考虑降雨入渗的齐河治理边坡三维稳定性分析_赵勇.pdf

：考考虑虑降降雨雨入入渗渗的的齐齐河河治治理理边边坡坡三三维维稳稳定定性性分分析析赵勇（乌鲁木齐水文勘测局，新疆 乌鲁木齐）摘要随着岩土工程领域边坡稳定性分析的不断深入，降雨入渗情况逐步被纳入边坡稳定性分析的趋势中，相关模型试验及数值模拟方法被不断实践。本文以齐河治理项目工点边坡工程为例，利用卫星遥感数据结合 仿真软件建立了分析坡体的模型，通过结合工点岩土体参数进行了降雨情况的边坡稳定性分析，计算结果表明，降雨强度的增大会加深雨水入渗坡体的深度，孔隙水压形成先减小后怎大的趋势，边坡在降雨渗透作用下发生失稳破坏，滑坡范围在三维空间呈现椭球状，相关研究内容可为后续研究及工程提供参考。关键词边坡稳定性分析；降雨渗流；数值模拟；塑性区分布中图分类号 文献标识码文章编号 （）收稿日期 作者简介赵勇（），男，河南南阳人，高级工程师，主要从事水文研究工作。引言降雨入渗问题对边坡稳定性分析是一个重要课题，由于降雨往往存在时空分布不均匀的现象，短时强降雨极易引发严重的滑坡灾害。降雨导致的滑坡主要是由于土体与渗透进坡体的雨水相互作用会引发岩土体容重增加及力学强度下降，最终影响边坡稳定性。针对降雨对边坡的稳定性影响变化情况，目前工程学界对此已进行了广泛而深入的研究。田东方引入 方程对边坡坡体的进行了一系列有限元渗流计算分析，建立相关的边界渗流方程；孙建平建立了水 力耦合数值仿真模型，分析了模型在降雨作用下边坡坡体稳定性，提出了对于渗流情况下坡体稳定性计算及渗流场变化规律形式；胡冉通过建立固 液 气三相耦合模型，分析了坡体在施加降雨工况下其内部岩土体中水和气体的运动规律，描述了边坡稳定性的变化情况，揭示了渗流及气体流动对于边坡稳定性的影响规律；o 和 基于修正 模型开发出了适用于降雨工况的岩土求解软件，并利用该程序分析计算了入渗过程 中 不 同 类 型 边 坡 的 变 形 发 展 过 程；骆 文 进基 于 分析了考虑降雨工况下渗透深度及边坡坡比等因素对坡体稳定性的影响；汪益敏依托具体工程项目进行了有限元数值模拟，研究分析了对坡体稳定性具有影响的各种因素，并阐述了坡体失稳演变规律。付宏渊考虑了多种情况下雨水渗透及岩体软化等因素利用数值模拟进行了边坡稳定性分析，揭示了降雨工况下边坡渗流场的时空演化规律；李宁基于 有限元软件利用 o 进行了二次开发，推导了降雨情况下有限元单元体的边界方程，编写并验证了其降雨渗流程序的可靠性，分析了降雨工况下边坡的动态变化规律，补充和增强了有限元软件对于岩土体降雨工况的分析能力。本文基于卫星遥感建模结果 有限元软件数值模拟，阐述了降雨情况下边坡坡体稳定性的时空变化规律，分析了降雨入渗情况下坡体内部位移及塑性区分布及发展趋势，为后续相关研究提供参考。工程概况乌鲁木齐河全长全长 ，流域总面积 ，多年平均径流量为 亿。乌鲁木齐河太平渠首左岸上游修建有防洪堤，防洪标准低，年久失修，每年洪水都对太平渠首造成威胁和不同程度的破坏，其余段河道处于无设防状态。因洪水对岸坡的淘蚀，沿河道左岸布置的太平渠和人饮输水暗渠运行安全遭到威胁。通过对太平渠首上游河段 至下游河段 修建依岸而建 护岸工程，主要对太平渠首上下游段左岸进行有效治理，保护太平渠首的安全运行；保护太平渠及人饮输水暗渠免遭洪水侵害；保证下游所控制的 万亩耕地得到及时有效的灌溉；解决西山农牧场的人饮水安全；并为提高红岩水库的城市供水能力提供保障。三维边坡模型建立本文依托齐河治理工程，通过采集 图像数据对河道岸坡体进行测量，根据测量数据转换为点云数据并进行加工处理得到了边坡的三维模型。利用三维数据模型导入 并对其进行单元网格化处理，处理后效果如图 所示，边界条件设置方式为底部设置三向约束，侧面设置法向约束。图 三维边坡模型示意图针对岩土体参数的确定，主要采用参考地勘资料结合室内试验的方法，相关岩土体参数如表 所示。