库岸边坡渗流及稳定性分析.pdf

年月水利学报第卷第期收稿日期作者简介 张文杰男 山东青岛人 博士生 主要从事环境土工及边坡稳定方面的研究文章编号库岸边坡渗流及稳定性分析张文杰 陈云敏 凌道盛浙江大学 岩土工程研究所 浙江 杭州摘要 库岸边坡常因受到库水位周期性波动的作用而失稳传统的饱和土渗流及稳定分析方法无法正确描述水位升降过程中岸坡内孔压场的动态变化及其对岸坡安全系数的影响规律本文从非饱和土的渗流和抗剪强度理论出发 分析了水位升降时土质岸坡的渗流规律及其稳定性的变化规律通过选取典型的土性参数 对黏土 粉土和均质砂岸坡进行饱和非饱和渗流分析 得到水位升降过程中岸坡内孔隙水压力场 再引入极限平衡方法 考虑基质吸力对非饱和土抗剪强度及岸坡安全系数的贡献 进行岸坡稳定性分析分析表明 土体的饱和渗透系数和土水特征曲线共同决定了水位升降时岸坡内孔隙水压力的大小及分布 水位升降情况下岸坡安全系数的变化规律也与岸坡土体的渗透特性有关关键词 岸坡 非饱和土 水位升降 渗流分析 负孔隙水压力 稳定分析中图分类号文献标识码由于降雨 蒸发和毛细水等作用 非饱和土坡广泛存在于自然界中在水气界面的张力作用下 非饱和土中的孔隙水压力常为负值 环境中水作用条件的改变可能使负孔隙水压力增大或消失 从而导致土坡失稳目前对于非饱和土坡所进行的研究大多集中在降雨入渗及其对边坡稳定性影响的规律上对降雨可能引发的土坡浅层滑动研究较多实际上 岸坡 库岸 河岸边坡 也是常见的一类非饱和边坡 由于季节性降雨或水库运行 岸坡外的水位通常波动较大 岸坡土体的饱和度也处于变化中 水分的相互补给改变了岸坡内的孔压场 进而影响到岸坡的稳定目前对岸坡在水位波动下稳定性的研究大多限于饱和土力学的范畴 即研究饱和土的渗流对岸坡稳定性的影响饱和土力学中对于由水的自重形成的渗流场可以通过绘制流网或稳态渗流分析求解 对于压缩性较大 渗透系数较小的土中的渗流场可以通过变形渗流耦合分析 如固结理论 求解但饱和土力学无法考虑土处于非饱和状态时孔隙水压力的产生和消散过程 也不涉及由基质吸力产生的负孔隙水压力对边坡稳定的贡献 而这些因素有时会对非饱和边坡的稳定起决定性作用因此饱和土理论不能揭示水位变化过程中岸坡稳定性变化的规律和实质本文对水位上升和下降情况下的非饱和岸坡进行非稳态渗流分析 在计算边坡稳定时考虑负孔隙水压力对非饱和土抗剪强度的贡献 分析不同土类的均质库岸边坡在水位变化条件下的渗流和稳定性变化非饱和岸坡的相关分析理论土的力学性状由控制土结构平衡的应力变量所控制 这些应力变量被称为应力状态变量 非饱和土的特性可由个正应力变量和中任意两个的组合来描述因为可以将总法向应力变化造成的影响同孔隙水压力造成的影响区分开来 净法向应力和基质吸力被证实是最利于实际应用的应力状态变量的组合本文所用的渗流模型假定渗流过程中土坡不受外加荷载作用 渗流过程中孔隙气压力保持常数 即等于大气压力 这样 净法向应力保持不变 故其不引起含水率的变化 则含水率的变化仅是由基质吸力的变化所引起的对于岸坡来讲 由于其固结变形早已完成 在渗透过程中没有水以外的荷载作用 基本上无体变产生 因此上述假定是合理的图典型的土水特征曲线图渗透性函数曲线描述含水率 或饱和度 与基质吸力关系的曲线称为土水特征曲线 它描述了非饱和土对水分的吸持作用通常孔隙气压力等于大气压力 压力表压力为零则有这样基质吸力简化为负的孔隙水压力某一含水率下基质吸力的大小与土的颗粒级配 