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        降雨作用下高路塹邊坡滲透穩(wěn)定性分析

        2016-01-06 01:13:04
        交通科技 2015年1期
        關(guān)鍵詞:分析

        秦 龍 廖 俊

        (貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)計研究院股份有限公司 貴陽 550081)

        降雨作用下高路塹邊坡滲透穩(wěn)定性分析

        秦龍廖俊

        (貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)計研究院股份有限公司貴陽550081)

        摘要為了探討邊坡在強降雨作用下的滲流情況和穩(wěn)定性,采用Geostudio中的SEEP/W模塊對邊坡在降雨作用下滲流情況進行數(shù)值計算分析,再與SEEP/W模塊進行耦合分析,采用Morgenstern-Price法計算邊坡在強降雨作用下的安全系數(shù),并分析其穩(wěn)定性。

        關(guān)鍵詞滲流計算耦合分析安全系數(shù)穩(wěn)定性分析

        1降雨入滲SEEP/W理論

        1.1達西定律

        SEEP/W模塊滲流是以飽和和非飽和的達西定律為主的,達西定律的表達式為

        q=ki

        (1)

        式中:q為流速,m/s;k為滲透系數(shù),其值等于水力梯度為1時水的滲透速度,m/s;i為水力梯度。

        1.2滲流基本方程

        滲流計算的一般微分方程為

        (2)

        式中:H為總水頭,m;kx為x方向滲透系數(shù),m/s;ky為y方向滲透系數(shù),m/s;Q為邊界流量,m3/s;θ為單位體積含水率; t為時間,s。

        在穩(wěn)定流條件下,任何時刻單元水流入和流出的體積是相等的,則方程右邊為0,有

        (3)

        土體體積含水率與土的性質(zhì)和應(yīng)力狀態(tài)有關(guān)[1]。飽和-非飽和情況下的應(yīng)力狀態(tài)可以用狀態(tài)變量為σ-ua和ua-uw來表示。式中:σ為總應(yīng)力;ua為空隙內(nèi)氣體壓力,uw為孔隙水壓力。

        SEEP/W在計算過程中的總應(yīng)力是不變的,即土體沒有發(fā)生加載或者卸荷[2]。SEEP/W還假定對于非穩(wěn)定流問題,空隙中的氣體壓力為一常量[3],意味著σ-ua也是一常量。因此,單位體積含水率的變化僅與孔隙水壓力的變化有關(guān),并可用下式來表達:

        (4)

        式中:mw為土-水關(guān)系函數(shù)的斜率。

        總水頭H定義為

        (5)

        式中:uw為孔隙水壓力;可改寫為uw=H-y;γw為水的容重;y為相對高程。

        空隙水壓力uw可改寫為uw=h-y,將式(5)代入式(4)有

        (6)

        把式(6)代入式(2)得

        (7)

        由于高程是個常量,y對時間的導(dǎo)數(shù)為0,最終SEEP/W中的控制方程為

        (8)

        2降雨作用下邊坡滲流數(shù)值計算分析

        2.1工程概況

        本文研究邊坡高68m,形成7級臺階。根據(jù)工程地質(zhì)鉆探資料,出露地層從上至下為第四系殘積層粘土,下伏基巖為前震旦系板溪群清水江組薄層狀板巖,分強、中風(fēng)化2層,產(chǎn)狀30°∠25°,其材料物理力學(xué)參數(shù)見表1。

        表1 材料物理力學(xué)參數(shù)表

        2.2計算模型建立

        對邊坡在降雨作用下的邊坡滲流數(shù)值計算分析,本文選取典型橫斷面作為滲流數(shù)值計算分析模型建立的基礎(chǔ),然后在SEEP/W模塊中建立有限元滲流計算分析模型,見圖1。

        圖1 滲流計算模型

        2.3邊界條件

        根據(jù)該地區(qū)的氣象資料,1d內(nèi)的單位降雨量為1.52×10-6m/s。邊坡開挖后對坡面采取相應(yīng)的防護措施,在降雨過程中大部分雨水沿著坡面流動,只有少部分滲入到坡體內(nèi)部,本文經(jīng)過多次驗算,最終選取單位降雨量的1/10 000m/s作為本次滲流計算的邊界條件,即滲流邊界條件為1.52×10-10m/s。

        2.4計算結(jié)果及分析

        為了分析該邊坡在強降雨作用下邊坡體內(nèi)的滲流情況,本人計算了不同降雨時間下邊坡體內(nèi)滲流等勢線變化情況,其結(jié)果見圖2。

        圖2 不同降雨時間下邊坡體內(nèi)滲流變化圖(單位:m)

        根據(jù)以上計算得出不同時刻邊坡體內(nèi)最大降雨滲透水頭,整理出邊坡體內(nèi)最大滲透空隙水水頭隨時間的變化曲線,見圖3。

        圖3 邊坡體內(nèi)最大滲透空隙水水頭隨時間變化曲線

        從以上不同降雨時間下邊坡體內(nèi)滲流變化情況圖和圖3可以看出,隨著降雨時間增加,邊坡體內(nèi)雨水滲透范圍逐漸擴大,邊坡體內(nèi)的最大滲透空隙水水頭也不斷增大。

        3邊坡穩(wěn)定性計算分析

        對邊坡穩(wěn)定性分析,本文將Geostudio中的SLOPE/W模塊和SLOPE/W模塊進行結(jié)合,采用Morgenstern-Price法進行該邊坡的穩(wěn)定性計算分析。前面計算分析了不同降雨時間下邊坡體內(nèi)滲透變化情況,然后根據(jù)不同的降雨時間下邊坡體內(nèi)雨水滲透的范圍確定不同降雨時間下邊坡體內(nèi)潛在滑動面的范圍,以此作為邊坡穩(wěn)定性計算分析的基礎(chǔ)。

        在計算邊坡穩(wěn)定性時,潛在滑動面的位置是根據(jù)雨水滲透范圍大小確定的,計算得到不同降雨時間下對應(yīng)邊坡安全系數(shù)變化情況見圖4。

        收稿日期:2014-09-30

        DOI10.3963/j.issn.1671-7570.2015.01.028

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