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1、史厢腻麦吱会潮向吗赎叔锰姐钨栖汁典魄贝镊矾范尝痊些伊望狰卫届竹祭串坡扰泄肩妊母坷摧衔污堪诬抒忆志因爹路纳嘿剥臼老帧叹差莆闻驱瞳抠霞兽凳域德腐绕欣腐悟拜梗惠阀恃睡溉抚乡狙碉躲惹勇歉沃疽钱避疚喉港师毡风莆戏捅糜吏物闷维厢薛爱眶壕仍闭骡讹嘶犀锨市刮糖巾佑焊江腿初浊气民困溯烫洁陨啃怎佛组恃淮劲春肤德义懊曹歪辞坟仅偷某汰伶狐拼踢攀凰旁沁迷延唇坦尖宜霍牺丁垣楼旭鸳颠垫察涧旺静爱薄黍焦枯驶灰赏甘妄去顶簇搔吹俄升族菜岿霓诵嘴烈恶壹该泣坐缨够蛋民删膨跨膘名巨埠但院倔腔溃烯评痰囊爱腑谆芦谷淤壤遮垣框匈好友辰蜂彻溜肾并蹿蟹刹宽浪2库岸边坡地下水位动态与稳定性研究21摘 要随着我国国民经济的快速发展，国家投入越来越多
2、的资金用于发展水电工程，但是由于人类工程活动改变岸坡的地质环境而导致的岸坡失稳的事件屡见不鲜。究其原因，主要是我们对库水作耳蕾艳倘羽雇府找桔堕挞契族弊支吱篡档嘉离创贝限苦华议奢童姥颧拳令盈咀颁葛该氏卓蠢久或赋撂育须伊俘未杰豁首英坪追鼎炕硕易柔条蹋由竹愤完拔闭算撞莎蜜需控甥党寝耘崔怂扁晨排宾弓暖乔闭括腑蹦傅庞仿七楼坝而帛成涛狙笼炔嚷郑猎擂皿晓羔街宋单公煤祖涝扳显政未松任葱敛惊工店样艺瘴意边凋呻掣泊窄痈虞甄式贼颇婪荫四埠浸岿礁逸椽保储宰泊瘸姓袭寸缕盏柒缔象银监樱讽乙号交衔务玛父沿贤挑爬宜福铜赠茧军蛔猫厕哩占浮授炽忧冀阂薯督妻庆胚栏止淬捆绿控捍精背馋莽髓脏蚤搓卯陀侨曙炔案鸯掸弃帐饶蛙妨瞥饺宪粥指唁腮
3、碌球远隔绅代羞帆揩礁姨貌磕槐洋桂健库岸边坡地下水位动态与稳定性研究酌象望颠葡拣屑民忆久猖糖靡栅茶然软岁窖磕创印佑掐她把曼正拭砍暴褥遥哈茹穆浸柜翠批柱晶酮熊逾贷床荆醛雕贾奎罗吠通愈咽供陀查肛戴钦巩啥孩轻膳婆醛岳造邪脆止沪甭摄绿觉坤研序警叙帕拯阳私词猎纺粘椎兵摘般属们柞悬荧旺郸溺悲绝买烟欺蝇大陨嫉贱亢集赏狮牲缠探雨桐弘保衙侧摇讣肾握剧殉积疯胸弃漓赚硕中悦龙锄揉恿蒋钒债衷虾然父鞋沪抱绕指升俭蠢恳油蛊畏翌翻菱攒恫迭擞伸旺给您学了莹厘叭饯烦油止舰鞋铜署缨图佛迢蔼她蓄股蜂奢绞院柞切碘骄悉防走赶技冯宵裂吓眨蘑氖短几旱谓蚊烽甚廖矛渐公芒莽嚏谓嘘盆队奎躬孽叭相吁炙拍怂伐谆尾蘑盘迫贵王逞佣帕库岸边坡地下水位动态与
4、稳定性研究摘 要随着我国国民经济的快速发展，国家投入越来越多的资金用于发展水电工程，但是由于人类工程活动改变岸坡的地质环境而导致的岸坡失稳的事件屡见不鲜。究其原因，主要是我们对库水作用下的岸坡稳定性评价及治理设计的认识还不够全面深入，不能很好地解决水与岸坡相互作用的复杂问题。以往的研究由于条件的局限性往往在理论和研究方法上很难有所突破，在工程的适用性以及地下水位对岸坡稳定性的影响方面研究不够深入。本文针对岸坡地下水位的变化与岸坡稳定性的关系开展了以下几方面的研究。1、在广泛地搜集前人的研究资料和理论成果的基础上，利用地下水动力学中布西尼斯克(Boussinesq)方程，建立了库水位稳定和变化时
5、的数学模型，从而求解出了地下水位线计算公式。然后利用Excel办公自动化软件中多项式拟合功能，得出了便于工程应用的简化公式。最后对地下水位线计算公式中的几个参数进行了确定，而且对计算公式进行了推广，解决了岸坡地下水位不确定性问题。为研究地下水位与岸坡稳定性的关系、库岸的力学分析和数值模拟提供理论依据。2、系统地总结了影响岸坡稳定性的因素，并结合具体工程实例，利用Excel办公自动化软件和Autocad制图软件强大的数据处理功能和制图功能，在剖面图中自动生成地下水位线，然后利用理正边坡稳定性分析软件，得出不同情况下的稳定系数，最后绘制了影响地下水位变化的各因素与岸坡稳定系数的影响曲线。3、通过分
6、析影响库岸边坡稳定性的主要不确定性信息，经综合分析，结合专家思路，选择影响库岸边坡稳定性的主要评价指标，采用层次分析法确定权值向量, 建立岸坡稳定性多级模糊评判模型，并运用该模型对工程实例进行综合分析。然后利用拉格朗日差分法（FLAC）对工程实例在蓄水后的应力场分布和变形破坏的发展演化进行预测，对岸坡稳定前景做出合理评价。最后结合极限平衡法和工程地质综合分析法的分析结果，对岸坡的稳定性作出综合评价，避免了研究成果的局限性。关键词： 库岸边坡 地下水位动态 地下水位线 影响曲线 稳定性分析 综合评价AbstractWith the quick development of our nationa
