非飽與滲流和邊坡穩(wěn)定關(guān)系探析

1、非飽與滲流和邊坡穩(wěn)定關(guān)系探析摘要：邊坡的滲流是一個(gè)復(fù)雜的問題，同時(shí)又是 邊坡破壞的主要影響因素。本文應(yīng)用abaqus和強(qiáng)度折減法 相結(jié)合，基于尾礦壩干灘長度的變化使得滲流場(chǎng)的改變的原 理，把尾礦壩非飽和滲流的結(jié)果帶入到壩坡的強(qiáng)度折減法中 去，分析非飽和滲流的作用下對(duì)邊坡穩(wěn)定的影響。得到了邊 坡非飽和滲流與邊坡的穩(wěn)定關(guān)系，對(duì)于以后的邊坡設(shè)計(jì)能提 供有意義的參考價(jià)值。關(guān)鍵詞：邊坡穩(wěn)定；非飽和滲流；滑坡；尾礦壩abstract： the seepage of slope is a complicated problem, is the main influence factors of slope

2、failure at the same time and combining strength subtraction of abaqus is applied in this article, based on the change makes the seepage field of tailings dam dry beach length change principle of unsaturated seepage of the tailing dam resuits into the dam slope strength subtraction, unsaturated seepa

3、ge analysis of slope stability under the action of impact get the relationship between the slope of unsaturated seepage flow and slope stability, slope for later design can provide significant reference value.key words： the slope stability； the unsaturatedseepage； landslides； tailings dam.中圖分類號(hào)：u213

4、. 1+3文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：a文章編號(hào)： 2095-2104 (2013)0、引言滑坡是對(duì)人類的生命財(cái)產(chǎn)帶來重大威脅的一種重要的 地質(zhì)災(zāi)害，它經(jīng)常導(dǎo)致河道堵塞、交通中斷、城鎮(zhèn)被掩埋、 工程受阻等災(zāi)害發(fā)生【1】【2】。滑坡災(zāi)害最常見的外因是降 雨和地震【1】2 3【4】。土體含水量只要發(fā)生改變，則 土體的參數(shù)就變化。浸潤線的變化，土體的參數(shù)隨著變化， 水土相互作用，兩者是相關(guān)相聯(lián)的。在眾多邊坡中尾礦壩邊 坡滲流較為典型。研究浸潤線對(duì)尾礦壩邊坡的作用，對(duì)于尾 礦壩壩坡穩(wěn)定有至關(guān)重要作用【5】【6】。尾礦壩干灘長度對(duì) 浸潤線有著直接作用，本文通過干灘長度變化來分析壩體邊 坡滲流的影響。1、有限元法強(qiáng)度折減

5、法在邊坡穩(wěn)定性的計(jì)算方法邊坡計(jì)算方法經(jīng)過70多年的發(fā)展，在計(jì)算方法上已日 臻完善。早期為極限平衡法，極限片法以條分法較為通用， 就是計(jì)算中假定土體為理想的塑性材料，不考慮土體內(nèi)部應(yīng) 力一應(yīng)變的關(guān)系7o 1975年，zienkiewicz等首次在土工 彈塑性有限元數(shù)值分析中引入抗剪強(qiáng)度折減系數(shù)的概念 【8】，由此所確定的強(qiáng)度安全系數(shù)與bishop【9】在極限平 衡法中計(jì)算得到的安全系數(shù)在概念上是一致的。本文采用大型有限元分析軟件abaqus,結(jié)合強(qiáng)度折減法 對(duì)尾礦壩進(jìn)行壩坡穩(wěn)定性分析，abaqus的drucker - prager 模型采用了線性屈服面模擬計(jì)算分析，計(jì)算出邊坡坡體塑性 應(yīng)變的發(fā)展

