（水利水电工程专业论文）降雨入渗对江西典型自然边坡稳定影响的实例研究.pdf

摘要 摘要 致题磁位子长江以枣，疆多露地区。疆季山体滑坡频繁，自然边坡滑坡占相 当大的比熏，造成的灾害亦相当严重。因此对降尉入渗条件下自然边坡稳定性的 觋究裁显褥非常必要。本文就以下方蕊做了一些工作； ( 1 ) 从辽西错降薅总体特征、暴雨特征、降雨区划、大暴雨时空分布特征、 暴薅巾心典型雨型统计方颟对江强省降雨特性进行了分析。 ( 2 ) 从地形地貌、涝坡发育坡度方武对江西自然边坡几何特性进行了分析； 从地质构造、岩土体组成、岩土体分布特征方面对江西自然边坡耢土体特性进行 了分析；对江两省自然边坡失稳的影响因索进行了分析；对江西自然边坡失稳的 基本特点进行了总结；对江珏自然边坡失稳与降陌的关系进行了统计分析。 ( 3 ) 在介绍舆型滑坡何家洞滑坡的地质环境、滑坡体特征的基础上，对滑 坡体物理力学参数进行统计分析，对其影响因素进行分析。 ( 4 ) 对何家洞滑坡在降雨条件下的饱和非饱和渗流场进行了分析，对降雨 条件下的边坡稳定性进行了分析。在介绍可靠度分析原理的纂础上，对边坡的可 靠度进行了分析；对士体容重、有效粘聚力和有效内摩擦角进行了参数敏感住分 析。 关键词：降雨入渗；江西；自然边坡；饱和菲饱和渗流；士城稳定 a b s t r a c t a b s l l 譬e t j i 蹦黔ip r o 妇l c ci sl o c a l e di t h e u t ho ft h e 胁g l z e 撕v i tb e l 锄彗s 埝a w e t t e rr e g i o n 。l 衄d 蛆i d e si s 缸q u e n t 主n 糟遮ys e a s ( 掇，n a 翔糟ls l o 辫l 黻撼s l i 函嚣粼朔n t f o r a f a 姒y l a f 辫牟珏斛i o 嚣，t 轴d i s a g 绝f o f l a 露奈l i & s 主s 菇s o v e r y s c 啦惜s o i i s v e f y 矗e s s a 蹿埝咖努船瓤破u 髓s l o p cs t a b i l i f yu n d c ft h er a i n 蹦l 蜥l t 糟t i o nc o n d i f i o n s 融t 量l i s p a p c r i h a v e d o n e s o m e w o r k i n t h e f o n o w i n 晷 ( 1 ) 胁mt h c 腼n f a l lo v e m l lc h 锄c e r i s l i c so fj i 卸黔ip r o v i n c c ，t h er a i n s t o 抛 c h 嬲l c t 洲s t i c s ，r 删d i v i s i o n s ，t c m p o 糟l 粕ds p a t i a ld i s t r i b u t i o 珏o fh e a v yf a i 芏l a t y p i c a lr a i nt y p es 协t i s t i c so fs t o r mc e n b e f8 s p 。d s 嘣薤蹦l 曲翦 娃蘸鲥c s 艇j i 褥萨i w e f e8 n a l 孓z e d 。 织 歉。搬如e 嘲p o 酗y ，s l o 弦l a n 豳l i 如酾c l o p m 翎t a l ，藕a t 毛l r a ls l o p eg c o m e t r i c 埔a f a 蹴西髓溉o ft h e 矗a i l 酗iw e r c 姐a l y z e d ；f r o mt h e g e o l o 酉c a ls 劬c t u r c ， g e 0 锹汹i c a 王b o d y m p i t i o n ，d i s t r i b 砸o no ft h en a t u r a ls 1 0 p eg e o t 融l n i c a l 喇婶c 峨 t h ec h a r a c t e r i s t i c so fg e o t e c l l n i c a l0 fj i a n 豁jn a t u r a ls l o p ew e r ea n a l y z e d t h e 蛔p a 娃 如呶瞄o fj i a n g 巅n a t u r a ls l o p ei n s t a b i l i t y 毗f e 粕a l y z e d ；l h eb a s i c 妫a f a 娃e 五s l i 璐o f j i 螂i 啦a _ t u l a ls l o 】p e 妇s i a _ b i l i 玲w e 站秘热礴妇d ；l 抟l 越泌憋h 冷鞔翩陀铭瑚潞疆王l a n dj 量毪鑫g x i 鑫a 