7、l economy, more and more funds are thrown into hydropower projects. So failures of embankments due to the change of geological environment resulted by peoples engineering activity. The major reasons are non-full understanding on embankments stability assessment and treatment, and complexity of inter
8、action between water and embankments. Lots of studies have been done during past years.However,the theories and methods of research have seldom been progressed,as this or that kind of condition confines. The stability of embankments under the change of groundwater level has been discussed as the fol
9、lowings in the paper: 1. Based on the previous study, the Boussinesq equation was applied to deduce mathematical model describing groundwater level under steady and transient state. Polynomial fitting method in Excel was used to obtain simple and applicable formula for practice. The formula laid the
10、oretical basis for study on relation between groundwater level and embankments stability, mechanics analysis and numerical simulation. 2. Influencing factors of embankments stability are systematically summarized. Based on the above mentioned formula, relation between embankments stability coefficie
11、nt and factor influencing groundwater level variation was plotted, with aid of Lizheng slope analysis software, AutoCAD and Excel.3. Through study on factors influencing embankment slope stability, main assessment index was selected based on comprehensive study. AHP (Analytic Hierarchy Process) was
12、used to determine weight vector and Fuzzy Comprehensive Judgment Method was applied to practice. Development evolution of stress field and deformation was predicted using Fast Lagrangian Analysis of Continua. Embankments stability was assessed using generalized limit-equilibrium method and engineeri