土中次生矿物的成分及其含量有关典型黏土 粉土和均质砂的土水特征曲线如图所示图中纵坐标为体积含水量 是土中水所占的体积与总孔隙体积之比当饱和土变得不饱和时 空气首先取代大孔隙中的水 导致水通过较小孔隙流动 从而使流程的绕曲度增加 随着基质吸力的进一步增加 水占的孔隙体积进一步减小 水相渗透系数随着可供水流动的空间减少而急剧降低描述非饱和土基质吸力和渗透系数关系的曲线称为渗透性函数曲线渗透性函数的试验室量测往往要耗费试验者巨大的精力和时间 并且 即使如此也难以保证试验结果的准确实际上 由饱和渗透系数和土水特征曲线推导出渗透性函数一般可以达到足够的精度本文将采用的渗透性函数是按等提出的方法结合图中的土水特征曲线推导出的 如图所示在各向同性土中 数值模型所采用的控制微分方程如下式中为随含水率变化而变化的渗透性系数为渗流过程中的总水头 位置水头和压力水头之和为土水特征曲线在某一特定孔隙水压力处的斜率式左侧基于达西定律 代表流经土单元向和向的水量变化 因为所以右侧代表单位时间内体积含水量的变化随着饱和土中孔隙水的排出 土颗粒间出现水气界面 亦即收缩膜收缩膜产生的表面张力增加了土粒间的压应力从而给土提供了额外的抗剪强度随着更多的水排出 收缩膜曲率半径减小 表面张力增大 土粒间的压应力增加从而使土的抗剪强度提高 反之 当饱和度增加时 收缩膜曲率半径变大 施加于土粒间的表面张力减小 土的抗剪强度降低等认为 非饱和土的抗剪强度由有效黏聚力和净法向应力引起的强度以及基质吸力引起的强度所组成 净法向应力引起的强度与有效内摩擦角有关 而基质吸力引起的抗剪强度则与吸力内摩擦角有关吸力内摩擦角一般小于试验研究表明 当基质吸力小于进气值时 吸力内摩擦角等于有效内摩擦角超过进气值后随着基质吸力的增加逐渐减小 当土中仅有极少的水时 基质吸力可达见图但此时吸力内摩擦角接近于基质吸力对抗剪强度基本没有贡献岸坡在坡外水位上升和下降作用下 其内部土体饱和度随之变化 故抗剪强度亦随之改变稳定分析模型采用提出的非饱和土抗剪强度公式计算安全系数将代入式有很明显 当土体饱和时式退化为饱和土抗剪强度公式非饱和岸坡渗流数值分析本文渗流分析使用有限元程序利用土水特征曲线和渗透性函数模拟非饱和岸坡中的渗流岸坡分别为黏土 粉土和均质砂的理想均质岸坡 数值模型如图所示图数值模型有限元网格划分黏土 粉土和均质砂的相关土性参数如表所示表黏土 粉土和均质砂的土性参数土类饱和渗透系数?有效黏聚力?有效内摩擦角?吸力内摩擦角?重度?黏土粉土均质砂图随时间变化的水头条件边界为了研究大范围的水位变化 取岸坡外水位最低时高程位于岸坡底部 最高时接近岸坡顶部水位在内从上升到并保持到第然后水位在第内下降到高程 继续保持到第以模拟实际情况中岸坡每年经历一次高水位和低水位的情形数值模型中坡面经历水位升降区域的节点定义为水头条件边界 图中的小圆点水头变化如图所示 模型的其它节点定义为零流量边界进行暂态渗流分析需要指定初始条件 初始孔隙水压力场一般以稳态渗流分析的结果作为暂态渗流分析的初始条件 但稳态渗流分析中不考虑时间因素 实际上其结果和暂态渗流分析在时间趋向无穷时的结果相同而此处所考查的水位变化是一个连续的过程 以时间趋向无穷时的结果作为初始条件显然与实际情况不符 所以本文中将岸坡水位上升分析的结果 第的孔压场 作为水位下降分析的初始条件 将水位下降分析的结果 第的孔压场 作为水位上升分析的初始条件因此 本文中黏土 粉土和均质砂岸坡的初始水位并不相同 但每一岸坡和时的水位及孔压场相同 这样更符合实际情况 并且一定程度上减小了初始条件的不确定性对分析结果造成的影响分析共分个时步进行为时步 通过分析得到各个时步的浸润线和孔隙水压力场图给出了各岸坡内浸润线的上升过程通过对比不同材料边坡内的浸润线可以看出 水位上升或下降同一时刻不同土类的岸坡浸润线位置差别较大黏性土边坡由于渗透系数小?