主n 摧ls l o p ei a s 妇城主t yw 娌【es 纽娃s t 主c 畦i y8 n a 重y z c d ( 3 0 髓t l 埒b a s i so f 酗锄d i | 确唱g e o l o g i c a lc n v i r 彻匝e m ，t l l cl 粕d s h d e c h 鞭积鲥s t i c so ft y p i c a lk m d s l i d e t h eh c j i a d o n gi 嬲d s l i d e ，t h cp h y s i c a la n d m e ：h a l l i c a lp a r a m c t e r so fw e r es t a t i s t i c a l l ya n a l y z e d a i l di t s 矾u e n c i n gf a d o f sw e r e 柚a l y z c l d ( 4 ) 1 飘e 鼬r a t i o n - u 蝴n 珊t e ds e c p 8 移e l d 西 坶轴曲醒l 辐蠡l 自如麟珏惫珏 c d 矗d i t i o 璐w 勰嬲a 薹y z 峨攮cs l o 辨s 豳泌y 毽蟠e f 氆ec d n d 弼。潞o f 蹦n 黼1w a s a 矗鑫l y z e d 蟠t 如b a s i so f i n 拍翻凼g 娃把砸n c i p l eo f f e l i a 隧i t y 粕a l y s i s ，t h er e l i a b 豇i i y o fs l o p cw 蹒a n 酊y z c d ，t h ep a 啪e t 盱s e 鹪i t i v i t yo f i lb u l l ( d e n s i t y e f f ；c 埘i v e h 两糊de f f e 丽v ei n t c m a l 衔c t i 柚廖e 晡懈a n a l y z c d k e y w o r d ：r a i 触mi n f i l t r a t i o n ；j i 触擎i ；n a f u r a ls l 咿；s a t q 蹦i 醮一翻s a 嗽叠l 礤 s e c p a g e ；s l o p es 协b i l i t y h 学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本入在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 链人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获德走昌文学或其链教育机 构的学位或诚书而使用过的材料。与我闫工作的同志对本研究所做的任何赁献 均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名( 手写) ：歹知；孳签字日期： 弦9 年膳月却日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解遵昌态鬟有关保留、使用学位论文的规定，有权 傈窝并向国家有关部门或机构送交论文豹复印侔郛磁盘，允许论文被查阕和借 阅。本人授权遵昌盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可l ；盂采用影印、缩印或扫描等复制葶段保存、汇编本学位论文。同时授权中 国科学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通 过网络向社会公众提供信悫服务。 ( 保密的学位论文在解密厝适用本授权书) 学位论文作者签名( 手写) ：多名磅 签字疆期：埘年绣秀多 匿 导师签名( 手写) ：) 签字蹶印年t 咱爿日 绻 第1 章绻论 第l 章绪论 1 1 问题的提出 巍嚣省位子长江以摩，全省多年平均降露量约1 5 7 0 玎a m ，羼多煎地区，雨季山体滑 坡频繁，墨绘人愍生愈财产造成熏大损失。江殛是地成灾害易发、多发且危害比较严莛 黝省份之。全省地质灾害易发区短积7 3 4 万k m 2 ，次易发区面积5 6 7 万k m 2 ，分别占 全省豳土强积的4 4 期3 4 。大羹的调查结果表明，江西省滑坡主要分布在第四系粘性 土分布区，且汛期降水时间长、强度大，地质灾害频繁发嫩。按江西省1 5 0 万环境地质 调查和已完成的修水、浮粱、贵溪、上饶、袁州、资溪、永丰、定南等3 2 个县市地质灾 害调查与区划( 占总矮数的1 3 ) ，及全省汛期地质灾辔应急调查等资料的不完全统计， 全省已发现滑坡6 8 8 7 处，泥石流2 6 0 处，因灾死亡5 2 4 入，受伤4 6 0 入，已毁房屋1 6 6 1 5 闻，经济损失3 8 1 2 6 7 2 万元；滑坡隐患点稻8 0 处，泥石流隐患点2 1 2 处，正威胁8 5 7 汐 入、4 5 7 1 4 万元财产的安全1 1 一，觅表1 1 1 和表1 1 2 。 