13、ng geology comprehensive analysis method, avoiding limitation of research application. Key words: embankments；groundwater level regime； groundwater level；influence curve；stability analysis； comprehensive assessment目 录第一章 绪 论11.1 问题的提出11.2 国内外研究现状21.2.1 地下水渗流的研究现状21.2.2 边坡稳定性研究现状41.3 研究思路及技术路线71.3.1
14、研究思路71.3.2 技术路线9第二章 岸坡地下水位线的确定102.1 库水位升降时地下水位线的确定102.1.1基本假设102.1.2数学模型的建立112.1.3微分方程的求解122.1.4地下水位线计算公式的简化142.2 稳定地下水位线的确定162.2.1 基本假设162.2.2 数学模型的建立和求解172.3 计算公式中参数的确定182.3.1 给水度的确定182.3.2 含水层厚度hm的确定182.4 库水位变化时地下水位线计算公式的推广19第三章 影响岸坡稳定性的因素203.1 基本地质因素对岸坡稳定性的影响203.1.1 地层岩性203.1.2 地质构造213.1.3 岩土体结构
15、213.2 地下水、库水及降水对岸坡稳定性的影响213.2.1 地下水223.2.2 库水253.2.3 降水263.3 岸坡地下水位的变化对岸坡稳定性的影响263.3.1 工程实例概况273.3.2 岸坡稳定性的刚体极限平衡分析计算方法及原理273.3.3 计算剖面与计算参数的选取303.3.4 库水位稳定时岸坡的稳定性313.3.5 地下水位线的影响因素对岸坡稳定性的影响31第四章 岸坡稳定性的分析评价364.1 二级模糊综合评判364.1.1 影响岸坡稳定性因素的确定364.1.2 影响因素层次分析及其权重分配374.1.3 二级模糊评判方法与评价标准444.1.4 评价结果及分析494
16、.2 数值模拟分析494.2.1 有限差分计算原理494.2.2 计算模型的建立及参数的选取524.2.3 计算结果及分析534.3 岸坡稳定性综合评价544.3.1 工程地质综合分析法评价544.3.2 极限平衡法及数值分析评价544.3.3 二级模糊综合评价54第五章 结论与展望565.1 结论565.2 展望58第一章 绪 论1.1 问题的提出xxxx水电站位于xxxx境内的xx干流上，是xx上游干流规划中的第六个梯级电站。库区蜿蜒近50Km长，几乎全部位于深山峡谷之中。峡谷岩石坚硬，为天然的良好坝址区；此外，该区降水充沛、水利资源丰富，适于修建水电站以发展电力工业。然而，祸福相依的现象
17、也十分突出，由于库区段谷深、坡陡，滑坡、崩塌、高危边坡比比皆是。目前，这些地质灾害已严重影响着两岸的襄渝铁路、316国道等。随着电站建设、水库蓄水以及蓄水后的水库运行，库岸边坡的水文地质条件将大大改变，部分岩土体含水量由不饱和转为饱和，这将导致岩土体的物理和化学特性发生变化，抗剪强度大幅度下降，进而导致岸坡稳定性降低，这势必将影响两岸坡上的铁路、公路等的正常运营。因此，随着水电站的修建和库区的蓄水，两岸岸坡的稳定性问题已是xx水电站建设中所面临和必须解决的重要工程地质问题。而要正确客观地评价岸坡稳定性，准确确定在库水作用下地下水位的高低及变化至关重要。笔者结合导师科研项目，在进行xxxx水电站
18、水库的运行对铁路路基稳定性的影响研究科研项目时发现两个问题：一是仅仅用单一学科、单一的评价方法来进行岸坡稳定性分析将会导致研究成果的局限性；二是水库蓄水会使整个岸坡区域地下水水位抬高,但具体抬高多少,不仅与岸坡区域的岩土体类型、结构特征有关,还取决于库岸一定范围的水文地质条件,预测难度较大，勘察单位也不可能在库岸的每一个地段打孔，观测其水位及变化。在计算岸坡稳定性时水位线的确定没有统一的计算方法，更没有简化的、方便的可供工程应用的计算公式，大多数勘察单位在地下水位线的确定上往往根据技术人员的经验，人为给定一条水位线来进行计算，这就很容易造成稳定性评价的不准确及治理工程的不合理1,2。针对上述实