导致坡内浸润线变化滞后于坡外水位 粉土的渗透系数?与本文中水位的升降速度?较接近 水位升降时坡内浸润线高度与坡外水位差别不大饱和均质砂的渗透系数较大?边坡外水位变动时坡内外水位持平图为黏土 粉土均质砂边坡在第降低到最低水位并保持时的孔隙水压力分布由图可见 随着饱和渗透系数的增大 浸润线以下最大孔隙水压力逐渐减小 图中图中另外 浸润线以上负的孔隙水压力 基质吸力 分布也有很大不同 图黏土岸坡内基质吸力等值线分布比较均匀 图中粉土岸坡的基质吸力多介于而图中均质砂岸坡内的基质吸力多在这是因为黏土 粉土和均质砂的土水特征曲线和渗透性函数形状不同 随着水的排出其基质吸力增加程度不同 渗透性降低的程度也不相同在本文算例的基质吸力范围内 约黏土的渗透性变化不大 而均质砂的渗透系数在基质吸力超过进气值 如图所示 约后急剧降低 水位下降时随着水的排出非饱和区基质吸力增加 吸力超过进气值的区域内水很难进一步排出 基质吸力不再增大 故浸润线以上较大范围内的基质吸力保持在由此可见 饱和渗透系数的大小决定了水位升降时岸坡内浸润线的形状 从而决定了坡内 正 孔隙水压力的大小和分布 而土水特征曲线的形状决定了浸润线以上负孔隙水压力的大小和分布而坡内外的水位差和正 负 孔隙水压力都与岸坡稳定性密切相关 上述诸方面的差异将使不同土类的岸坡经受水位波动时 其安全系数具有不同的变化规律图各岸坡外水位上升时坡内浸润线随时间变化过程图各岸坡在时坡内的孔隙水压力分布和渗流速度矢量 单位岸坡稳定分析本文稳定分析使用基于极限平衡方法的边坡稳定分析程序?考虑岸坡非饱和区土体的抗剪强度对岸坡稳定的贡献 求解边坡安全系数为简化计算 假定浸润线以上土中处处相等 由渗流分析结果可知 岸坡内浸润线以上大部分范围内的基质吸力小于进气值 而基质吸力小于进气值时有故进行岸坡稳定分析时 取非饱和区土体的吸力内摩擦角其它参数的取值如表所图最危险滑动面和安全系数计算数值模型示因为渗流分析中已经得到岸坡内的孔隙水压力场 所以各土条底面中点处的孔隙水压力可由相应时步相应单元内高斯积分点处的孔隙水压力插值得到 由此就得到各土条底面中点的有效应力和基质吸力非饱和土抗剪强度进行稳定分析使用简化法 指定搜索半径和圆心的范围搜索最危险滑动面图为计算粉土岸坡在时安全系数的数值模型 坡外的水被视为压力垂直作用于坡面 图中网格其大小为图中给出了此时的最危险滑动面和相应的安全系数将黏土 粉土和均质砂岸坡时步的孔隙水压力场分别代入计算安全系数 得到坡外水位上升时各个时步岸坡的安全系数 如图所示岸坡安全系数受许多因素共同影响 水位升降时其变化规律是复杂的坡外水位上升时 浸润线以上非饱和区范围减小 基质吸力减小 对岸坡稳定不利 而坡内外的水位差使岸坡受到向着坡内的渗透压力 同时岸坡水下部分受到水的浮力作用 这些作用对岸坡稳定有利渗透特性不同的岸坡 上述各因素的作用规律不同由图可见 在水位上升的内 黏土和粉土岸坡的安全系数增大 其中黏土岸坡的安全系数增大较多 而均质砂岸坡的安全系数先减小后增大 