6、趨勢(shì)，通過數(shù)據(jù)分析坡體水平位移、塑性變形等 隨各個(gè)因素的變化，由此來評(píng)價(jià)邊坡的穩(wěn)定性。2、工程概況及計(jì)算結(jié)果2. 1工程概況某尾礦場(chǎng)地位于某支溝，巖基被風(fēng)化剝蝕形成溝谷，溝 谷長度大于680m,庫區(qū)長300m。地貌單元?jiǎng)澐謥砜磳儆诘?中山區(qū)侵蝕小型溝谷。在已建初期土石混合壩高17. 5m,壩 頂標(biāo)高為800m,壩頂為106m。坡比上游為1： 1. 5,下游為 1： 1.75, 土工織物防滲層設(shè)在上游面。尾礦堆積形式為上 游筑壩法，現(xiàn)在總高度56m,設(shè)計(jì)的堆積壩比初期壩頂高30m, 總庫容為145.2x104m3o初期壩址的橫斷面溝底寬約10m。 溝谷兩側(cè)的坡度為35。65。，溝谷對(duì)稱較好。為確

7、定堆積 壩的壩體內(nèi)部浸潤線位置，在15個(gè)鉆孔對(duì)地下水位長期觀 測(cè)管。經(jīng)過測(cè)量該浸潤線，如下圖2-1。圖2-1實(shí)測(cè)浸潤線圖圖2-2計(jì)算網(wǎng)格劃分圖2. 2計(jì)算條件1）概況及計(jì)算范圍計(jì)算按著原來壩體參數(shù)建模如圖2-3。模型的基準(zhǔn)點(diǎn)(坐 標(biāo)原點(diǎn))為初期壩的壩址處，模型向下游左延伸40米，向 上游延伸450米，基本符合尾礦壩的堆積范圍，垂直向上為 y方向的的正向，水平向右為x的正向。模型壩高為50. 6m, 上游坡比1： 1.5,下游坡比1： 1. 75o模型如圖3-6所示。采用abaqus特有的孔壓/位移耦合單元，劃分為11123 個(gè)單元和14325個(gè)節(jié)點(diǎn)。網(wǎng)格的劃分如圖2-2所示。2)邊界條件(1)

8、 位移邊界如圖3-6所示,基巖前端以及壩基的后端都為水平約束, 模型底部為垂直約束，在壩基、初期壩、尾礦壩相互之間的 連接都用接觸設(shè)置傳遞應(yīng)力與應(yīng)變。(2) 滲流邊界在地表面全部采用出滲邊界，尾礦壩的上游水位，除干 灘面以外的尾礦堆積層灘面上采用入滲邊界。尾礦壩下游坡 面、初期壩、臨空坡面地表面都設(shè)置自由滲出邊界。通過對(duì) 邊坡排水邊界的定義，滿足完全飽和區(qū)域的孔隙水壓力為 零，流速設(shè)置為孔壓的函數(shù)，當(dāng)孔壓為正時(shí)，流速和孔壓成 正比，當(dāng)孔壓為負(fù)時(shí)，流速則為零。2-3計(jì)算模型圖備注：為了研究尾礦壩邊坡應(yīng)力應(yīng)變情況，在模型中設(shè) 置了一條a-b水平路徑，提取路徑中的數(shù)據(jù)研究邊坡內(nèi)部變 化。2. 3材料

9、參數(shù)在計(jì)算中，壩基和初期壩不考慮屈服破壞，只考慮了滲 流場(chǎng)以及應(yīng)力應(yīng)變相互作用對(duì)尾礦壩的影響。表2-1工況1尾礦壩計(jì)算參數(shù)3、計(jì)算結(jié)果3.1原條件計(jì)算結(jié)果圖3-1工況1折減系數(shù)為1.0時(shí)的孔隙水壓力等值線圖圖3-2工況1折減系數(shù)為1. 18時(shí)的等效塑性應(yīng)變等值 線圖由于模型前端初期壩的初期壩材料顆粒粒徑較大，孔隙 比較大，而尾礦壩堆積體的滲透系數(shù)小，初期壩相當(dāng)于一個(gè) 透水邊界，孔隙水壓力的最大值始終處于壩體右下方。根據(jù) 圖3-1隙水壓力等值線圖，浸潤線以上孔隙水壓力消散為負(fù) 壓表現(xiàn)為負(fù)值，浸潤線以下為飽和區(qū)域，孔隙水壓力數(shù)值為 正。計(jì)算所得的浸潤線與勘察的實(shí)測(cè)浸潤線相吻合，證明應(yīng) 力應(yīng)變與滲流