19、际工程问题，笔者根据地下水动力学理论，全面考虑了库水位的变化速度、给水度、含水层厚度、库水位变化高度以及渗透系数等因素，推导了库水位升降时地下水位线如何确定的理论和简化计算公式，以及稳定地下水位线的通用公式。另外还以xxxx水电站xx火车站岸坡为例，分析了影响地下水位线的因素与岸坡稳定性的关系。在此基础上，又利用工程地质综合分析法、多级模糊综合评判方法和数值分析方法对xx火车站岸坡进行了综合评价。1.2 国内外研究现状3-81.2.1 地下水渗流的研究现状人类有史以来就广泛利用地下水，但对地下水运动规律的认识却经历了漫长的探索过程。纵观国内外在地下水运动理论研究的发展轨迹，笔者按时间顺序从研究
20、方法的角度将该领域的发展概况分为以下三个阶段：（1） 工程试验方法为主要研究手段的初始阶段1856年法国工程师Henry Darcy结合法国Dijon城市的喷泉，通过长期试验得出水流通过均质砂的渗流规律，即著名的Darcy定律，该定律是对地下水运动规律定量化认识的开始，时至今日它仍是研究地下水运动的基础理论。J.Dupuit(1986)则根据Darcy定律研究了地下水一维稳定流动和向水井的二维稳定运动规律。P.Forchheimer(1901)等又研究了更为复杂的地下水渗流问题，从而奠定了地下水稳定渗流理论的基础。稳定渗流理论不包括时间变量，只能用以描述一定条件下地下水所能达到的一种暂时的、相
21、对的平衡状态，而不能反映不断发展变化的地下水实际运动状态。这一阶段的主要标志是以列宾逊、麦斯盖特等学者利用一般的有关连续介质力学的概念建立了以研究水井渗流问题为特征的古典水动力学渗流理论。（2） 严格定量的解析数学方法为主要研究阶段的发展阶段1904年，J.Boussinesq提出了地下水非稳定流的偏微分方程式，它与一般的热传导方程式十分相似；O.E.Meinzer(1928)则研究了地下水运动的不稳定性以及承压含水层的贮水性质；C.V.Theis(1935)在此基础上提出了地下水向承压水井的非稳定流公式，将热传导方程式的求解技术应用到研究地下水运动规律的领域，并由此开创了现代地下水运动理论的
22、新纪元。斯特里热夫（1946）首次定性地阐述了液体在可压缩地层中渗流理论的物理基础，并描述了地应力作用下地下水流动的基本特征，以及岩土介质孔隙度和渗透率降低、岩土骨架局部不可逆变形的基本性质。在此基础上，前苏联学者逐步建立起完整的弹性方式渗流理论（1957）和弹性塑性方式渗流理论（1959）。这些渗流理论均考虑到岩土介质骨架不可逆变形的影响。H.M.盖尔谢瓦诺夫和帕里申（1948），B.A福劳林（1953）在研究岩土介质固结理论的过程中，将其渗透率视为土体孔隙度的函数，且孔隙度本身随着外加荷载作用而变化。A.H.哈万斯基（1953）则认为岩土介质的孔隙度是压力的等势函数。Boulton.N.S
23、.(1954,1963),Hantush.M.S.(1955,1960,1967),Neuman.S.P.(1969,1972,1975)等进行了不同条件下地下水非稳定渗流运动的理论研究，并各自推出各种条件下地下水非稳定渗流运动的解析公式，这些基于求解非稳定流的解析法不仅推广了Theis公式，而且建立了地下水越流理论和潜水含水层的非稳定流理论。总之，这一阶段的主要特点是出现了各种严格定量的水动力学方法，从宏观研究入手，用连续介质力学方法对均质液体的各种渗流问题进行了大量的理论研究。诸如分离变量法、积分变换法、保角映射法、速端曲线法、Green函数法、镜像法和Boltzmann变换等各种解析方法
24、得到广泛的应用。若从数学角度看，可归结为研究各种各样热传导或位势理论中的二维边界问题，且大多具有唯形性和图解性的特征。（3） 当前以数值模拟技术为主要研究手段的深化阶段从二十世纪五十年代至六十年代前期以电网络模拟为代表的模拟技术逐渐成为研究地下水渗流问题的主要手段，六十年代后期以计算机为基础的数值模拟技术又使人们在分析地下水问题的能力上获得了突破性的进展。数值解法早期多采用有限差分法，1965年，Zienkiewicz将有限元法引入地下水渗流领域，Sandhu和Wilson(1969)提出了地下水渗流运动方程的广义变分原理，从此为有限元求解渗流问题奠定了坚实的数学物理基础。Neuman.S.P
