库水位升降作用下边坡失稳机理

库水位升降作用下边坡失稳机理研究摘要：介绍了饱和-非饱和渗流模型的基本理论，并用

gro-slope分析软件进行边坡失稳机理研究。

关键词：饱和-非饱和渗流模型gro-slope失稳机理研究

1引言

边坡在水的作用下可能会产生滑坡，“十个滑坡九个水”这句话充分反映水是产生边坡失稳的重要条件之一。崩塌、滑坡、泥石流等边坡失稳现象的发生和发展多受水等因素的控制。本文采用边坡稳定性分析软件geo-slope，计算了在库水位下降8m期间，滑坡体稳定性随不同库水位下降速度的变化情况。

2基本理论

2.1饱和-非饱和渗流模型

水位涨落下边坡中的渗流场是饱和－非饱和渗流场，非饱和土区水的流动服从达西定律。达西定律是多孔隙介质中流体流动的运动方程，质量守恒是物质运动的普遍规律，将质量守恒定律运用于多孔介质中的流体运动即为渗流控制方程[5]：

(1)

式中：、分别为x、y方向的饱和渗透系数；为介质相对渗透率，在饱和区为1，非饱和区介于0～1之间；h为总水头，h=hp+y，hp 为压力水头，y为位置水头；q为源汇项；为容水度，在饱和区为0，非饱和区容水度为,为体积含水量；β为选项系数，在饱和区为1，非饱和区为0；ss为饱和土体单位贮水率，在饱和区为一常数，

非饱和区为0；t为时间变量。

2.2饱和－非饱和渗流有限元算法

将渗流计算区域进行单元离散，单元内水头在空间和时间域上的变化近似地表达为：(2)

式中：m为单元节点数；hm为单元节点m的测压管水头；nm为单元节点m的形函数。

由galerkin加权余量法及格林公式可得求解渗流场的有限元法矩阵方程为：

(3)

式中：；

；

三.计算模型与参数

3.1计算模型

计算软件选用加拿大 slope公司开发的边坡工程分析系列软件包中的 slope/w和 seep/w软件模块。其中 slope/w能够利用极限平衡原理来计算含水的岩土边坡的安全系数。seep/w是一种既能分析饱和渗流又能分析非饱和渗流的渗流分析通用程序。采用

seep/w建立三角形单元和四边形单元相结合的渗流计算网格,分别计算水位上升和下降的情况下，某库水位条件下的库岸坡体内的渗流场分布，然后将渗流计算结果导入slope/w中计算该水位条件下的安全系数。

水位涨落差设定为h=18m，边坡土体和基础均为饱和-非饱和材

料，渗透系数为随含水量变化的函数，饱和土体渗透系数为1e-2 m/day。基础与边坡土体材料参数如表1所示，计算模型如图1所示。

3.2 运用gro-slope运算求解

边界与水位涨落速度设置为：边界1、边界2为总水头随时间变化函数并设置为可渗流边界，水位降落速度为2m/day。荷载考虑土体自重以及库岸水压力的作用。路堤边坡失稳时剪入口位于边坡坡顶，剪出口位于边坡坡脚，滑动体的土条数为30，迭代次数为2000，安全系数采用morgenstern-price求解，精度为0.001。

四.求解和分析

4.1库水位下降

水位下降时安全系数随时间变化柱状图如图2所示。从图2可以看出，安全系数随着水位的下降而逐渐降低，但是降低到一定程度以后又有所回升。安全系数从第1天的水位高度18m开始下降，到第3天末水位高度12m为最低，第四天开始安全系数逐渐缓慢增大。其原因主要是水位正常下降时，边坡内部渗流场将随着边界条件的变化而进行不断调整，这一过程伴随着坡体内部的地下水位下降。另外，所建模型渗透系数相对较大，当库水位缓慢下降时，坡体内部的地下水位近似与库水位同步下降。与此同时，库水位的下降将对坡面施加水压力作用，其大小为 hwγw（hw 为库水位深度，

γw为水容重），水位下降时，水流在土体内部额外增加了一个向外的渗透力，容易导致路基的失稳破坏。一方面坡体的浮托力减小，另一方面由于坡体内孔隙水来不及排出而使坡体水位高于库水位，由此产生的渗流作用是潜在滑动面的抗滑能力降低，也可能诱发边坡失稳。

4.2 库水位上升

从图3可以看出，安全系数从第1天的水位高度0m开始上升，到第4天末水位高度8m为最高，第四天开始安全系数逐渐缓慢减小。库水位上升过程中，一方面将导致滑动带处的孔隙水压力升高，此外部分岩土体由于浸水作用致使其强度降低，这对边坡的稳定是不利的；另一方面由于坡面水压力的左右会产生一定的抗滑阻力作用，这对边坡的稳定性是有利的。因此，库水位上升过程中库岸边坡的稳定性取决于这两者之间的相互抗衡，最终决定于哪方面占据主要因素，从而对边坡稳定性起主导作用。而在本文中的例子中，一开始时是坡面水压力的左右产生的抗滑阻力占据主要因素，所以边坡的安全系数逐渐升高，于第四天达到最大值，第四天天以后由于浸水作用使部分岩土体的强度降低，从而导致的边坡稳定系数降低，安全系数又有了些许降低。

五.结论与建议

采用geo-slope系列软件研究刚体极限平衡分析通用软件，研究库水作用下库岸边坡的变形破坏机理，并结合不同的库水位升降

下该边坡的安全系数的分布情况的计算分析结果，可得如下结论: （1）该边坡受水位下降影响较大。随着水位下降，边坡稳定性先下降然随着水位的排出增大，最不利水位出现在下降后第三天至第四天。

（2）库水位变化引起了地下水渗流场的变化，改变了土体原有的受力状态,必然引起应力应变的重新分布，进而引起边坡土体位移场的变化。

（3）对于土质边坡而言，坡体稳定性受填料的透水性、水位涨落速度等影响比较明显。一般情况下，坡前水位上升对边坡的稳定有利，而水位下降后边坡的稳定性是先降低然后逐渐提高。

（4）边坡失稳产生的原因与水位的涨落的作用有密切联系，工程管理人员应该对此有足够的了解，并采取相应的预防措施，以提高边坡工程的施工质量与运营安全，减少因为技术准备不足而引起的不必要损失。

参考文献：

[1] 乔娟，罗先启，水库蓄水作用下三峡库区某库岸堆积体变形破坏机理研究，《灾害与防治工程》2001年，第一期

[2] 陈韶光，柳群义，水位涨落对库岸滑坡孑 l 隙水压力影响的非饱和渗流分析，《公路工程》第33卷，第六期

[3] 徐文杰，王立朝，胡瑞林，库水位升降作用下大型土石混合体边坡流–固耦合特性及其稳定性分析，《岩石力学与工程学报》，第28卷，第7期