（水力学及河流动力学专业论文）风浪作用下库岸动力响应及稳定分析.pdf

摘要 近年来，由于大中型水库的修建，风浪作用下库岸的动力稳定性也得到了大 家的普遍关注。风浪在库水一库岸的交界面处施加了循环波压力，在这种循环的 波压力作用下，引起库岸孔隙水压力和有效应力的变化，使库岸出现变形、剪切 破坏、液化等现象，导致边坡的失稳，乃至库岸上建筑物的破坏。因此研究风浪 作用下库岸的动力响应及稳定分析具有重要的理论意义和实际意义。本文在这方 面进行了理论研究、试验研究和数值分析。 利用波浪水槽试验，对风浪作用下库岸表面的波压力和介质孔隙水压力响应 进行了研究。试验中采用余弦波和椭圆余弦波，观测了在不同波高、周期、水深、 坡比和介质等条件下的库岸动力响应。试验结果分析表明，糙率和渗透系数对库 岸表面的波压力影响较大，波高和波周期对孔隙水压力影响显著，波陡、沿程相 对位置、渗透系数与介质孔隙水压力密切相关，孔隙水压力响应随着深度增加存 在幅值衰减和相位滞后现象。 在将库岸进行二维简化的情况下，推导和建立了用动弹性固结理论求解库岸 在波浪作用下瞬时响应的有限元方程，并编制了相应的计算程序。将数学计算结 果与实测孔隙水压力比较，两者吻合较好，说明用动弹性理论求解海床孔隙水压 力是有效的，所建立的数学模型是正确的、可行的。编制的计算程序可以求解复 杂边界条件，入射波可选用余弦波或椭圆余弦波等。 分析了风浪作用下库岸中的附加孔隙水压力对库岸的稳定性影响。计算表明， 附加孔隙水压力可使边坡的稳定安全系数降低2 左右，当考虑风浪作用使库岸的 特性参数弱化时，这种影响程度会更大。 关键词：风浪；库岸；孔隙水压力；动弹性固结理论：有限元法；稳定性分析 a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，m o r ea n dm o r ep e o p l ec o n c e r nt h es t a b i l i t yo fb a n ki nw i n dw a v e w h e nl a r g ea n dm e d i u m s i z e dr e s e r v o i r sb u i l d w h e nw a v ep r o p a g a t et ot h eb a n ko f r e s e r v o i r , as e q u e n c eo fw a v ep r e s s u r ei si n d u c e do nt h eb a n k t h ew a v ep r e s s u r e i n d u c e sas t r e s sf i e l da n da s s o c i a t e dp o r ew a t e rp r e s s u r ef l u c t u a t i o n sw i t h i nt h eb a n k w i t he x c e s sp o r ea n dd i m i n i s h i n gv e r t i c a le f f e c t i v es t r e s s ，p a r to ft h es e a b e dm a y b e c o m eu n s t a b l eo re v e nl i q u e f i e d t h ei n s t a b i l i t yo ft h eb a n kh a s b e e nr e s p o n s i b l ef o r t h ed a m a g ea n dd e s t r u c t i o no fb a n ks t r u c t u r e s s oi th a si m p o r t a n c ei nt h e o r ya n d a p p l i e dv a l u eo fe n g i n e e r i n gt or e s e a r c ht h ed y n a m i cp o r ew a t e rp r e s s u r er e s p o n s e si n b a n ko fr e s e r v o i ra n di t ss t a b i l i t yu n d e rw a v e sl o a d i n ga r ed e v e l o p e d w o r ko ft h i s p a p e ri n c l u d e st h e o r yr e s e a r c h e s ，l a b o r a t o r ye x p e r i m e n t sa n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o n af l u m et e s ti su s e dt oa n a l y z et h es u r f a c ew a v ef o r c ea n dp o r e w a t e rp r e s s u r ei n b a n ko fr e s e r v o i ru n d e rd i f f e r e n tc o