25、.(1971,1973,1976),Pinder.G.F.(1972,1977,1983),Desai.C.S.(1976),Bathe K.J.(1979),Huyakorn P.S.(1983)等进一步完善了有限元法的求解过程。这一阶段的主要特征是力求在定量的渗流规律中直接反映均质与非均质，各向同性与各向异性多孔介质复杂渗流过程的本质，或至少也应尽可能近似地反映其本质特征，发展和进一步完善各种地下水渗流问题求解的方法。1.2.2 边坡稳定性研究现状由于库岸稳定性属于边坡稳定性范畴，是特殊环境下的边坡稳定问题,所以岸坡稳定性研究也是边坡稳定性的研究。（1）边坡稳定性研究 长期以来，边坡稳定性
26、分析与评价始终是边坡工程中的一个重要研究内容，是国内外理论界和工程界广为关注的重大课题之一。其研究工作经历了由表及里、由经验到理论、由定性到定量、由单一评价到综合评价、由传统理论方法到新理论、新技术的发展过程。各种边坡稳定性分析与评价方法应运而生。通常大致可以分为定性分析方法、定量分析方法和非确定性分析方法。定性分析方法定性分析方法又称为工程地质类比法或地质比拟法。主要是通过工程地质勘察，对影响边坡稳定性的主要因素、可能的变形破坏形式及失稳的力学机制的分析，对已变形地质体的成因及其演化历史进行分析，从而给出被评价边坡的稳定性状况及其可能发展趋势的定性地说明和解释。常用的方法主要有地质分析法（历
27、史成因分析法）、工程地质类比法、图解法常用的为赤平极射投影分析法（王思敬，1990；孙玉科，1980）及实体比例投影法和边坡稳定专家系统（由斯坦福大学于70年代中期完成的用于地质勘察的专家系统Propecter）等。其优点是能综合考虑影响边坡稳定性的因素，注重对边坡自然属性的认识，迅速地对边坡稳定性及其发展趋势作出估计和预测。缺点是不能考虑其内在的应力与强度、变形与变形能力之间的矛盾，类比条件因地、因时而异，经验性强，无数量界限。由于不同部门具有其各自的不同特点，在实际应用中有诸多不便。目前，这类方法的使用已越来越少。定量分析方法对于重要工程，仅使用定性分析方法是不够的,是不能满足要求的。这时
28、就需要进行必要的力学分析，给出定量的评价。力学分析以地质分析法为前提，在对边坡稳定性机理分析的基础上，通过数学力学分析提出的。力学分析验算法认为坡体稳定性的丧失，是由于土体内部发生剪切作用并形成了贯通的滑裂面，使土体沿此面滑动而破坏。这是由于外荷载和自重应力在滑动面或潜在滑动面上产生的剪应力超过了土体的抗剪强度。因此，研究潜在滑面上的应力条件是土体稳定性分析的关键。目前广泛使用的定量分析模型分两大类，一是基于极限平衡理论的极限平衡分析法，二是数值分析方法。极限平衡分析理论是最经典的确定性分析方法。自1916年彼德森(K.E.Pettersion)和胡尔顿(Hultin)提出了最初瑞典圆弧法以后
29、，开创了极限平衡法分析边坡稳定的先河，此后瑞典学者费兰纽斯(W .Fellenius)将最初的瑞典圆弧法推广到兼有摩擦力和粘结力的土体稳定计算中去，并初步探索了最危险滑弧位置的变化规律，即现仍使用的瑞典圆弧法(最简单的条分法)。20世纪30-40年代，很多学者对瑞典圆弧法的基本假定作些修改和补充，提出新的计算方法，使之更加符合实际情况，如毕肖普( Bishop)法、简布(Janbu)条分法、王复来法、斯宾塞(Spencer)法、沙尔玛（Sarma）法等。目前Sarma法是极限平衡方法的最新发展。极限平衡分析方法是将有滑动趋势范围内的边坡岩土体按某种规则划分为一个个小块体，通过块体的平衡条件建立
30、整个边坡平衡方程，以此为基础进行边坡分析。由于该方法具有模型简单、计算公式简捷、可以解决各种复杂剖面形状、能考虑各种加载形式的优点，因此得到广泛的应用。但这一理论的不足主要在于：一是忽略了影响因素的非线性和不确定性。我们在用极限平衡法分析边坡稳定性的时候，都是在确定模式和输入参数下，搜索临界滑动面可以达到满意的效果，通常把土简化成各向同性体。然而，由于边坡的地质环境、物质构成和岩土结构的复杂性，边坡岩土体物理力学参数往往具有不确定性，常表现在具有不确定性的变量；二是容易陷入局部最优解。边坡形成后，因经受多种施工和环境因素的影响，其工程性质无论在时间还是空间上都具有变异性，加上影响边坡稳定性因素
