无横向水源补给非稳定渗流作用下边坡稳定性分析.doc

无横向水源补给非稳定渗流作用下边坡稳定性分析某某 摘要：无横向水源补给的非稳定渗流是库区普遍存在的一种渗流工况，针对这种具体工况，结合边坡分析软件GEO-SLOPE和PLAXIS的计算特点，分析库水位下降过程中，各种土质边坡的渗流场、变形场与边坡的安全系数随水位变动的规律得出变形场受渗流场影响的规律，以及土体塑性变形对边坡的安全储备有贡献，初步探讨了渗流、变形与稳定的关系关键词：无横向水源补给 非稳定渗流 边坡稳定性三峡工程建成后库区每年将有30m的水位涨落，且三峡库区属多雨地区，库水位大幅度、周期性涨落，加之强降雨，将使滑坡区渗流场产生剧烈变化，从而威胁到库区两岸大量边坡的稳定[1]目前有很多关于渗流对边坡稳定性影响的研究和不少边坡分析软件，但针对某种具体工况的详细分析还比较少，没有形成一种规范的方法，而实际工程中广泛采用的还是一种简化的粗略的计算方法本文针对库区一种比较普遍的渗流情况即：无横向水源补给的非稳定渗流，结合大型边坡分析软件GEO-SLOPE和PLAXIS的特点进行边坡稳定性分析，探讨渗流场的规律以及对边坡稳定性的影响，为设计提供依据1．研究现状及发展趋势 无横向水源补给的非稳定渗流是库区一种比较普遍的渗流情况，其特点是边坡后沿的地下水水头不是定值，它是随坡外水位变化而变化的[2]。

渗流场计算主要是确定浸润线的位置，目前有图解法、模拟实验法和数值解法等[3]，数值计算比较准确，但边界条件难以确定，目前趋向于使用现成的计算软件如：GEO-SLOPE和FLAC3D等这方面不少学者进行了探讨如：时卫民,郑颖人根据Boussinesq非稳定渗流微分方程，得到了库水位下降时坡体内浸润线的简化计算公式[4]；陈昌禄等提出了确定稳定、非稳定渗流自由面的变单元渗透系数法，可应用于稳定和非稳定渗流自由面的计算[5]但是针对某种具体工况的规律的分析还比较少 在考虑渗流对边坡稳定性的影响时，主要采用“代替容重法”、“静水压力法”等基于传统极限平衡理论的方法[6]也有不少研究成果如：时卫民，郑颖人通过算例分析得出库水位的下降过程中，坡体存在一个最危险的水位，在这个水位坡体的稳定系数最小，该位置一般在滑体的下1/3处[7]；刘新喜将暂态孔隙水压用于滑坡的极限平衡分析，结果表明渗流对滑坡稳定的影响受控于滑坡土的入渗能力和滑坡结构形态[8]但变形与稳定是密切相关不可分割的，传统的极限平衡法的处理是不合理的，应该是将变形计算与稳定分析融合在一起，这也是边坡稳定性分析的一个趋向目前有一些这方面的研究但还不够深入不够具体如：黄茂松、贾仓琴比较了非饱和非稳定渗流的极限平衡法和位移有限元法，但只用位移法分析了稳定渗流的一种简单情况，非稳定渗流情况的位移法还需要进一步研究[9]。

2. GEO-SLOPE与PLAXIS的理论基础和分析特点 GEO-SLOPE是一个多模块的大型边坡分析软件，其中SEEP是针对渗流计算的模块，是以非饱和土渗流理论为基础的有限元计算程序，渗流基本微分方程为： （1）式中为渗透系数；为水的密度；重力加速度；为比水容量，定义为体积含水量对基质吸力的偏导数的负值；是基质吸力的函数SEEP适于计算水位涨落、降雨等工况下的边坡渗流场考虑渗流对边坡稳定影响的分析过程是，在SEEP中计算渗流场，然后将计算得到的浸润线位置传到另一个模块SLOPE中采用条分法分析边坡的稳定性 PLAXIS是一个大型有限元分析软件，浸润线的位置可手动输入也可调用它的渗流计算模块，但只能计算稳定渗流的情况它是基于位移变形理论的有限元程序，在渗流场计算的基础上采用PLAXIS，可以分析水位涨落工程中边坡的位移、应力、应变、塑性区等，还可以直接采用有限元强度折减法计算边坡的安全系数强度折减即将土的抗剪强度参数和按下面的式子等比例减少，即 ， （2）利用和通过有限元计算边坡的应力应变，考察塑性区的发展，直至破坏，则破坏时的折减系数即为安全系数，此时的安全系数具有强度储备的物理意义[9]。

PLAXIS在计算渗流时是用稳定渗流近似代替非稳定渗流，但对于无横向水源补给的情况，由于边坡后沿水头不是定值，PLAXIS是无法计算的即使用其他方法得出了边坡后沿水头，它在某一时刻的分析结果与SEEP也有较大差别图1图2分别是PLAXIS与SEEP对水位从175m高程下降到145m高程时的分析结果由SEEP的结果可见，溢出点高于坡外水位线，有一段自由渗出高度是符合实际情况的[10]；而PLAXIS的计算结果可见溢出点于坡外水位在同一高程因此这种工况下用稳定渗流代替非稳定渗流是不合理的3. 无横向水源补给非稳定渗流作用下边坡稳定性分析结合GEO-SLOPE与PLAXIS的特点,针对无水源补给非稳定渗流的工况,本文采用SEEP计算均质土坡水位下降时的浸润线,然后用SLOPE和PLAXIS分别讨论渗流对边坡稳定性的影响，PLAXIS分析时浸润线采用手动输入SEEP的计算结果3.1 水位下降时均质土坡浸润线计算 根据的库水位的调控规律，千年一遇洪水控制坝前水位不高于175m，大水后坝前水位下降速度不大于3m/d[11]采用SEEP分别计算水位下降速度=3m/d时表1中4种土类边坡的浸润线位置，结果如图3所示，图中浸润线上数字表示天数。