针对岩土体的渗透问题，本文利用 模型结合相关区域类似工程参数，拟合计算了该边坡岩土体的土水特征曲线（）及渗透函数曲线，如图 和图 所示，拟合所得参数通过 进行设置。年 月第 卷 第 期 地下水o ，o.在完成相关参数的确实及选取工作后，利用 的分析布进行模型的地应力平衡，完成 o 步后利用 文件将地应力平衡数据导入值模型中，对模型施加预定义场。表 坡体岩土体参数天然重度 杨氏模量 泊松比粘聚力 内摩擦角 饱和渗透系数 图 拟合所得土水特征曲线图 拟合所得渗透函数曲线考虑降雨入渗边坡稳定性分析 降雨强度影响分析本文利用 分析不同降雨强度对坡体稳定性的影响，对坡体模型分别施加不同强度的降雨，降雨强度参数如表 所示，计算所得结果如图 所示，由图 可知，随着降雨强度的增大，其渗入土体内部的作用影响深度越深，另一方面，随着雨强增大，孔隙水压力先减小后增大的趋势逐渐不明显，在一定深度以上范围内岩土体受雨水渗透的影响减小，而在该深度以下则表现出一定的线性关系，在这种情况下，入渗影响深度向下部不断延伸，与此同时由于雨水渗透使土体逐渐趋向饱和，内部岩土体的容重不断增加，导致边坡下滑力逐渐变大，当其大于自身的抗滑能力时，最终会发生坡体整体失稳破坏。表 拟施加降雨强度参数编号强度 图 不同雨强下孔隙水压力与深度关系 位移变化分析利用 计算所得位移分布云图如图 所示，由计算结果可知，最大位移位于坡体坡脚处，呈现处向四周逐渐减小的趋势，降雨作用下边坡竖向最大产生了 的沉降，沿着坡体 方向则产生了 的移动，根据图（）可以看出坡体在降雨作用形成的滑坡体以及滑动界面的分布，滑动面以下范围内土体基本不发生位移。滑动面大致呈现处一条圆弧形，计算结果与实际情况较为吻合。图 位移变形情况通过坡体位移可以分析坡体在降雨作用下的变形趋势，但对于坡体内部应力及滑动面情况的分析能力有限，故下文对其塑性区分布进行分析。塑性区分布分析利用模拟计算结果结合上文位移分布情况，本文采用模型最大截面处的剖面进行了塑性区分布发展规律的分析，计算结果如图 所示。图 最大截面塑性应变及塑性应变增量分布从图（）塑性应变区分布云图可以看出，坡体的塑性区主要从坡脚处开始向坡体上方后缘逐渐发展，逐渐形成一条塑性贯通带，从图（）塑性应变增量云图可以更加清晰地发现滑动面产生及发展的趋势。塑性区在坡体内部逐渐贯通的过程中，其应变增量会不断增加，当产生位移后，这样的作用会愈发明显，随着降雨的不断持续，边坡坡体将逐渐失稳破坏，产生整体的滑动。在计算过程中，随着塑性区的增大，位移并未产生突变，计算步仍能持续收敛，这表明了塑性区贯通是边坡产生失稳破坏的必要条件，只有当塑性区形成贯通带后，坡体会发生位移突变，上部滑坡体沿着圆弧滑面开始下滑。结语本文利用 o 建模并结合 有限元软件进行了边坡在降雨工况下的数值模拟，分析了降雨渗透作用下边坡稳定性变化规律，得出如下结论：（）在坡体降雨入渗过程中，雨强增大，渗入土体内部的影响深度越大，孔隙水压力随深度变化呈现出先减小后增大的趋势，随着降雨过程的不断持续，岩土体容重不断增大直至坡体发生滑动。（）在降雨过程中，塑性区分布规律为最初开始于坡脚处，随着降雨累计时间的增加逐渐与坡体后缘相贯通，形成一条塑性贯通带，滑坡面由此形成。（）计算所得滑坡体的三维空间形态大致为一椭球状，滑动面位于其下部，呈现出圆弧面状。（下转第 页）第 卷第 期地下水 年 月造非常困难，建议直接拆除重建该部分工程；对于评价结果为“中等”的工程，可以维修改造存在隐患的部分，对部分工程按重要程度提档升级；针对评价结果为“良好”的工程，对部分工程按重要程度提档升级。结语本文在全面研究归纳现代灌区评价指标和方法的基础上，从信息化水平、生态环境和功能状况的角度选择 项典型指标构建评价体系，并利用层次分析模糊数学法评价了王石灌区骨干工程健康状况。