异性的边坡可靠度分析的非侵入式随机有限元法。采用Karhunen-Loeve级数展开方法表征土体抗剪强度参数空间变异性,其中通过wavelet-Galerkin技术求解Fredholm积分方程得到相关函数的特征解。基于有限元滑面应力法计算边坡安全系数,采用随机多项式展开将隐式函数表达的安全系数替换为显式函数表达的安全系数,并编写了计算程序NISFEM。研究了所提方法在考虑土体参数空间变异性的边坡稳定可靠度分析中的应用。结果表明：提出的非侵入式随机有限元法极大地提高了考虑土体参数空间变异性的边坡可靠度分析的计算效率,为解决复杂边坡稳定可靠度问题提供了一条有效的途径。考虑抗剪强度参数空间变异性的边坡可靠度分析存在临界变异系数,其随边坡安全系数的增加而增大。当抗剪强度参数的变异系数小于临界变异系数时,忽略土体参数空间变异性将会高估边坡失效概率。当边坡安全系数小于1时,边坡失效概率并不总是随着抗剪强度变异系数的增加而增大。此外,土体黏聚力和内摩擦角随机场间相关性对边坡失效概率具有十分明显的影响。     

雨水入渗诱发滑坡灾害的机制分析

降雨影响边坡稳定性及诱发边坡失稳的作用和机理是多方面的和多因素的,降雨入渗后岩体饱和、重度增大、产生水压力及岩土体强度参数软化等都是诱发滑坡的重要因素。对降雨型滑坡机制进行研究,既有利于加深对降雨型滑坡机制的认识,又能充分利用其规律来指导防灾与减灾。     

基于极限平衡法的边坡稳定性可靠度分析

传统方法对边坡稳定性进行分析时,不能定量考虑土体参数随机性、变异性的影响。为更好地对边坡稳定性进行评价,本文基于传统边坡稳定性计算方法,同时考虑参数的变异性和分布类型的差异,利用蒙特卡洛模拟技术,编制了相应程序。针对某匀质边坡,利用Fellenius法、Bishop法、Janbu法和Morgenstern-Price法进行破坏概率计算。结果表明,安全系数大于1时,边坡仍有破坏的可能,边坡稳定性对参数变异性的敏感度不同,参数变量分布类型也会对边坡稳定性评价结果产生影响。利用可靠度方法得到的可靠度指标、破坏概率等指标,能够定量地描述各参数变异性对边坡稳定性的影响。因此,可以将可靠度的方法和确定性的方法相结合,对边坡的稳定性进行描述,为滑坡风险的评估提供参考依据。     

考虑潜蚀影响的降雨入渗边坡稳定性分析

在降雨入渗作用下土坡内细颗粒会随渗流发生运移产生潜蚀作用。通过联立颗粒运移方程与非饱和土渗流方程,结合非饱和土水力特性方程和土体潜蚀本构关系,建立了渗流潜蚀耦合的边坡稳定性分析模型。采用有限元方法模拟了降雨入渗作用下潜蚀和入渗的相互作用,分析了初始饱和渗透系数、进气值参数对入渗和边坡稳定性的影响。结果表明：潜蚀主要发生在湿润锋范围内浅层土体,潜蚀加速了湿润锋下行速度,进一步降低边坡稳定性;饱和渗透系数、进气值是影响渗流潜蚀作用的主要因素;当降雨入渗强度大于饱和渗透系数时,饱和渗透系数越大,潜蚀对入渗和边坡稳定性的影响越显著;进气值越小,潜蚀作用对入渗和边坡稳定性的影响越显著。     

土体抗剪强度指标变异水平对边坡稳定安全系数取值的影响

针对传统的边坡稳定极限平衡方法不能考虑土体抗剪强度指标变异性影响的问题,基于极限状态的概率分析原理,采用 Monte-Carlo 法对均质路堤边坡的稳定性开展了可靠度计算,讨论了稳定安全系数一定的条件下边坡失效概率随土体抗剪强度指标变异水平的变化规律,分析了安全系数与边坡可靠指标的对应关系及其随土体抗剪强度指标变异水平的变化特征。研究表明：边坡可靠度受土体抗剪强度指标变异性影响显著,呈现出随土体抗剪强度指标变异水平提高而急剧减小的趋势;为保证边坡具有相同的可靠性,安全系数的取值应与土体抗剪强度指标的变异性相适应,据此提出了基于可靠指标和土体抗剪强度指标变异水平的安全系数取值原则及其对应的三参数函数关系式。     

