渗流对边坡稳定性的影响评述

渗流对边坡稳定性的影响评述

摘要：渗流对边坡稳定性影响重大，本文对在渗流作用下边坡稳定性影响及边坡稳定性中考虑渗流的方法作简要介绍。

关键词：边坡稳定性分析、流固耦合、渗流场

1 前言

边坡是人类生产生活的最普遍也是重要的地理环境, 与人们的各种活动密

切相关。在人类发展过程中, 无时不与它相互冲突、相互协调, 进而达到相互依存。特别是近几十年来, 随着工程活动规模的扩大及经济建设的急剧发展, 边坡工程中高陡边坡稳定性及大型灾害性滑坡预测问题得到越来越多的重视。

土质边坡稳定向题一直是岩土工程领域中一项最基本而又十分主要的研究课题，科学合理地评价土坡稳定性对于确保人民生命财产和保证工程正常运行有非常重要意义。在影响土坡稳定性的诸多因素中，水的作用是一个至关重要的外在因素。大量事实表明：90%以上的土质边坡失稳与水有着息息相关的联系，尤其是在各种危险水力条件下由于渗流作用量易引发滑坡发生。

2 渗流的影响及危害

堤防、江河水库岸坡和土石坝的渗流稳定主要是渗透破坏问题。渗流破坏可区分为整体破坏和局部破坏。整体破坏即在渗流作用下的岸坡滑坡稳定性问题，整体稳定性分析，正确考虑作用在土体上的渗流作用是关键。渗流的局部破坏主要发生在地下水渗流的集中渗出点(渗流方向为自下而上或与坝坡相切)、边坡下游坡和基础薄弱部位。对渗流作用的破坏研究重点是危险水力条件及不同渗流方向时允许渗透坡降(与局部稳定相关)等，采取措施改变地下水渗流的方向、高度、渗出点坡降等，防止产生渗漏、管涌、流土和接触冲刷等渗透变形。据资料统计表明, 我国有新老滑坡约30 万处, 其中灾害性的约1. 5 万处, 每年损失高达100 亿元以上。特别是在2008 年5 月12 日汶川大地震中, 由于边坡滑坡造成的经济损失巨大。大量的工程资料和实践经验表明：大坝在汛期发生的各种险情中，大部分是由于渗透破坏造成的。渗流造成管涌险情等局部稳定隐患和滑坡等整体稳定隐患。因此，须对大坝的渗流状况进行监控与分析，并对其渗流发展态势及时

预测与预报，防患于未然。

3 渗流作用下边坡稳定性研究现状

早期的边坡稳定性研究主要以土体为研究对象，借用土力学理论，形成了一种半经验半理论性质的研究方法，由于对力学机理方面考虑较少，其计算结果往往与实际情况有较大差别。在这一时期，我国滑坡失稳现象虽然屡有发生，但从总体上看，大型滑坡并不多，所以此时的稳定性研究尚处于初期发展阶段，工作重点侧重于滑坡历史资料的分析以及滑坡形态的分类，归纳总结出不同类型滑坡的稳定性分析方法和相应的变形破坏机制。

国内学者从事流固耦合方面的研究起步较晚，但也陆续开展了一些重要工作。沈珠江首先将固结理论的有限单元法应用于土体固结分析。陈平、张有天等以裂隙渗流理论和变形本构关系为基础，提出了岩体渗流与应力耦合分析方法，并对重力坝坝基进行了裂隙岩体二维流固耦合分析。王媛以Biot理论为基础，提出了以结点位移和孔隙水压力为未知量的渗流场与应力场耦合的计算方法。柴军瑞从土坝的渗透特性出发，提出了均质土坝渗流场与应力场耦合分析的连续介质数学模型。耿克勤、吴水平分析了裂隙岩体的受力变形机理，研究了单裂隙在法向应力、剪应力及复杂应力条件下的流固耦合特性，建立了渗透系数与应变相关的流固耦合数学模型，并对拱坝和坝肩岩体的流固耦合进行了求解。高海鹰从工程观点出发，在对完整岩块的渗透系数忽略不计的条件下，借助层面缝隙流运动规律和变分基本原理，建立了裂隙岩体渗流场和应力场耦合模型，提出了运用同一套单元网络对两场进行区域离散的观点。曾海容、宋惠珍等基于连续介质力学的一般理论，在多相渗流理论模型的基础上，建立耦合形式的油相压力、水相饱和度方程和固相变形方程，并给出了相应的有限元数值求解公式。王晓鸿、仵彦卿以等效渗流场与应力场耦合数学模型的混合分析方法为基础，进行数值分析，并借助该模型验证了某库岸边坡的耦合应力场。陈庆中、冯星梅等建立了应力场一渗流场数学模型，并讨论了流场耦合问题的分析方法。刘建军、耿万东将渗流力学与弹塑性力学相结合，考虑地下水和岩土骨架之间的相互作用，建立地下水流固耦合渗流数学模型，并根据有限元原理得出其计算方法，进行耦合求解沈振中等则提出了坝基岩体粘弹性流固祸合分析模型，并对坝基开挖过程进行了模拟计算分析。陈波、李宁等在推证多孔介质三场耦合数学模型微分控制方程的基础上，

系统地推导了6结点三角形单元的流固两相介质的温度场一变形场一渗流场三场耦合问题的有限元格式。考虑到岩土体的不均质性以及土体的地质沉积作用，杨林德、杨志锡等将饱和土体视为均质、连续的各向异性弹塑性多孔介质，根据虚位移原理推导出饱和土体内各向异性渗流直接耦合的有限元法计算公式，并针对直接耦合法所生成的病态方程采用MATLAB语言编写出平面条件下的计算程序，对各向异性弹性多孔介质中Mandel效应进行了数值模拟分析。李培超、孔祥言等认识到Terzaghi有效应力原理的不足之处，便从渗流力学的观点出发，以前人的研究成果为基础，推导出基于多孔介质的有效应力原理。杨明举通过对地下水封裸洞储气工程应力场、渗流场以及储气场各自的特性及其相互作用的研究，从计算简化的角度出发，建立了地下水封储气耦合问题的数学模型。

4 渗流计算原理

对均质各向同性土稳定渗流水头函数为:

φ=y+P

γ

（1）

式中：y为自基准面算起某点的高度,γ为水的重度,P为静水压力。二维稳定渗流拉普拉斯方程为:

k x∂2φ

∂x2+k y∂2φ

∂y2

=0（2）

式中:k x、k y分别为x、y向渗透系数。

在土坝上游面φ=H为常数;在土坝下游面,静水压力为0,根据式(1)可得φ=y,在不透水基础表面∂φ∂n=0;在浸润面上,静水压力P=0而且无渗流通过浸润面,因此同时满足φ=y和式(2)。

5 边坡稳定中考虑渗流的方法

目前在考虑渗流作用时的边坡稳定性的研究中，主要有两类方法：

第一种方法是首先确定边坡内部渗流(自由面)的位置，非稳定渗流时，去确定各时刻渗流场，然后利用渗透力的方法再进行边坡稳定性分析。这种方法的优点是在已知渗流场，特别是在有现场地下水实时监测资料时可以直接精确计算渗流力，合理考虑渗流作用。对于这种方法而言，关键在于确定非稳定渗流浸润面，浸润线的位置直接影响到边坡稳定性分析结果的精确度，同时还要谨慎考虑渗流方向。