水利水电岩土工程包含多种不确定性因素,如岩土体参数不确定性、测量误差导致的认知不确定性和模型不确定性等,其中岩土体固有的不均匀性对岩土工程可靠度分析有重要的影响。由于土体普遍经历不同的地质、环境和化学作用,这导致不同深度的土体特性参数如抗剪强度参数往往呈现随深度变化的趋势,然而,目前大多数岩土工程可靠度分析虽然考虑了土性参数空间变异性的影响,但是土性参数随深度变化趋势对岩土结构物可靠度的影响还缺少深入的研究,如抗剪强度参数均值或标准差随深度变化对岩土结构物可靠度的影响规律等。另一方面,实际岩土工程中还存在另一种形式的岩土体不均匀性,即地层变异性。它表现为不同类型岩土材料的互相嵌套或一种类型土体材料在另一种较均质土体材料中不规则出现。这种地层变异性在其他领域如石油勘探、地下水及污染物运移研究中得到了足够的重视。岩土工程领域虽然很早就意识到地层变异性对岩土工程安全的影响,如有研究表明地层变异性对滑坡分布和方向有重要影响。然而,地层变异性对于岩土工程可靠度的影响还未见研究。此外,石油勘探,地下水污染物运移中都是采用基于大尺度分析的地层变异性模拟方法。对于大多数岩土结构物来说,这种地层变异性模拟方法不一定适用。因此,亟需发展适用于岩土结构物尺度的地层变异性模拟方法,在此基础上探讨地层变异性对岩土结构物可靠度的影响规律。此外,现有的考虑空间变异性的边坡可靠度分析大多关注边坡失效概率的计算,对于空间变异性对边坡失效模式的影响研究不够深入,而边坡最危险滑动面直接决定着边坡失稳的规模和尺寸,直接影响边坡失效后果评估。非常有必要深入研究土体参数空间变异性对边坡最危险滑动面分布规律的影响。针对上述3个关键科学问题,本文重点研究土体抗剪强度参数随深度变化的空间变异性和地层变异性模拟方法,在此基础上探讨这两种土体不均匀性对岩土结构物可靠度的影响规律,同时研究土体参数空间变异性对边坡最危险滑动面的影响。主要研究内容包括：基于非平稳随机场的土体抗剪强度参数空间变异性建模方法、土体空间变异性对边坡最危险滑动面的影响、考虑土体参数空间变异性的岩土结构物可靠度分析方法、基于钻孔资料的耦合马尔可夫链水平方向转移概率矩阵估计、考虑地层变异性的边坡稳定性分析方法。主要工作及结论如下：(1)阐述了考虑土体不均匀性的岩土工程可靠度分析的研究背景及意义,回顾了岩土参数不确定性的建模方法,指出了存在的问题和需要改进的方向。归纳了考虑参数空间变异性的岩土工程可靠度分析方法及研究对象。简要概述了地层变异性在岩土工程领域的研究现状,分析了考虑地层变异性的岩土工程可靠度关键问题,介绍了马尔可夫链模型在工程领域的应用情况。(2)为了研究抗剪强度参数随深度变化趋势对岩土结构物可靠度的影响,提出了表征抗剪强度参数空间变异性的非平稳随机场模型及其模拟方法。从经验公式和实测数据两方面验证了不排水抗剪强度参数和有效内摩擦角随土体深度变化的趋势,指出了两者非平稳随机场模型的差异,建立了不排水抗剪强度参数和有效内摩擦角的非平稳随机场模型,为利用总应力和有效应力方法考虑参数随深度变化趋势的空间变异性奠定了一定的理论基础。(3)针对考虑岩土体参数空间变异性的边坡最危险滑动面分布特征问题,提出了考虑土体抗剪强度参数空间变异性的边坡最危险滑动面确定方法,探讨了土体抗剪强度参数的波动范围和变异系数对边坡最危险滑动面分布规律的影响,揭示了抗剪强度参数空间变异性对边坡最危险滑动面位置、规模和分布范围的影响规律,为考虑土体参数空间变异性的边坡破坏模式确定提供了有效的分析工具。(4)提出了考虑土体抗剪强度参数均值随深度变化的无限长边坡稳定性概率分析方法,建立了表征土体抗剪强度参数空间变异性的非平稳随机场模型,探讨了考虑土体抗剪强度参数空间变异性时边坡失效概率和最危险滑动面的变化规律,以无限长不排水黏性土坡和摩擦/黏性土坡为例验证了所提方法的有效性,搜集了现实中实际滑坡案例验证了数值分析结果的正确性。研究成果为实际工程中大多数滑坡发生浅层破坏现象提供了有效依据。(5)提出了考虑土体不排水抗剪强度均值和标准差随深度变化的地基稳定性概率分析方法,阐明了土体不排水抗剪强度参数空间变异性对地基极限承载力的影响规律,系统地比较了不排水抗剪强度参数平稳和非平稳随机场模型对地基极限承载力的影响。得出了忽略不排水抗剪强度参数随深度变化趋势将会明显低估不排水条件下地基可靠度的重要结论,为改进地基可靠度设计提供了方向。(6)针对岩土结构物中地层变异性模拟问题,提出了一种新的耦合马尔可夫链水平方向转移概率矩阵估计方法,实现了岩土结构物地层变异性的精细模拟。搜集了不同地区的钻孔资料,检验了土体状态转移的一阶马尔可夫性,验证了所提方法的有效性。在此基础上,研究了土体状态转移马尔可夫链水平方向转移概率矩阵和竖直方向转移概率矩阵的一般规律,实现了土体状态转移水平方向转移概率矩阵的有效估计,为岩土工程中地层变异性的模拟奠定了理论基础。(7)提出了考虑地层变异性时边坡稳定安全系数分析方法,建立了基于钻孔资料和耦合马尔可夫链的地层变异性模型,基于有限元应力法建立了考虑地层变异性时边坡稳定性概率分析方法。分析了不同钻孔布置方案对边坡稳定安全系数不确定性的影响,建议了最外围钻孔距边坡坡顶(或坡脚)的合适距离,阐明了钻孔位置、数目对边坡稳定安全系数和最危险滑动面不确定性的影响规律,为地质勘探方案设计提供了理论指导。