n d i t i o n s l i n e a rr e g u l a rw a v e sa n dc n o i d a lw a v e s a r em a d ei nt h ee x p e r i m e n t s b a s e do nt h ee x p e r i m e n tr e s u l t ，i ts h o w st l l a tr o u g h n e s s c o e f f i c i e n ta n dp e r m e a b i l i t yc o e f f i c i e n ta r et h em o r ei m p o r t a n tf a c t o r si n f l u e n c i n gt h e w a v ef o r c eo fb a n ks u r f a c e ；w a v eh e i g h ta n dw a v ep e r i o dm o r es i g n i f i c a n ta f f e c tt h e p o r e w a t e rp r e s s u r e ；a n dt h ew a v es t e e p n e s s ，r e l a t i v ep o s i t i o na l o n gt h ed e p t ha n d c o e f f i c i e n to fp e r m e a b i l i t ya r ec l o s ew i t ht h ep o r e w a t e rp r e s s u r e s i m u l t a n e o u s l y , p o r e - w a t e rp r e s s u r ew i l lb eb r i n g i n ga m p l i t u d e a t t e n u a t i o na n dp h a s el a gw i t h i n c r e a s i n gd e p t h b a s e do nd y n a m i ce l a s t i cc o n s o l i d a t i o nt h e o r ya n ds i m p l i f i e db a n ko fr e s e r v o i rt o t w od i m e n s i o n a lb a n k s ，t h ep a p e re s t a b l i s hf e me q u a t i o n sf o rs o l v i n gt r a n s i e n t r e s p o n s eo fb a n k ，a n dw o r k so u tc o m p u t e rp r o g r a m s c o m p a r e dw i t hm e a s u r e dp o r e w a t e rp r e s s u r ei nb a n k ，c a l c u l a t e dr e s u l t ss h o wt h a te l a s t i ct h e o r yi sv a l i df o rb a n k t h ep r o g r a m sc a nw o r kf o rt h eb a n ko fr e s e r v o i rw i t hc o m p l e xb o u n d a r yu n d e rt h e a c t i o no fr e g u l a rw a v e sa n dc n o i d a lw a v e s t h ep a p e ra n a l y z e st h ei n f l u e n c eo fa d d i t i o n a lw a v e - i n d u c e dp o r ew a t e rp r e s s u r e i nb a n ko fr e s e r v o i ro nt h es t a b i l i t yo fb a n k t h ee o m p u t i c a lr e s u l t ss h o wt h a ti nm o r e p e r m e a b l eb a n ka d d i t i o n a lp o r ew a t e rp r e s s u r ec a nr e d u c et h es t a b i l i t yc o e f f i c i e n to f t h eb a n kb yt h r e ep e r c e n to rs o i nc o n t e m p l a t i o nw a v e sw e a k e nt h ep r o p e r t i e so fb a n k s o i l ，t h ei n f l u e n c ew i l lb eg r e a t e r k e yw o r d s ：w i n dw a v e s ；b a n ko fr e s e r v o i r ；p o r ew a t e rp r e s s u r e ；d y n a m i ce l a s t i c c o n s o l i d a t i o nt h e o r y ；f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ；s t a b i l i t ya n a l y s i s n 长沙理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的 研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均 已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名：痞 逮习 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借 阅。本人授权长沙理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名：杏如 一轹p 午 日期：濉歹月砂日 日期彦州浑，月护日 1 1 研究意义 第一章绪论 多年来，水库岸坡坍塌给人们的教训是深刻的。库岸坍塌引起库岸线逐渐后 退，从而导致塌岸地带的城镇、铁路、厂房以及大片农田等遭到破坏，扩大了水 库的征地界线，有时甚至直接摧毁人工建筑物，危及岸边的建筑物和居民点。同 时，塌方下来的泥沙淤积于库中，还会减少水库的有效库容。另外，滑坡体高速 滑入水库，造成巨大的涌浪，直接危及下游的大坝及人民生命财产安全。我国已 建和在建的水电站绝大多数都存在库岸稳定性问题【l 】，如长江三峡水利工程、黄河 小浪底水利枢纽工程、雅砻江二滩水电站工程、黄河李家峡水电站工程等。最典 型的当属官厅水库坍岸和三门峡水库的坍岸。官厅水库1 9 5 5 年7 月下旬开始运用 后，随着水库蓄水，水位升高，岸壁发生大量坍塌。截止1 9 5 7 年，水库岸壁的后 退距离一般为1 0 2 0 m ，单位宽度岸壁坍岸土方量2 0 0 3 0 0m 3 m ，个别岸壁后退距 离达3 4 m 以上，岸壁单位宽度坍岸落土方量4 0 0 5 0 0 m 3 m 。三门峡水库自1 9 6 0 年 9 月运行以来，塌岸长度达1 5 8 5 6k m 。湖南省凤滩、柘溪、东江、白鱼潭、南津 渡、高滩等水库均发生过不同程度的岸坡坍塌。国外对库岸坍塌变形也有教训， 如美国g r a n dc o u l e e 水库，在4 0 年代至5 0 年代的l o 余年间，库岸坍塌多达5 0 0 余次【z j 。意大利瓦依昂( v a j o n t ) 水库建成蓄水后，1 9 6 3 年l o 月9 日发生了方量约 2 7 1 0 8m 3 的滑坡，造成2 1 2 5 人死亡，工程失效，震动了世界坝工建设者们【3 】。 另据俄罗斯统计，水库坍塌岸线长达1 万多公里。r i e m e r f 4 1 、i c o l d 5 】统计了6 0 个水库滑坡实例。因此对库岸失稳机理进行研究，建立库岸坍塌预测模型，提出 防治工程措施对于防洪减灾具有重大意义。 水库蓄水后，形成较宽广的水面，风区扩大也使吹程急剧增加，因此库区风 场所造成的风浪波高也得到了较大提高，风浪对边坡稳定的影响已不可忽略。在 以往的研究中 6 - 8 j ，大家分析风浪对库区边坡的影响时往往从风浪与库区边界的相 互作用着手，只考虑风浪对库坡的冲击和侵蚀作用。然而，从实际情况可知库岸 失稳不但与水流动力条件、泥沙输移条件、河床边界条件以及河道形态具有密切 的联系，即属于河床演变学中的横向演变问题，又和土力学的岸坡稳定问题相关， 属于典型的学科交叉问题。目前，研究的途径和方法仍然停留在岸坡稳定性的土 力学原理、河流演变学等方面的分析，各学科的研究处于彼此分离的状态，缺乏 综合性的定量研究成果，以经验性的分析判断过多，理论研究和试验研究较少， 在库岸边坡治理过程中容易造成“治标不治本 的后果。要从根本上解决这个问 题，必须搞清风浪和库岸相互作用的机理。这是一个牵扯到风浪沿库岸的演化规 律、库岸的渗流机理以及库岸在渗流作用下的动力稳定性的复杂问题，有必要将 水动力学和土力学结合起来，分析风浪对库岸边坡稳定性影响的深层力学机理， 为库岸坍塌预测防护和治理提供理论基础，其成果对于防灾减灾将产生较大的社 会效益和经济效益。 本研究依托湖南省教育厅科研项目 ：风浪作用下库区岸坡失稳机理，以库岸 边坡为研究对象，通过分析试验室的概化模型试验资料及数值模拟，研究风浪作 用下库岸边坡崩塌的力学机理，提出库岸稳定性分析的水动力学一土力学力学模 型，为库岸崩塌预测、库岸防护和治理提供理论基础，进一步明确水库边坡的失 稳机理，以便为今后的工程实际提供参考依据。 1 2 研究现状 在研究库区边坡稳定性时，风浪对边坡的影响也越来越引起人们的关注。风 浪本身就是循环荷载，所以要对边坡稳定性进行全面的分析，必须考虑风浪循环 荷载对库区边坡的土动力过程。循环荷载以及水对库区边坡的影响主要是通过改 变土体内部的孔隙水压力来实现的，在水的作用下【9 】，处于水下的透水边坡将承受 水的浮托力，不透水的边坡岩体坡面将承受静水压力，充水的裂隙将承受静水压 力的作用，地下水的渗流将使边坡产生动水压力。