不同降雨参数下边坡流固耦合稳定性分析_热依汉古丽·牙合甫.pdf

DOI:10 19807/j cnki DXS 2023 03 073不同降雨参数下边坡流固耦合稳定性分析热依汉古丽牙合甫(哈密水文勘测局，新疆 哈密 839000)摘要降雨是引起边坡失稳的主要促发因素，雨水能够通过土壤裂缝渗入斜坡，使土壤饱和并引发滑坡等灾难，因此考虑降雨影响的土坡稳定性分析是一个亟待解决的复杂的工程问题。本文以哈密边坡工程为例，采用非饱和流固耦合理论，基于 Geo studio 软件研究了不同降雨模式下，不同角度的边坡安全系数的变化规律，同时还探讨了渗透率对边坡稳定性的影响，研究成果可为相关工程提供参考。研究结果表明。降雨入渗降低了安全系数，且降低率随降雨强度的增加而增加。对具有不同渗透性的边坡的参数研究表明，具有高渗透性土壤的边坡在短时间内会达到临界破坏状态，而具有低渗透性的边坡达到破坏状态所需降雨持续时间相对较长。关键词降雨类型;降雨强度;安全系数;稳定性中图分类号P332 1文献标识码B文章编号1004 1184(2023)03 0214 03收稿日期2022 07 28作者简介热依汉古丽牙合甫(1986 )，女，新疆哈密人，助理工程师，主要从事水文勘测工作。降雨是引起边坡失稳的主要促发因素，雨水能够通过土壤裂缝渗入斜坡，使土壤饱和并引发滑坡等灾难，因此考虑降雨影响的土坡稳定性分析是一个亟待解决的复杂的工程问题1。当前国内外水利、岩土力学等各类专家在解决降雨入渗的边坡稳定问题方面已有一定研究基础。林鸿州等2通过降雨诱发土质边坡失稳的模型试验及已有研究成果来探讨降雨特性对边坡失稳的影响，并以此来选取出合适的雨量预警参数;唐栋等3基于三峡库区实测降雨资料，研究了不同初始条件对不同土体边坡稳定性影响，采用非饱和渗流分析方法研究了前期降雨对不同土体边坡稳定性影响;付宏渊等4运用二维渗流数值计算方法，对降雨条件下的边坡孔隙水压力大小及暂态饱和区面积在空间及时间上的分布进行了模拟，在此基础上对边坡稳定性进行判断;杨正玉等5基于极限平衡法中的 Bishop 条分法，采用两种不同的方式间接反映暴雨对下蜀土边坡稳定性的影响进行分析;魏宁等6采用蒸发和降雨模型对边坡进行非饱和 非稳定渗流分析，用总凝聚力表示的 Bishop 极限平衡法计算边坡安全系数;赵晨凯等7利用有限元软件计算了不同工况下(原始边坡，放坡开挖，抗滑桩支护，持续降雨)边坡稳定性的差异。本文以哈密边坡工程为例，采用非饱和流固耦合理论，基于 Geo studio 软件研究了不同降雨模式下，不同角度的边坡安全系数的变化规律，同时还探讨了渗透率对边坡稳定性的影响，研究成果可为相关工程提供参考。1理论简述1 1非饱和土非饱和土是一个表明土壤并非处于完全饱和状态的概念，这一概念解释了在地下水位以上，孔隙水压力值为负，负值是由于基质吸力的存在导致。非饱和土由基质吸力和渗透吸力两部分组成，虽然渗透吸力是土壤孔隙流体中溶解的盐量作为压力的函数，但基质吸力是孔隙内空气压力与孔隙内水压的衰减变化关系。这种吸力将改变地下水位以上土壤的抗剪强度、渗流和体积变化的公式。在数值模拟方法出现以前，对于饱和非饱和渗流的研究主要是解析法，非饱和土力学的一个显著特征是土壤水分特征曲线，将体积含水量和渗透率的函数与土壤吸力(基质吸力)联系起来。1 2渗流问题渗流与降雨有关，通常定义为降雨强度(mm/hr)。影响过滤率的因素有饱和度、土壤孔隙压缩、细土堵塞孔隙、植被、地形和降雨强度。水渗入土壤，并按稳态和非稳态进行分析。