10、耦合作用的準(zhǔn)確性。圖3-2折減系數(shù)為1. 18時(shí)的等效塑性應(yīng)變?cè)茍D。由圖 可見，邊坡出現(xiàn)的塑性應(yīng)變屈服區(qū)即邊坡破壞的潛在滑動(dòng) 面。折減系數(shù)增大，塑性區(qū)范圍也跟著在不斷擴(kuò)大，同時(shí)， 塑性應(yīng)變的值也在不斷增大。強(qiáng)度折減系數(shù)為1.18塑性應(yīng) 變?cè)茍D可以看出，幅值比較大，但是此時(shí)的塑性屈服區(qū)沒有 貫通整個(gè)邊坡，認(rèn)為邊坡依然安全的。邊坡在折減系數(shù)為 1.19不再收斂，認(rèn)為此時(shí)邊坡塑性區(qū)已經(jīng)貫通整個(gè)邊坡，邊 坡坡體上的土體處于無限流動(dòng)狀態(tài)，邊坡失穩(wěn)。3. 2干灘長度對(duì)尾礦壩穩(wěn)定計(jì)算分析前面計(jì)算，工況1的干灘長度160m,通過改變尾礦壩的 干灘長度分析尾礦壩的穩(wěn)定，所以設(shè)置了另外三個(gè)工況，工 況2干灘設(shè)置長

11、度為30m,工況3干灘長度設(shè)置為100m,工 況4干灘長度設(shè)置為220m,其他材料參數(shù)與工況1的一致。 工況5為非滲流耦合作用未引入水滲流作用，為了研究尾礦 壩在沒有滲流情況下與上述滲流工況對(duì)比，僅僅應(yīng)力應(yīng)變作 用下得到邊坡的穩(wěn)定性。圖3-3工況2折減系數(shù)為1. 03的等效塑性應(yīng)變圖3-4工況3折減系數(shù)為1. 15的等效塑性應(yīng)變圖3-5工況4折減系數(shù)為1. 19的等效塑性應(yīng)變圖3-6工況5折減系數(shù)為1. 15的等效塑性應(yīng)變圖3-33-6為四個(gè)不同工況下邊坡最后一次收斂時(shí)的塑 性應(yīng)變?cè)茍D。圖3-4為工況2折減系數(shù)為1.03時(shí)，壩坡中 的等效塑性應(yīng)變的發(fā)展情況。由圖可知，此時(shí)尾礦壩壩坡的 塑性屈服

12、區(qū)在一級(jí)子壩右上角已經(jīng)貫通，安全系數(shù)為1.02； 圖3-5為工況3折減系數(shù)為1. 15,此時(shí)尾礦壩壩坡的塑性區(qū) 在一級(jí)子壩右上角接近貫通，結(jié)合軟件收斂情況應(yīng)選取安全 系數(shù)為1.15；圖3-6為工況4折減系數(shù)為1. 19,壩坡中的 等效塑性已經(jīng)貫穿邊坡，安全系數(shù)為1. 19o由圖3-7同理分 析工況5安全系數(shù)為1. 15o圖3-7路徑上不同干灘長度的孔隙水壓力圖圖3-8路徑上不同干灘長度的水平位移圖由圖3-7,三個(gè)工況的對(duì)比分析，非飽和區(qū)，隨著干灘 長度的增加，同一個(gè)點(diǎn)的基質(zhì)吸力也相應(yīng)的增大，而基質(zhì)吸 力對(duì)邊坡的穩(wěn)定是有貢獻(xiàn)作用的，邊坡是愈趨于穩(wěn)定的。在 飽和區(qū)，隨著干灘長度的增加，同一位置的孔

