库水位升降作用下边坡失稳机理研究

　　摘要：介绍了饱和-非饱和渗流模型的基本理论，并用GRO-SLOPE分析软件进行边坡失稳机理研究。
　　关键词：饱和-非饱和渗流模型，GRO-SLOPE，失稳机理研究
　　
　　1引言
　　边坡在水的作用下可能会产生滑坡，“十个滑坡九个水”这句话充分反映水是产生边坡失稳的重要条件之一。崩塌、滑坡、泥石流等边坡失稳现象的发生和发展多受水等因素的控制。本文采用边坡稳定性分析软件GEO-SLOPE，计算了在库水位下降8m期间，滑坡体稳定性随不同库水位下降速度的变化情况。
　　2基本理论
　　2.1饱和-非饱和渗流模型
　　水位涨落下边坡中的渗流场是饱和－非饱和渗流场，非饱和土区水的流动服从达西定律。达西定律是多孔隙介质中流体流动的运动方程，质量守恒是物质运动的普遍规律，将质量守恒定律运用于多孔介质中的流体运动即为渗流控制方程[5]：
　　(1)
　　式中：、分别为x、y方向的饱和渗透系数；为介质相对渗透率，在饱和区为1，非饱和区介于0～1之间；h为总水头，h=hp+y，hp为压力水头，y为位置水头；Q为源汇项；为容水度，在饱和区为0，非饱和区容水度为,为体积含水量；β为选项系数，在饱和区为1，非饱和区为0；Ss为饱和土体单位贮水率，在饱和区为一常数，非饱和区为0；t为时间变量。
　　2.2饱和－非饱和渗流有限元算法
　　将渗流计算区域进行单元离散，单元内水头在空间和时间域上的变化近似地表达为：(2)
　　式中：m为单元节点数；hm为单元节点m的测压管水头；Nm为单元节点m的形函数。
　　由Galerkin加权余量法及格林公式可得求解渗流场的有限元法矩阵方程为：
　　(3)
　　式中：；
　　；
　　三.计算模型与参数
　　3.1计算模型
　　计算软件选用加拿大SLOPE公司开发的边坡工程分析系列软件包中的SLOPE/W和SEEP/W软件模块。其中SLOPE/W能够利用极限平衡原理来计算含水的岩土边坡的安全系数。SEEP/W是一种既能分析饱和渗流又能分析非饱和渗流的渗流分析通用程序。采用SEEP/W建立三角形单元和四边形单元相结合的渗流计算网格,分别计算水位上升和下降的情况下，某库水位条件下的库岸坡体内的渗流场分布，然后将渗流计算结果导入SLOPE/W中计算该水位条件下的安全系数。
　　水位涨落差设定为h=18m，边坡土体和基础均为饱和-非饱和材料，渗透系数为随含水量变化的函数，饱和土体渗透系数为1e-2m/day。基础与边坡土体材料参数如表1所示，计算模型如图1所示。
　　表1材料参数
　　 重度
　　（KN/m2） 粘聚力
　　（Kpa） 内摩擦角
　　（°）
　　基础 25.2 30 35
　　边坡土体 21.8 16 30
　　
　　图1计算模型
　　3.2运用GRO-SLOPE运算求解
　　边界与水位涨落速度设置为：边界1、边界2为总水头随时间变化函数并设置为可渗流边界，水位降落速度为2m/day。荷载考虑土体自重以及库岸水压力的作用。路堤边坡失稳时剪入口位于边坡坡顶，剪出口位于边坡坡脚，滑动体的土条数为30，迭代次数为2000，安全系数采用Morgenstern-Price求解，精度为0.001。
　　四.求解和分析
　　4.1库水位下降
　　
　　图2水位下降时安全系数随时间变化柱状图
　　水位下降时安全系数随时间变化柱状图如图2所示。从图2可以看出，安全系数随着水位的下降而逐渐降低，但是降低到一定程度以后又有所回升。安全系数从第1天的水位高度18m开始下降，到第3天末水位高度12m为最低，第四天开始安全系数逐渐缓慢增大。其原因主要是水位正常下降时，边坡内部渗流场将随着边界条件的变化而进行不断调整，这一过程伴随着坡体内部的地下水位下降。另外，所建模型渗透系数相对较大，当库水位缓慢下降时，坡体内部的地下水位近似与库水位同步下降。与此同时，库水位的下降将对坡面施加水压力作用，其大小为hwγw（hw为库水位深度，γw为水容重），水位下降时，水流在土体内部额外增加了一个向外的渗透力，容易导致路基的失稳破坏。一方面坡体的浮托力减小，另一方面由于坡体内孔隙水来不及排出而使坡体水位高于库水位，由此产生的渗流作用是潜在滑动面的抗滑能力降低，也可能诱发边坡失稳。
　　4.2库水位上升
　　
　　图3水位上升时安全系数随时间变化柱状图
　　从图3可以看出，安全系数从第1天的水位高度0m开始上升，到第4天末水位高度8m为最高，第四天开始安全系数逐渐缓慢减小。库水位上升过程中，一方面将导致滑动带处的孔隙水压力升高，此外部分岩土体由于浸水作用致使其强度降低，这对边坡的稳定是不利的；另一方面由于坡面水压力的左右会产生一定的抗滑阻力作用，这对边坡的稳定性是有利的。因此，库水位上升过程中库岸边坡的稳定性取决于这两者之间的相互抗衡，最终决定于哪方面占据主要因素，从而对边坡稳定性起主导作用。而在本文中的例子中，一开始时是坡面水压力的左右产生的抗滑阻力占据主要因素，所以边坡的安全系数逐渐升高，于第四天达到最大值，第四天天以后由于浸水作用使部分岩土体的强度降低，从而导致的边坡稳定系数降低，安全系数又有了些许降低。
　　五.结论与建议
　　采用GEO-SLOPE系列软件研究刚体极限平衡分析通用软件，研究库水作用下库岸边坡的变形破坏机理，并结合不同的库水位升降下该边坡的安全系数的分布情况的计算分析结果，可得如下结论:
　　（1）该边坡受水位下降影响较大。随着水位下降，边坡稳定性先下降然随着水位的排出增大，最不利水位出现在下降后第三天至第四天。
　　（2）库水位变化引起了地下水渗流场的变化，改变了土体原有的受力状态,必然引起应力应变的重新分布，进而引起边坡土体位移场的变化。
　　（3）对于土质边坡而言，坡体稳定性受填料的透水性、水位涨落速度等影响比较明显。一般情况下，坡前水位上升对边坡的稳定有利，而水位下降后边坡的稳定性是先降低然后逐渐提高。
　　（4）边坡失稳产生的原因与水位的涨落的作用有密切联系，工程管理人员应该对此有足够的了解，并采取相应的预防措施，以提高边坡工程的施工质量与运营安全，减少因为技术准备不足而引起的不必要损失。
　　参考文献：
　　[1]乔娟，罗先启，水库蓄水作用下三峡库区某库岸堆积体变形破坏机理研究，《灾害与防治工程》2001年，第一期
　　[2]陈韶光，柳群义，水位涨落对库岸滑坡孑L隙水压力影响的非饱和渗流分析，《公路工程》第33卷，第六期
　　[3]徐文杰，王立朝，胡瑞林，库水位升降作用下大型土石混合体边坡流–固耦合特性及其稳定性分析，《岩石力学与工程学报》，第28卷，第7期
　　[4]吴争光，库水位变化对库岸边坡稳定性影响研究，《灾害与防治工程》，2009年，第一期

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