第 10卷? 第 24期?2010年 8月 1671-1815(2010) 24 -6079-05?科 ? 学 ? 技 ? 术 ? 与 ? 工? 程 Science Technology and Engineering?Vol ?10? No ?24? Aug?2010 ? ?2010?Sci ?Tech?Engng ?边坡在降雨条件下的稳定性分析田仕明? 董羽蕙(昆明理工大学建筑工程学院, 昆明 650000)摘? 要? 介绍了渗流与应力耦合的基本原理, 以及边坡降雨入渗的过程。根据工程地质条件及岩土的特性建立边坡数值模型, 运用 ABAQUS进行降雨条件下的有限元分析, 观察边坡土体孔压场、 位移场等的变化规律 ?最后对边坡稳定性进行评价。关键词? 降雨入渗? ABAQUS? ? 数值模拟? ? 边坡稳定性质中图法分类号? U417?2 ; ? ? ? ? 文献标志码?A2010年 5月 24日收到? 降雨入渗诱发的滑坡在世界范围分布最广, 也是发生频率最高, 危害极大的灾害, 引起了各国政府和机构的高度重视。大量统计资料表明, 绝大多数的滑坡事故都是发生在降雨期间或降雨之后一段时间。1982年 1月 3日至 5日, 在美国加利福尼亚旧金山湾地区仅 34小时内就降雨 616 mm, 在 10个县范围内诱发了数千处滑坡、 泥石流, 造成 25人死亡, 6 600万美元直接经济损失。1982年, 我国四川万县地区普降暴雨, 仅云阳县就发生滑坡两万多处, 并形成数百处比较大规模的裂缝, 造成数万间房屋倒塌。近年来人们对降雨诱发的滑坡研究越来越多,并认为: 降雨入渗会导致边坡非饱和区孔隙水压力暂时升高, 同时在非饱和区形成暂态饱和区。暂态饱和区与暂态孔隙水压力虽然是暂时的, 但对边坡稳定性却是至关重要的。1? 渗流与应力耦合分析1?1? 有效应力原理对于多孔可压缩材料, 可模拟为多相体, 并满足有效应力原理。材料的孔隙率 n定义为孔隙体积与总体积的比值, 即n=dV? dV( 1)饱和度 s定义为水的体积和孔隙总体积的比s=dVw dV?( 2)s= 1?0表示是饱和土; s= 0表示是干燥土。作用于土中一点的应力服从有效应力原理: 即总应力是由平均孔隙水压力剩以系数 x和作用于土体骨架上的有效应力 ?组成:?= ?+ ?uw。在 ABAQUS里一般我们假定 ?= s 1。1?2? 应力平衡和渗流连续方程1?2?1? 平衡方程土体应力平衡方程可采用虚功原理来表示, 即某一时刻 t土体的虚功与作用在该土体上作用力(体力和面力 )产生的虚功相等, 即 ?v? dV =?St? vdS +?vf? vdV。式中, ? v为虚速度场, ? ?= sym (? v/?x ) 为虚应变, ?为真实应力, t为单位面积上的表面力, f为单位体积上的体积力 1。1?2?2?渗流连续方程渗流连续方程是由同一时间内流入土体的水量等于土体的体积变化量这一连续条件来建立的, 即d dt? V?w P0 wsndV= -?V?w ?0 wsnnvwds。式中, vw是流体的平均流速, n是边界 S的外法线, 该方程对 ?0 w进行了归一化 1。对于非饱和土的渗透系数用如下公式表示:k= kxk。式中k为非饱和土的渗透系数, ks( s) 给出了饱和度对渗透性的影响, k为饱和土的渗透系数。2?边坡降雨入渗过程雨水渗入坡面到达潜水面是一个饱和 ? 非饱和的渗流过程。 在雨水入渗过程中, 含水率分布剖面可分为以下四个区, 表层有一个薄层的是饱和带, 接着是含水率变化较大的过渡带, 再下面是含水率分布较均匀的传导层, 最后是湿润度随深度减小的湿润层。 随着雨水入渗的延续, 传导层向深层发展, 湿润层就向下移, 含水率分布曲线逐渐趋于平缓。雨水入渗后边坡的强度主要取决于降雨强度、降雨方式及土的渗透性能。 