结果表明，王石灌区泵站与水闸工程达 到“较 差”、“中 等”、“良 好”等 级 的 比 例 为 、和 、，其中信息化水平达到“较差”等级的比例为 、。针对王石灌区现代化改造的薄弱环节和关键问题，从标准化管理和信息化建设、水环境保护与节水减排、巩固提升灌排工程等角度提出灌区现代化改造措施。参考文献姚天银 农业大型灌区续建配套节水改造项目管理存在的问题及对策 乡村科技 （）：李佑亮 赣抚平原灌区渠道整治设计分析 黑龙江水利科技（）：阿扎提古丽扎克 灌区节水改造工程灌溉水利用系数的确定 水利技术监督（）：，杨柳，汪妮，解建仓，等 基于多源信息融合决策的灌区生态环境评价指标优选 农业工程学报 （）：李飞，贾屏，张运鑫，等 区域水资源可持续利用评价指标体系及评价方法研究 水利科技与经济（）：（上接第 页）参考文献田东方，郑宏，刘德富 考虑径流影响的滑坡降雨入渗二维有限元模拟及应用 岩土力学 （）：孙建平，刘青泉，李家春，等 降雨入渗对深层滑坡稳定性影响研究 中国科学（辑：物理学 力学 天文学）（）：胡冉，陈益峰，周创兵 降雨入渗过程中土质边坡的固 液 气三相耦合分析 中国科学：技术科学 （）：o ，o o o o o o o （）：骆文进，郑晓蕾，王丽英 考虑降雨入渗效应的高边坡开挖数值模拟研究 水力发电 （）：汪益敏，陈页开，韩大建，等 降雨入渗对边坡稳定影响的实例分析 岩石力学与工程学报（）：付宏渊，曾铃，王桂尧，等 降雨入渗条件下软岩边坡稳定性分析 岩土力学 （）：李宁，许建聪 基于 的三维边坡降雨入渗模块的开发及其应用 岩土工程学报 （）：（上接第 页）降水量、强度、分布会影响蒸发，因为降水会干扰水分子的逸出和破坏水面结构。浅水水温因气候变化明显，对蒸发的影响显著。深水水温受冷热变化，会产生对流作用，但水温变化缓慢，滞后气温时间较长，且深水蕴热较多，对水温有一定的调节作用，故蒸发量在时间上的变化比较稳定。图 气温及太阳总幅射瞬时值随时间变化曲线、图 风速随时间变化曲线，是采用了每日：观测值，太阳总幅射瞬时值在 月下旬至 月上旬达到最大，随后呈现下降趋势；气温由 月份升高，、月份最大，随后逐渐下降；风速呈现了 月下旬、月份较大，、月份下降趋势。水面蒸发在一年内的变化，主要受气温、湿度、风力的影响，冬季气温最低，水面蒸发量最小。、月份，气温已升高而雨季尚未来临，相对湿度低，风速大，蒸发量大。水面蒸发不同影响因素叠加的作用，正是蒸发量变化规律的体现。结语（）蒸发器口径 、，水深的蒸发量，月份最大 左右，月份为 左右，、月份为 左右，月份为 左右，月份为 左右，月份量为 左右。月份蒸发量为 左右。（）蒸发器口径 、，不同水深 、中，水体温度与气温变化同步，、月份水温最大；降雨对水体温度变化影响明显，表现在 月初降雨，水温降低、蒸发量减小。蒸发器口径 、水深 的水体温度受气温影响显著。（）水面蒸发不同影响因素的叠加作用，是蒸发量变化规律的体现。（上接第 页）参考文献潘汀超 淮河干流防洪保护区洪水智能计算模型及灾害风险评价 天津大学 丁泽霖，朱轩毅，张宏洋，等 基于响应面法的移动式防洪墙优化分析 人民黄河 （）：魏炳乾，杨坡，罗小康，等 半干旱无资料中小流域设计洪水方法研究 自然灾害学报 （）：谢平，陈广才，李德，等 乌鲁木齐地区小流域设计山洪推理公式的参数规律 山地学报（）：汪建武，薛晓鹏，杨让瑕 推理公式法在无资料地区小流域洪水计算中的应用 地下水 （）：高士麟 四川省小流域设计洪水分析及应用 四川建筑（）：包璐华 多种计算在西北城市防洪工程设计洪水中的对比研究 地下水 （）：孙毅 基于 的推理公式法参数敏感性分析 水力发电 （）：张小潭，孙秋戎 基于推理公式原理的小流域洪水计算方法异同分析 水利技术监督（）：韩秀丽 推理公 式法在 推求宁 家河 渠首设 计洪水 中的 运用 水利科技与经济 （）：魏国晋，何灼伦，王统旭，等 推理公式法在青海省应用的误差分析 人民黄河 （）：第 卷第 期地下水 年 月