1、第 2卷 第 6期 地 下 空 間 與 工 程 學 報 Vo. l 2 2006年 12月 Chinese Journal ofUndergro und Space and Engi neering Dec . 2006文章編號 :167320836(2006 0621003204巖體滲透特性對邊坡穩定性影響分析 *梁寧慧 1, 劉新榮 1, 陳建功 1, 王永勇 2(1. 重慶大學 土木工程學院 , 重慶 400045;2. 湖州市高速公路建設管理處 , 浙江 湖州 313000摘 要 :絕大多數巖質邊坡的破壞均是由于地下水在裂隙中的滲流而引起 , 巖體的滲透 特性對邊坡穩定性的影響是不可忽

2、視的 。 文章介紹了裂隙巖體滲透系數的確定方法及邊坡的 穩定性分析方法 , 并基于 3D-FL AC 模擬分析 , 探討了巖體滲透系數對邊坡穩定性的影響等問 題 , 研究表明 , 隨著巖體滲透系數的增大 , 孔隙水壓力增大 , 有效應力減小 , 邊坡的安全系數降 低 。關鍵詞 :滲透系數 ; 邊坡穩定性 ; 安全系數中圖分類號 :U4121366文獻標識碼 :AN u m er ica l Ana l ysis of the R ock Seepage C ha racter for the In fl uen ce of Sl ope ' s Stab ilityLI A NG N

3、i n g 2hui 1, LI U X i n 2rong 1, C H E NG Jian 2gong 1, WANG Yong 2yong 2(1. Colle g e o f Civil Engineering , Chongqing Universit y , Chongqing 400045;2. Depa rt m ent o f Express way Co nst ruction adm inistra tion inH uz hou , Huzhou Zhejiang, 313000Abstr a ct :It is t he m a i n reaso n f or fa

4、 il ure of rock slo pe that the rock crack seepage flo w of unde rground wa ter, the rock seepage character has a si gn ifi cant i nfl uence o n slope stability . The research of rock per m eab ility coeffic i entand ana l ysis m ethods of rock slo pe stab lity are i ntroduced , the influence of roc

5、k per m eab ilit y coeffi c ient o n slo pe sta 2b lity is st udied . Base o n the nume rical ana l ysis by 3D -FL AC , the i nfl uence of rock pe r meability coeffic i ent o n sl ope stab lity is stud i ed . The resu lt sho ws tha twhen the pore water press u re i ncreases and the e ffective stress

6、 reduces , the per m eability coeffic i ent reduces .K eyword s :per m eab ilit y coefficien t ; s l ope stability ; sa fety factor1引言巖體的滲透 特性是近年研究 的熱點問 題 1, 隨著人類工程活動范圍的擴展和規模的擴大 , 對這 一需求顯得尤為緊迫。在目前所知的許多庫區邊 坡破壞均與庫岸邊坡的滲流有著重要關系。由水 庫誘發的滑坡很多 , 這些水庫均在水庫蓄水時發生 了很大的滑坡 , 究其原因主要是因為蓄水導致了地 下水位及滲流場的變化 , 改變了孔隙水壓力 ,

7、 從而 導致了滑坡的發生。可以說絕大多數巖質邊坡的 破壞均是由于地下水在裂隙中滲流而引起 , 而滲透 系數是影響滲流的關鍵因素 , 因此 , 研究滲透系數 對邊坡的穩定性評價具有積極實際的意義。2裂隙巖體滲透系數的研究在巖體滲流分析中 , 滲透系數確定正確與否 , 關系到巖體滲流分析的成敗 , 所以人們對其表示方 法和測定方法傾注了大量的 精力 2345。對于*收稿日期 :2006208220(修改稿 作者簡介 :梁寧慧 (19712, 女 , 浙江新昌人 , 講師 , 碩士 , 主要從事結構工程教學與巖土科研工作。 2002均勻各向同性的土體 , 只需一個參數基本能全面反 映其滲透特性 ,

8、滲透系數確定較為容易 ; 但對于 非均質各向異性的巖體 , 滲透系數的確定十分困 難和復雜 , 計算精度也很難掌握 , 目前大多采用 滲透張量來進行表示。確定巖體滲透張量的方法可分為三大類 :裂隙 樣本法、 現場試驗法、 試驗與裂隙樣本結合法、 解析 法、 半解析法、 反演法等均基于試驗或觀測資料 , 應 歸于試驗法中 , 實際上 , 試驗法也需要與滲流理論 相結合 , 通過反演分析獲得滲透系數。裂隙樣本法 (又稱幾何形態法 是現場收集和 統計研究巖區的裂隙網絡的傾 向、 傾角、 開度、 分 布、 粗糙度、 連通度等 , 然后依據單裂隙滲流理論和 張量分析方法獲得裂隙網絡的滲透系數及主滲透 方

