剩余推力法在边坡稳定性评价中的应用

剩余推力法在边坡稳定性评价中的应用

1剩余推力法的计算困境剩余动力法是最广泛的工程应用的不确定性的边坡稳定评价方法。经过90多年的国内和国外专家和科学家的努力，剩余动力法得到了不断改进和完善。但由于工程地质条件的复杂性和剩余推力法本身理论上的欠缺,其计算有时并不十分合理,尤其是在处理一些动态因素的影响时,这些局限性益发显露出来。地下水位动态变化,就是一个典型的影响斜坡稳定性的动态因素,但在剩余推力法中还没能很好的考虑。尤其对于水库斜坡来说,在人类活动的影响下,水库水位的变化可能是影响地下水位的动态变化的主导因素。本文基于上述思路,先对库水位变化引起地下水位的变化进行研究,将地下水位在水库蓄水和下降时的浸润线方程引入到原剩余推力法的计算公式和程序中,使之能考虑水位波动的影响,并结合一个具体的工程实例说明其应用。2渗流压力变化以往一般都以静态的观点考虑水压力,即根据地下水位的分布,计算斜坡的稳定性系数。而渗透压力实际上反映了地下水渗流在渗透过程中,总水头损失的那一部分孔隙水压力转化为作用在水流方向上的有效压力。因此,有必要对地下水位对库水位波动的响应进行研究,并找出岸坡可能失稳的最不利时刻。2.1库水位上升时地下水位浸渍线的计算水库蓄水后,低于蓄水位的斜坡体内的地下水位将随水库蓄水位的高低、某种水位运行时间的长短等因素而产生相应的变化。根据《重庆市三峡库区滑坡危岩勘查规定(试行)》建议采用下列的公式计算库水位上升时滑体中的地下水位线(浸润线)(见图1,a)。假定斜坡的隔水底板为水平,当库水位上升时,地下水位浸润线可按下式计算。y=y2p+s′(h2−h2p)/s−−−−−−−−−−−−−−√(1)y=yp2+s′(h2-hp2)/s(1)式中,yp为水位上升后的库水位(从隔水层顶面起算)(m);hp为水位上升前的库水位(从隔水层顶面起算)(m);s、s′为水位上升前、上升后计算点至库岸距离(m);y为水位上升后计算点的地下水位(从隔水层顶起算)(m);h为水位上升前计算点的地下水位(从隔水层顶面起算)(m)。滑体内的地下水位的响应与物质的渗透性有很大关系,比如渗透系数K>10-3cm/s时,地下水位的上升基本上与库水位的上升同步,并且与库水位持平。如果滑体物质的渗透性较小,滑体内的地下水位将随时间而变,但只要某一库水位维持的时间足够长,滑体内的地下水位也将与这个库水位持平。从这点来看,库水位不再上升的那一时刻渗透力最大,也是对斜坡稳定性最不利时刻。2.2渗流自由面位置最高的确定库水位下降,有两种情况:①库水位骤降;②库水位缓降。所谓水位骤降,一般是指水位降落很块,以致在降落过程中没有显著的水量从土体中排出,土体仍全部饱和,斜坡内自由面或浸润线基本保持不变。所谓缓降,是指在水位的降落过程中,自由面有显著下降。一般来说,库水位骤降,对斜坡来说是最危险的。但是最危险水位的确定仍然是存在的一个难题。Neuman教授(1974)采用Galerkin加权残值法对二维饱和-非饱和渗流问题进行了大量地计算分析和深入的研究,取得了较满意的成果。彭良泉等(2003)采用了Neuman教授的分析方法研究三峡库区水位降落时的水库斜坡的渗流情况提出了渗流自由面位置最高点确定的经验计算公式。h0H=1−(0.28−0.33)tT(kμv)14(2)h0Η=1-(0.28-0.33)tΤ(kμv)14(2)式中,k,μ为土的渗透系数和给水度;v为水位的降速;h0为自由面最高点水头;H为库水头的最大降距;t为库水位降低的任意时刻;T为库水位降落所需要的时间。式(2)表明,若已知斜坡组合参数k/(μv),则h0/H与t/T就是直线关系,如此,就能把库水位降落停止在任意所需要的位置上。渗流自由面下降过程中的最高点位置h0确定以后,就可以根据巴甫洛夫斯基-达赫勒分段法计算渗出点E的高度He和自由面的位置(见图1,b),从最高点到渗出点间坡身段的渗流量为:qk=(h1+h0)2−h2e2(L−m1he)(3)qk=(h1+h0)2-he22(L-m1he)(3)由渗出点E到坡脚C的坡面渗流量为:qk=(he−h1)m1(1+Lnhehe−h1)(4)qk=(he-h1)m1(1+Lnhehe-h1)(4)式中,h1为计算下降水面时的水深;m1为坡率;L为计算的自由面最高点到坡脚的水平距离。