某水電站邊坡降雨入滲力學(xué)特性及穩(wěn)定性分析

徐 俊

（江蘇省江都水利工程管理處，江蘇 揚(yáng)州 225200）

工程勘察

某水電站邊坡降雨入滲力學(xué)特性及穩(wěn)定性分析

徐 俊

（江蘇省江都水利工程管理處，江蘇 揚(yáng)州 225200）

降雨對(duì)邊坡穩(wěn)定性及其失穩(wěn)破壞有著重要影響，基于某水電站的工程地質(zhì)參數(shù)，建立有限元模型，通過(guò)Abaqus對(duì)雨水入滲的瞬態(tài)滲流對(duì)邊坡力學(xué)特性的影響進(jìn)行建模與計(jì)算，認(rèn)為靜水壓力隨深度線性增加，建立CPE4P網(wǎng)格進(jìn)行計(jì)算，對(duì)其滲透率、孔壓、橫縱向位移、偏應(yīng)力、塑性應(yīng)變及應(yīng)力路徑等作了分析，得出一系列降雨入滲作用下應(yīng)力、應(yīng)變及穩(wěn)定性相關(guān)結(jié)論。

降雨；滲流；ABAQUS；失穩(wěn)；邊坡；塑性區(qū)

某水電站壩址處降雨頻發(fā)，降雨對(duì)水電站邊坡的穩(wěn)定性造成了嚴(yán)重影響，土體的抗剪強(qiáng)度等力學(xué)參數(shù)會(huì)隨著降雨的作用而降低［1］，空隙水的壓力會(huì)隨著地下水位的抬高而升高［2-3］，進(jìn)而造成穩(wěn)定性的下降［4］。除此之外，高強(qiáng)度、長(zhǎng)時(shí)間的降雨會(huì)導(dǎo)致暫態(tài)飽和區(qū)的出現(xiàn)，以此導(dǎo)致空隙水壓力的升高?；诖?，有必要對(duì)雨水入滲情況下瞬態(tài)滲流影響下的邊坡應(yīng)力、應(yīng)變等力學(xué)特性進(jìn)行研究。

降雨入滲作為—種典型的非飽和流固耦合現(xiàn)象，目前已有較多學(xué)者對(duì)降雨入滲進(jìn)行了研究，取得了較多成果［5-10］。但研究領(lǐng)域多在降雨入滲的影響因素、滑坡、初始含水率、穩(wěn)定性等層面上，而基于多參數(shù)、多指標(biāo)的綜合分析研究較少，該文從數(shù)值模擬角度出發(fā)，土體參數(shù)取自于水電站，全面對(duì)滲透率、孔壓、橫縱向位移、偏應(yīng)力、塑性應(yīng)變及應(yīng)力路徑等進(jìn)行了分析，以此更好地為降雨入滲對(duì)邊坡的穩(wěn)定性研究作參考與支持。

1 降雨入滲計(jì)算力學(xué)原理及邊界條件

1.1 計(jì)算原理

土體材料的滲透系數(shù)與基質(zhì)吸力關(guān)系如式（1）：

式中 kw為土體飽和時(shí)的滲透系數(shù)，取5.0×10-6m/s（0.018m/h）；uw和ua為土體中的水壓力、氣壓，因坡面與大氣接觸的原因，式中取為0。aw、bw和cw為材料系

式中 Sr為飽和度；Si為殘余飽和度，取0.08；Sn為最大飽和度， 取1；as、bs和cs為材料系數(shù)， 分別取1，5.0×10-5，3.5。

值得注意的是，ABAQUS中，有效應(yīng)力的定義為σ′=σ-（χuw+（1-χ）ua），χ取為飽和度Sr，將ua賦值為0，采用基于有效應(yīng)力的本構(gòu)關(guān)系，該本構(gòu)重點(diǎn)體現(xiàn)了基質(zhì)吸力對(duì)模型的影響，這與反映黏聚力的強(qiáng)度本構(gòu)具有較大差異。

1.2 邊界條件

降雨入滲的物理過(guò)程十分復(fù)雜，Larson與Mein研究發(fā)現(xiàn)，通過(guò)土壤允許的入滲容量fp，降雨強(qiáng)度q及水力傳導(dǎo)系kws數(shù)參數(shù)，可以揭示出降雨入滲行為。

1.2.1 當(dāng)q

地表徑流在該情況下不會(huì)發(fā)生，降雨完全入滲至邊坡，水的入滲率是不變的。

1.2.2 當(dāng)fp>q>kws

雨水在該情況下全部入滲，隨著入滲度的不斷增加，fp不斷減小，但降雨強(qiáng)度還未超過(guò)允許容量，因此，入滲率并不會(huì)出現(xiàn)降低的情況，其仍具有較高的數(shù)值。該情況時(shí)，坡面為流量邊界。