9、 向 等 , 切 爾 內 紹 夫 (1987 6, 田 開 銘 等 (1989 2、 張有天 (1990 7等在這方面做了許多 研究。裂隙樣本法在理論上己比較完善 , 但需要施 測大量的裂隙幾何參數 , 并且一些隱蔽性較強的參 數更不易獲得 , 所以應用較為困難。現場試驗是目前確定滲透張量應用較為廣泛 的方法 , 它包括單孔壓水試驗、 改進單孔壓水試驗、 三段壓水試驗、 交叉孔壓水試驗、 抽水試驗等多種 方法。這些方法的基本思路是 :根據試驗獲得的流 量、 水位等資料 , 然后反求滲透系數。試驗與裂隙樣本結合法是指首先根據裂隙樣 本法計算出滲透張量的大小和方向 , 然后再根據壓 水試驗結果對其

10、進行修正。3邊坡穩定性分析方法目前邊坡穩定性分析的研究方法主要有以下 三類 :(1 極限平衡分析法 :應用極限平衡法研究邊 坡穩定性 , 首先要確定一個潛在的滑動面 , 并在作一 系列簡化假定后 , 由力系平衡或能量守恒求得沿滑 動面的安全系數 , 用它作為評價邊坡安全性的指標。 (2 數值模擬方法 :現代工程建設的工程地質 問題己相當復雜 , 在對這些問題進行分析時 , 傳統 的解析解法受到很大的制約。人們在廣泛吸收現 代數學、 力學的理論基礎上 , 借助于計算機 , 來獲得 滿足工程要求的數值解 , 這就是數值模擬。(3 模型試驗方法 :根據邊坡原型 , 按一定相似 條件建立小尺寸物理模型

11、 , 施加相應的工程荷載以 及超載 , 研究邊坡的破壞機理 , 即為模型試驗方法 , , 格郎日有限差分法 FL AC-3D 進行了分析 , 由滲透 系數計算安全系數。考慮能否由滲透系數來分析 邊坡的安全穩定性。4滲流計算模型FL AC-3D 模擬多孔介質中流體流動時 , 流體 的模擬獨立于結構計算。其主要通過孔隙水壓力 的消散引起巖體 中位移的 變化 , 這一過程 包含 2種力學效果 8:(1 孔隙水壓力的變化引起結構體中有效應 力的變化。(2 孔隙水壓 力的變化又引起流體區 域的變化。 流體在孔隙介質中的流動依據是 Darcy 定律 , 流 -固耦合過程滿足 B i o t 方程 9。流體

12、在多孔介 質中流動時 , 主要引起以下幾個變量的改變 :孔隙 水壓力、 飽和狀態和滲透流量。這些變量通過流體 質點平衡方程和 Darcy 定律間的相互關系描述流 體的流動。本構方程主要表現孔隙水壓力、 飽和狀 態、 體積應變和溫度的變化關系 , 近而實現溫度 -流體 -固體三者間的耦合。在 FL AC-3D 中 , 流體的區域 被離散為八節 點六面體的區域。孔隙水壓力和飽和狀態被作為 節點變量。實際上 , 每一個區域又 被離散為四面 體 , 在四面體中孔隙水壓力和飽和狀態被認為是線 性變化的。在耦合計算過程中 , 首先 , 從靜力學平衡狀態 開始 , 水力耦合的模擬包含許多計算步 , 每一步都

13、 包含一步或更多步的流體計算 , 直到滿足靜力平衡 方程為止。由于流體的流動 , 孔隙水壓力增加 , 在 流體循環步中要進行計算 , 其對體積應變的貢獻在 結構循環步中要進行計算 ; 然后 , 體積應變作為一 個區域值被分配到各個節點上。在有效應力的計算中 , 總應力增量是由于在結 構循環中體積應變的改變和在流體循環中流量的 改變 , 引起孔隙水壓力的改變所導致的有效應力的 變化。運動方程、 平衡方程、 本構方程、 相容方程、 有 限差分方程及相應的解法見文 9。5滲透系數對邊坡穩定性影響的算 例分析511計算區域及邊界條件為了分析滲透系數對邊坡穩定性的影響 , 建立 1,1004地 下 空