在风浪作用下【1 0 , 1 1 】，水压力也 会产生周期性的变化，并且出现震荡超孔隙水压力，孔隙水压力虽然不能直接传 递压力于骨架颗粒，可是却影响颗粒间作用的有效应力。在每一级风浪荷载作用 下，孔隙水压力将不断升高，导制土体中有效应力的降低，土样将会丧失抵抗剪 切的能力。同时，在风浪回落阶段，水将从土体孔隙中逐渐排出，土体也随之不 断压缩，即通常所说的在外载作用下的固结过程。 针对上述问题，对以下三个方面的研究现状做简单的介绍：( 1 ) 边坡稳定性分 析；( 2 ) 库区边坡稳定性分析；( 3 ) 风浪循环荷载作用下孔隙水压力的变化。 1 2 1 边坡稳定性分析 i 边坡稳定性的计算研究可以追溯到一百多年前( c o l m a n n ，1 8 6 6 ) t 1 2 以引，特别是 1 9 5 9 年法国m a l p a s s e t 坝左岩坝肩岩体的崩溃及1 9 6 3 年意大利v a j o n t 坝上游左岸的 库岸滑坡等。使人们清醒地认识到了对滑坡体破坏的力学机理研究的不足，从而 促进了滑坡体稳定性研究向前迈进了一大步。总的说来，在国内外，早期的滑坡 研究以土体为研究对象，其方法的显著特点是采用材料力学和简单的均质弹性理 论和弹塑性理论为基础的半经验半理论性质的研究方法，并把此方法用于岩质滑 坡体的稳定性研究。但由于其力学机理的粗浅或假设的不合理，其计算结果与实 2 际情况差别较大。随后，以弹塑性理论为基础和改进的极限平衡法应用为主的多 种方法应运而生，特别是1 9 6 7 年人们第一次尝试用有限元研究边坡的稳定性问题， 给定量评价边坡的稳定性创造了条件，并使其逐步过渡到数值方法，从而使边坡 稳定性研究进入模式机制和作用过程研究成为可能。同时，滑坡研究进行了模拟 试验与空间预测等等。进入8 0 年代后，由于计算机技术水平的大幅度提高及岩体 力学性质研究的进展，各种复杂的数值计算方法广泛地应用于边坡研究，这一时 期的研究方法各式各样，成果叠出。现今使用的计算模型大致可分为两类：一类 是基于极限平衡理论的条分法，另一类是数值分析方法。同时，由于学科之间的 相互渗透，近来一些交叉学科的研究成果也开始应用到边坡稳定分析。 l 、极限平衡法 极限平衡法是通过分析作用于不稳定岩土体的静力平衡，将滑体视为刚性 体，不考虑本身的变形，根据摩尔一库仑强度准则判定滑坡稳定性的一种定量方 法，也是工程实践中使用最广泛、最为成熟的一种定性分析方法。它的研究历史 可追溯到2 0 世纪1 0 、2 0 年代或更早，近几十年来仍在不断发展。这种方法的优点 是：理论基础( 极限平衡理论) 比较简单，在不考虑受应力作用结构体的变形影响的 情况下，仍能对结构体的稳定性给出较精确的总体性的结论。更重要的是，分析 失稳边坡反算的强度参数与室内试验结果吻合得较好，使分析更具可信性。针对 不同的条件，工程界和学术界曾使用过以下几种方法：t a y l o r 法( 1 9 3 7 ，1 9 4 8 ) 、b i s h o p 法( 1 9 5 5 ) 、b i s h o p m o r g e n s t e r n 法( 1 9 6 0 ) 、m o r g e n s t e r n 法( 1 9 6 3 ) 、s p e n c e r 法( 1 9 6 7 ) 、 h u n t e r s c h u s t e r 法( 1 9 6 8 ，1 9 7 1 ) ，此外还有j a n b u ( 1 9 5 4 ) 和f e l l e n i u s ( 1 9 2 7 ) 等提出的方 法。这些方法有的仍在应用，有的已逐渐被淘汰。目前，极限平衡法的最新成就 是s a r m a 法，它可以实现任意条分。此外己经有研究者尝试将极限平衡法引入到三 维空间问题。 近几年，我国许多学者对极限平衡法提出了一系列修正。李华治l l 副等运用障 碍函数法根据b i s h o p 法和非线性规划原理，对圆弧滑裂面法提出了一优化数值模 型。朱大勇【1 6 】等对m o r g e n s t e m p r i c e 法、严格j a n b u 法与s a r m a 法进行了实质性的 改进，基于这些方法的基本假设，重新推导出更为简洁实用的安全系数计算公式。 杨明成f 1 7 】通过分析s a r m a 法的实用性提出了一新方法。张鲁渝【1 8 1 提出了通用条分 法g l e 。张雄【l9 】在对条块间内力不做任何假设的条件下得到更加合理的条分法。 2 、数值分析方法 数值分析方法是2 0 世纪7 0 年代随着计算理论的深入与计算机应用的推广而发 展起来的，也是当前岩土界应用最为广泛的方法之一。它主要包括有限元( f e m ) 、 边界元( b e m ) 等。 有限元方法在边坡岩土体的稳定性分析中应用最早( 1 9 6 7 ) 。也是目前使用最广 泛的数值分析方法之一。目前，已经开发的二维及三维有限元分析程序，可用于 3 求解弹性、弹塑性、粘弹塑性、粘塑性等。有限元法的优点是部分地考虑了边坡 体的非均质和不连续性，可以给出坡体的应力、应变大小与分布，避免了极限平 衡分析法中将滑体视为刚体而过于简化的缺点。