降雨滑坡实时预测的渗流-稳定三维极限平衡模型研究

本课题将深入研究降雨滑坡的发生机理，建立基于GIS数据格式的降雨-边坡稳定性三维极限平衡分析模型，建立基于DEM的三维地表径流模型、饱和-非饱和土体内的准三维雨水渗流模型及准三维地下水流动模型和经理论和实验推导特定土质的含水量-强度关系经验公式，并依此建立基于GIS栅格数据格式的降雨渗流与边坡稳定性三维极限平衡分析的组合模型。以地形、地层结构、土体的初始渗透系数、初始饱和度、初始地下水位、降雨强度和前期降雨量为计算数据，首先通过降雨渗流模型得到不同时刻的地表和土体内的水分分布，再通过土体强度评价模型得到该水分分布状态下的土体强度参数，然后同时考虑土体重量、剪切强度、基质吸力和孔隙水压力的变化，通过边坡稳定性三维极限平衡分析模型计算该时刻的三维安全系数，并搜索危险滑动面。同时，在以往开发基础上，进一步完成降雨滑坡三维实时时空预测系统模块进行研究成果验证及应用推广。

降雨滑坡分布范围广、发生频度高、破坏力强、造成的损失严重，是滑坡灾害预测预报研究的主要对象之一。在降雨入渗前，边坡土体尤其是上部岩土体处于非饱和状态，在降雨过程中，边坡土体的自重增加和强度降低这两个不利因素同时影响边坡的稳定性，当达到极限程度时就会引发滑坡灾害。因此，如何将降雨入渗过程与降雨对滑坡稳定性的影响转为定量的力学分析过程，建立一套简单、实用且具有力学理论依据的时空稳定性分析模型，具有重要的学术意义和实用价值。本研究基于GIS 的降雨渗流模型和边坡稳定分析的三维极限平衡模型的耦合模型，建立降雨滑坡预测的渗流-稳定耦合三维极限平衡模型，为降雨滑坡的实时预测及灾害预警提供理论模型支撑。主要工作有：（1）基于常用边坡极限平衡模型的三维扩展算法，建立了基于GIS 栅格数据格式的边坡稳定性三维极限平衡分析模型；将外水压力以孔隙水压力和水库蓄水位涨落两种形式体现，研究了外水压力作用下的边坡稳定性，并在修正的Hovland 模型中推导了相应的计算模型；（2）在系统分析降雨入渗对土体基质吸力、土体应力状态、土体变形影响的基础上，建立了恒定和非恒定降雨强度下的降雨入渗准三维模型，并推导了降雨入渗前锋非线性求解算法，并根据滑动面、地下水位面及渗透前锋三者的位置关系概化四类模型来实时确定岩土体饱和-非饱和状态的物理力学参数取值；（3）基于GIS 的三维极限平衡模型，耦合降雨地表径流与入渗雨量的非线性分配水文地质模型，建立了基于GIS 栅格数据格式的降雨渗流与边坡稳定性三维极限平衡分析的组合模型。以空间分布的地形、地层结构、土体的初始渗透系数、含水量差、降雨强度为计算数据，同时考虑土体重量、剪切强度、基质吸力和孔隙水压力的变化，通过耦合的边坡稳定性三维极限平衡分析模型计算任意时刻的三维安全系数；（4）在既有3DSlopeGIS 系统基础上，推导了降雨滑坡模型算法并完成三维实时时空预测系统模块开发。通过经典边坡稳定模型算例验证了本研究所提模型及算法，系统在实际降雨滑坡分析评价中得到应用。