論Geo-slope中背水面邊界條件選取問(wèn)題

劉國(guó)棟

（商洛學(xué)院 城鄉(xiāng)發(fā)展與管理工程系，陜西商洛 726000）

Geo-slope軟件是由國(guó)際GEO-SLOPE公司開(kāi)發(fā)的一個(gè)巖土方面的綜合性軟件，同時(shí)還有針對(duì)三維滲流情況下的Seep/3D,各模塊間耦合方便。如果與滲流計(jì)算結(jié)合,可計(jì)算在降雨情況下的邊坡穩(wěn)定，可考慮在庫(kù)水位升降過(guò)程中的邊坡穩(wěn)定，可考慮地震作用下的邊坡穩(wěn)定，也可考慮上述各種工況不同組合情況下的邊坡穩(wěn)定。在國(guó)內(nèi)外它被廣泛應(yīng)用于巖土專(zhuān)業(yè)的研究，如吳宏偉等[1]用軟件slope/w結(jié)合seep/w計(jì)算了一人工土坡在降雨情況下的邊坡穩(wěn)定，分析了不同的降雨強(qiáng)度、雨型、邊坡土體滲透系數(shù)、坡面護(hù)坡、阻水層埋深對(duì)邊坡安全系數(shù)的影響。H.Rahardjo等[2]用該軟件計(jì)算了不同的土類(lèi)、坡角、降雨強(qiáng)度、坡高和地下水位對(duì)邊坡安全系數(shù)的影響。王曉燕[3]用該軟件計(jì)算了一個(gè)與混凝土防滲墻聯(lián)合的土壩的滲流情況，并以經(jīng)濟(jì)性和流量為目標(biāo)函數(shù)，以防滲墻深度為設(shè)計(jì)變量，運(yùn)用目標(biāo)函數(shù)法、圖解法等對(duì)防滲墻深度進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。楊智勇等[4]用該軟件結(jié)合FLAC-3D分析了干河子滑坡不同工況下的穩(wěn)定性和應(yīng)力、應(yīng)變場(chǎng)，得出的結(jié)論與實(shí)際監(jiān)測(cè)結(jié)論一致。

在Seep/w里，針對(duì)壩體滲流計(jì)算提供了5種邊界條件，分別是結(jié)點(diǎn)流量、總水頭、單位邊界水力梯度、單位邊界流量和壓力水頭。在實(shí)際工程中，很多情況下要給背水面加透水邊界，這可以通過(guò)加零壓力水頭來(lái)模擬[5]，但Seep/w沒(méi)有根據(jù)實(shí)際計(jì)算情況自動(dòng)調(diào)整透水邊界位置的功能，需要人為設(shè)置透水邊界位置，往往會(huì)使背水面坡腳處的水力坡降與實(shí)際情況背離甚遠(yuǎn)，并會(huì)使背水面處浸潤(rùn)線很不合理。張啟義[6]在2008年用自編程序的辦法解決了這一問(wèn)題。但由于該軟件有計(jì)算方便、被公認(rèn)等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)這一問(wèn)題的討論仍有很大的意義。鑒于此，本文對(duì)西安市某均質(zhì)土壩，庫(kù)水位在最高水位的工況下，用有限元分析軟件Geo-slope計(jì)算分析背水面不同高度的透水邊界對(duì)滲流場(chǎng)和背水面邊坡安全系數(shù)的影響，得到合理的背水面透水邊界。

1 模型及材料參數(shù)

1.1 模型

本文采用西安市某水庫(kù)大壩的實(shí)例，壩體為一粉土均質(zhì)壩，大壩剖面見(jiàn)圖1。壩下探明的有三層地層，從上到下分別為壤土、砂礫石層和紅粘土，壩前有19.35 m的淤泥。

計(jì)算中庫(kù)水位取最高水位572.91 m，背水面水位取正常水位高程537.76 m。模型坐標(biāo)原點(diǎn)設(shè)在迎水面坡腳處，地層從上到下取三個(gè)土層，總深度20.0 m。水平方向上，從坐標(biāo)原點(diǎn)向上游取40.0 m,向下游取210.0 m，總共250.0 m。

圖1 大壩斷面圖

1.2 材料參數(shù)

模型共涉及到6種材料，分別為壩體土料、壩前淤泥、棱體砂礫料、壤土層、砂礫石層、紅粘土層，強(qiáng)度采用擴(kuò)展的Mohr-Coulomb準(zhǔn)則[7]，不考慮Φb的變化對(duì)邊坡安全系數(shù)的影響，材料參數(shù)如表1。