14、間 與 工 程 學 報 第 2卷m, y 方向長 0. 5m, z 方向長 12m 。假定為各向同 性的均質體 , 面 ¹、 ½為不透水邊界 , 面 º、 »、 ¼為 透水邊界 , 在面 ¾處作用有梯形分布的水壓 , 并在 整個過程保持不變。在此條件下研究滲透系數改 變對邊坡穩定性的影響。共剖分單元 289個 , 節點 654個。 (由于逐個地解運動方程 , 且方程數量大 , 故解題速度受影響。若單元數量過大 , 會降低平衡 和收斂速度 , 延長解題時間。 圖 1 滲流模型 F i g . 1 The m o de l of seep

15、age此巖質邊坡的飽和密度為 2265kg/m3, 剪切模量為 1. 82108pa , 粘聚力為 0. 81Mpa , 內摩擦角 為 29b 。流體的比奧模量為 2109, 空隙率為 0. 228。根據不同的滲透系數了解孔隙水壓力和有效 應力分布特征 , 并計算其對應的邊坡安全性系數。滲流分析采用六面體單元。圖 2給出了三維 滲流分析的有限差分網格 , 邊坡的三維彈塑性有限 差分分析選用 M ohr-Cou l o mb 屈服 準則 , 滲流分 析選用 Darcy 定律。耦合分析根據前述的基本原 理進行分析。圖 2 巖質邊坡的有限差分網格圖 F i g . 2 The gr i d of F

16、D M f or rock sl ope512 計算結果及分析圖 38分別給出了不同滲透系數所對應的孔 隙水壓力及有效應力分布圖。從以上這些圖中可以得知 :(1 孔隙水壓力最大值位于邊坡中點附近 , 并圖 3 滲透系數為 2. 1810-5c m /s 時的孔隙水壓分布圖F i g . 3 The distri buti on of pore pressure for per m eab ilit y cofficien t 2. 1810-5c m / s圖 4 滲透系數為 5. 9210-5c m /s 時的孔隙水壓分布圖F i g . 4 The distri buti on of po

17、re pressure for per m eab ilit y cofficien t 5. 9210-5c m / s圖 5 滲透系數為 1. 8610-4c m /s 時的孔隙水壓分布圖F i g . 5 The distri buti on of pore pressure forper m eab ilit y cofficien t 1. 8610-4c m /s逐漸向坡底、 坡頂及深部減小 ;(2 隨著滲透系數的增大 , 孔隙水壓力增大 , 有效應力減小。(3 在坡頂內側存在拉應力區 , 是產生張拉裂隙的原因。有效應力在坡緣處最小并逐漸向深處 增大。10052006年第 6期 梁

18、寧慧 , 等 :巖體滲透特性對邊坡穩定性影 響分析 圖 6 滲透系數 2. 1810-5cm /s時的有效應力分布圖F i g . 6 The d i str i bu tion of effecti ve stress for pe r meability cofficient 2. 1810-5c m / s圖 7 滲透系數 5. 9210-5cm /s時的有效應力分布圖F i g . 7 The d i str i bu tion of effecti ve stress for pe r meability cofficient 5. 9210-5c m / s圖 8 滲透系數 1.

19、8610-4cm /s時的有效應力分布圖F i g . 8 The d i str i bu tion of effecti ve stress for pe r meability cofficient 1. 8610-4c m /s數對應的安全系數見表 1。6 結語巖體的變形破壞取決于有效應力 , 因而巖體內 孔隙水壓力的變化必然對巖體的變形破壞產生表 1 安全系數 Ta b l e 1 F a ctor of sa fety 滲透系數 安全系數 2. 18E -053. 972. 93E-053. 895. 92E-053. 881. 27E-043. 781. 86E-043. 76影響。從圖 38可知 , 隨著巖體滲透系數的增大 ,孔隙水壓力在增大 , 有效應力在減小 ; 由表 1可知 , 隨著滲透系數的增大 , 邊坡的安全系數在降低。由 此可知 , 滲透系數的大小從另一角度上反映了邊坡 穩定性的大小。對于水庫周圍庫岸巖體 , 其滲透系 數的大小直接反映了地下水水位變化的幅度 , 孔隙 水壓力發生變化的幅度 , 對于邊坡穩定性分析具有 重要的價值。因此 , 對于邊坡的穩定性評價 , 滲透 系數可以作為一個參考指標。參考文獻 :1 盛金 昌 , 速 寶玉 . 裂 隙 巖體 滲流 應