高边坡水利水电工程论文提纲

论文题目：山西某矿山高边坡马兰黄土非饱和特性及稳定性研究

摘要：马兰黄土是一种广泛分布于我国西北地区的土体,总分布面积约64万m2。其本身的物理力学性质导致水土流失、滑坡、等地质灾害对人类的生产建设均有不同程度的影响,涉及矿山工程、水利水电工程、路桥工程、铁道工程等诸多领域。随着我国西部大开发战略的实施,在我国西北的黄土覆盖地区,工程建设的规模及难度均逐年扩大,针对黄土的物理力学性质以及西北黄土高原地区工程地质条件的研究亦逐年深入。河曲县位于西北黄土高原的东部边缘,县城西面紧靠黄河干流,与内蒙、陕西交界,是毗邻三省的经济、文化重镇。并且近几年,在此基础上发展了水力资源、矿产资源、电力开发等新兴工业。经过几十年不断的人类工程活动,以及黄土高原日益严重的水土流失的影响,河曲的矿山工程地质条件日益恶化,在降雨、人类活动等条件下,滑坡,崩塌等地质灾害发生次数逐年上升。由于河曲的矿山大多在露天情形下开采后人工削坡,因此在矿区的采场边坡形成了许多马兰黄土高边坡,随着开采深度的加深以及开采技术的提高,矿山对边坡开挖设计以及稳定性验算、后期治理成为一个亟待解决的问题。对河曲矿山黄土高边坡的工程地质研究将有效的解决矿区采场边坡稳定性问题,保证矿区采矿的安全生产,有效促进河曲以及类似西北地区黄土高边坡矿山地质环境治理恢复问题的解决。本论文以山西河曲的工程开挖边坡作为研究对象,研究了非饱和马兰黄土高边坡的土体非饱和物理性质以及对应边坡稳定性,对马兰黄土进行室内实验、室内模型实验,研究基质吸力、含水率对黄土体颗粒的微观影响,得到土体体积含水量与基质吸力的关系曲线,利用非饱和土强度系数的计算公式,对非饱和马兰黄土边坡的稳定进行了分析计算,得到了不同工况下非饱和马兰黄土高边坡的稳定性系数与安全系数,对各工况下矿山边坡的稳定性做出了评价与优化。结合室内模型试验以及FEFLOW有限元软件进行数值模拟,分析马兰黄土边坡在降雨状态下的饱和过程,降雨入渗深度以及边坡破坏过程,建立了对应的数值模型,同时结合室内人工降雨试验,提出非饱和马兰黄土高边边坡的稳定性评价方法,给出各种因素影响下边坡的稳定性情况,给出合理的优化方案。论文的主要研究内容和成果如下：1.在野外地质调查以及研究区基础水文地质、工程地质资料收集的基础上,总结河曲县梁家碛矿山的自然地理条件以及矿山研究区的工程地质特征,以及马兰黄土高边坡的变形破坏特征。矿山内边坡马兰黄土裂隙较发育,由于长时间的煤矿开采,导致采场边坡普遍高陡,且受人工开挖和降雨等外力的影响,往往导致坡体存在不稳定因素。根据现场勘查,区内马兰黄土高边坡的变形破坏主要表现为局部崩塌。矿山内马兰黄土边坡坡角高陡、节理裂隙发育、降雨侵蚀以及开挖坡面使坡角发生破坏是边坡局部破坏的主要内在因素。在边坡开挖以及降雨等因素的影响下,边坡土体向临空方向卸荷,在坡脚、坡肩等区域发生局部破坏最终诱发滑坡。2.为分析非饱和马兰黄土高边坡内部土体稳定性参数变化情况,在微观方面研究了马兰黄土的土体体积含水量、基质吸力的关系曲线；在宏观上进行室内降雨实验、强度实验,坡体渗流场数值模拟等手段综合分析。基于上述研究思路,从现场采集了马兰黄土的试样,并根据土样的干密度的不同,制备了4组重塑试样。以V-G模型为依据,对脱湿状态下试样的基质吸力数据进行拟合,绘制土水特征曲线（SWCC）。探讨不同干密度对应的坡体高度吸力变化曲线,并结合统计学的V-G模型对脱湿状态下非饱和马兰黄土的渗透系数曲线进行了计算模拟。3.为将前面的实验结果更好的耦合到稳定性分析中,分析马兰黄土高边坡在降雨、坡高及坡比因素下的失稳情况,利用实验槽以及降雨设备等器材进行试验设计,建立不同降雨以及坡体条件下的边坡模型。按照工程经验结合相关文献设计了45。、60°、70°三个坡度等级的边坡,坡高范围设计在45cm、60cm、70cm以1：100的模型相似比例以及天然状态下的含水率12%建立滑坡模型。降雨强度则按大雨～暴雨的等级设置了60mm、90mm、120mm三个区间。为了直观反映降雨对于坡体内部孔隙水压力以及含水率的影响,在室内降雨模型边坡的坡脚、坡顶、中部以及坡体内部中埋设孔隙水压力计以及水分仪,通过连接数据采集系统,观察在不同工况下,孔压计以及水分仪数据的变化。通过试验槽的网格以及高清摄像头、照相机等设备,观察坡体变形—破坏情况。通过设计正交试验对不同工况下边坡的破坏情况以及利用spss软件进行因素方差分析。结果表明：三个影响因子坡比、降雨、坡高,对边坡的稳定性影响程度依次为雨强＞坡度＞坡高。因此在实际工程中,较大的雨强,较高的坡高以及高陡的坡度将使非饱和马兰黄土高边坡产生滑坡的概率大大的增加。4.为直观的显示所有参数间的联系,分析室内人工降雨模型实验数据是否符合实际情况,将非饱和马兰黄土高边坡人工降雨模型试验的数据导入FEFLOW中进行模拟观察,建立边坡的渗流场模型,以观察坡体在降雨条件下,坡体内部孔隙水压力以及含水率的变化情况,以时间步长为1天、5天进行模拟计算,结果发现边坡在强降雨条件下降在表层土体中将产生一个暂态的土体饱和带,短期内边坡降雨难以影响浸润线以下的土体；坡脚以及坡肩产生的饱和带的扩大将使整个非饱和马兰黄土边坡的稳定系数降低。5.总结了国内外饱和—非饱和土边坡稳定的研究方法,针对采场非饱和马兰黄土高边坡在接受降雨的条件下进行了稳定性验算设计,并在验证之后对坡体的优化方案提出了相关建议东部海拔高程1040m边坡坡体几何参数设计值为：单级坡高为10m,坡角55°,台阶宽度按照相关规范采用6m、lOm间隔布置,将达到良好的稳定效果。

