库岸边坡渗流及稳定性分析

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1、水利学报年月第卷第期文章编号库岸边坡渗流及稳定性分析张文杰陈云敏凌道盛浙江大学岩土工程研究所浙江杭州摘要库岸边坡常因受到库水位周期性波动的作用而失稳传统的饱和土渗流及稳定分析方法无法正确描述水位升降过程中岸坡内孔压场的动态变化及其对岸坡安全系数的影响规律本文从非饱和土的渗流和抗剪强度理论出发分析了水位升降时土质岸坡的渗流规律及其稳定性的变化规律通过选取典型的土性参数对黏土粉土和均质砂岸坡进行饱和非饱和渗流分析得到水位升降过程中岸坡内孔隙水压力场再引入极限平衡方法考虑基质吸力对非饱和土抗剪强度及岸坡安全系数的贡献进行岸坡

2、稳定性分析分析表明土体的饱和渗透系数和土水特征曲线共同决定了水位升降时岸坡内孔隙水压力的大小及分布水位升降情况下岸坡安全系数的变化规律也与岸坡土体的渗透特性有关关键词岸坡非饱和土水位升降渗流分析负孔隙水压力稳定分析中图分类号文献标识码由于降雨蒸发和毛细水等作用非饱和土坡广泛存在于自然界中在水气界面的张力作用下非饱和土中的孔隙水压力常为负值环境中水作用条件的改变可能使负孔隙水压力增大或消失从而导致土坡失稳目前对于非饱和土坡所进行的研究大多集中在降雨入渗及其对边坡稳定性影响的规律上对降雨可能引发的土坡浅层滑动研究较多实际上

3、岸坡库岸河岸边坡也是常见的一类非饱和边坡由于季节性降雨或水库运行岸坡外的水位通常波动较大岸坡土体的饱和度也处于变化中水分的相互补给改变了岸坡内的孔压场进而影响到岸坡的稳定目前对岸坡在水位波动下稳定性的研究大多限于饱和土力学的范畴即研究饱和土的渗流对岸坡稳定性的影响饱和土力学中对于由水的自重形成的渗流场可以通过绘制流网或稳态渗流分析求解对于压缩性较大渗透系数较小的土中的渗流场可以通过变形渗流耦合分析如固结理论求解但饱和土力学无法考虑土处于非饱和状态时孔隙水压力的产生和消散过程也不涉及由基质吸力产生的负孔隙水压力对边坡稳定

4、的贡献而这些因素有时会对非饱和边坡的稳定起决定性作用因此饱和土理论不能揭示水位变化过程中岸坡稳定性变化的规律和实质本文对水位上升和下降情况下的非饱和岸坡进行非稳态渗流分析在计算边坡稳定时考虑负孔隙水压力对非饱和土抗剪强度的贡献分析不同土类的均质库岸边坡在水位变化条件下的渗流和稳定性变化非饱和岸坡的相关分析理论土的力学性状由控制土结构平衡的应力变量所控制这些应力变量被称为应力状态变量非饱和土的特性可由个正应力变量和中任意两个的组合来描述因为可以将总法向应力变化造成的影响同孔隙水压力造成的影响区分开来净法向应力和基质吸力被

5、证实是最利于实际应用的应力状态变量的组合本文所用的渗流模型假定渗流过程中土坡不受收稿日期作者简介张文杰男山东青岛人博士生主要从事环境土工及边坡稳定方面的研究外加荷载作用渗流过程中孔隙气压力保持常数即等于大气压力这样净法向应力保持不变故其不引起含水率的变化则含水率的变化仅是由基质吸力的变化所引起的对于岸坡来讲由于其固结变形早已完成在渗透过程中没有水以外的荷载作用基本上无体变产生因此上述假定是合理的图典型的土水特征曲线图渗透性函数曲线描述含水率或饱和度与基质吸力关系的曲线称为土水特征曲线它描述了非饱和土对水分的吸持作用通常

6、孔隙气压力等于大气压力压力表压力为零则有这样基质吸力简化为负的孔隙水压力某一含水率下基质吸力的大小与土的颗粒级配土中次生矿物的成分及其含量有关典型黏土粉土和均质砂的土水特征曲线如图所示图中纵坐标为体积含水量是土中水所占的体积与总孔隙体积之比当饱和土变得不饱和时空气首先取代大孔隙中的水导致水通过较小孔隙流动从而使流程的绕曲度增加随着基质吸力的进一步增加水占的孔隙体积进一步减小水相渗透系数随着可供水流动的空间减少而急剧降低描述非饱和土基质吸力和渗透系数关系的曲线称为渗透性函数曲线渗透性函数的试验室量测往往要耗费试验者巨大的

7、精力和时间并且即使如此也难以保证试验结果的准确实际上由饱和渗透系数和土水特征曲线推导出渗透性函数一般可以达到足够的精度本文将采用的渗透性函数是按等提出的方法结合图中的土水特征曲线推导出的如图所示在各向同性土中数值模型所采用的控制微分方程如下式中为随含水率变化而变化的渗透性系数为渗流过程中的总水头位置水头和压力水头之和为土水特征曲线在某一特定孔隙水压力处的斜率式左侧基于达西定律代表流经土单元向和向的水量变化因为所以右侧代表单位时间内体积含水量的变化随着饱和土中孔隙水的排出土颗粒间出现水气界面亦即收缩膜收缩膜产生的表面张力

8、增加了土粒间的压应力从而给土提供了额外的抗剪强度随着更多的水排出收缩膜曲率半径减小表面张力增大土粒间的压应力增加从而使土的抗剪强度提高反之当饱和度增加时收缩膜曲率半径变大施加于土粒间的表面张力减小土的抗剪强度降低等认为非饱和土的抗剪强度由有效黏聚力和净法向应力引起的强度以及基质吸力引起的强度所组成净法向应力引起的强度与有效内摩擦角