渗流对边坡稳定性的影响评述[详细]

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1、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

2、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

3、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

4、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

5、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

6、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

7、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 病态方程采用米ATLAB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米andel效应进行了 数值模拟分析.李培超、孔祥言等认识到

8、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: =y+P (1)式中:y为自基准面算起某点的 高度, 为水的 重度,P为静水压力.二维稳定渗流拉普拉斯方程为: kx2x2+ky2y2=0 (2)式中:kx、ky分别为x、y向渗透系数.在土坝上游面=H为常数;在土坝下游面,静水压力为0,根据式(1)可得=y,

9、在不透水基础表面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=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.第二种方法是简化地下水计算,如常用的 替代

10、法,或用直线的 地下水水位线代替实际的 地下水分布,这些方法的 优点是计算简单,但只能在稳定流动或者边坡内部地下水水位趋于直线时才能够基本接近真实结果,实际也未完全考虑渗流作用,同时对于非稳定渗流场却完全不适合,使用不当可能会造成非常严重的 后果.还有一种方法是避开求解非稳定渗流场,直接由下降前的 状态决定水位下降后的 土体抗剪强度进行边坡稳定分析的 方法.这种绕开非稳定渗流计算的 总应力方法,关键在于确定土体的 饱和不排水强度,再根据水位降落前的 法向应力推出水位降落时的 抗剪强度.这种方法的 优点是计算简单,无需计算渗流场,但是缺点也很明显,就是过于依赖土体的 抗剪强度的 试验结果,同时引

11、入了 对强度降低后的 假定,这在某些情况是非常危险的 ,这种方法也不能合理考虑水位变化的 过程中边坡的 稳定性. 6 结语100 多年来, 人们对边坡变形过程、失稳形式、失稳机制、稳定性评价及滑坡预测预报等进行了 广泛而深入的 研究, 经过国内、外无数工程地质工作者的 努力,在渗流作用下的 边坡稳定性分析关键技术方面取得了 较大的 进展,土坡稳定分析的 计算理论已经发展到十分完善,应用非常成熟. 参考文献1 黄永江、熊耀湘.渗流作用下土质边坡稳定性分析J.水利科学与经济.20052高小 育、廖红建、丁春华.渗流对土质边坡稳定性影响J.岩土力学.2004(01)3谢罗峰.渗流作用下边坡稳定性研究D.南京水利科学研究院.20094杜明亮.考虑渗流作用的 土质边坡稳定性分析D.河海大学.20075陈五一、罗玉龙.渗流对土质边坡稳定性影响分析J.武汉大学学报.20106李吉庆、毛昶熙.渗流作用下土坡稳定计算方法的 研究J.水利水运科学研究.19917孙涛、顾波.边坡稳定性分析方法评述J.岩土工程界.2002(11)8魏力.渗流对边坡稳定分析性的 影响分析D.昆明理工大学.20119陈祖煜.土质边坡稳定分析方法、原理、程序米.中国水利水电出版社.200310邬攀.渗流作用下边坡稳定性D.暨南大学.201211毛昶熙.渗流计算分析与控制米北京.水力电力出版社.1990