在我省的滑坡事故中，雨季自然边坡淆坡占耩当大的蹴重，造成的灾害亦相当严繁。 两时阿阻看至受灾严藿的多数是由区，当缝缀济藩螽，入稚垒活承平低，缝壤灾蒜已影 响当地入氏鹩正常生活帮篪贫，蔟至危及部分乡镶、学校_ 裙一些蘩要设施豹安全，徽好 滑坡灾害貉洽工体是囊邈人民戆遗甥装求_ 移期望日。 瓣魏对辫甭入渗条终下自然边坡稳定性豹研究裁照缛非索必要，但终雨与边坡稳定 豹关系极其复杂，受诸多逸素豹影响，如降聪强度、姆薅历时、聪型、前期雨量、边坡 豹地形地貔翻边坡的翘始条件等等，蹦内钋对其棚关枧理研究均不成熟m 。 袭1 1 1 江疆省已发现地质灾害统计表 i 璜露滑缓( 处) 溅石溅( 憝)点慧诗( 链) 死亡( 威胁)经济损失 l 人数 ( 万元) i 己教现琏灾 6 8 8 72 6 9 7 1 4 75 2 43 8 1 2 7 l 仍潜在隐患 4 8 8 02 1 25 0 9 2( 8 5 7 0 9 )( 4 5 7 1 4 ) 发1 1 0 江西省滑坡、泥石流灾尝损失统计表 经济损失 经济损失 年份死亡( 大)年傍 髭亡( 人) ( 万元) ( 万元) 1 9 粥年瞎静 2 1 63 3 1 1 姆 1 9 9 743 2 7 3 ，5 4 1 9 9 001 8 2 4 3 1 9 9 81 4 91 4 4 5 2 8 1 9 9 l l8 3 4 81 9 9 9l o1 7 8 1 2 9 1 9 9 21 21 2 9 8 9 02 0 0 0 93 1 3 5 8 1 9 9 32 72 4 1 0 9 52 0 0 123 2 3 6 5 1 9 9 473 0 7 4 82 2 躬2 5 7 4 2 4 1 9 9 52 36 0 5 8 0 32 0 0 35 1 4 4 6 1 9 9 61 61 6 1 0 0 6 合计 5 2 43 8 1 2 6 7 2 第l 章绪论 1 2 国内外研究现状 考虑降雨入渗对边坡稳定性的影响，应从廷方嚣去耢究。一是熬鳄爽实蠢效静模豁 降雨条件下的饱和一非饱和渗流场； 二是如倪搀降薅过稷中渗滚场黪变纯终为一重要因 素纳入边坡稳定性研究的问题中去。 1 0 1 降鬻条件下静饱鞫一 # 饱翻渗流计算 降雨入渗问题其实是一种非稳定饱和非饱和渗流问题，要进行边坡的降雨过程稳定 性分析，箕重要途径之一即是首壳着手边坡降雨入渗条件下的渗流场研究。随着电予计 算梳技术的发展与普及，正程渗流问题的分析方法也得到了很大发展。以往用数值法分 析渗流褥题，一般是 冀自由水面为边界，在饱和区内进行计算研究，但这种分析方法在 计算的每个蟊于段都簧试求自由水面边界，过程比较繁琐，而且也没有考虑非饱和区的孔 陈承篷力敬况，因诧不能全面真实缝爱硖地下永的渗流动态。为i l ：，豳外从7 0 年代开始 考虑菲饱和嚣域静流动，郢把施和区与j # 饱和区藕合在一起进行攘体分析，压力水头在 饱和区为委，耨在；# 瓷和嚣为受蘧，零压力磷就楚自由永面。这样计算城内不再有自由 水瑟边器，使褥计算篱纯，程序处理氇沈较容易l 科毽。 h 罐秘跏d l 珏n 截1 9 8 帮h l 辩饱和一 # 施和士渗流闷题佟了较完整的论述。把菲饱和土 壤水运动理论与； 键和辫结理论糨臻合，得到了符合岩主i 程鄢使用习惯的饱和一菲 饱和渗淡控剃方程，势运嬲二维有限霜方法对复杂遮下承流动系统盼九个皙态渗流实例 阅题进露了数馕模拟。 国沟近十足年来在这秀瑟瞧舞震7 缀多工作。李信( 1 蚴梦1 2 l 等寂焉翻辽金奔限元法对 三缨饱和一a # 饱和土渗渡闫题遴孬钞努研究，分缁了数篷方法释圭要计算公式，给出了 典型算例的计算结果，磐与兹人黔试验资料进孬比较。该辑究藏聚表明，在遴行渗流分 拆时，该方法比只在饱和区内逖孬饱鄹渗滚分辑更接邋实际。另外，将键霜嚣与 # 锪鞠 区耦舍在一起分橱弧以避开难以处理的自由本疆边界阏躯，医薅锼水俊秀降、降藤窝蒸 发等引起的饱和一非饱和渗流问题褥动较好的鳃决。 李爱兵( 1 9 9 4 ) 【”悃边界元法对边坡中的地下水渗滚进行了分板。张家发( 1 9 9 乃f 1 4 1 5 j 对 商边坡山体饱和与非饱和渗流场作了有限元分板。 马博恒( 1 9 9 叫1 6 】对露天开采边坡渗流实例进行有限元分柝。吴梦喜、离莲士( 1 9 9 9 ) 1 1 母 对饱和一非饱和士体非稳定渗流作了数值分析，对一般的非饱秘渗流鸯艰元计算方法加 以改进，以消除非饱和渗流数值计算存在的数值弥敷现象。同时还提出了釉逸如嚣处 理新方法，并给出了非饱和非稳定渗流计算的实例 邵龙潭，王助贫( 2 0 0 0 ) 1 1 9 刎等采用孔隙介质力学分析方法，把土体骨架、孔隙水和强 隙气分别作为独虚的研究对象，结合孔隙水和孔隙气在气波交界面上潢足的力学条件建 立耦含方程，求解非饱和土中孔隙水的入渗和孔隙气体的排出过程。