1.2.3 當(dāng)q>fp

降雨強(qiáng)度已超過(guò)土壤入滲容量，會(huì)出現(xiàn)部分降雨不入滲，而形成地表徑流的情況。該情況中，坡面上的土體為飽和狀態(tài)的土體，當(dāng)達(dá)到入滲容量后，降雨將不斷下降。

本文考慮fp>q>kws情況，降雨邊界函數(shù)用降雨強(qiáng)度（單位流通量）來(lái)表示，同時(shí)，不考慮地表積水的情況，使分析區(qū)域頂面均受到降雨作用，其設(shè)置入滲強(qiáng)度和持續(xù)時(shí)間分別為20mm/h，66h。數(shù)，文中分別取1000，0.01，1.7。

飽和度隨基質(zhì)吸力的關(guān)系如式（2）：

2 降雨入滲模型的建立與求解

本文所建立的邊坡模型即來(lái)自該水電站邊坡，降雨入滲的模型參數(shù)來(lái)自于某水電站土體的實(shí)測(cè)參數(shù)，為了便于研究，將其簡(jiǎn)化成理想邊坡，該邊坡（坡角40°，坡高30m）力學(xué)參數(shù)如表1。

表1 水電站土體參數(shù)

基于降雨入滲計(jì)算力學(xué)原理及邊界條件的選擇，進(jìn)行有限元模型的建立，所建立的有限元模型如圖1。其element type選擇為CPE4P，滲透系數(shù)隨飽和度及基質(zhì)吸力隨飽和度的變化可根據(jù)式（1）和式（2）得到。

圖1 有限元網(wǎng)格模型

其中，利用distribution定義孔壓邊界條件，在左、右兩側(cè)水位以下的邊界上設(shè)置隨深度線性增加的靜水壓力孔，按照式（3）進(jìn)行設(shè)置。

式中 p為靜水孔壓力（Pa）；Y為深度（m）。

分析步長(zhǎng)時(shí)間為72h，以0.1作為初始時(shí)間增量步，將孔壓設(shè)定為沿深度線性關(guān)系增加，降雨強(qiáng)度的時(shí)程賦值曲線Amp-1如表2。

表2 時(shí)間和幅值大小關(guān)系

對(duì)研究坡頂區(qū)域的降雨入滲邊界條件進(jìn)行設(shè)置，嵌入有效應(yīng)力有限元文件，即可進(jìn)行該模型的降雨入滲有限元分析。

3 降雨入滲后的結(jié)果分析

在降雨入滲發(fā)生后，46，72h的孔壓等值線云圖如圖2、圖3。由圖可知，孔壓的分布云圖與初始狀態(tài)發(fā)生顯著差異，在坡頂部范圍以下的吸力區(qū)發(fā)生范圍減小的現(xiàn)象，基質(zhì)吸力參數(shù)較初始狀態(tài)減小，隨著降雨時(shí)間的增加，法向狀態(tài)延長(zhǎng)，飽和度也隨之增大，孔隙水壓力參數(shù)也隨之增大。

圖2 降雨46h后孔壓云圖

圖3 降雨72h后孔壓云圖

隨著降雨時(shí)間的增加，淺層土體的基質(zhì)吸力不斷減小甚至消失。而隨著降雨減少直至停止，在時(shí)間不斷延長(zhǎng)的情況下，飽和度出現(xiàn)逐漸減小的情況，孔隙水壓力也隨之逐漸減小，土體淺層的基質(zhì)吸力出現(xiàn)逐漸增加的情況。

降雨發(fā)生72h后的水平位移及沉降的等值線云圖如圖4與圖5。由此可知，發(fā)生在坡腳的最大水平位移是9.55mm，邊坡的中部發(fā)生最大沉降現(xiàn)象，沉降位移是4.06mm。由于初始設(shè)置的分布條件，導(dǎo)致坡頂沒(méi)有出現(xiàn)最大抗降。

圖4 降雨72h后的水平位移

圖5 降雨72h后的沉陷

對(duì)坡頂進(jìn)行單獨(dú)分析，當(dāng)降雨入滲發(fā)生后，吸力出現(xiàn)降低情況，孔壓出現(xiàn)增加情況，有效應(yīng)力出現(xiàn)減小情況，發(fā)生了卸裁回彈現(xiàn)象。除此之外，降雨入滲不斷持續(xù)，使得土體容重和含水率增加，進(jìn)而使得沉降和應(yīng)力均出現(xiàn)增加現(xiàn)象。

降雨72h后的位移矢量如圖6?？梢钥闯?，降雨入滲發(fā)生后，邊坡出現(xiàn)明顯滑動(dòng)變形趨勢(shì)，由此可知，邊坡穩(wěn)定性逐漸變低。