能近似地从应力应变去分析边坡 的变形破坏机制，分析最先、最容易发生屈服破坏的部位和需要首先进行加固的 部位等，但不能很好地求解大变形和位移不连续等问题，对于无域、应力集中问 题等的求解还不理想。 边界元法是7 0 年代发展起来的一种数值方法，c r o n c hsl 于1 9 7 6 年首先将其应 用于分析层状岩体的开挖稳定问题。与有限元方法不同，它只对研究区的边界进 行离散，因而它要求的数据输入量较少。该方法对处理无限域和半无限域问题较 为理想，但要求事先知道求解问题的控制微分方程的基本解，在处理材料的非线 性、不均匀性、模拟分步开挖等方面还远不如有限元法，它同样不能求解大变形 问题，因而边界元方法目前在边坡岩体稳定性分析中的应用还远不如在地下洞室 中应用广泛。 除上述两种常用方法外，还有离散元法( d e m ，1 9 7 1 ) 、快速拉格朗日法( f l a c ) 、 块体理论( b t ，1 9 8 5 ) 、不连续变形分析( d d a ，1 9 8 8 ) 、无界元法( i d e m ，1 9 7 7 ) 等。 3 、其它方法 - 概率分析方法：7 0 年代中后期，加拿大能源与矿业中心和美国亚利桑那大学 等开始把概率统计理论引用到边坡岩体的稳定性分析中来。该方法的原理是首先 通过现场调查，以获得边坡稳性影响因素的多个样本，然后进行统计分析，求出 它们各自的概率分布及其特征参数。祝玉学【2 0 之1 1 认为在规定的条件下和规定的实 时期限内，安全系数大于或等于某一规定值的概率分布，即可以认为在概率定义 内可靠。该方法在岩土工程中的研究与应用发展很快，为边坡稳定性评价指明了 一个新的方向。但该方法的缺点是：计算前所需的大量统计资料难于获取，各因 素的概率模型及其数字特征等的合理选取还没有得到很好的解决。另外，与一般 的极限平衡方法相比，其计算显得困难和复杂。 模糊数学法：模糊理论是应用模糊变换原理和最大隶属度原则，综合考虑被 评事物或其属性的相关因素，进而进行等级或级别评价【2 2 1 。缺点是备择集一般取 稳定、基本稳定、不稳定三种状态，因而对边坡的评判较笼统，同时，由于隶属 函数是依据一些基本原则确定，权重的分配多由经验确定，因而主观性较大。模 糊数学方法一般适应于外延不明确，内涵明确的对象。 目前，除了以上两种常用的非确定性分析方法外。系统工程分析方法【2 3 1 、灰 色系统理论方法【2 4 1 、神经网络方法【2 5 1 、突变理论方法、损伤断裂力学理论、分叉 与混沌理论等也在边坡稳定性方向上得到了不同程度的应用，为边坡稳定性分析 及预测提供了新的途径。 4 1 2 2 库区边坡稳定性分析 国外学者直接研究库岸坍塌的成果不多，他们主要从河岸的侵蚀和河岸的稳 定性出发。o s m a n 2 6 】和t h o r n e 2 7 】等从河床冲深与河岸侵蚀两个方面来分析粘性河 岸，认为河床冲深和侵蚀是河岸物质组成、河岸几何形态、河床物质组成以及水 流特性的函数，建立简化模型，利用安全系数来判断河岸是否崩塌，首次从力学 机理上进行了分析。国外学者对风浪引起海底失稳和土体滑移研究的较多 2 8 , 2 9 。 风浪作用产生的海底压力波不但使海床产生瞬态的附加孔隙水压力和有效应力， 而且在海床中产生的循环剪切作用可能引起土体中孔隙水压力的动态累积和有效 正应力的不断降低，大幅度降底海床土体的抗剪强度，甚至导致土体的液化。 胡晓猛【3 0 】根据陈村水库坝址附近的库岸滑坡体的结构特点，把岸坡的破坏方 式分成四种类型：平面滑动前沿剪出型、溃曲破坏型、楔槽形破坏型、滑塌破坏 型。宋岳等【3 l j 认为官厅水库塌岸是多种影响因素综合作用的结果，其中库岸的物 质组成及土层性质是水库塌岸的内在因素，其它因素是外部因素，其中风浪及库 区水位变化是重要的控制性因素。卢桂兰等【3 2 】分析黄河三门峡水库塌岸破坏主要 取决于水力作用、波浪冲击、水的浸泡、水位升降、河势变化等。崔中兴等【3 五m j 认为水库库岸失稳的机理是由于水的作用对岸坡岩土体产生了物理化学、孔隙静 水压力以及孔隙动水压力等效应，改变了岸坡岩土体的结构和应力状态，从而诱 发岸坡变形破坏。闵弘等【3 5 】在湖北秭归县泄滩古滑坡体上建立了一套自动水文监 测系统，监测水库水位、滑坡体水位、渗压与降雨量等，来分析岸坡的水动力条 件演化过程。唐辉明【3 6 j 总结了目前预测水库塌岸或水库岸坡再造规模的方法，主 要有类比法、动力法、统计法和试验法等。国内绝大多数学者都是针对不同地点 或者是针对局部小范围内的库区坍塌现象的分析研究并提出各自的观点，对其内 在规律研究不够。 缪吉伦等【37 j 认为水库蓄水后，形成较宽广的水面，由于风浪和行船等作用， 形成较大涌浪侵蚀库岸。范云冲等【3 8 】认为风浪对岸坡进行周而复始的冲刷、搬运 和堆积是影响坍岸宽度和速度的主要作用力。吕占彪等【3 9 】对黄河小浪底水库塌岸 分析研究，认为风形成的激浪对塌岸的发生发展起重要的控制作用，在风波激励 下，给库岸施加水平动力荷载产生拍击和扰动作用影响库岸稳定，是水库坍岸的 主要外力。这些成果对于风浪作用下库岸稳定性研究还停留于对其表面现象的分 析。程昌华和邓伯强【4 0 】通过模型试验研究，分析了库岸坍塌变形与波高、岸坡坡 度、岸坡土质等要素的关系。