使上两式相等,求出he,然后算出q/k,再利用式(3)可以导出离开自由面最高点的水平距离x处的自由面高度h:h=(h1+h0)2−2x(q/k)−−−−−−−−−−−−−−−−√(5)h=(h1+h0)2-2x(q/k)(5)由式(2)可知,当t=T时,库水位降落所引起的浸润面最陡,也即所动水力坡度最大,所以此时应是对斜坡稳定性最不利时刻。3稳定性系数的求解经过以上分析,笔者尝试将上式应用到剩余推力法中。剩余推力法是条分法的一种,其假定条块间仅有剩余推力的作用,并且剩余推力的方向与上部条块的滑面方向一致;在滑面上,有效法向力与切向力符合莫尔-库伦准则。对条块i:式中,Ei为条块i剩余推力;Tki为抗滑力;Hi为下滑力;Di为动力水头产生的下滑力,作用方向为渗流方向,大小按式Di=rwxwii计算;fi为动力水头在滑面上产生的浮力,取fi=rwxwi;Pdi为水平地震力;其它参数含义可参考文献。稳定性系数Fs求解过程如下:(1)将所有条块强度参数(c、φ)用一假定的Fs折减。(2)得条块1剩余推力,如E1<0,令E1=0。(3)由条块i-1剩余推力得条块i剩余推力,如Ei<0,令Ei=0。(4)判断最下部条块剩余推力;如En>0,降低Fs,反之提高Fs。(5)重复(2)～(4),直至En绝对值小于迭代误差;此时的Fs即为所求的斜坡稳定性系数。通过上述分析不难看出,该方法考虑了因所导致地下水的动水压力和浮托力。但实际工程中往往很难确定滑坡体中的地下水位,尤其是当库水位波动引起的地下水位变化。即只考虑其带来的滑带土强度参数的降低和土体自重的增加以及条块间的静水压力,忽略地下水位变化导致的动水压力。将这种简化处理的剩余推力法,本文中称之为原剩余推力法。现对原剩余推力法的改进并不改变式(6)、(7)、(8)的形式,而只是将水位波动条件下Di、fi的确定进一步明确化、公式化。因此,如图(2)所示,只要确定条块中水位波动值Δhwi1和Δhwi2,那么Di、fi也就确定了。由式(1)和式(5)以及各自初始水位线就可分别求出库水位上升和下降时的Δhwi1和Δhwi2。4峡水库水位变化对黄土坡稳定性的影响长江三峡库区巴东县老城上游约1km的黄土坡滑体一带,曾作为县城新址加以建设,目前城区建设已有一定规模。1995年6月10日以来,局部发生多次滑坡。黄土坡滑体前缘高程80m左右,东侧以灰黄色泥质灰岩碎裂岩体为主,西侧以灰岩及部分紫红色粉砂岩块夹砂质粘土为主,其平面分布如图(3)所示。当三峡水库按175m水位蓄水时,滑体前缘受水位变幅影响很大,沿江长1200m(直线宽度500m左右)的滑体前端部处于库水位周期性变化区间,库水位变幅达30m,很可能对黄土坡滑体的稳定性带来很大影响。考虑到三峡水库水位将从145m上升到正常运营时的175m,以及洪水期从175m降到145m时黄土坡前缘稳定性,对剖面A-A′(图4)在以下三种工况下的稳定性系数分别进行计算,计算参数见表1,结果见表2。通过表2计算结果的对比可知,在现在库水位条件下,采用原剩余推力法计算得出黄土坡浅层Fs=1.118,黄土坡整体基本处于稳定状态;而采用改进的剩余推力法计算得出Fs=1.094,斜坡处于极限平衡状态。当在第三种工况下,此时采用改进的剩余推力法计算得出Fs=0.931,此时斜坡将失稳。因为改进的剩余推力法考虑了水位骤然回落时的滑体中的渗透力,而在第四种工况下,考虑附加不确定因素,两种算法得出斜坡均已失稳,说明黄土坡变形体在库区蓄水到175m将发生滑动,必须采取防治措施。5地下水位对斜坡稳定性影响的模拟现在工程上运用的剩余推力法一般都以静态的观点考虑,即根据地下水位的分布,计算斜坡的稳定性系数。而本文在总结已有的研究成果上,先对地下水位对库水位变化的响应进行研究,建立地下水位在水库蓄水和下降时的浸润线方程。作者并尝试将这一关系加入到程序中,改进了以往对动水头变化时的模糊