岩体渗透特性对边坡稳定性影响分析图文精.docx
- 文档编号:12724006
- 上传时间:2023-04-21
- 格式:DOCX
- 页数:11
- 大小:346.77KB
岩体渗透特性对边坡稳定性影响分析图文精.docx
《岩体渗透特性对边坡稳定性影响分析图文精.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《岩体渗透特性对边坡稳定性影响分析图文精.docx(11页珍藏版)》请在冰豆网上搜索。
岩体渗透特性对边坡稳定性影响分析图文精
第2卷第6期地下空间与工程学报Vo.l22006年12月ChineseJournalofUndergroundSpaceandEngineeringDec.2006文章编号:
167320836(20060621003204
岩体渗透特性对边坡稳定性影响分析*
梁宁慧1,刘新荣1,陈建功1,王永勇2
(1.重庆大学土木工程学院,重庆400045;
2.湖州市高速公路建设管理处,浙江湖州313000
摘要:
绝大多数岩质边坡的破坏均是由于地下水在裂隙中的渗流而引起,岩体的渗透特性对边坡稳定性的影响是不可忽视的。
文章介绍了裂隙岩体渗透系数的确定方法及边坡的稳定性分析方法,并基于3D-FLAC模拟分析,探讨了岩体渗透系数对边坡稳定性的影响等问题,研究表明,随着岩体渗透系数的增大,孔隙水压力增大,有效应力减小,边坡的安全系数降低。
关键词:
渗透系数;边坡稳定性;安全系数
中图分类号:
U4121366文献标识码:
A
NumericalAnalysisoftheRockSeepageCharacterfortheInfluenceofSlope'sStability
LIANGNing2hui1,LIUXin2rong1,CHENGJian2gong1,WANGYong2yong2
(1.CollegeofCivilEngineering,ChongqingUniversity,Chongqing400045;
2.DepartmentofExpresswayConstructionadministrationinHuzhou,HuzhouZhejiang,313000
Abstract:
Itisthemainreasonforfailureofrockslopethattherockcrackseepageflowofundergroundwater,therockseepagecharacterhasasignificantinfluenceonslopestability.Theresearchofrockpermeabilitycoefficient
andanalysismethodsofrockslopestablityareintroduced,theinfluenceofrockpermeabilitycoefficientonslopesta2
blityisstudied.Baseonthenumericalanalysisby3D-FLAC,theinfluenceofrockpermeabilitycoefficientonslopestablityisstudied.Theresultshowsthatwhentheporewaterpressureincreasesandtheeffectivestressreduces,thepermeabilitycoefficientreduces.
Keywords:
permeabilitycoefficient;slopestability;safetyfactor
1引言
岩体的渗透特性是近年研究的热点问题[1],随着人类工程活动范围的扩展和规模的扩大,对这一需求显得尤为紧迫。
在目前所知的许多库区边坡破坏均与库岸边坡的渗流有着重要关系。
由水库诱发的滑坡很多,这些水库均在水库蓄水时发生了很大的滑坡,究其原因主要是因为蓄水导致了地下水位及渗流场的变化,改变了孔隙水压力,从而导致了滑坡的发生。
可以说绝大多数岩质边坡的破坏均是由于地下水在裂隙中渗流而引起,而渗透系数是影响渗流的关键因素,因此,研究渗透系数对边坡的稳定性评价具有积极实际的意义。
2裂隙岩体渗透系数的研究
在岩体渗流分析中,渗透系数确定正确与否,关系到岩体渗流分析的成败,所以人们对其表示方法和测定方法倾注了大量的精力[2][3][4][5]。
对于
*收稿日期:
2006208220(修改稿
作者简介:
梁宁慧(19712,女,浙江新昌人,讲师,硕士,主要从事结构工程教学与岩土科研工作。
2002]