程昌华等【4 l 】分析了影响水库库岸坍塌失稳的因素， 并通过概化模型试验，对风浪特性对库岸坍塌影响进行了初步的研究。他们主要 是研究库岸附近的水动力特性，仅得到一些定性的结果，没有考虑土体内的孔隙 水压力变化，并没有深入研究其力学机理。包太【4 2 】等通过分析不同周期风浪载荷 作用下动静强度之比，证实孔隙水压力对风浪作用下土体的稳定有一定影响，同 时探索出不同深度处边坡土体的动静强度比以及破坏过程，还提出边坡土体对风 浪的作用具有自适应性，得出了一些有意义的结论。包太【4 3 】等同时还研究了水位 下降水库边坡的稳定性及滑坡机理，认为水库水位下降会对边坡产生卸荷作用， 从而在边坡裂隙中产生水锤效应，当考虑水锤效应时，边坡的稳定系数大大降低， 说明了水锤的效应加剧了边坡失稳的过程。从事该研究的还有我国的廖红建1 4 4 1 、 刘新喜 4 5 , 4 6 】、郑颖人【4 7 1 、冯文凯【4 8 】等，他们都在该领域得出了许多有意义的结论。 刘才华【4 9 】等提出库水位上升是由于孔隙水压力的作用，边坡的滑动面强度将降低， 稳定性经历一个先降后增的过程。谢守益【5 0 】等研究了降雨诱发滑坡的情况，并提 出了暴雨诱发和久雨诱发两种诱发形态。 1 2 3 风浪循环荷载作用下孑l 隙水压力的变化 循环荷载作用下孔隙水压力的变化隶属于土动力学范畴。有关土的动力学特 性是从二十世纪六十年代开始的，主要是研究地震作用下土的动力学特性以及土 的液化机理，尤其是砂土的试验结果分析( s e e d h b 1 5 1 1 ，1 9 6 6 ；s e e d h b 1 5 2 1 ，1 9 7 1 ； y a s u h a r ak 【5 3 】，1 9 9 1 ) 。随后，我国学者在该领域也进行了大量的研究( 吴再光【5 4 】， 1 9 9 1 ；刘汉龙1 5 5 j ，1 9 9 6 ；白冰【5 6 j ，2 0 0 0 ) 。在上述研究基础上，大家讨论最为普遍 的问题就是循环荷载作用下孔隙水压力随周期的变化规律【5 7 】。 在国外，m a t s u i ( 1 9 8 0 ) 对塑性指数，- - 5 5 的s e n r i 土进行了应力控制式的三轴 双幅循环的剪切试验，所采用的频率为0 0 2 h z 0 5 h z 之间。试验结果表明，孔隙 水压力随循环次数的增加而增加，对于给定的循环次数而言，低频荷载产生较高 的孔隙水压力。b r e w e r 对，= 3 5 的粘土在频率为o 0 1 h z 4 h z 之间的试验也给出了 类似的结论。y a s u h a r a ( 1 9 8 2 ) 对a r i a k e 黏土( ，p = 5 8 ) 进行了应力控制式的三轴试验 结果也认为加荷频率( o 1 h z 1 h z ) 对孔压有一定影响，但结论是，频率越高。孔压 越大，与上述结果有区别。然而，s h e r i f 的试验则表明，当频率在1 h z 2 h z 变化 时，对给定的应力水平，频率对周期孔压几乎没什么影响。b r o w n ( 1 9 7 5 ) 等人的研 究结果也有同样的结论。以上分析表明，关于加荷频率对粘性土的孔压影响还并 未取得一致的认识，这可能与所研究土的粘滞特性、测量对象的敏感程度以及判 断的标准有关。 ，在我国，许才军 5 8 , 5 9 j 等通过试验得出在一定的循环荷载作用下，随着循环次 数的增加，孔隙水压力会不断增加，但是，孔隙水压力的增长速率同循环应力水 平有关，当循环应力比比较大时，随着循环周数的增加，孔隙水压力迅速上升， 饱和土体很快达到循环破坏状态；当循环应力比比较小时，在循环加荷的最初几 周内，孔隙水压力增长较快，但当循环周数增加到一定周数以后，孔隙水压力增 长速度逐渐缓慢，直至达到一个平衡水平。孔隙水压力随循环周数的增加而增加。 6 对于一个给定的循环周数，频率越低，产生的孔隙水压力就越高。白冰【6 0 】通过对 试验数据的拟合认为孔压升高与再固结体应变间存在唯一性关系。雷学文【6 l 】在夯 击试验中得出在夯击初期，随着夯击次数的增加，每击间孔压增量是逐渐减小的， 当超过5 击时，孔压每击间增量又逐渐增大。 有关风浪作用下的孔隙水压力变化大多集中在波浪对海床的影响【6 2 】。2 0 世 纪7 0 年代主要研究砂性土海床，到2 0 世纪8 0 年代开始对粘性土进行研究。f o d a 和t z a n g 的实验研究表明，砂土和粉土底床中孔隙水压力随深度的变化是不同的， 在砂土质海床中测得的孔隙水压力随深度变化比较平缓，没有明显的突变，而在 粉土质海床中孔隙水压力变化剧烈，有时还会出现共振现象，使粉土质海床液化 并伴有羽状的沉积物流从底床中喷出，造成海床塌陷。林缅【6 3 1 ( 2 0 0 1 ) 蝴弱非弹 性介质模型，对线性加载波下有限深海床进行了分析，认为在波浪和底床相互作 用下，粉土海床中的孔压仅是底床面压力的- d , 部分，比较软的粉土海床中应力 分布均匀。吴梦喜等 6 4 , 6 5 1 ( 2 0 0 0 ，2 0 0 2 ) 采用流固藕合算法分析立波作用下粉土海 床的动力响应，认为海床中孔隙水压力随波浪作用产生动态累积，可引起海床有 效应力不断下降，甚至导致海床土体液化。