圖6 降雨72h后的位移矢量

降雨入滲23h及72h后的等效塑性應(yīng)變?cè)茍D如圖7和圖8?？梢钥闯?，坡腳淺層由于降雨入滲作用首先出現(xiàn)塑性區(qū)，且塑性區(qū)沿坡面會(huì)不斷地向上擴(kuò)展。

圖7 降雨入滲23h的等效塑性應(yīng)變

圖8 降雨入滲72h的等效塑性應(yīng)變

選取塑性區(qū)中心點(diǎn)，等效塑性應(yīng)變時(shí)程曲線如圖9。可以看出，當(dāng)t＝20h時(shí)，塑性區(qū)出現(xiàn)在坡腳，隨后降雨入滲時(shí)間的快速增加，當(dāng)時(shí)間增加到50h后，降雨情況開(kāi)始減小，此后，塑性區(qū)便不再向后擴(kuò)展，等效塑性應(yīng)變隨之也不再增加，保持穩(wěn)定不變。

圖9 塑性中心單元等效塑性應(yīng)變時(shí)程

利用ABAQUS提供的combine函數(shù)，繪出塑性區(qū)中心點(diǎn)和非塑性區(qū)中心點(diǎn)的有效應(yīng)力路徑如圖10和圖11。

圖10 塑性中心單元有效應(yīng)力路徑曲線

圖11 非塑性區(qū)單元有效應(yīng)力路徑曲線

由圖10和圖11可知，塑性中心單元和非塑性區(qū)中心單元的有效應(yīng)力路徑明顯出現(xiàn)了不同的力學(xué)特征，對(duì)于出現(xiàn)在坡腳的塑性中心單元，如圖10，由于降雨入滲，孔壓開(kāi)始增加，有效平均應(yīng)力出現(xiàn)減小的情況，而減小到一定閾值后，有效應(yīng)力路徑表現(xiàn)出屈服現(xiàn)象，其處于屈服面位置，此時(shí)，應(yīng)力路徑向左下方逐漸下移，其沿著摩爾庫(kù)侖強(qiáng)度包線形成的屈服面朝左下方移動(dòng)，當(dāng)降雨量減小后，移動(dòng)停止，此時(shí)，吸力開(kāi)始增加，孔壓開(kāi)始減小，在有效應(yīng)力開(kāi)始增大后，起逐漸遠(yuǎn)離屈服面。

而對(duì)于非塑性單元，如圖11，其處于土方內(nèi)部，上方的單元吸水后容重增加，導(dǎo)致塑性區(qū)單元的平均有效應(yīng)力和偏應(yīng)力都是增加的，直至降雨的后期，接近降雨結(jié)束時(shí)平均有效應(yīng)力和偏應(yīng)力都有所下降，即降雨入滲作用下主要是邊坡淺層可能會(huì)出現(xiàn)失穩(wěn)現(xiàn)象，該區(qū)域具有較高的失穩(wěn)傾向性。

4 結(jié)語(yǔ)

基于某水電站邊坡的力學(xué)參數(shù)，通過(guò)ABAQUS對(duì)邊坡降雨入滲現(xiàn)象進(jìn)行了非飽和流固耦合分析，得出在降雨入滲的作用下，位移矢量圖表明，邊坡有明顯的滑動(dòng)變形的趨勢(shì)，邊坡穩(wěn)定性由此逐漸降低，坡腳淺層會(huì)首先出現(xiàn)塑性區(qū)，并沿著坡面不斷向上擴(kuò)展，塑性點(diǎn)和非塑性點(diǎn)的有效應(yīng)力路徑表現(xiàn)出了不同的特征。

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（責(zé)任編輯：尹健婷）

The numerical simulation of rainfall infiltration in slope on stress strain and stability characteristics in a hydropower station

XU Jun
（Jiangdu Water Conservancy Project Management Office， Yangzhou 225200，China）

The rainfall will affect the mechanical parameters of soil， based on Abaqus， the stress and strain of slope on rainwater infiltration effect is studied.An ideal slope is regarded as a case for modeling and calculation without considering the effect of rainfall water， and the hydro-static pressure increases linearly with depth， the CPE4P grid is established to calculated.The permeability， pore pressure， horizontal and vertical displacement， deviatoric stress， plastic strain and stress path are analyzed on post-processing，the instability phenomenon may appear on the shallow slope because of the effect of rainfall infiltration.

rainfall； seepage； ABAQUS； instability； slope； plastic zone

TU457

B

1672-9900（2017）03-0001-04

2017-04-21

徐 ?。?988-），男（漢族），江蘇揚(yáng)州人，本科，主要從事邊坡穩(wěn)定性方面的研究，（Tel）13813151027。