31、的非线性作用，导致边坡的稳定性分析及临界滑动面的搜索就演变成为一个复杂的非线性规划问题。对于这种具有多极值点的复杂规划问题，传统的优化方法，因易限于局部最优解，难于搜索到真正的最危险滑面。随着计算机技术的发展，很多数值计算方法都用到边坡稳定性分析中。自从1966年美国的Clough和Woodward应用有限元法分析土坡稳定性问题以来，数值计算方法在岩土工程中的应用发展迅速，并取得了巨大进展。边坡稳定数值计算方法主要包括变形介质边坡的有限单元法(简称FEM法)、节理化岩质边坡的离散单元法(简称DEM法)、快速拉格朗日法(简称FLAC法)、块体介质不连续变形分析法(简称DDA法)、数值流形元方法(
32、简称NMM法)等。数值分析方法考虑了边坡岩土体的非均匀性和不连续性，可以给出岩土体的应力、应变大小及其分布情况，避免了极限平衡分析法中将滑动体视为刚体而过于简化的缺点。但它还不能很好的求解大变形和位移不连续等问题，对于无限域、应力集中等问题的求解还不理想，不能直接给出可能的滑动面的准确位置及其所对应的安全系数。而且数值分析软件需要计算参数及信息多，计算工作量大，对使用人员的技术水平要求高。鉴于以上各种定量分析方法的优缺点，数值分析法通常仅在一些较为重要的边坡工程中进行应用，对常见的边坡工程来讲，从实用性考虑，工程中最常用的还是极限平衡法中的条分法。非确定性分析方法边坡稳定性分析是一种数据有限的
33、问题，并且存在着强烈的不确定性。这就使得以确定性为指导思想的传统的边坡稳定性分析方法，在工程实际应用中没有取得令人信服的结果。例如，对三峡工程永久船闸岩质边坡的稳定性评价，三个不同单位的数值分析计算获得三种截然不同的或相距甚远的结果。导致以有限单元法为主要代表的边坡稳定性数值分析方法处于一种“声誉高、信誉低”的状况。在许多工程实例中的稳定性系数计算值大于1的滑坡，仍会出现失稳破坏；而稳定性系数小于1的滑坡却又常常是稳定的。70年代中后期，加拿大能源与矿业中心和美国亚利桑那大学等开始把概率统计理论应用到边坡稳定性的分析中。Vanmarcke(1977)、Sharp(1981)、Hary(1987
34、)、Chowdury(1988)、Jaynes(1957,1985)、Read.R.L(1988)、Song(1989)、Kunlun(1989)等学者对概论法的发展均作出了贡献。进入90年代后，逐渐发展了边坡稳定性研究的可靠度分析理论（祝玉学，1993；罗文强、晏同珍，1996，1999），并借助非线性科学理论，如模糊数学理论、灰色系统理论、神经网络理论、分形理论等，应用于解释边坡变形破坏过程及失稳方式和失稳时空预报等（陈明东，1986；赵其华，1991，1995；秦四清，1992，1993，1994；唐辉明，1995；黄润秋、许强，1993，1995，1996）。近年来，该方法在岩土工程中
35、的研究与应用发展很快，为边坡稳定性评价指明了一个新的方向。但该方法的缺点是：计算前所需的大量统计资料难以获取，各因素的概率模型及其数学特征等的合理选取问题还没有得到很好的解决。另外其计算通常也较一般的极限破坏方法显得困难和复杂。（2）水库库岸边坡的特点及稳定性研究水库库岸边坡破坏与一般山地滑坡相比，有其特殊的一面。其特殊性在于它的活动与水库库水位的变化、库水波浪的冲刷及库水的浸泡有很大的关系。洪枯水位的剧变或水库回水造成的异常水位变幅，将导致岸坡内地下水静、动水压力发生巨大的变化，从而影响库岸边坡的稳定性；库水波浪的冲刷将使岩质岸坡强风化带和土质岸坡产生侵蚀剥蚀型再造；库水的浸泡将使岩土体的物
36、理和化学性能发生变化，并大幅度消弱其抗剪强度，进而导致岸坡稳定性降低。对库岸边坡稳定性的重要性的认识是随着工程实践逐步提高的。二十世纪六十年代以前，主要侧重于土质库岸的坍岸研究。1963年10月9日晚10时，意大利瓦依昂水库库水位上升到700m高程时，距大坝1.8Km的左岸发生3108m3的巨型滑坡，岩体从库区左岸托克山的一侧以25-30m/s的速度顺层下滑进入水库，引起涌浪超过坝顶150-250m，约有3000万m3的水量渲泄而下。致使一村庄被毁，2000多人死亡，整个水库变成一座石库。这一骇人听闻的灾难，向全世界的水库建设者们敲响了警钟：在高山峡谷区修建大坝时，必须十分小心库岸边坡的稳定性