栾茂田【6 6 】等在分析波浪作用下海床孔 压发展过程时，认为循环超静孔隙水压力和残余超静孔隙水压力的共同作用控制 着液化范围的变化过程，总孔隙水压力随时间呈现波动特征和逐渐积累趋势，但 积累的程度逐渐减小。别社安【6 7 】等通过实验和分析，得出波浪作用下沙床中的孔 隙水压力响应存在幅值衰减和相位滞后现象，波浪的特征参数( 如水深、周期等) 和沙床土的特性参数( 如渗透系数等) 对孔隙水压力的响应有显著的影响。张金风【6 8 等在研究非均质海洋土时认为渗透系数与剪切模量的变化不但影响海床孔隙水压 力的幅值，还使孔隙水压力的相位也发生变化。c h i n g p i a o 、t s a i & t s o n g l i n l e e ( 1 9 9 5 ) 研究了驻波在砂性土海床中引起的孔隙水压力、土体破坏以及有效应力， 实验结果表明驻波产生的超孔压是前进波产生的两倍，不饱和砂性海床中存在孔 压滞后现象，而在完全饱和的砂性土中就不存在孔压滞后现象，在完全饱和的状 态下，产生的孔压的值要比不饱和状态的大。s h i a w y i h 、t z a n g ( 1 9 9 8 ) 通过水槽试 验得出以下结论：在简谐波作用下，在粉质海床中测得的孔压呈规则摆动的，但 是并不像砂质海床中孔压是以静水压力为零点摆动的，而是以高于静水压力的值 为零点的，这即是超静孔隙水压力。相对于静水压力值来讲，孔隙水压力累积值 较小，且随深度的变化不明显。 1 3 有待进一步解决的问题 目前对风浪作用下库区边坡的动态响应及稳定分析还处于起始阶段，在理论 分析和数值计算上还没有自己特有的方法，主要是借鉴其它学科的理论和方法进 7 行研究。其不足之处有以下几个方面： 1 、在对库区边坡进行稳定分析时，主要考虑水流和风浪的冲刷影响，没有考 虑风浪对边坡的动态效应。特别是将水动力学和土动力学结合分析的更少。 2 、库区风浪特性的研究较少，大多是建立在海洋风浪基础上得到的，对库岸 孔隙水压力的研究借鉴了海浪对海床的影响分析。 3 、风浪作为循环荷载的研究源于地震在介质中的传播理论，两者虽然类似， 但还是存在着较大的差异，如何形成风浪循环荷载特有的理论和方法还需进一步 研究。 4 、风浪产生的水压力效应对库区边坡的稳定性影响还无定论。 1 4 本文主要研究内容 由于目前国内外对海浪的研究比较多，而对江河湖泊类的风浪研究，尤其是 对风浪与库岸介质作用机理的研究，就相对很少。本文在对库区风浪分析的基础 上，确定了能基本适用于描述库区风浪的风浪要素；同时在实验室进行了大量室 内模型试验，加以理论和数据分析，得到了风浪对库区边坡孔隙水压力的变化规 律，并在此基础上分析了边坡的稳定性。本文研究的具体内容主要包括以下几个 方面： l 、进行风浪作用下库岸孔隙水压力试验，测量出孔隙水压力大小变化值。试 验中采用余弦波、椭圆余弦波。考虑的风浪要素主要是波高、周期和水深。库岸 介质采用粗颗粒沙质和黏性土质。 2 、对所测得的数据进行分析。根据采集的数据画出压力波形图，以某个基本 参数变化为基准，固定其他参数，研究孔隙水压力变化规律，得出此参数变化对 孔隙水压力的影响。分析沙质岸坡与黏土岸坡两种情况，得出风浪作用下库区边 坡孔隙水压力的分布和动力过程。 3 、进行数值计算。利用b i o t 固结理论，推导动弹性固结理论求解库岸瞬时响 应的有限元方程，解得理论值。同时将理论计算的孔隙水压力值与实测值进行比 较，验证数值计算的可靠性。 4 、在考虑风浪对库区边坡产生动态循环孔隙水压力情况下，进行边坡稳定分 析，得到风浪对库区边坡稳定性的影响评价。 8 第二章风浪作用下库岸动力响应试验研究 波浪是水流运动中很普遍的现象，也是重要的环境荷载之一。波浪形态是非 常复杂的，对人类活动的影响多属于不利影响。一般来说，当波高超过0 5 m 时， 就应考虑波浪力的影响。水库尤其是大型水库兴建后，将明显改变库区水域环境， 由此形成的风浪会对水工建筑物或库岸边坡产生破坏。据统计，在我国2 4 1 座大 型水库发生的2 0 0 次水工建筑物或库岸破坏事故中，由于风浪破坏的达1 2 6 次， 占到破坏总数的6 4 。因此对水工建筑物或库岸风浪荷载进行分析研究，具有 较高的学术价值和工程意义。 2 1 试验目的及内容 风浪作用下库岸中孔隙水压力的大小和分布规律受到波浪要素和库岸介质 的影响。控制边坡对波浪荷载响应的参数有十几个，有些参数相对敏感【6 9 l ，较 小的变化就会引起数值计算的较大变化。此试验的目的是量测在各种具有不同特 征参数的波浪作用下，各种具有不同材料特征的库岸孔隙水压力的大小和分布规 律，验证后叙理论模型和计算结果的正确性。 试验中采用不同的波型、周期、波高、水深、介质、坡比进行多种组合试验， 量测了不同断面中孔隙水压力的历时曲线和入射波历时曲线。 2 2 试验概述 2 2 1 试验风浪要素选取 库区风浪与海浪相比一般都有波高小、波要素( 波高、波长和周期) 比较稳定、 波浪线催特征明显和重复性的特点1 7 0 | 。在本研究中，结合库区风浪的固有特性， 考虑到库区波浪要素比较稳定，浪高日大多在o 5 m 以下、波速低，仅取水深d 为 5 m ，也有n d o 1 ，比较吻合线性微幅波理论的假设。于是，首先选定余弦波 进行研究。 