由图3可见：渗透系数很大时浸润线很平缓，坡内水位与坡外水位同步下降即为缓降；渗透系数很小时浸润线很陡，对于淤泥土当水位下降10天后，坡外水位已降到145m高程，而坡内水位基本不变即为水位骤降表 1 材料参数土质类别 /m/d/m/d粗 沙粘 质 沙黄土（泥质）淤 泥 土 3333图 1 水位下降时边坡浸润线位置3.2 水位下降时均质土坡稳定性分析 将SEEP的浸润线计算结果导入SLOPE,采用Morgenstern-Price法计算水位下降时表1中4种土质边坡安全系数的变化情况，结果如图表4由图表4可见： （1）边坡安全系数随水位下降而降低，当水位降到一定程度后安全系数又逐渐提高；（2）结合图3的浸润线计算结果可见渗透系数很大浸润线很平缓的粗砂安全系数下降最少，而渗透系数最小的浸润线最陡的淤泥土安全系数下降最快、最多；最快、最多；同时用PLAXIS中的有限元强度折减法计算同一边坡水位下降时的安全系数表2是SLOPE与PLAXIS分别计算的水位下降时粘质砂边坡安全系数表2 水位下降时粘质砂边坡安全系数库水位高程/m 175m 172m 169m 166m 163m 160mFs (条分法) 1.295 1.158 1.059 0.95 0.885 0.832Fs (强度折减法) 1.154 1.085 1.062 1.027 1.016 破坏从表2可以看出：当库水位下降到166m高程时，条分法计算的Fs<1，即按照极限平衡理论此时边坡处于失稳状态。

而同一工况下强度折减法计算的Fs>1，直到库水位下降到160m高程时边坡才失稳，这是应为强度折减法考虑了土体塑性变形对边坡安全储备的贡献可见强度折减法考虑了变形与稳定的关系，与条分法相比更符合工程实际、更科学、更经济渗透力，其中是水的容重，9.8是重力加速度，为水力梯度[3]因此水力梯度直接反映了渗透力的大小，图5是粘质砂土边坡水位下降到166m高程、163m高程和160m高程的水力梯度与相应的变形增量云图图 5粘质砂土边坡水位下降时水力梯度与应变增量云图 由图5可见，渗透力较大的部位变形也较大，随着水位的下降对水力梯度的影响，边坡体内出现了一些潜在滑面，随后其中一个较弱的潜在滑面贯通使边坡失稳，说明渗透力对水位下降时边坡的稳定性的影响非常显著4．结论 通过以上分析，有以下结论：（1）水位下降时，采用稳定渗流近似代替非稳定渗流来计算渗流场是不合理的；（2）水位下降时，渗透系数与下降速度的比值越大的边坡浸润线就越平缓，反之浸润线就越陡；（3）浸润线越陡边坡安全系数下降越快，降低得越多浸润线越平缓边坡安全系数下降得越慢，降低得越少4）边坡的稳定与变形密切相关，强度折减法考虑了土体塑性变形对边坡安全储备的贡献，比传统的极限平衡法更科学、经济；（5）结合GEO-SLOPE与PLAXIS的计算特点，针对无横向水源补给的情况，分析了粘质砂土边坡在非稳定渗流场作用下的变形破坏过程，发挥了两种软件的计算优势。

并得出渗透力对水位下降时的边坡稳定性有显著的影响参考文献:[1]李晓，张年学.库水位涨落与降雨联合作用下滑坡地下水动力场分析[J].岩石力学与工程学报,2004,23(21):3714～3720[2]顾慰慈.渗流计算原理及应用[M].北京:中国建材工业出版社,2000:18[3]李广信.高等土力学[M].北京:清华大学出版社,2005:230～233[4]时卫民，郑颖人等.库水位下降时渗透力及地下水浸润线的计算[J].岩石力学与工程学报，2004,23(18):3203～3210[5]陈昌禄,潘文彦等.求解渗流自由面的变单元法[J].岩土工程技术,2005,19(4):166～169[6]黄春娥，龚晓南.条分法与有限单元法相结合分析渗流作用下的基坑边坡稳定性[J].水利学报,2001,(3):6～10[7]时卫民，郑颖人.库水位下降情况下滑坡的稳定性分析[J].水利学报,2004,(3):76～80[8]刘新喜,夏元友等.库水位下降对滑坡稳定性的影响[J].岩石力学与工程学报,2005,24(8):1441～1444[9] 黄茂松,贾仓琴.考虑非饱和非稳定渗流的土坡稳定分析[J].岩土工程学报，2006,32（2）:202～206.[10]毛昶熙.渗流计算分析与控制[M].北京：中国水利水电出版社，2003：11～13[11]三峡库区地质灾害防治工作指挥部.三峡库区三期地质灾害防治工程设计技术要求[S].2004:6～7。