13、隙水壓力減小, 孔壓形成的滲透力對(duì)于邊坡穩(wěn)定是很不利，孔隙水壓力減小 邊坡穩(wěn)定性增強(qiáng)。工況2、工況3、工況1、工況4孔壓的正 直分別出現(xiàn)在22m、30m、35m、41m,當(dāng)孔隙水壓力的值為正 說明是飽和滲流，對(duì)邊坡起不利作用，當(dāng)孔隙水壓力為負(fù)值 說明基質(zhì)吸力作用，對(duì)于邊坡穩(wěn)定起積極作用。由圖可見， 干灘長度增加，水對(duì)邊坡積極作用的有效范圍向邊坡內(nèi)部發(fā) 展，從滲流這個(gè)方面分析，干灘長度增加邊坡趨于穩(wěn)定。由圖3-8,對(duì)比五個(gè)工況路徑的水平位移，干灘長度的 增加，路徑上同一個(gè)地方的水平位移減小明顯。工況2干灘 長度30m時(shí)的水平位移最大值達(dá)到了 0. 12m,是一個(gè)不穩(wěn)定 的值。工況5不考慮邊坡滲流

14、作用，得到的結(jié)果在其他工況 曲線有相交，這跟上面分析基質(zhì)吸力作用原理也是比較吻 合。邊坡的水平位移是邊坡滑動(dòng)的直觀表現(xiàn)，干灘長度降低, 邊坡水平位移越大，邊坡穩(wěn)定性越差。綜合分析，干灘長度增加，安全系數(shù)就會(huì)愈大，邊坡的 穩(wěn)定性就會(huì)越好。，尾礦壩飽和區(qū)往邊坡深部移動(dòng)，從滲流 方面考慮，邊坡就越穩(wěn)定。干灘長度增加，邊坡水平位移減 小，邊坡穩(wěn)定性增大。工況5與工況4、工況1對(duì)比，安全 系數(shù)僅僅為1.15,比兩者都要小，以及上述有關(guān)于對(duì)等效塑 性應(yīng)變、水平位移、基質(zhì)吸力的分析，可見邊坡中考慮基質(zhì) 吸力對(duì)邊坡穩(wěn)定的作用是積極的。4、小結(jié)本文通過運(yùn)用abaqus和強(qiáng)度折減法相結(jié)合，對(duì)尾礦壩 非飽和滲流的穩(wěn)

15、定性進(jìn)行計(jì)算分析，由分析可見，地下水埋 藏較深，邊坡塑性區(qū)范圍內(nèi)土體處于非飽和滲流區(qū)，基質(zhì)吸 力對(duì)邊坡穩(wěn)定性起積極作用，水對(duì)邊坡穩(wěn)定作用是有益的； 浸潤線深入邊坡的塑性屈服區(qū)，土體抗剪強(qiáng)度參數(shù)迅速降 低，土體中都增大，水對(duì)于邊坡作用表現(xiàn)為急劇地降低了邊 坡的穩(wěn)定性。因此在分析水對(duì)邊坡作用時(shí)，需要分析邊坡的 潛在滑動(dòng)面與浸潤線的關(guān)系，土體飽和程度，才能進(jìn)一步分 析水對(duì)于邊坡穩(wěn)定性的作用。參考文獻(xiàn)謝定義，姚仰平，黨發(fā)寧高等土力學(xué)m.北京：高等 教育出版社，2007.王恭先面向21世紀(jì)我國滑坡災(zāi)害防治的思考j.蘭州 滑坡泥石流學(xué)術(shù)研討會(huì)文集蘭州大學(xué)出版社文集編委會(huì)主 編.1998. 1-8.喬娟，羅先啟水對(duì)邊坡失穩(wěn)的作用機(jī)理探討j災(zāi)害 與防治工程，2005(2):39243.殷坤龍，汪洋，唐仲華降雨對(duì)滑坡的作用機(jī)理及動(dòng)態(tài) 模擬研究j.地質(zhì)科技情報(bào),21 (1):75278.徐宏達(dá).我國尾礦庫病害事故統(tǒng)計(jì)分析j.工業(yè)建筑， 2001, (1)69 71.李康宏，鄧祥輝，何萌，柴軍瑞，李守義基于鉆孔資 料的某尾礦壩滲透系數(shù)反演分析有限元模型建立j巖石 力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2004年7月，23(增1)： 43294332.陳祖煜.土質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性分析m.北京：高等教育出版社，1997.zienkiewicz 0 c ,