随着我国水利水电工程建设的发展,一批高坝大库陆续建成并投入使用,库区因其地质环境复杂,加之受库水变动、降雨和河流冲蚀等因素诱发,是滑坡灾害的高发区之一。库岸滑坡受库水位升降和降雨作用影响明显,其形成、发展和失稳破坏是降雨、库水位升降、气温变化等外在因素与地形、地质、水文等内在因素共同作用的结果,涉及到固相变形、水体流动、气体迁移、温度传输等过程的多相流及多场耦合复杂体系。鉴于此,本文基于多相流及多场耦合的理论及方法,以库岸滑坡形成机理为研究主题,以降雨、库水位升降为主导诱发因素的库岸滑坡为研究对象,结合三峡库区典型滑坡,重点开展了非饱和土多场耦合特性及试验测试、数值分析方法以及降雨作用主导型、库水作用主导型滑坡形成机理等方面的研究。主要研究工作如下:(1)推导了一个包含温度和孔隙率影响的土水特征曲线模型,设计并开展了温度、孔隙率对三峡库区红壤土土水特征曲线影响的测试试验,结合试验测试结果,对模型的适用性和合理性进行了验证分析。模型最终形式为基质吸力与有效饱和度、温度及孔隙率的函数关系,包含5个参数,参数物理意义明确。模型计算值和试验结果吻合较好,表明该模型能较好地描述不同温度和孔隙率条件下非饱和土体的土水特性,可为库岸滑坡多场耦合研究提供土水特征曲线模型及参数。(2)通过试验获取累计出水量和施加的气压力,采用网格搜索方法与水气二相流正算相结合的数值反演手段,发展了一种非饱和土体水、气相对渗透性快速测试方法。该方法不需要达到逐级吸力条件下的水力平衡状态,大大缩短了试验测试时间,网格搜索法能有效识别全局最优解,结果可靠。以红壤土为试验对象,对测试方法进行了验证分析,表明这种方法能够快速准确地测试非饱和土渗透特性,测试结果可为基于多相流的数值分析提供参数。(3)提出了一种土样改进重塑制样方法,该方法可以有效避免传统击实土样的分层性,有效恢复土壤中的基质吸力状态,使试样非饱和强度特性更接近原状土。基于该制样方法开展了不同饱和度土体的三轴剪切测试试验,构建了粘聚力、内摩擦角与饱和度的函数关系,为库岸滑坡多场耦合分析提供强度指标。(4)发展了一种基于最小二乘有限元的非饱和土体导热系数测试方法,在此基础上开展了非饱和土传热特性测试试验,研究了饱和度、孔隙率对红壤土导热系数的影响。该方法以试验测试的温度数据作为已知条件,直接反算非饱和土导热系数非恒定过程,不需要进行大量的正算和优化反演过程,极大地提高了计算效率和测试精度。基于Tong提出的多孔介质导热系数模型和试验测试数据,建立了红壤土导热系数与饱和度、孔隙率之间的相关关系,可用于滑坡温度场的数值分析中。(5)开展了多因素耦合条件下高度病态、非线性控制微分方程数值求解路径及方法研究,基于有限单元法,发展了一种多相流及多场耦合数值分析方法,提高了数值计算的稳定性、收敛性和计算效率。采用自适应时间步长、交叉迭代、优化非零元素数据储存等数值处理技术,提高了数值计算效率;以饱和度、孔隙气压力为基本未知量求解水气耦合流动问题,增大了方程控制基本变量主系数的数值,克服了“压力”求解模式下的数值稳定性难题。采用Fortran语言编写了相关计算分析程序,通过经典的Liakopoulos砂柱排水试验和自主设计室内降雨入渗试验,验证了计算程序的可靠性和适用性。为研究库岸滑坡稳定性演化规律,提出了一种基于多相流及多场耦合数值模拟的边坡稳定性计算方法。(6)采用多相流及多场耦合数值分析方法,依托三峡库区谭家湾滑坡,分析了降雨和库水位变动条件下滑坡温度变化、水气渗流、变形及稳定性演化特征,研究了降雨条件、气温变化对滑坡降雨入渗和稳定性的影响,进行了降雨作用主导型滑坡多因素耦合分析。研究表明,降雨入渗对降雨作用主导型滑坡的影响主要来源于广义荷载效应和材料劣化效应。在降雨入渗过程中,边坡表层会形成一层饱和区,在强降雨初期,饱和区向下的孔隙水压力梯度使边坡稳定性略微增加,随着雨水入渗,坡体内孔隙气压力增加,增大的孔隙气压力一方面会阻滞降雨入渗进程,另一方面将顶部的饱和水压力传到滑坡体前端饱和区,形成一种水气耦合传力机制,不利于滑坡稳定。另外,由于降雨入渗及滑床与滑体渗透性差异,滑体区域会形成高饱和区,降低了材料抗剪强度特性,加速边坡变形,不利于滑坡稳定。(7)基于多相流及多场耦合的理论及其数值方法,以三峡库区树坪滑坡为背景,研究了库水位变动与降雨综合作用下,滑坡温度变化、水分运移、气体传输、应力变形、稳定性演化规律,分析了库水位升降速率、滑体渗透性对滑坡稳定性的影响,研究了库水位变动对库水作用主导型滑坡的作用机理。结果表明,库水位升降对滑坡的作用机制会因滑体渗透性不同而有所差异。当滑体渗透系数远小于库水位升降速率时,主要是通过对坡脚的压重作用影响边坡稳定,库水位上升,坡脚压重增大,有利于稳定。当滑体的渗透系数与库水位的升降速率相差不大时,库水位升降对滑坡稳定性影响主要来源于“动水压力”效应,库水位升降引起的孔隙水压力变化响应时间和空间差异性明显,由此会产生附加孔隙水压力梯度,影响边坡稳定,滑坡稳定性与库水位升降呈明显的正相关关系。当滑体渗透系数远大于库水位上升速率时,库水位上升主要通过“浮托减重”效应降低滑坡稳定性。(8)开展了在降雨、库水位升降等因素下,库岸滑坡温度与渗流耦合作用效应研究。气温变化主要是通过间接作用影响降雨作用主导型滑坡稳定性,对库水作用主导型滑坡影响较小。气温变化会引起坡体表层温度变化,使水、气渗透性和基质吸力大小发生改变,进而影响坡表吸入与溢出流量和降雨入渗过程,最终影响滑坡稳定。