水库滑坡渗流与蠕变耦合分析

The results of landslide monitoring and theoretical analysis show that the landslide deformation caused by water level fluctuation exhibit a significant time-dependent property which dual controlled by the seepage and creep process. Therefore, it is more reasonable to investigate the landside deformation based on the coupled analysis of seepage and creep process. In this research, the typical landslides of the Three Gorges reservoir area will be chosen for in-depth study. The laboratory experiments, theoretical and numerical modeling and in situ monitoring will be carried out for the following researches: 1) derive a viscoelastic-plastic constitutive model for unsaturated soils based on the plastic potential theory and the concept of the equivalent time; 2) develop the seepage and creep coupling experimental apparatus and carry out the coupling tests under different hydraulic head to reveal the impacts of seepage upon the creep; 3) carry out the seepage tests with different void ratio and establish the relationship between deformation and void ratio, to reveal the impacts of creep upon the permeability; 4) establish the seepage and creep coupled mathematical model for unsaturated soils and promote its numerical solution methods; 5) verify the model and its numerical solutions by the coupling test results and field monitoring data. This research is expected to get breakthrough in the understanding of reservoir landslide deformation and innovation in the research methods. The research results can be used to predict the deformation of bank landslides and provide a more rigorous scientific theories and methods for investigating the movement of landslides, which have of great importance both in theoretical significance and practical applications.

监测及理论分析表明，库水位升降引起的滑坡变形具有显著的时间效应，这一时间效应受渗流作用与蠕变过程双重控制，因此，基于渗流与蠕变耦合效应研究滑坡变形过程，才更符合其实际力学过程。拟以三峡库区典型滑坡为研究对象，采用室内试验、理论推导、数值模拟及现场监测等综合手段，根据塑性势理论及等效时间概念推导非饱和土粘弹塑性本构模型；利用改进的渗流与蠕变耦合试验仪，进行不同渗流水头下的耦合试验，揭示渗流对蠕变的影响机理；通过不同孔隙比土样的渗透试验，推导试样变形与孔隙比的对应关系，揭示蠕变对渗透性的影响机理；构建非饱和渗流与非饱和蠕变耦合的数学模型及其数值求解方法，并根据耦合试验结果及现场监测数据对其进行验证。项目在水库滑坡变形机理及变形分析方法上具有一定的突破和创新，研究成果可望为水库滑坡变形演化预测提供更加科学严密的理论和方法，兼具十分重要的理论意义和实际应用价值。

理论研究及大量实例分析表明，库水位变动诱发滑坡变形或失稳具有显著的时间效应，其力学过程十分复杂，既包括地下水渗流产生的时间效应，也包括蠕变产生的时间效应，且渗流作用和蠕变作用相互影响，二者之间具有耦合作用，可见，基于渗流与蠕变耦合效应研究滑坡变形过程，才更符合其实际力学过程。因此，研究渗流与蠕变耦合效应、建立其耦合模型和数值分析方法，对于揭示和预测库水作用下滑坡变形演化过程是具有重要理论价值和工程意义。.本课题以三峡库区典型滑坡为研究对象，采用室内试验、理论推导、数值模拟及现场监测数据相结合的综合研究手段，从库岸滑坡对库水位变动及降雨的响应、非饱和土渗透性函数确定方法、渗流作用下滑坡土体蠕变特征、变形对滑坡土体渗透性影响、降雨及库水共同作用下滑坡渗流场数值模拟、滑坡土体非饱和蠕变模型及其数值求解方法、渗流与蠕变耦合方程组及其求解方法等方面开展系列研究。取得的主要成果如下：1、通过对渗流控制偏微分方程进行离散和反演求解，获得了非饱和土渗透系数的理论表达式，结合非饱和土渗透性试验数据，提出了一种快速确定非饱和土渗透性函数的新方法，研制了针对该方法的非饱和土渗透性试验仪；2、在滑坡土体剪切蠕变试验基础上，分别基于Singh-Mitchell蠕变经验模型及伯格斯蠕变元件模型建立了滑坡土体非饱和土剪切蠕变模型，针对伯格斯非饱和土剪切蠕变模型，推导了其数值求解的有限元格式并编写了计算程序；3、在滑坡土体非饱和三轴固结蠕变试验基础上，基于塑性势理论和等效时间概念建立了非饱和土体积蠕变模型；4、为开展渗流与蠕变相互影响试验，研制了渗流与蠕变耦合三轴试验仪，在不同固结压力、固定水头渗流试验基础上，建立了孔隙比k-渗透系数n相关表达式；5、基于渗流控制方程、蠕变本构方程及耦合项k-n关系表达式，构建了渗流与蠕变耦合数学模型及其数值求解方法，并编制了计算程序；建立了基于坡面径流与坡体渗流联合求解的数学模型及其数值模拟方法。