库岸边坡渗流及稳定性分析

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
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
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
图 随时间变化的水头条件边界
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
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
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
图 最危险滑动面和安全系数计算数值模型
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
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
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
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
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
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
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
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百度文库程序
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
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
有效黏聚力? ?
有效内摩擦角?
吸力内摩擦角?
重度? ?
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
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
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
年月 文章编号
水利学报
第 卷第 期
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
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
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
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
? 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
示 因为渗流分析中已经得到岸坡内的孔隙水压力
? 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
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
黏土 粉土 均质砂
饱和渗透系数? ?
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
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
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
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
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
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