均匀各向同性的土体,只需一个参数基本能全面反映其渗透特性,渗透系数确定较为容易;但对于非均质各向异性的岩体,渗透系数的确定十分困难和复杂,计算精度也很难掌握,目前大多采用渗透张量来进行表示。
确定岩体渗透张量的方法可分为三大类:
裂隙样本法、现场试验法、试验与裂隙样本结合法、解析法、半解析法、反演法等均基于试验或观测资料,应归于试验法中,实际上,试验法也需要与渗流理论相结合,通过反演分析获得渗透系数。
裂隙样本法(又称几何形态法是现场收集和统计研究岩区的裂隙网络的倾向、倾角、开度、分布、粗糙度、连通度等,然后依据单裂隙渗流理论和张量分析方法获得裂隙网络的渗透系数及主渗透方向等,切尔内绍夫(1987[6],田开铭等(1989[2]、张有天(1990[7]等在这方面做了许多研究。
裂隙样本法在理论上己比较完善,但需要施测大量的裂隙几何参数,并且一些隐蔽性较强的参数更不易获得,所以应用较为困难。
现场试验是目前确定渗透张量应用较为广泛的方法,它包括单孔压水试验、改进单孔压水试验、三段压水试验、交叉孔压水试验、抽水试验等多种方法。
这些方法的基本思路是:
根据试验获得的流量、水位等资料,然后反求渗透系数。
试验与裂隙样本结合法是指首先根据裂隙样本法计算出渗透张量的大小和方向,然后再根据压水试验结果对其进行修正。
3边坡稳定性分析方法
目前边坡稳定性分析的研究方法主要有以下三类:
(1极限平衡分析法:
应用极限平衡法研究边坡稳定性,首先要确定一个潜在的滑动面,并在作一系列简化假定后,由力系平衡或能量守恒求得沿滑动面的安全系数,用它作为评价边坡安全性的指标。
(2数值模拟方法:
现代工程建设的工程地质问题己相当复杂,在对这些问题进行分析时,传统的解析解法受到很大的制约。
人们在广泛吸收现代数学、力学的理论基础上,借助于计算机,来获得满足工程要求的数值解,这就是数值模拟。
(3模型试验方法:
根据边坡原型,按一定相似条件建立小尺寸物理模型,施加相应的工程荷载以及超载,研究边坡的破坏机理,即为模型试验方法,,格郎日有限差分法FLAC-3D进行了分析,由渗透系数计算安全系数。
考虑能否由渗透系数来分析边坡的安全稳定性。
4渗流计算模型
FLAC-3D模拟多孔介质中流体流动时,流体的模拟独立于结构计算。
其主要通过孔隙水压力的消散引起岩体中位移的变化,这一过程包含2种力学效果[8]:
(1孔隙水压力的变化引起结构体中有效应力的变化。
(2孔隙水压力的变化又引起流体区域的变化。
流体在孔隙介质中的流动依据是Darcy定律,流-固耦合过程满足Biot方程[9]。
流体在多孔介质中流动时,主要引起以下几个变量的改变:
孔隙水压力、饱和状态和渗透流量。
这些变量通过流体质点平衡方程和Darcy定律间的相互关系描述流体的流动。
本构方程主要表现孔隙水压力、饱和状态、体积应变和温度的变化关系,近而实现温度-流体-固体三者间的耦合。
在FLAC-3D中,流体的区域被离散为八节点六面体的区域。
孔隙水压力和饱和状态被作为节点变量。
实际上,每一个区域又被离散为四面体,在四面体中孔隙水压力和饱和状态被认为是线性变化的。
在耦合计算过程中,首先,从静力学平衡状态开始,水力耦合的模拟包含许多计算步,每一步都包含一步或更多步的流体计算,直到满足静力平衡方程为止。
由于流体的流动,孔隙水压力增加,在流体循环步中要进行计算,其对体积应变的贡献在结构循环步中要进行计算;然后,体积应变作为一个区域值被分配到各个节点上。
在有效应力的计算中,总应力增量是由于在结构循环中体积应变的改变和在流体循环中流量的改变,引起孔隙水压力的改变所导致的有效应力的变化。
运动方程、平衡方程、本构方程、相容方程、有限差分方程及相应的解法见文[9]。
5渗透系数对边坡稳定性影响的算例分析
511计算区域及边界条件
为了分析渗透系数对边坡稳定性的影响,建立1,
1004地下空间与工程学报第2卷
m,y方向长0.5m,z方向长12m。
假定为各向同性的均质体,面¹、½为不透水边界,面º、»、¼为透水边界,在面¾处作用有梯形分布的水压,并在整个过程保持不变。
在此条件下研究渗透系数改变对边坡稳定性的影响。
共剖分单元289个,节点654个。
(由于逐个地解运动方程,且方程数量大,故解题速度受影响。
若单元数量过大,会降低平衡和收敛速度,延长解题时间。
图1渗流模型Fig.1Themodelofseepage
此岩质边坡的饱和密度为2265kg/m3
剪切模
量为1.82@108
pa,粘聚力为0.81Mpa,内摩擦角为29b。
流体的比奥模量为2@109
空隙率为0.228。
根据不同的渗透系数了解孔隙水压力和有效应力分布特征,并计算其对应的边坡安全性系数。
渗流分析采用六面体单元。