同时，由于库区风向和强度的不定常性，特别是在枯水季节遇到大风浪时， ，r 、2 r r 水深减小，波高增大，厄塞尔数u = i 兰i _ - 将增大，根据勒梅沃特的研究，当 l d d u 2 6 时满足椭圆余弦波理论( c n o i d a l 波理论) 。因此本试验中还将选定常见的 浅水非线性波理论一椭圆余弦波进行试验。 9 风浪的波要素包括波高、周期和波长，可采用官厅水库公式进行计算 h ：0 0 1 6 6 c o v 4 s 1 3 工：l o 4 日o 8 丁：3 7 9 h o _ 3 。5 式中：丁为波浪周期( s ) ；日为波高( m ) ；l 为波长( m ) ； 风速( m s ) 。 ( 2 1 ) ( 2 2 ) ( 2 3 ) s 为吹程( k m ) ；缈为 从多年实地观测可知，库区波高一般都未能超过2 m ，由上式可得此时周期丁 为4 9 5 s ，大概选定模型的几何相似常为2 0 ，得出模型试验中的波高应该不超过 l o c m ，由于是概化模型试验，在试验中根据试验条件选定浪高为4 1 0 e m 。对于 周期，根据相似准则理论【7 ，当满足重力相似准则乃= 刀2 时，试验周期为2 2 0 s ， 结合造波机造波能力并适当扩大范围，选定试验周期为1 o 3 0 s 。 2 2 2 主要仪器设备 l 、造波系统：试验造波采用大连理工大学研制的造波控制系统，该系统由 造波板、液压伺服作动器、液压泵站、伺服放大器、a d d a 接口及计算机与外 设等部分组成。可以模拟规则波和不规则波；波浪作用的参数选择：水槽波的周 期为o 5 5 s ，浪高为3 - 2 0 c m 。 2 、数据采集系统：孔隙水压力量测采用天津水运工程科学研究所研制的 2 0 0 0 型数据采集处理系统，浪高量测采用武汉优泰软件公司2 0 0 6 型u t e k e 采集 系统，这两套系统均由计算机控制进行自动数据采集。 3 、浪高仪：加拿大r b r 公司的w g 5 0 波高仪测量波浪高度精度可达0 4 ，采用水和空气的电容不同而精确测量水位，线性好，极适合水力学实验室使 用，因为仪器设计为全天候使用，也可用于野外的波浪测量。如图2 1 所示， w g 5 0 波高仪包括控制盒( 1 6 c r u x ll c m x 8 5 e m ) ，b n c 电缆( 3 0 c m 到1 0 0 c m 长) ， 探头。最初由加拿大国家水环境研究所( n a t i o n a lw a t e rr e s e a r c h i n s t i t u t eo f e n v i r o n m e n tc a n a d a ) 研制，由r b r 公司独家生产。 4 、压力盒：为了测量风浪作用下库岸的动力响应，在模型介质中埋设了压 力盒，压力盒与孔隙水压力量测系统是相配套的，其精度为l0 p a ，不同传感器 由于本身精度不同会带来一定的测量误差。为了防止试验过程中泥沙颗粒进入压 力盒导致试验失败，在压力盒的头部包上一透水性良好的纱布。 l o 2 2 3 试验布置 图2 1 浪高仪及控制盒 躺 豹 废 巾 蒯 寝 试验在长沙理工大学港口海岸试验室进行。水槽长6 0 0 米，宽1 5 米，高 1 8 米，一端布置造波系统，另一端后部设有消浪装备( 如图2 2 所示) ，为了减少 直立墙模型引起水槽中波浪多次反射的影响，试验段用玻璃隔板等分成左、中、 右三部分，各为o 5 米宽，水槽末端设有消能装置，试验模型布置在左侧水槽以 便观察试验现象。试验段边坡位于水槽的中后部( 如图2 3 所示) 。 图2 2 试验总体布置示意图 隔板 图2 3 试验平面布置示意图( 单位：c m ) 溉触震 2 2 4 试验设计与测点布置 试验设计如图2 4 2 6 所示，模型高7 0 c m ，在末端用装满沙石的木箱固定模 型，为了减少木箱的边壁效应，在上部设计一长为2 0 c m 的平台。库岸中压力传 感器布置在2 个断面上，当坡比m = l ：2 时，沿x 轴方向分别为l 5 、l8 、l7 、2 0 号传感器，沿z 轴方向分别为2 8 、1 9 、l7 、1 6 号传感器，两传感器之间、2 8 号和水槽底部间隔均为l o c m ，当坡比m = l ：3 时，x 轴方向2 0 、1 7 号传感器调换 位置，其它不变，坡比m = l ：4 时，在2 0 号传感器右端增加l l 号传感器。由于 传感器放置在边坡中的位置是否合适以及传感器对当地流场的扰动也会带来一 定的误差，为了最大限度地减少此类误差，在本试验中，所有传感器都埋在边坡 宽度中心线上，以尽量减少库岸边界对传感器的影响，并将传感器探头固定在特 定的铁丝上，尽量减少传感器振动造成的量测误差。 试验中采用了2 种介质模型，即沙质模型( 渗透系数为2 o 1 0 4 m s ) 和黏土介 质模型( 渗透系数为1 o x10 m s ) ，级配曲线如图2 7 所示。根据可提供的黏土材 料采用坡比m = l ：2 和m = l ：3 ，由于沙土颗粒比较松散，采用坡比m = l ：3 和m 2 1 ：4 。 图2 4 坡比m = l ：2 压力传感器布置图( 单位：e m ) 图2 5 坡比m = l ：3 压力传感器布置图( 单位