并对标准砂进行了 一维有压水流入渗的试骏和计算。 2 第1 章绪论 朱文彬、刘宝深f 2 2 ) 1 2 1 】等利用饱和一非饱和的渗流理论，并运用有限元法和有限 熬分法对公路边坡在黪薅过程中的渗流规律进行了一个实例分析，模拟了雨水在士坡中 豹渗漉过程。 苏立群，吴海真蹲( 2 0 0 6 ) 阎在采用土体孔隙水压力描述非饱和土渗透特性的纂础上， 对某土坝模型进行了饱和。非饱和渗流计算，并应用于降雨入渗条件下土坝边坡稳定分 析，表明对于地下水位较深或可能出现浅层滑坡的情况，采用非饱和土强度理论得出的 计算成果较为符合工程实际。 吴海真等( 2 0 0 6 ) 【2 3 l 对饱和非饱和渗流作用下的岩石高边坡降雨过程稳定性进行了研 究，表明采用实际可能降雨特征时，边坡的最小安全系数发生在雨盾一定时间内，冀多 数自然边坡在雨艏一段时间产生滑动失稳的实际情况相吻合；并指出在模拟因降雨入渗 引发边坡失稳过程时，应优先采用实际可能降雨强度和雨堑。 1 2 2 降鞭条件下的坡稳定分析 诲多滑坡事放都与酶藜鸯着密切懿关系，困她，考虑降隧影响的土坡稳定性预测预 擐是令怎德解决懿复杂工稷目题。近些年来，壤内处农这方面傲了很多研究。 蠢手香港地区处手金风较多躲区域，驿藤弓l 发浸坡的阅题比较严重，相应地，褡港 在这方瑟研究豹力度也比较大，缄此也取褥了较多较好的成烘。 砧o n s o ( 1 9 9 5 ) f 矧针对香港的愤况进行了土坡= 维非饱和渗流和极限平衡法的联仑分 耩，渗流分攒中采用了考虑空气压力变化的旗舍型控制方程。考虑的影响因索包括土的 类型、降雨撩时、降褥强度、水分保持曲线的形状和土的渗透性等。 轴m b ( 1 9 9 9 ) 【2 5 1 通过研究香港地区降雨和滑坡的关系，提出了一种简单的一维垂赢入 渗模型，并根据抗剪强度与饱和度的经验关系来研究地质条件和降雨特征对边坡稳定性 的影响。但是在该文的研究中未考虑水平渗流分鼍的影响，艇假定导水率k 和扩散度d 均为常量，这些假定与实际情况涟别较大。 。 n 甙1 9 9 8 ) 嘲，吴宏伟( 1 9 9 9 ) l 冽等针对香港地区一种典堑j # 饱和土斜坡，用有限元法模 拟雨水入渗引起的暂态渗流场，然后将计算得到的暂态孔隙水压力分布厢予斜坡的极限 平衡分析。研究了降雨特征、水文她质条件及坡面防渗处理等因素对暂态渗流场和迓玻 稳定性的影响。但是该文在研究中没有考虑雨水入渗随着土壤入渗髓力的交亿丽交纯静 特往，而只楚把入渗量按降雨量的一定眈俪降低来大致确定。 加拿大学者f r e d l u n d 在非饱和士的研究方甏做了较多蠡备工俸。辩丽l u 醛留刎运媚有 限元法模拟暂态渗流过稷，并对逑玻静稳定性遴行了参数研究。考虑静主要因素是降霉 强度和的类型。结采表明较高降雨强度雩| 起边缓安全系数曩薯降低，渗透系数对安全 系数彩响较小，罄屡稷力在边缓稳定性串起着举足辍重豹终用。但楚该文在磅究中没有 考虑危险淆移蟊的位置受降搿影稍发生变化懿帻凝。 近年来，国杰对烽雨条佟下豹边坡稳定的研究开始壤多。陈絮义( 1 9 9 7 ) 唧j 提出了考虑 3 第1 章绪论 入渗和蒸发影响的土皱稳定性分析方法，通过筱定斜坡非饱和士体的水分运动参数及抗 剪强度参数与饱和度的依赖关系均可由实验或经验确定，采用数值方法求解任意给定的 入渗和蒸发边界条件下斜坡士体的瞬态含水率分布及与其相对应的瞬态抗剪强度参数分 布，在此基础上通过常艘的稳定性分柝方法求褥瞬态的斜坡安全系数。 李兆平( 2 1 ) c 3 1 3 2 l 以壤体系含水率作为控铡变量，废用菲绲帮承分运动篓本理论 建立了降雨入渗过程中主体瞬态含水率蠡冬计算模鳌，采爝菲饱和土强发璞论帮极限平衡 方法，褥出了可戳考虑基质吸力影响豹边坡安全系数计算公式，最后通过具体的算例， 讨论了降雨入渗对土质边坡稳定性的影响。但在对渗流场进行模拟时，采用的怒一维囊 直入渗模型，没有考虑水平方向的影响。 姚海林犯0 0 2 ) 【3 3 赡专门针对非饱和膨胀边坡在考虑暂态锪积一非饱积渗滤的情提 下避褥了参数磷究，在秘究中蓑重考虑了裂隙对边坡中魏踩水联力和体积含农量分农瓣 影镌，认为慰予彩胀磊言，渗透系数越低，越应注意裂陈静作用。 汪自力( 2 拜勰l 等在饱和一菲饱和渗流不动两格有限元计算的蒸础上，寻求篇土体单 元所受的渗透力代替其周边的孔隙水眶力，以达到利用渗流计算时的割分网格和计算缩 果，赢接连续进行渗流作用下的边坡稳定分析的目的。但在对非饱和土骨架遴行爱力 分析时，仍然沿用了饱和的概念。 1 3 本文的主要工作 针对上述两节提出的问题，本文就以下几个方丽做了一些研究： ( 1 ) 从江鳆省降霹总体特征，暴蕊特征、赚藤区划、大暴弼对空分穆特征，暴薅中 心典型藤跫统计方蘧对江疆嚣隆薅特性进行了分析。 ( 2 ) 麸琏形蟪貌、漕坡发育坡度方甏对江西自然迭城尼何特往进行了分析；苁维质 构造、岩体组成、者i 体分布特征方面对江西自然边坡岩士体特性迸行了分析；时江 西省自然边坡失稳的影响因素进行了分析；对江洒自然边坡失稳的基本特点进行了总结； 对江西自然边坡失稳与降雨的关系进行了统计分析。 ( 3 ) 在食缨典型潺坡何家洞滑坡的地质环境、滑坡体憋征的基破上，慰潺坡体物 理力学参数遴纾统计分辑，对其影响因素进符分橱。 ( 4 对秘家溺滑坡在降雨条件下的维和，；# 饱和渗流汤迸行了分拼，对释雨条件下 的边玻稳定住进行了分析。在介绍可靠度分祈原理的基础上，对边坡的可靠度进行了分 析；对土体容重、有效粘聚力和有效内摩擦角进行了参数敏感性分析。 4 第2 章降陌条件下的饱和j # 饱和渗流分析和稳定分析基奉理论 第2 章降两条件下的饱和非饱和渗流分析和稳定分析基本理论 2 1 非饱和渗流基本理论 2 1 。l 水势璞论【1 们 士零势是衡量支孛水鹾建静指标，是在土帮水豹平囊系统孛，单挝数量豹水在憾湿 条件下，移动刭参照状提豹纯自由水体所能做的功。参照状况一般使用标准状态，即在 大气压下，与土中的水具有棚同温度的情况下( 或某一特定温度下) ，以及在巢一尉定高度 的假想纯自由水体。在饱和带中，土水势大予参照状态的水势；在非饱和带中、地下水 受毛细作用和吸附力的限制，土水势低予参照状态的水势。 i 水势由若干分势组成，包括重力势、压力势、基质势、溶质势、荷载势等。医茈， 土水势可写成l 鬟下袭达式： 妒= 妒f + 妒p + + 妒，+ 妒o ( 2 1 。王) 式中；妒势瘩势，帮士串窳豹总势能；致为重力势；妒，为疆力势；缈。为基质势； 热建溶爱势；妒。必 枣藏势。 ( 1 ) 踅力势 重力势是黧力场对水的作用引起的，指相对于基准面的单位重量的水所具有的麓力 势能妒。具有长度单位，一般称为水头、重力水头、位置水头，它仅与计算点和参照基 准面的相对位簧有关，与岩性条件无关。例如：在基准面以上z 商度的重力势妒。= z ； 反之，在蘩准面以下z 高度时，重力势妒。= 一z 。 ( 2 ) 莲鸯势 基力势是幽静承压力掰粤| 起敷，产生在瀵零位以下熟饱和体中，压力势的太小可 以薅愿力水头袭示，即妒，= h 。压力势也寅称为“淹没势”、“水头势”或“水压势”的。在自 由水磷以上的j # 饱和土体中，压力势为零。 ( 3 ) 基质势 基质势是由固体颗粒基质与水之间相互作用弓f 起的，可以理解为j # 饱和土的一种吸 水能力，或者说是种负压力势，参考状态以自由水为标准。固体颗粒基质对士中水分 碾持的杌理十分复杂，可概括为吸附作稍和毛管作用。萃位数量静土中水分由律魄藕主 串嚣一点移至标准参考状态，除了露俸鬏粒蒸震作用外其它备瑗维持不变，燹| j 士中农黪 徽懿功郓麓该点豹纂震势。为了反抗露体颗粒基矮豹吸持终用必缀对中水徽功，以实 璁上述移动，因此艨擞戆功实隧是负值。由此可知非饱和的基质势永远为负值，丽饱 和蘩质势恒为零。 ( 4 ) 溶质势 溶质势是土壤溶液中所有形式的溶质对士中水分综合作用的绪果。由于参考状态疑 第2 章降雨条件下的饱和非饱和渗流分析和稳定分析基本理论 以不含有溶质的纯水作为标准的，当土中任一点的水分禽有溶质时，该点水分便具蠢一 定的溶质势。单位数量的土中水分从中一点移动至4 标准参考状态时，其它各项维持不 变，仪由于壤溶液孛溶襞的作蹋蕊侵主中承掰做翡妨邵为该点静溶质势。i 壤水溶液 串的溶质对水分子有吸葶l 力，实施上述移动时必须克服这种吸持作用对士中水做功，因 此溶质势也为负值。 ( 5 ) 苟载势 芬载势是由外攘祷载或的鑫耋雩| 起豹。体在舞如荷载线自重作用下，土颡粒将 发生移动，使孔陈永产生附加孔隙水压力，这种压力就是荷载势。它相当予欠固结饱和 土体的自重眶力及正常固结土在荷载作用下引起的超静孔隙水暇力。 土水势的五个分势东实骣阀题中并不是艮等藿舞，溶矮势释萄载势遴常可以不考虑。 在绝震体中，地下水兵有的总士东势包括重力势和疆力势，为正值。若将总土水势以 总水头表示，可写作：矗- ：+ 恕。在非饱和i 体中，当饱和度小予某一数值后，就不存 在压力势和荷载势，此时总土水势由重力势和基质势组成。即：妒- z 。装憋妒。以 负压力水头趣( 恕t o ) 表承，则可写成矗- z + 趣相溺形式。这样摆当予将两者统一起来， 对予分析饱稻一j # 饱耱流动十分方便有利。藏时一般称基质势为负压势，或统称为蕊力 水头。 2 。1 2 运动方程 ( 1 ) 饱敷土壤水滚动的达疆定律【4 l l 旱在1 8 5 6 年，法国水利工程缔选西透过饱稀沙层的渗透试验，得出了遂煮碍( 单位 时闯内通_ 过单位面积土壤的永蠹) 或者说渗透流速，和水力梯度成正比的呻定律： 鼋_ ，蛳膏9 | ( 2 。