水位波动对边坡稳定性影响

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1、水位波动对边坡稳定性影响TheEffectsofWater-levelFluctuationonSlopeStability（申请硕士学位）学科专业：水利工程作者姓名：柴学锐指导教师：孙冬梅副教授天津大学建筑工程学院二零一七年十一月摘要研究水库水位波动作用下水库边坡的失稳机理对提升水库工程的运营效益和防止地质灾害发生具有重要的现实意义。本文基于饱和-非饱和水-气二相流模型，研究了水库水位波动作用下土体内的孔隙水压力、孔隙气压力、毛细压力、水饱和度和坡外水压力的变化过程，分析了水库水位波动过程中岸坡土体内渗流场的变化规律。本文采用简化Bishop法，推导了水位波动作用下边坡的安全系

2、数计算公式，用于分析水位波动过程中边坡稳定性的变化。主要内容包括如下几个部分：（1）基于饱和-非饱和边坡的水-气二相流模型，分别模拟了水库水位下降和水库水位上升作用下土体内渗流场的变化规律。水位下降作用下，非饱和区范围内的毛细压力逐渐增加，孔隙气压力逐渐减小，孔隙水压力逐渐增加；毛管饱和区范围内，毛细压力和孔隙水压力均逐渐增加，孔隙气压力为0。水位上升作用下，毛细压力、孔隙气压力、孔隙水压力和水饱和度均逐渐增加。（2）进一步对水库水位变化速度及土壤固有渗透率在水库水位波动过程中对土体内渗流场变化规律的影响进行了深入分析。水位升降速度越快，土体的渗流场变化的越快；土壤固有渗透率越大

3、，土体的渗流场变化的越快。（3）以渗流场模拟结果为依据，对同时考虑孔隙气压力，孔隙水压力，土体自身重力、毛细压力，坡外水压力作用的土坡安全系数进行计算，并分析了水位波动过程中毛细压力、孔隙气压力、坡外水压力对安全系数的贡献。水位下降作用下，土坡的安全系数先逐渐下降后逐渐上升，当水位稳定后，安全系数的值也几乎稳定。水位上升作用下，土坡的安全系数先呈现微小的下降趋势之后开始逐渐上升，当水位稳定后安全系数又开始逐渐下降。土壤中中毛细压力的存在有利于土坡稳定，孔隙气压力的存在不利于土坡稳定，而坡外水压力的存在有利于土坡稳定。（4）建立水相单相流模型，分析水位下降作用下的土体内渗流场的变化

4、情况及边坡的稳定性的变化过程。通过水-气二相流的模拟结果与水相单相流的模拟结果对比，分析了气相的存在对土体内渗流场变化的影响及对边坡稳定性的影响。结果显示，水-气二相流不考虑孔隙气压力贡献的安全系数略高于单相流的安全系数，而不考虑毛细压力贡献的安全系数略低于单向流的安全系数。（5）水-气二相流模型中土体被分为饱和区、毛管饱和区和非饱和区三部分，为与二相流对比分析渗流场的变化规律，建立的单相流模型中仅存在饱和区和非饱和区两部分，且毛管饱和区范围内，孔隙水压力小于0，孔隙水受到土颗粒的I吸引不易流出，但水饱和度仍然为1.0，而毛管饱和区处的毛细压力为0，所以孔隙气压力也小于0。关键词

5、：水位变化，水-气二相流，水相单相流，毛管饱和区，土坡稳定性IIABSTRACTItisofgreatpracticalsignificancetostudytheinstabilitymechanismofsoilslopeunderthefluctuationofwater-leveltoimprovetheoperationalbenefitofreser-voirandpreventtheoccurrenceofgeologicaldisasters.Inthisstudy,awater-airtwo-phaseflowmodelisestablishedtoinvest

6、igatetheseepagebehaviorduringthewater-levelfluctuationprocess.Thepore-airpressure,pore-waterpressure,capillarypressureandwaterpressureareallconsideredduringthesimulationprocess.ThesafetyfactorscanbeobtainedusingthesimplifiedBishopmethod,andthemaincon-tentsincludethefollowingsections:(1)First,

7、awater-airtwo-phaseflowmodelisestablishedtoinvestigatetheseepagebehavior.Basedonthewater-airtwo-phaseflowmodel,thebehavioroftheseepageinthesoilslopeunderthewater-leveldropsorrisesaresimulated,respec-tively.Duringthewater-leveldrawdownprocess,