说明水位上升过程中存在一个最危险水位这是因为岸坡土体的渗透系数越小 坡内水位的上升越滞后于坡外水位 如渗流分析结果图所示坡外水向着坡内的渗透压力越大 同时浸润线以上基质吸力降低的越少 故黏土岸坡的安全系数增大较多均质砂岸坡坡内水位与坡外水位持平 基质吸力降低较多 水的浮力作用也较明显 注意到极限平衡方法考虑的是土条底面处的基质吸力水位开始上升时 浸润线处滑动面较平缓 基质吸力对岸坡稳定的贡献减小较多 故岸坡安全系数减小随着水位不断上升 浸润线处滑动面变陡 浮力对岸坡稳定的贡献开始起主导作用 第时 高程岸坡安全系数开始增大坡外保持高水位不变 坡内水位继续上升 各岸坡的安全系数均不同程度地继续减小图水位上升时安全系数随时间变化曲线图水位下降时安全系数随时间变化曲线同样可以得到时步各岸坡的安全系数 如图所示坡外水位下降时 非饱和区范围变大 基质吸力增加 对岸坡稳定有利 而浸润线下降使坡体所受浮力减小 同时若坡内水位滞后于坡外水位 坡内存在的渗透压力对稳定不利由图可见 在水位下降的内 黏土岸坡的安全系数减小 粉土和均质砂岸坡的安全系数先减小后增大 此过程中存在一个最危险水位这是因为黏土岸坡渗透性较差 坡外水位下降时坡内仍保持了较高水位 随水位下降 基质吸力增加不多 同时渗透压力较大 故其安全系数减小坡外水位下降时粉土岸坡和均质砂岸坡内水位与坡外水位较接近 随水位下降基质吸力增加较多 渗透压力较小 同时坡体所受浮力减小较多 与水位上升时类似 开始时浮力减小的作用占主导地位 岸坡安全系数减小 当浸润线降低到滑动面较平缓处时 基质吸力对岸坡稳定的贡献增大 第时 高程岸坡安全系数又开始增大坡外保持低水位 坡内浸润线继续下降 各岸坡的安全系数均不同程度地继续增大从上面的分析看出 由于岸坡本身的渗透特性不同 水位升降时其安全系数的变化规律不同 渗透系数较小的岸坡 本文中黏土岸坡 在水位上升时安全系数增大 水位下降时安全系数减小 渗透系数较大的岸坡 本文中均质砂岸坡 在水位上升和下降时安全系数均先减小后增大 存在一个最危险水位 使岸坡安全系数最小 本文中此最危险水位位于岸坡高度的下处进一步的计算表明 当表中参数取其它值时 大致也有上述规律 其中水位升降过程中存在最危险水位的岸坡 最危险水位的高度随参数取值的不同略有所不同结论本文以非饱和土的渗流和抗剪强度理论研究岸坡在水位波动下的渗流和稳定性变化规律 符合非饱和岸坡水 土 气相互作用的实质 在这方面 本文方法比饱和土理论更具优越性渗透特性不同的岸坡在水位波动作用下其渗流规律不同 饱和渗透系数的大小决定了岸坡内浸润线的位置和形状 从而决定了浸润线以下饱和区内孔隙水压力的大小和分布 而土水特征曲线的形状决定了浸润线以上负孔隙水压力的大小和分布水位升降情况下岸坡安全系数受多个因素共同作用 其变化规律比较复杂 大致上渗透系数小的岸坡水位上升时安全系数增大 水位下降时安全系数减小 而渗透系数大的岸坡在水位上升和下降时均存在最危险水位 最危险水位的位置约在岸坡高度的下处参考文献马崇武 刘忠玉 苗天德 王得楷 江河水位升降对堤岸边坡稳定性的影响兰州大学学报 自然科学版舒安平 匡尚富 徐永年 库区土质边坡稳定性分析水利学报郑颖人 时卫民 孔位学 库水位下降时渗透力及地下水浸润的计算岩石力学与工程学报陈祖煜 土质边坡稳定分析原理 方法 程序北京 中国水利水电出版社非饱和土土力学陈仲颐等译 北京 中国建筑工业出版社责任编辑 韩昆上接第页责任编辑 李福田