1 2 ) 式中，”表示水沿水头黪低躲方囱滤动； h 一慧承头势或总农头矗- ；+ 趣，：代表该点的位置势，趣代表该点的压力势； 屯介质饱和渗透系数，对予特定的饱和士来说，通常取为常数； ，流体在介质中的流速； 珊一水力梯度。 ( 2 ) # 键和土壤水流动的d a f c y 定律弘1 4 2 l 一般认为，适用予饱和水流动的功瞄y 定律在很多情况下也适用于非饱和土壤水分 的流动。最早将d 醐拶定律弓l 入非饱和土壤水流动的是r i c h a 豳。非饱和壤水瀵动的 d a 聪y 定律可袭承为 牙一，一轧( 疗) 审壳 ( 2 1 3 ) 表示为张置形式： ，嘞( 8 ) 要 ( 2 “) 5 蘩2 鬟降麓条件下的堪和j # 饱和渗流分析和稳定分析基本理论 综t ，可将饱稻菲饱秘渗流的达谮定律统一表示蔻 h 。嘞善 泣”， 其中：相对乎媳鞠渗透系数的比值，o 颤s 1 ；磺和时的渗透系数张爨。 式( 2 。1 3 ) 与表示饱和土壤水溅动的d a r c y 定律的表达式( 2 1 2 ) 形式相同，但其土水势 和导水率却有不同的含义和特点。 首先，由上节土水势理论可知，磁的压力势和负的基质势在机理上有着本质的区羽， 但为了分析问蹶的方便，常常将= 者统一起来，并且称基质势为负魇势。由于压力势在 菲饱和区为零，基旋势程饱和区为零，在馋和送每非镶稀嚣酶分界瑟主二者殇力零。因 就可戳用鬼统一表示压力势帮羞蔟势，置统称务攥力承头。这耱统一慰分辑镱秘一 # 锪 耧滚动+ 分骞剩。 其次， # 锪和土壤水滚动和饱和士壤水流动的另一重要区别在乎渗透系数。在饱和 土中，渗透系数主鼹受多孔介质礼隙比与孔隙连通性的影响，滔土壤处于饱和状态时， 全部孔隙都充满了水，因而舆有较高的导水率值，为了使问题得到简化，常常可以将渗 透系数假设为常数。非饱和土壤中部分孔隙为气体所填充，敌其导水率值低于该土壤的 饱和导水率。不仅如诧，菲饱和士壤承的渗透系数丸，一般不能按常数辩待，它同对受 到静孔陈磁帮饱藕度交纯的影溱。僵赉于j 魄和豹孔豫比交毒 二霉能较夺，它对渗透 系数静影韵在鞠嚣篱讫瓣情形下霹数忽略不计。聪饱嬲度变化豹影购则是主要因素，困 露常常垮渗透系数表达为魄靼度( s ) 或体积含水率( 或) 的单一函数。此外，因为饱和度或 含水率是引起基质吸力变化的主要因索，禽水率通常被表述为基质吸力的函数( 土- 永特征 曲线) 。因此，渗透性函数k ( 以) 也可表达为基质吸力的函数，记为k 帆一“，) 。其中，蚝 为孔隙气聪力，为孔隙水压力，o 。一“。) 定义为基质吸力。 2 1 3 连续性方程 矮量守恒燕物臻运动和炎化普遍遵循的原理，将成量守恒原理具体应用在多孔介质 中的流体流动即为连续方程。 根据质量守恒服理，非饱和士在三维非稳定渗流情况下，流入与流出单元的水鬃变 化率等于该单元内水量随时间的变化率，由此可得土壤水分运动的连续住方程为f 臻删： 一篓盟一q 煎艘 ( 2 1 6 ) 织 。 批 2 1 4 饱和菲饱和渗流控制方程 在非饱和土坡稳定分析中，当地下水埋藏较浅时，降雨和蒸发使菲饱和区壤水分 运动和饱稀区的逾下水运动踅稻联系，应将二者统一逡行 舞究，魏帮馋稻 # 魄罩羹滚动翊 越。不考虑曹黎及滚钵堰缓作用戆锪秘一j # 锪秘渗漉基本微分方程鲍建立主要依撰是： 7 第2 章降褥条转下的键耜 饱和渗淹分辑靼稳定分辑基本理论 ( 1 ) 缝下水运动静连续性方程 一掣一q 。掣 ( 2 工6 ) o 黾 o l ( 2 ) 地下水饱和- 非饱和运动方程，即d a r c v 定律 u 一一颤( 口) ；! 生 ( 2 1 5 ) 嚣f 由此可推鼹出相应的渗流基本微分方程，推导过程在许多文献都有比较详细的介绍 1 4 1 4 2 l ，在此仅给出推导的结果： 稳定流： 音| 坼魄) 誊+ 岛 魄) 卜q _ 0 ( 2 - 1 7 ) 非稳定流： 毒卜墨魄) 鲁+ 魄 卜q 一【f 魄) + 多鼓】鲁 ( 2 1 s 式( 2 1 5 砣1 8 ) 串；妒流俸静密度；卉藐黻率；矗一总承头，磊一而+ p ，r ，码 为位鬣水头，尹y 为压力水头；恕一压力水头；一锶莘珏渗透系数张量；镱秘渗 遴系数张璧中仪和第3 坐标轴有关的渗透系数俊；七，一相对透水率，为非饱和的渗透 系数与同种土饱和时的渗透系数的比值，在非饱和区o 七，1 ，在饱和区七，一1 ；c 一 比容水度，c - 警，在难压区c o ；饱和非饱和选择常数，在非饱和区等于o ， 啦 在饱和区等于1 ；只一弹性贮水率，饱和土体的s 。为一个常数，在非饱和士体中s 。硼， 当忽略土体骨架及永的聪缩谯时对于饱和醒也有只柏；q 源汇项。 求解饱和j # 饱和菲稳定渗流控翻方程( 与时间有关) 时，由于非饱和中水的渗透 系数受含水量或基蕨吸力戆控裂，不仅涟空舞交诧，还潍霹闼交纯、热之j 殇匀主菝、 复杂的边赛冬件及初始条传，因此方稳式是亳度裴线性黪。 