这两种分析类型的区别在于随时间的变化的水头和渗透率不同。稳态是指不随时间变化且具有恒定条件的分析，对于非稳态，反之亦然。1 3边坡安全系数在边坡稳定性中，安全系数通常被公式化为抗剪强度与拉剪应力之间的比率。在非饱和土壤条件下，安全系数计算公式为:Fs=fm=c+(ua)tan+(ua uw)rz()rtanbtzwsincos(1)式中:Fs 为安全系数;f为平均抗剪强度;f为潜在破坏的平均抗剪强度;为坡度角;zw为非饱和土的垂直深度;t为土壤的容重;c为内聚力;为总法向压力;ua为有效法向压力;为有效摩擦角;b为由于存在基质吸力而增加的摩擦角。2数值模型建立2 1土体参数与边坡模型本次研究的边坡位于新疆哈密，边坡高度 H 取 10 m。地下水位假定位于坡脚，基岩高程为坡脚高程下高度的 3 倍，即坡脚高程下 30 m。坡度的几何结构因坡度角而异，即建立3 种坡角，分别为 30、45、60，如图 1 所示。土体为含水量为 80%的非饱和均质粘土层，计算时土壤处于非饱和状态，4122023 年 5 月第 45 卷第 3 期地下水Ground waterMay，2023Vol.45NO.3需要输 入 体 积 含 水 量 和 渗 透 率 函 数 的 性 质，形 成 吸 力。SEEP/W 中使用的函数是 Fredlund 函数，根据 SEEP/W 内部的粉质粘土材料进行估算。在没有任何残余含水量的情况下，体积含水量与基质吸力以及渗透率和基质吸力之间的关系如图 2 所示。表 1 为计算参数。对于 SEEP/W，有两种类型的边界条件。图 1 中，1 5 6 7 4 线为零总通量，表示没有水流过边界。2 10 3 4 线作为具有潜在渗流的单位流量边界，因此在整个分析过程中，地表孔隙水压力将保持为零，以避免在瞬态分析中降雨时出现任何积水，1 2 线和7 点作为零孔隙水压力边界，用于瞬态分析。对于边坡稳定性分析，则采用 Bishop 方法。2 2降雨参数本文研究集中于三种不同雨洪模式(正常雨洪、提前雨洪和延迟雨洪)，即前峰型和后峰型，以及两种不同渗透率值(低渗透率(1 10 6m/s)和高渗透率(1 10 7m/s)。降雨参数取自 2014 年 7 月 2015 年 3 月当地降雨站。该雨量站在一个月内提供 5 d 的降雨量，然后将 5 天的降雨量分为 15个间隔，如图 3 所示。图 1边坡尺寸图 2体积含水率和渗透率 相对于基质吸力函数表 1计算参数土质名称弹性模量/MPa泊松比内摩擦角/粘聚力/kPa渗透系数/m/s重度/kN/m3相对于基质吸力的摩擦角表土基岩23 34 1040 240 2232 435521 3361 6 10 81 4 10 919 42115图 3降雨模式(a)正常，(b)延迟，(c)提前3数值结果分析3 1不同降雨模式对 FS 的影响本文针对每种降雨模式，对边坡施加 120 h 的降雨。图 4给出了不同降雨强度以及不同边坡角度下边坡的安全系数。如图所 示，每 个 坡 度 的 初 始 FS 值 为 2 111(30)、1 898(45)和 1 850(60)，对于 30和 45边坡，前锋型下边坡安全系数最小，30的 FS 值为 2 085，45的 FS 值为 1 883。而对于 60边坡最小的 FS 在后峰型降雨下达到，值为1 828，但出现局部增长现象。边坡安全系数出现了局部增长的趋势，这是由于当边坡经历密集的强降雨之后，部分浅层土层会由于渗透力而出现破坏，导致边坡安全系数急剧减小，而当降雨逐渐减小过后，较深土层的孔隙水压力会成为负孔压增加土体的抗剪强度，此时残余边坡的安全系数的会有回升的趋势。