关键词：非饱和马兰黄土;非饱和高边坡稳定性;非饱和马兰黄土渗透系数;降雨模型实验;FEFLOW有限元模拟

学科专业：地质工程

摘要

Abstract

第一章 绪论

1.1 选题的来源、目的和意义

1.2 国内外研究现状以及发展趋势、研究的问题

1.2.1 非饱和黄土理论研究现状

1.2.2 非饱和黄土降雨入渗理论研究现状

1.2.3 降雨条件下非饱和黄土边坡稳定性研究现状

1.2.4 国内外滑坡模型研究进展

1.3 主要研究内容、技术路线和创新点

1.3.1 主要研究内容

1.3.2 技术路线

1.3.3 创新点

第二章 研究区地质环境条件与降雨条件下边坡稳定性特征

2.1 自然地理条件

2.1.1 位置与交通

2.1.2 自然资源

2.1.3 气象、水文

2.2 矿区地质条件概况

2.2.1 地形地貌

2.2.2 地层岩性

2.2.3 地质构造与地震

2.2.4 水文地质条件

2.2.5 马兰黄土主要力学参数

2.3 采场边坡地质条件以及降雨对边坡稳定性的影响

2.3.1 采场马兰黄土边坡基本工程地质条件以及特征

2.3.2 现存黄土边坡破坏特征以及降雨对其影响

2.3.3 实例分析

2.3.4 边坡稳定性影响因素

2.4 本章小结

第三章 马兰黄土非饱和特性研究

3.1 非饱和土的特性以及基本物理性质

3.1.1 非饱和土中的基质吸力

3.1.2 非饱和土基质吸力的测量

3.2 非饱和土的土—水特征曲线(SWCC)

3.2.1 影响土—水特征曲线的因素

3.2.2 土—水特征曲线的拟合以及相关模型

3.3 非饱和马兰黄土土—水特征曲线(SWCC)研究

3.3.1 土样的基本物理性质

3.3.2 试验装置及原理

3.3.3 试样的制备及试验步骤

3.3.4 试验注意事项

3.3.5 马兰黄土土—水特征曲线(SWCC)

3.4 非饱和马兰黄土渗透系数研究

3.4.1 非饱和土渗流计算的模型

3.4.2 非饱和马兰黄土渗透系数

3.5 本章小结

第四章 室内人工降雨条件下非饱和马兰黄土高边坡模型试验及破坏特性研究

4.1 边坡模型土样

4.2 边坡模型试验方案及设备

4.2.1 试验方案及降雨试验技术路线

4.2.2 试验方案

4.2.3 试验设备

4.2.4 试验检测设备

4.3 降雨试验及结果分析

4.3.1 降雨试验过程

4.3.2 实验结论

4.4 降雨试验因素影响分析

4.4.1 实验参数设置

4.4.2 统计结果

4.5 本章小结

第五章 坡体渗流状态有限元模拟

5.1 饱和-非饱和渗流的基本理论

5.1.1 土水势

5.1.2 非饱和渗流的微分方程

5.1.3 非饱和渗流方程解的初始条件和边界条件

5.1.4 降雨条件过程中渗流边界条件的处理

5.2 非饱和马兰黄土高边坡降雨入渗数值模拟

5.2.1 有限元网格划分

5.2.3 模型初始边界条件

5.2.4 模拟结果分析

5.3 本章小结

第六章 采场非饱和马兰黄土高边坡稳定性评价

6.1 基于降雨条件的稳定性分析

6.2 非饱和马兰黄土高边坡坡稳定性分析

6.2.1 边坡稳定性计算方法与工况

6.2.2 非饱和马兰黄土高边坡稳定性结果分析

6.2.3 优化设计下边坡稳定性计算与分析

6.2.4 稳定性评价结果及建议

6.3 本章小结

第七章 结论与展望

7.1 结论

7.2 展望

致谢

参考文献