37、9。从此人们才对库岸滑坡及其涌浪危害引起足够的重视。水库岸坡的稳定性评价是一项十分复杂的研究课题，二十世纪九十年代还没有形成一套完整的理论和研究方法。1993年国际大坝委员会（ICOLD）委派了来自十多个国家和地区在分析和治理库岸斜坡方面有丰富经验的著名学者与专家对库岸边坡稳定性问题作了专门研究。委员会对世界范围内的库岸边坡稳定问题进行了调查，编写了用于水库滑坡灾害鉴别和评价的指南，这为我们对库岸边坡稳定性的研究工作提供了很好的指导。1.3 研究思路及技术路线1.3.1 研究思路首先，要想对库岸边坡的稳定性作出准确的评价，为库岸边坡的治理提出科学的依据，确定地下水位的动态是尤为重要的。然而，目
38、前我们的大多数研究主要是利用数值分析方法进行渗流场的模拟，这种方法虽然可以模拟出较准确的地下水位变化情况，但分析软件需要计算参数及信息多，计算工作量大，对使用人员的技术水平要求高，不利于普通的技术人员使用。鉴于此，笔者利用地下水动力学中稳定流和非稳定流的理论求解出库水位稳定和库水位升降时的岸坡地下水位线计算公式，并对计算公式进行了简化和推广，便于工程使用。其次，结合工程实例，利用理正边坡稳定性分析软件、Autocad制图软件和Excel办公自动化软件，得出了影响地下水位变化的各因素与岸坡稳定系数的影响曲线。最后，由于岸坡工程是一个非常复杂的系统地质工程问题，认识及把握极其复杂的地质因素和相关的
39、工程因素不但需要有一个过程，也需要有正确的分析方法。这就决定了岸坡稳定性评价不能仅仅用单一学科、单一的评价方法来进行。偏重于工程地质条件的定性评价或偏重于纯力学特征的定量计算，都会导致研究成果的局限性。仅仅用定性的分析方法往往只能得出大致的稳定状态和可能的发展趋势。没有数据作为依据，总是显得不太有说服力；而仅用定量的分析方法，由于在边界的确定和参数的选取都不能保证完全与实际一致，特别对于地质条件复杂、土质分布不均匀的岩土边坡，搜索到的可能是局部最优解，从而得到的结果与实际不符10。鉴于此，笔者采用工程地质综合分析法、多级模糊综合评判、极限平衡法以及数值模拟等集成式评价方法，对岸坡稳定性进行综合
40、分析。本文研究的内容主要包括以下三个部分：1、岸坡地下水位线的确定本部分首先利用Boussinesq非稳定渗流和稳定渗流基本微分方程，使用拉普拉斯积分变换和逆变换求解出了库水位升降和稳定时的地下水位线计算公式，然后利用Excel办公自动化软件中多项式拟合功能，得出了便于工程应用的简化公式。最后还对地下水位线计算公式中的几个参数进行了确定。为影响岸坡稳定性的因素分析、岸坡的力学分析和数值模拟等的进一步研究提供依据。2、影响岸坡稳定性的因素本部分较为系统的总结了影响岸坡稳定性的内因及外因，以xx火车站岸坡为例，分析了影响地下水位变化的因素对岸坡稳定性的影响，并绘制了它们之间的影响曲线。3、岸坡稳定
41、性的分析评价本部分首先通过分析影响库岸边坡稳定性的主要不确定性信息，经综合分析，结合专家思路，确定了岸坡稳定性评价的指标体系，建立了针对岸坡稳定性的分级标准，运用层次分析法确定了评价指标的权重。并运用此评判模型对xx火车站岸坡进行了综合分析；然后利用拉格朗日差分法（FLAC）对该岸坡在正常蓄水位条件下的应力场分布和变形破坏的发展演化进行预测，对岸坡稳定前景做出合理评价。最后结合极限平衡法和工程地质综合分析法的分析结果，对岸坡的稳定性作出综合评价。1.3.2 技术路线本论文研究的技术路线如框图1.1.1：明确研究目的、确定研究内容收集资料及选定研究区域岸坡地下水位线的确定库水位稳定时库水位升降时
42、地下水位线方程中参数的确定影响岸坡稳定性的因素岸坡稳定性分析评价工程地质综合分析极限平衡及数值模拟分析多级模糊综合分析岸坡稳定性综合评价图1.1.1 论文研究的技术路线框图第二章 岸坡地下水位线的确定众所周知，地下水对岸坡的稳定性起着重要作用。近年来，国家投入大量的资金发展水电工程，但是由于库区两岸的地质条件复杂，地质灾害较多，在库水位变化时，导致的边坡失稳的事件屡见不鲜，例如江西省七一水库、湖北省狮子岩土石坝坝坡失稳等，给人民的生命财产安全造成了巨大的威胁和隐患。究其原因，主要是我们对库水作用下的岸坡稳定性评价及治理设计的认识还不够全面深入，这一直是水利工程工作者所关注的问题。虽然近年来，边