但必须指出，出现这一现象与土体的渗透性和结构性有较大关系。从图 6 中还可以看出，FS 减少的规律与每个降雨模式峰值强度的位置相同。例如，在降雨开始处有峰值的前锋型降雨会导致初始阶段 FS 减少更快。对于坡角 60边坡，由于在雨停之前没有足够的时间让水渗透边坡并恢复FS，因此最小安全系数出现在后峰型降雨。3 2不同降雨模式下不同坡角对 FS 的影响图 5 给出了坡角对边坡安全系数的影响。如图所示，每种降雨模式下 FS 减少量最大的是 30边坡，其次是 60，最小的是 45。与 45和 60边坡相比，30边坡的 FS 减少模式更为平滑，45和 60边坡在降雨开始时的 FS 减少速度相似，但 60边坡的 FS 在降雨开始后大幅减少。对于三种降雨模式，60边坡的 FS 变化比其他两个角度的变化更为显著。(a)30(b)45(c)60图 4不同降雨模式下的 FS 与时间图图 5坡角对边坡安全系数的影响(a)30(b)45(c)60图 6不同渗透率下边坡安全系数变化规律3 3不同渗透率对各坡角 FS 的影响512第 45 卷第 3 期地下水2023 年 5 月图 6 给出了不同渗透率下边坡 FS 变化规律，降雨强度为正态分布正常降雨模型。从图 6 可以看出，对于 3 种角度的边坡，低渗透率的边坡，安全系数始终最大。当边坡角度为30时，3 种渗透率下边坡 FS 的差异最大，这意味着渗透效应对 FS 的减少具有重要意义，因为对于不同的渗透率，低渗透率能够减缓雨水通过斜坡的渗透时间，尤其在高降雨量时，渗透的量最小。4边坡加固措施建议为了使边坡的抗滑力下降，安全系数增大，可利用排水利截流方法使水不进入边坡岩体内可以来用粘土水泥砂浆等堵塞边坡岩体中的张裂缝，或者采用减载方法，将边坡上部的岩体挖去部分，回填在坡脚部。此外，局部失稳可用锚杆加固，但锚固点必须是坚硬岩石。同时可采用抗滑桩加固，将滑体分为上下两部分。桩在上部，承担大部分滑动推力，从而减轻对下部挡墙的推力，相应减少下部挡墙圬工数量和受滑体整体下滑威胁而减轻施工困难。最后，建议处理好拉伸裂缝与破碎带。大多数边坡在破坏之前，其顶部就出现了拉伸裂缝，而坡体的破坏面可能从这些拉伸裂缝的根部开始，或者是与之相连。因此，应采取措施防止张拉裂缝出现，采用强力锚杆加固是解决该问题的一种好方法。5结语本文以哈密边坡工程为例，采用非饱和流固耦合理论，基于 Geo studio 软件研究了不同降雨模式下，不同角度的边坡安全系数的变化规律，同时还探讨了渗透率对边坡稳定性的影响。研究结果表明，坡度越陡，坡度的初始安全系数 Fs越小。当降雨发生时，发现在任何类型的降雨模式下，缓坡的 FS 减少量高于陡坡的 FS 减少量。30 的 FS 最小值为2 085，45的 FS 值为 1 883。而对于 60边坡最小的 FS 在后峰型降雨下达到，值为 1 828。此外，对于 3 种角度的边坡，低渗透率的边坡，安全系数始终最大。当边坡角度为 30时，3 种渗透率下边坡 FS 的差异最大，这意味着渗透效应对FS 的减少具有重要意义。