分为以下两种情况:( 1) 若土体的渗透能力较强, 大于外界供水强度, 则入渗强度主要决定于外界供水强度, 入渗过程中坡体表面的含水率随入渗强度的增加而增高,直到达到一定稳定值, 称之为? 降雨模型?。( 2) 若降雨强度大于土体的渗水能力, 入渗强度取决于土体的入渗性能, 这样就形成径流而形成地表积水称之为 ?积水模型 ?。 以上两种情况在入渗过程的不同阶段都可能发生, 若在稳定的降雨强度下, 初始时土体的入渗能力大于降雨强度, 入渗率等于降雨强度, 这一阶段为能量控制阶段, 是无压入渗或自由入渗。 经过一段时间后, 土体入渗能力减小, 含水率梯度减小, 当降雨强度大于土体入渗能力, 则产生径流, 这一阶段为剖面控制阶段, 为有压入渗。初始时的入渗率较高, 随后逐渐减小。 入渗速率随时间的变化不仅与非饱和土原始湿度、 基质吸力有关, 还与边坡剖面的岩土体条件、 结构等因素有关。 通常在入渗的开始阶段, 边坡土体表层的水势梯度较陡, 故入渗速率较大, 随着雨水入渗到坡体中, 土体的基质吸力下降。 湿润层下移使基质吸力梯度减小, 入渗速率也逐渐减小直至趋近于常量而达到稳定入渗阶段。 在垂直入渗情况下, 若降雨强度较大使边坡达到饱和, 当入渗强度与土体饱和水力传导度相等时达到稳定入渗阶段; 若降雨强度较小, 且小于饱和土的传导度时, 入渗强度等于该温度条件下的非饱和水力传导度时达到稳定入渗阶段。3?工程实例王二河水库向黄果树补水工程 0+ 390 0 +820段总长 430 m, 出露地层为三迭系下统安顺组(T1a) 浅灰色厚层块状白云岩, 基岩零星裸露, 岩层产状 300? 15? ; 岩石风化较严重, 节理裂隙较发育,主要发育 NW325? 、 倾角 80?, NW 275? 、 倾角 70?两组裂隙, 其中尤以 NW 275?最为发育, 近垂直于山体。 根据地堪报告结果, 岩体物理力学指标及材料参数指标见表 1 4。表 1? 岩体物理力学指标名称摩擦系数黏聚力c /MPa密度/( kN? m- 3)弹性模量E /M Pa泊松比粉质土0?30?0518 ?33?31 ? 1040?3碎石、 块石、胶结体0?6?0?75 0?3?0?4520 ?16?12 ? 1040?3强风化1?2?1?41?5?1?823 ?24?24 ? 1050?25中等风化1?4?1?61?8?2?025 ?14?5 ? 1050?25勘查设计图纸提供了 10个剖面图, 本文只提取有代表性的 4? 4剖面图进入在降雨条件下的分析并进行讨论。图 1? 4- 4剖面图3?1? 计算模型的建立根据钻探剖面图直接获取各关键点的坐标形成地层分界线及外围轮廓线, 计算模型见图 2 。本文采用的是平面孔压单元, 该模型总共有 2 538个单元, 5 281个节点。6080科? 学 ? 技? 术? 与? 工? 程10卷图 2? 剖面计算模型3?2? 渗流参数与降雨条件的选取该剖面岩土体分四层, 从上到下初始渗透系数分别为: 18 mm /h, 15 mm /h , 10 mm /h和 4 mm /h。计算中采用的折减系数和饱和度关系与孔压和饱和度的关系分别如图 3和图 4所示 3。根据安顺市降雨资料, 最大三日降雨量为 301?7mm, 所以我们在计算中采用最大每小时降雨量为 8mm /h , 连续降雨 3 d 。图 3? 渗透折减系数与饱和度的关系曲线图 4? 吸湿曲线3?3? 计算结果分析由图 5和图 6可见, 考虑降雨入渗后的孔压分布图与初始状态有很明显的区别, 整个边坡的吸力区范围减小, 基质吸力也有所减小。对比图 5和图6可见随着降雨时间的延长, 饱和度增大, 孔隙水压力也增大, 土体浅层的基质吸力减小或消失。在降雨减小后随着时间的延长, 饱和度逐渐减小, 孔隙水压力减小, 土体浅层的基质吸力又逐渐增加。图 5? 降雨 50 h后的孔压分布图 6? 降雨 72 h后的孔压分布608124期田仕明, 等: 边坡在降雨条件下的稳定性分析?图 7? 降雨 72 h后的水平位移图 8? 