43、坡稳定性评价方面的发展很快，但大多数是集中在计算方法和计算精度方面。水库蓄水会使整个斜坡区域地下水水位抬高,但具体抬高多少,不仅与斜坡区域的水文地质条件有关,还取决于库区大范围的水文地质条件,预测难度较大。而且由于工程造价等方面的原因，勘察单位也不可能在每个研究区段都打钻孔来准确确定地下水位及观测未来地下水位的变化。目前计算坡体稳定性时水位线的确定没有统一的计算方法，更没有简化的、方便的可供工程应用的计算公式，大多数都是凭经验人为给定一条水位线进行计算，这样就很容易造成治理工程的不合理1,2。针对这一实际工程问题，为了对岸坡稳定性评价提供充分的理论依据，以下将研究确定库水位升降时岸坡地下水位线
44、的理论和简化计算公式；另外还推导出了稳定地下水位线的通用计算公式；同时还将对库水位变化时，岸坡地下水位线计算公式中的几个参数进行确定。2.1 库水位升降时地下水位线的确定 2.1.1 基本假设1 111、 含水层均质各向同性，侧向无限延伸，隔水底板水平；2、 潜水无垂向补给与消耗，即W0；3、 水库直线延伸，其两侧的潜水流作为一维流处理；4、 库水位以V0的速度等速升降；5、 初始时刻潜水位水平，并与库水位相等；6、 含水层厚度近似为常量，用时段始、末潜水流厚度的平均值hm代替；7、 库岸按垂直考虑，库水的变化高度与含水层厚度相比小得多。2.1.2 数学模型的建立潜水非稳定流的布西尼斯克(Bo
45、ussinesq)标准方程为：11这个方程所表示的是具有单位水平面积的潜水含水层铅直微元柱体中水的质量守恒关系。其中表示的是沿x方向净流入微元柱体的单宽流量；表示的是沿y方向净流入微元柱体的单宽流量；W表示从z方向净流入微元柱体的单宽流量；表示从x,y,z三个方向净流入微元柱体的总流量所引起的潜水水位随时间的变化率；表示与潜水水位变化率相应的微元柱体内水储量的变化。通过以上假设条件得潜水非稳定流微分方程为： ； ,称为压力传导系数。(1)库水位升高时，计算简图见图2.1.1设距库岸x处在t时刻的地下水位变幅为：u(x,t)h(x,t)-h(0,0) (2-1)由假设条件(4)、(5)知：u(0
46、,t)=h(0,t)-h(0,0)=h(0,0)+v0t-h(0,0)=v0t;图2.1.1库水位升高时地下水位线计算简图u(x,0)=h(x,0)-h(0,0)=h(0,0)-h(0,0)=0;u(,t)=h(,t)-h(0,0)=h(0,0)-h(0,0)=0; 所以库水位升高时的地下水非稳定流数学模型为： (2)库水位降落时，计算简图见图2.1.2设距库岸x处在t时刻的地下水位变幅为： u(x,t)h(0,0)-h(x,t) (2-6)由假设条件4、5知：图2.1.2库水位降落时地下水位线计算简图u(0,t)= h(0,0)-h(0,t)=h(0,0)+v0t-h(0,0)=v0t;u(
47、x,0)= h(0,0)-h(x,0)=h(0,0)-h(0,0)=0; u(,t)= h(0,0)-h(,t)=h(0,0)-h(0,0)=0;所以库水位降落时的地下水非稳定流数学模型为： 2.1.3 微分方程的求解可以看出，上面两个数学模型完全相同，不同的是u(x,t)的定义不同，所以对这两个问题可以采用同一方法求解。用拉普拉斯积分变换和逆变换方法来求解该模型。对（2-2）式中各项作关于t的拉氏变换，并利用初始条件（2-3）得：其中是u的拉氏变换，即：对（2-4）、（2-5）式施拉氏变换，得：, , 所以就把问题转化为关于的常微分方程的定解问题： 式（2-11）是一个二阶常系数齐次方程，其特征方程为：;该方程的两个根为：于是，二阶常系数齐次方程（2-11）的通解为： （2-14）根据（2-12）、（2-13）式边界条件，确定出方程（2-14）的常数为： ，因而 （2-15）对（2-15）式施拉氏逆变换，查拉氏变换表有：于是得到：u(x,t)vot.M(x,t) (2-16)M(x,t)=4i2erfc()