图2给出了三维渗流分析的有限差分网格,边坡的三维弹塑性有限差分分析选用Mohr-Coulomb屈服准则,渗流分析选用Darcy定律。
耦合分析根据前述的基本原
理进行分析。
图2岩质边坡的有限差分网格图Fig.2ThegridofFDMforrockslope
512计算结果及分析
图3~8分别给出了不同渗透系数所对应的孔隙水压力及有效应力分布图。
从以上这些图中可以得知:
(1孔隙水压力最大值位于边坡中点附近,
并
图3渗透系数为2.18@10-5cm/s时的
孔隙水压分布图
Fig.3Thedistributionofporepressureforpermeabilitycofficient2.18@10-5cm/
s
图4渗透系数为5.92@10-5cm/s时的
孔隙水压分布图
Fig.4Thedistributionofporepressureforpermeabilitycofficient5.92@10-5cm/
s
图5渗透系数为1.86@10-4cm/s时的
孔隙水压分布图
Fig.5Thedistributionofporepressurefor
permeabilitycofficient1.86@10-4cm/s
逐渐向坡底、坡顶及深部减小;
(2随着渗透系数的增大,孔隙水压力增大,有效应力减小。
(3在坡顶内侧存在拉应力区,是产生张拉裂
隙的原因。
有效应力在坡缘处最小并逐渐向深处增大。
1005
2006年第6期梁宁慧,等:
岩体渗透特性对边坡稳定性影响分析
图6渗透系数2.18@10-5cm/s时的
有效应力分布图
Fig.6Thedistributionofeffectivestressforpermeabilitycofficient2.18@10-5cm/
s
图7渗透系数5.92@10-5cm/s时的
有效应力分布图
Fig.7Thedistributionofeffectivestressforpermeabilitycofficient5.92@10-5cm/
s
图8渗透系数1.86@10-4cm/s时的
有效应力分布图
Fig.8Thedistributionofeffectivestressforpermeabilitycofficient1.86@10-4cm/s
数对应的安全系数见表1。
6结语
岩体的变形破坏取决于有效应力,因而岩体内孔隙水压力的变化必然对岩体的变形破坏产生
表1安全系数Table1Factorofsafety渗透系数安全系数2.18E-053.972.93E-053.895.92E-053.881.27E-043.781.86E-04
3.76
影响。
从图3~8可知,随着岩体渗透系数的增大,
孔隙水压力在增大,有效应力在减小;由表1可知,随着渗透系数的增大,边坡的安全系数在降低。
由此可知,渗透系数的大小从另一角度上反映了边坡稳定性的大小。
对于水库周围库岸岩体,其渗透系数的大小直接反映了地下水水位变化的幅度,孔隙水压力发生变化的幅度,对于边坡稳定性分析具有重要的价值。
因此,对于边坡的稳定性评价,渗透系数可以作为一个参考指标。
参考文献:
[1]盛金昌,速宝玉.裂隙岩体渗流应力耦合研究综述
[J].岩土力学,1998,6(2:
92-98
[2]田开铭,万力.各向异性裂隙介质渗透性的研究与评
价[M].北京:
学苑出版社,1989.9
[3]周汾,浦琬华.裂隙岩体各向异性渗流特性及其野外
测定方法[J].水利水电科学研究院研究论文集第8集(岩体土程,北京:
水利出版社,1982,p114-134[4]Romm,E.S.,FlowCharacteristicsofFracturedRocks,
Nedra,Moscow,1966
[5]张有天,张武功.裂隙岩体渗透特性渗流数学模型及
系数量测[J],岩石力学,1982.8
[6]切尔内绍夫著,盛志浩、田开铭译.水在裂隙网络中
的运动[M].北京:
地质出版社,1987
[7]张有天.三峡左岸船闸区山体渗流三维分析,/七五0
国家重点科技攻关[R].水利水电科学研究院,1990.9
[8]李术才,李树忱,朱维申等.泰安抽水蓄能电站围堰
稳定性的流-固耦合分析[J]。
岩石力学与工程学报,2004,23(8:
1275~1279[9]
ItascaConsultingGroupInc..FLAC3Dusercsmanual[R].USA:
ItascaConsultingGroupInc.
1006
地下空间与工程学报第2卷
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 渗透 特性 稳定性 影响 分析 图文