降雨 72 h后的竖向位移? 由图 7和图 8可见, 最大位移发生在坡角, 为0?000 84mm; 最 大 沉 降 发 生 在 坡 角 上 方, 为0?000 82mm。 随着降雨入渗的持续, 土体含水率和容重增加, 导致沉降和应力增加。由于降雨入渗的发生, 边坡有滑动变形的趋势, 可以预见边坡稳定性是降底的。图 9给出了 72 h的等效塑性应变, 由图可见降雨入渗作用下塑性区首先出现在坡脚浅层, 随着降雨继续塑性区向上发展。图 10给出了在坡脚处某一节点 ( 263号节点 )图 9? 降雨 72 h后的等效塑性应变图 10?263号节点等效塑性应变随时间的变化的等效塑性应变随时间的变化。可见, 当降雨发生后不久坡脚出现塑性区, 随后随着时间快速增加,大约到 50 h后, 由于降雨开始减小, 塑性区不再扩展, 等效塑性区不再增加。4? 结论边坡并未出现大面积的塑性区, 但降雨对边坡的稳定性的影响是显著的, 应在以后实践中充分重视。ABAQUS在多场耦合分析方面有着强大的功能, 为岩土工程提供了一个强大的分析平台。6082科? 学 ? 技? 术? 与? 工? 程10卷如何对存在随机性的层面、 节理、 软弱夹层或断层的岩土在降雨条件下进行有限元分析将是本文继续研究的方向。参? 考? 文? 献1? 王金昌, 陈页开 ?ABAQUS在土木工程中的应用 ?杭州: 浙江大学出版社, 2006 : 98?1022? 费? 康, 张健伟 ?ABAQUS在岩土工程中的应用 ? 北京: 中国水利水电出版社, 2009: 206?2323? 戚国庆, 黄润秋, 速宝玉, 等 ? 岩质边坡降雨入渗过程的数值模拟, 岩石力学与工程学报, 2003: 22( 4): 625?6294? 韩春秀, 董羽蕙 ?岩质边坡稳定性分析的非线性有限元解法, 水利与建筑工程学报, 2006: 4( 4): 65? 67Numeric Si mulation on Rainfall Infiltration on Rock SlopeT I AN Sh- im ing , DONG Yu-hui( College of Architecture and Civ ilEng ineering, Kunm ing University of Sience and T echnology, Kun m ing 650000 P?R?China)Abstract ? The basic principle of hydrom echanical coupling and the processs of rainfall infiltration on the slopeare introduced?The numericalmodel is established based on the engineering geological conditions and characteris -tics of rock , and then using ABAQUS to analyze the model and observing the variation of pore pressure field ,dis -placement field and so on?The stability of slope finally is analysed?Key words ?rainfall infiltration? ? ABAQUS software? ?numeric si mulation? ?the stability of slope(上接第 6078页 )应用研究 ?地下空间与工程学报, 2006 ; 2( 5): 822? 8277? 彭文斌 ?FLAC3D 教程 ?北京: 机械工业出版社, 2007?8 : 1? 38? Sjoberg J?Analysis of large sca