强降雨条件下含软弱夹层粘性土坡稳定性分析

为了分析含软弱夹层粘性土坡在强降雨条件下的稳定性,结合某失稳边坡工程现场实际调研资料,基于饱和非饱和渗流与非饱和抗剪强度理论,提出了一种新的含软弱夹层粘性土坡稳定性分析方法,并利用该方法分析了强降雨条件下边坡的渗流特性及安全系数变化规律。分析结果表明:降雨入渗先在边坡软弱夹层内形成暂态饱和区,且当坡顶入渗的雨水未渗流至软弱夹层时,夹层内暂态饱和区中的雨水会沿夹层上表面向着坡顶方向渗流;降雨入渗过程中,边坡基质吸力与铅直有效应力之间存在严格的正相关变化关系;随着降雨历时的增加,塑性区首先在软弱夹层内部贯通,然后向坡顶扩展,边坡安全系数逐渐降低;降雨停止一段时间后,由于坡顶入渗雨水的补给,软弱夹层内局部将仍存在暂态饱和区,此时,塑性区面积会由坡顶向软弱夹层内部减小,再由夹层内部至坡面逐渐缩减,但边坡安全系数并未明显上升;根据数值计算结果可将粘性土坡失稳过程分为夹层软化、夹层挤压、拉伸裂缝、坡顶沉降和断裂滑移等5个阶段。因此,为了降低强降雨对边坡稳定性的影响,在含软弱夹层粘性土坡支护设计时应着重考虑边坡排水系统的合理布设。     

降雨对北京奥林匹克森林公园主山稳定性的影响

基于非饱和土土力学中的饱和-非饱和渗流数学模型,通过模拟奥林匹克森林公园主山边坡因雨水入渗引起的瞬态渗流场,对土体中含水量、基质吸力的变化规律进行分析。在此基础上根据扩展Mohr-Coulomb破坏准则,采用极限平衡分析法对该边坡进行稳定性分析,进而得出边坡在降雨过程中不同时刻的安全系数。具体分析了不同降雨类型对非饱和土土坡渗流场分布、发展及其对土坡稳定性的影响。随后用概率方法对土性参数变异时山体稳定的可靠性给予分析。     

降雨特性对土质边坡失稳的影响

 通过降雨诱发土质边坡失稳的模型试验及已有研究成果来探讨降雨特性对边坡失稳的影响,并以此来选取出合适的雨量预警参数。研究结果表明：高强度降雨较易使边坡产生流滑破坏且冲蚀现象较为明显;而低雨强长历时的降雨较易使边坡深层土体的孔隙水压力增加,因此较易产生滑动型破坏且滑坡体的规模也较大;此外,降雨型滑坡存在“门槛累积雨量”。该研究成果揭示了降雨入渗对边坡稳定性的作用机制,并以此建议采用降雨强度与累积雨量作为雨量预警基准所需的参数,其中降雨强度参数可用时雨量表示,时雨量可用以衡量流滑型滑坡和泥石流灾害,而累积雨量则有助于评估滑动型滑坡的灾害。     

川东红层缓倾角地层中降雨引起滑带土饱和对滑坡的稳定性影响

以四川省宣汉县天台乡滑坡为例,研究了降雨引起滑带土饱和对滑坡的稳定性影响。首先通过土工试验分别测试了天然和饱和状态下滑带土的剪切强度,结果显示滑带土饱和时的剪切强度比天然状态时下降较大;然后利用Geostudio软件对降雨条件下天台乡滑坡坡体内的渗流场进行了模拟,并分别计算坡体在上述渗流场作用下滑带土天然及饱和状态时滑坡的稳定系数,结果表明,滑带土饱和对川东红层缓倾角滑坡的稳定性影响较大,川东红层缓倾角滑坡的形成是降雨引起坡体内应力变化和滑带土强度降低共同作用的结果。     

Clarifying the hydrological mechanisms and thresholds for rainfall-induced landslide: in situ monitoring of big data to unsaturated slope stability analysis

The development of early warning systems for landslide hazards has long been a challenge because the accuracy of such systems is limited by both the complicated underlying mechanisms of landslides and the lack of in situ data. In this study, we implemented a multivariate threshold criterion that integrates in situ monitoring data and data from unsaturated hydro-mechanical analyses as an early warning system for rainfall-induced landslides in the Wenchuan earthquake region of China. The results indicate that rainfall intensity is closely correlated with the probability of landslide occurrence. Variations in matric suction and suction stress were obtained from in situ measurements and used to quantify the soil water retention curve, which presented clear hysteresis characteristics. The impacts of rainfall infiltration on slope failure in post-earthquake landslide areas under transient rainfall conditions were quantified by hydro-mechanical modelling theories. Variations in the suction stress of unsaturated soil were used to calculate the safety factor. The influence of hydrological hysteresis processes on the slope failure mechanism was analysed. Multivariate threshold criteria that include the intensity–probability (I-P) threshold, soil moisture and matric suction based on in situ big data and unsaturated slope stability analysis benchmarks are proposed for use in an early warning system for rainfall-induced landslides.