以往在计算边坡渗流时，仅以饱和区渗流体为分析对象，丽将非饱和蹶渗流忽略不 计，这种不反映实际情况的分析方法会产生误麓，特别对非稳定渗扬，其误差更不容忽 税。饱和非饱和渗流模鍪将饱和醒和j 仁饱和区渗流统一考虑到计算中去，不仅使结果更 接近实际，两越给数篷计算带来了缀大的便秘。因为浸润面不再作为边界，毋需交动结 点秘攀元，浸澜线则是滚动区域内裂踉窳鬟力菇零黪各纛熬逑线。 2 1 5 定簿条件 边界条件和初始条件统称为定解条件。定解条彳串通常是由野外观测资料或试验确定 的，它钓对滚动逑程起凌定黢作建。求解稳定渗流方程拜孪，必需残入边界条件，求解菲 稳定渗流方程时，嚣要固时列入视始系传秘全过程的边雾条传。 8 第2 章降黼条件下的饱和，非饱和渗流分析和稳定分析基奉理论 ( 1 ) 边界条件 献播述流动的数学模型来看，边界条 牛骞下嚣三类： 第一类边界条律为绘定经势涵数或水头分毒，称承头边界条件。考虑到与时澜l 有关 系豹菲稳定渗流边器，必须在整今避程中标织边器条 孛豹变化过程，戴已知边界条秽瓤 警成： 矗lr 皇，1 0 0 y ，z ， ( 2 1 9 ) 第二类边赛条传为在边界土绘出位势函数或农头的方向导数，称流量边界条件，此 愁知选爨条传可霹为： ， 娑l f 2 。p ，热一，2 国y ，z ，) ( 2 ，l 。1 0 ) a 玎 第三类边界条件为混合边界条件，楚指含水层边界的内外水头差和交换的流纛之简 保持定的线形关系，即 + a ! 兰- 一( 2 1 1 1 ) 锄。 其中g 、骞必此类边界各点的已知数。 f p ) ，戴时干积承条件下 盼入渗率郎为雄) ，如图2 2 3 中的6 0 馥线所示，超过入渗率舫供承弼形成积永或撼表径 流。但惹，在降雨条件下，f ：戳前辩段朱这蜀较永入渗条件，阂既f ：黻后潜段黪入渗率 不是f ( f ) ，入渗过程赭线也不是务0 ，丽是阮，郯袄农淼矗，篱移至矗，实际入渗过程线为 球6 c 。 所班降蔫入渗过程胃瑷分成为两个阶段，第一除段称鸯供农控割除段，第二黔段称 为主壤入渗率控蒂l 阶段。两个酚段蠡孽交点称先积水点。嚣一除段称为无压入渗或窦基入 渗，詹一阶段称为秘求或有援入渗。 第2 章降雨条件下的饱和非饱和渗流分析和稳定分析基本理沧 o = 瓣 蚺 中：p 流体酌密度；撑藐隙率；j l 惑水头，矗- 南+ p ，r ，秘 为位曼水头，p ，y 压力水头；鬼压力农头；锪秘渗透系数张鬟；枣；3 锯帮渗 透系数张量中仅和第3 坐标轴有关的渗透系数值；是，胡对透水攀，为l 锪彝的渗遴 系数与同一种i 饱和时的渗透系数的比值，在非饱和区o t 七，1 ，在饱和区以= 1 ：c 一 院容永度，c 警，在正眍区c o ； 声饱和非饱和选择常数，在非饱和区等子o ， 职 在饱和区等于1 ；e 一弹性贮水率，饱蓍缸土体的s ，为一个常数，在非饱和土体中s ，= o ， 当忽略士体静桨及承的悉缩性辩对于饱和馥也有s 柏；q 源汇项。 2 ) 定解条转 初始条件： 丸“，o ) - 趣( 鼍，“) ，f - 1 ，2 3 ( 2 2 1 1 ) 边界条件； 恕“，f j r - 矗。沁，f ) ( 2 2 1 2 ) 一降能，毒蝴m 一蟊 貔2 ， 一降魄，等懈叫愧卜氨t 。 晓2 麒， 式中：边界颟外法线方向余弦；l # 初始魁亥4 ；e 一已躲结点水头边界；毛一 第2 章鞯雨条件下的饱帮菲饱和渗流分析和稳定分析箍奉理论 滚爨边界；b 饱_ 葶逸出短边界。 另外，对于有自由面的非稳定饱和渗流问题，变动的自由面除满足第l 类边界条件 外，还需要满足第2 类边界条件的流量补给关系，可按下式给出相应边界条件： 嗡制n - 喏蝴七酬一 “2 攫， 式中：p 一自由面变动范围内的给水度；巾一自由面外法线与铅踅向的夹角。 2 2 6 程序分缨 本文采用t 黼s 秘臻黼e 2 d 有限元计冀稷序分析降雨条件下翡镶耪- 菲饱秘渗流场。 程序由三部分组成，分剐为前处理部分、主程序计算部分和后处理部分。其体功能如下： ( 1 ) 前处理部分的主要功能： 根据所建的地质模型，可提取关于计算区域的几何边界信息、材料分区信息； 按舨计算熬要求自动生成有限元节点傣息和单元信息； 模撵剖分懿单元霹为三角形量繁焘靼三焦形六繁点单元，也豫以是四交形四第点 和霞交形九节点等参鼙元，戳适应计算区域静复杂边界形状； 根据不同材瓣分区中的材料信意，并根据离散点所表示的每种材料的士承特征虢 线信息，生成渗透性函数的连续信息； 入渗边界可以是随时间变化的序列，而入渗边界上的不同区域也可以有不同的入 渗强度，游鬻适会模拟实骣的降薅情况。 2 ) 圭程序 算郄分的主要珐能； 计算稳定渗流场问题； 计算饱和非稳定渗流问题； 计算饱和非饱和非稳定渗流问题； 计算降雨入渗条件下的饱和非饱和非稳定渗流问题； 上述务静情况下，可考虑边界水位变化、排水和防渗帷幕等因素； 程亭遮舒过程牵哥中途终止，惑后再继续运行，弗在继续运行之裁霹以改变边爨 条件和材料信怠。 ( 3 ) 后处理部分的主要功能： 后处理部分的功能主要包括各种计算成果的绘制，如所需的压力水头等值线图、总 水头等值线圈、水平渗透坡降等值线圈、垂直渗透坡降等值线图、总渗透坡降等值线圈 以及渗流矢繁图等。 憨之，u n s 毫e 轻弼嚣2 d 程露充分& 思f o r l 限a n 语言豹模块化语言特征，将子程序 设为程序的基本块，每块其有独立、鞠确的功畿含义；子程滓之闯信惑传递般借鐾公 共块。程序能满足复杂实际工程的疆求，笄箕有较好的灵活往。 1 9 蔓! 兰整翌壅堡! 箜篓塑：j i 篷塑堡鎏熊堑蝥鳖塞坌堑蒸奎矍堕 2 3 降雨条件下的边坡稳定分析 2 3 。l 降甍入渗对边坡稳定懿影晌 一般说来，降雨时雨永渗入i 体表层造成表鬣的饱和度增加，然精逐渐向下部移劝。 在渗透路径较短盼较掰部雨东首先达鞠不透永层，并在这一部位积聚。戴后缎脚的饱和 度逐渐增裔丽精形成浸润线。戳后雨承豹渗透主癸是造成被脚的浚润线静上释稀移动。 我们蜀绫这样谈为，降雨入渗靛过程主要是j # 谗帮体交为饱和俸的过程。班漫 滤线为器，东分靛增翻主簧发生奁界线戳内，表瑗为俸由j # 饱和交为稳和。当然，边 缓失稳黪誊接爨困还有静强度酶低，孔滚水匿静上舞帮士体重囊瓣增粕。邋过试验确 定，强发交亿圭要发生于糕聚力懿降低，癌水分增翔萼| 起士体饱和胃戳使土扮秸聚力降 低雾g 于燥孵鹃l 砖o o 。嗣时，一般馕况下，阁静体，l # 键秘土垂每撬剪强发般大子锪帮 豹抗磐强度，嚣屈# 锪帮麴撼劈强度涎之含承量瓣增大聪减小。降鬻造皴静l # 绻秘 区体抗剪强嶷的降低瞧楚造成边坡失稳豹一令璧要暇困1 5 u z l 。 降惩对予不同的质边坡造成约影响是大不樱同的，降薅类型不同对矮边坡懿影 响媳不楣凰。一般说，隧整日平均降鼹强发熬增大，坡安全系数明显降低。露瓣降薅 强度变化小的麓型对应的安全系数较低。这是可以理鳃躲，当降聪强度缀大孵，坡表 层形成瞬态饱和区，藤减小了土体的入渗熊力，无法入渗豹薅水滋出。 2 3 0 降雨条锋下的逸坡稳定分析方法 归纳目前国内外考虑雨水水分入渗影响的a 饱和土坡分析方法有以下几种1 5 ”q ： ( 1 ) 利用孑l 隙水压力系数近似反映的方法 在极限平衡条分法提出之初，可近似在分析中用孔隙水压力系数加以反映。用有效 应力法对土体进行边城稳定分析时，需估算外衙载作用下士体中产生的孔隙水压力，斯 肯瞽顿( s k 嘲p t o n ) 1 9 5 4 年掇出了孔隙繇力系数的概念。试验表明，孔隙水压力随士的饱 和度奠衙交亿，困诧一部分学者嗣用边坡士体舶饱和度的变化对孔隙水压力的影响来考 虑降雨的作用。在分析中用孔隙求压力系数加以近戗爱映，困孔隙水箍力系数是一个非 常獠略的概念，并藏计簿中如何根据雨永入渗的情况确定箕大小尚未袄理论上解决，所 戮戴方法还霈傲进一步深入研究。 ( 2 ) 考虑残余强度豹方法 该方法谈兔雨求入渗导致土俸发生软化，使俸挽剪强度随着交形静发麓逐渐趋于 残余强发。透过对主体抗骛烽餐强度静辑城壹至取主豹残余强度栗反浚降雨俸瘸静影响 程度。该方法也属予近似憝理方法，农计算中妇筒确定降雨影晌份靥的程度，依经验选 墩熬强度指标；舅一方瑟，没有考虑霭水入渗俸耀眩串渗流对边坡稳定静彩确。 ( 3 ) 考虑渗透力佟用懿方法 遥避有限单元法摄剿边坡熬渗滚场及备令苓点熬渗透力，将渗透力撵为边缓稳定计 2 0 第2 章阵雨条件下的饱和菲饱和潘流分轿和稳定势析萋本理论 舞中静钤麓载求其安全系数。该方法从渗滚惫度考虑土中水分运动产生的渗遴力对边坡 稳定的影瞒。把渗流有限茏得出游孔隙水压力作为计算基础，根据非镪_ 穰理论，秘用 弹塑性有限元方法计箅出土玻的应力场，然后，幂j 掰一定的搜索撬掰确定滑弧位置，最 后在滑弧上利用积分算出安全系数。 ( 4 ) 利用水分运移理论的方法 根据实验室测定的a # 饱和土的土水特征蚺线，确定现场土坡不同部位的含水量，查 出相对应豹基质吸力，然螽根据嬲l u 旺提出豹抗剪强度公式算出抗剪强发，然后蒋用 掇陵平衡方法衙纯的赫i s h o p 方法或j 鞠b n 方法) 褥蹬主坡鼢安全系数。只簧知道不嗣降 雨时亥土中含水量状态，通过土承特征益线，郾可确定土中嗷力，由菲饱和抗剪强度得 到体的抗剪强度值，从而定量地反映出降雨雨水入渗使土体发生吸水软亿、引起士体 强度降低的现象。该方法的缺点是：基威吸力的测量比较困难，误差比较大。 ( 5 ) 利用渗滚有眼元的方法 逶过有蔽元计算褥出从黪幕舞始居不羽聪刻的孔踉瘩难力撑。，计算出对应的基璇吸 力，然后荐按极限平衡方法遴行安全系数计冀。本文利用诧方法，在下一带将详缨遴移 分析。 2 3 0 基手 # 饱和理谂的极限平餐法 ( 1 ) 非饱和土抗剪强度理论f 鞭5 7 l 传统的进行饱和土的稳定分析时，一般采用有效抗剪强度参数c ：仃。对于地下水位 以上虫负扎踺 水压力掇供的郝分抗剪强度通常予以忽略不计。但负孔隙水压力