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)和應力狀態(tài)有關[1]。飽和-非飽和情況下的應力狀態(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，并可用下式來表達：

(4)

式中：mw為土-水關系函數(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、中風化2層，產(chǎn)狀30°∠25°，其材料物理力學參數(shù)見表1。

表1　材料物理力學參數(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，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。

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