参考文献 1陈善雄，陈守义 考虑降雨的非饱和土边坡稳定性分析方法J 岩土力学 2001(04):447 450 2林鸿州，于玉贞，李广信，等 降雨特性对土质边坡失稳的影响J 岩石力学与工程学报 2009 28(01):198 204 3唐栋，李典庆，周创兵，等 考虑前期降雨过程的边坡稳定性分析J 岩土力学 2013 34(11):3239 3248 4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J 岩土力学 2012 33(08):2359 2365 5杨正玉，姜啸，李磊，等 暴雨工况下两种不同方法在下蜀土边坡稳定性分析中的应用对比J 地下水 2021 43(06):183 184+208 6魏宁，茜平一，傅旭东 降雨和蒸发对土质边坡稳定性的影响J 岩土力学 2006(05):778 781+786 7赵晨凯，孙怀军，徐小乐 降雨影响下的边坡稳定性及加固研究J 地下水 2021 43(02):131 132+141(上接第 213 页)组合二洪峰成果，组合一比组合二的成果总体偏小，两者相差在 10%以内。结合工程安全性及流域实际情况选择合适的洪水组合作为设计洪水成果。第一段治理河段距离利民水库较近，利民水库面积占末端断面以上面积的 49 52%，对本河段的削峰作用明显，故选取成果较小的洪水组合二作为第一段设计洪水成果;第二段治理河段上游利民水库仅占末端断面面积以上的 15 9%，利民水库对本河段的削峰作用不明显，故选择成果较大的洪水组合一作为设计洪水成果。这是合理的，也是偏安全的。2 5洪水合理性分析(1)选用参证站合理工程流域内无水文、气象及雨量站，毕节市气象站与工程流域属于同一暴雨区，水文、气候及下垫面条件基本一致，且测站高程相差较小，能较好反映工程区的水文、气象特性，具有较好的代表性和可靠性;(2)雨洪法选用了毕节市气象站最大 1 h、最大 24 h 暴雨参数，并结合贵州省短历时暴雨统计参数等值线图，从偏于工程安全角度考虑，综合取值确定了设计流域各短历时暴雨统计参数，计算方法、参数选择合理;(3)第一段下游已治理的何官屯河段起始断面 P=10%洪峰流量为 106 m3/s，其计算方法为利民水库下泄洪水与区间洪水峰峰叠加。末端断面距离何官屯起始断面仅几百米，考虑区间洪水组合后，P=10%洪峰流量为 90 7 m3/s，从成果上分析，能有效衔接何官屯河段;第二段下游已治理的干家沟河段起始断面 P=10%洪峰流量为 209 m3/s，其计算方法为雨洪法，成果为天然设计洪水，未考虑区间洪水组合。本次末端断面距离干家沟河段起始断面仅几百米，考虑区间洪水组合后，P=10%洪峰流量为 193 m3/s，从成果上分析，能有效衔接干家沟河段。3结语(1)本次对地区洪水组合的探索，以贵州省毕节市七星关区的山区河流观音河上、下两段河道治理为例，观音河上上游有小(1)型水库利民水库，两段治理河段的治理末端到利民水库坝址距离分别为 4 76 km 及 19 km，水库坝址以上集水面积分别占两段河道治理末端以上集水面积为 49 5%及 15 9%。(2)设计洪水考虑上游水库的削峰影响，考虑地区洪水组合一及地区洪水组合二两种方法计算设计断面、水库考虑同频率，水库与设计断面区间考虑相应洪水;设计断面、设计断面与水库区间考虑同频率洪水，水库考虑为相应洪水。并选择了合适的洪水成果作为不同河段的设计洪水成果。(3)可知，上游水库对下游河道削峰作用明显的一般采用地区洪水组合二的成果，上游水库对下游河道削峰作用弱化的一般采用地区洪水组合一的成果，可以此作为类似的山区洪水成果借鉴。参考文献 1贵州省暴雨洪水计算实用手册 贵州省水利电力厅 1988 年“修订本”1983 2设计洪水计算规范(SL44 2006)3陈家琦，张恭肃 小流域暴雨洪水计算 北京:水利电力出版社1985612第 45 卷第 3 期地下水2023 年 5 月