表1 材料參數(shù)表

滲流分析材料參數(shù)如表2，表2中土水特征曲線參數(shù)是Van Genuchten理論中的土水特征曲線擬合參數(shù)，是根據(jù)實(shí)際工況的滲透系數(shù)從文獻(xiàn)[8]中取滲透系數(shù)最相近的材料類(lèi)比得來(lái)。

表2 滲流計(jì)算參數(shù)

2 滲流及邊坡穩(wěn)定的計(jì)算分析

2.1 正常情況下的流場(chǎng)分布

正常情況為庫(kù)水位在572.91 m高程處，背水面水位在河床面上。A-A斷面流量為總流量，B-B斷面流量為壩基流量，A-A斷面流量減去B-B斷面流量為溢出流量,單位m3·s-1。滲流場(chǎng)分布如圖2所示。

圖2 背水面水位在河床面上時(shí)的滲流場(chǎng)

2.2 特殊情況下的滲流及邊坡穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果

對(duì)本工程，如果排水棱體孔隙被堵塞，滲透系數(shù)就會(huì)減小，浸潤(rùn)線相應(yīng)就會(huì)升高。此時(shí)，背水面透水邊界若加的不合適，背水面處水力坡降將會(huì)受到更大的影響，并且對(duì)浸潤(rùn)線形態(tài)和位置也會(huì)產(chǎn)生不客觀的影響。本文采用減小排水棱體土料滲透系數(shù)的辦法，模擬這種情況，分析如何給背水面加合適的透水邊界。

圖3 背水面坡腳處的水力梯度分布

計(jì)算中采用的模型和其它材料參數(shù)均與表1相同，不同的是將排水棱體的滲透系數(shù)減小一個(gè)數(shù)量級(jí)，減小到6.0×10-5m·s-1。得到的背水面坡腳處水力坡降和浸潤(rùn)線分布如圖3所示。

由圖3中（a）可以看出,0壓力水頭加在背水面河床面上時(shí)，浸潤(rùn)線不連續(xù)；如果將背水面0壓力水頭邊界升高到538.06 m高程，浸潤(rùn)線如圖3中（b）所示，有所下降，但在坡腳處還是不連續(xù)；將背水面0壓力邊界升高到538.66 m高程時(shí)，浸潤(rùn)線如圖3中（c）所示，光滑連續(xù)，認(rèn)為是合理的；背水面0壓力水頭邊界加到539.88 m高程時(shí)，如（d）所示浸潤(rùn)線又上升，并且在出溢口處出現(xiàn)上翹，這顯然也是不符合實(shí)際的。

由表3的數(shù)據(jù)可知，背水面透水邊界由高程537.76 m（背水面河床面）上升到538.66 m的過(guò)程中，背水面邊坡安全系數(shù)有微小的提高，從1.220提高到1.223，這是因中浸潤(rùn)線下降和更合理的分布而產(chǎn)生的，由于浸潤(rùn)線的下降并不明顯，所以安全系數(shù)的增加也很??；滑面形狀仍是貫穿整個(gè)邊坡的大滑坡；潛在滑坡方量也沒(méi)有明顯的改變；滲流出口處的水力坡降由0.342提高到0.444，這是透水邊界的調(diào)整引起出逸口處流速增加帶來(lái)的；總流量和出溢流量都在增加。

表3 背水面邊界局部升高時(shí)的計(jì)算結(jié)果

當(dāng)透水邊界上升到539.88 m高程時(shí)，總流量和出溢流量又下降，出溢口處水力坡降下降到0.341，背水面邊坡安全系數(shù)下降到1.212。分析表3的數(shù)據(jù)對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，背水面邊界條件在從合理高程繼續(xù)上升時(shí)總流量和出逸流量是減小的，這是因?yàn)榻o背水面加上高于合理的0壓力水頭邊界條件,將會(huì)使一部分水強(qiáng)制向上流動(dòng)，這樣反而增加了水在背水面排出的困難；可得出，在背水面0壓力水頭在合理的高程以上繼續(xù)上升時(shí)，出溢口處的水力坡降和背水面的安全系數(shù)下降。

由此可知，在合理的背水面0壓力水頭邊界以上，透水邊界條件的升高必然引起總流量、出溢流量、出溢口水力坡降和背水面邊坡安全系數(shù)的減小；而在合理的背水面0壓力水頭邊界以下，0壓力水頭邊界的升高必然引起總流量、出溢流量、出溢口處水力坡降和背水面坡安全系數(shù)的增加。所以合理的背水面0壓力水頭高度應(yīng)該是這幾個(gè)代表值增大與減小的臨界點(diǎn)，在工程實(shí)際中通過(guò)這一點(diǎn)就可以判斷背水面透水邊界條件的是否合理。

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)一均質(zhì)土壩進(jìn)行滲流與邊坡穩(wěn)定的耦合分析，給背水面加不同高度的透水邊界，對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析，得出合理的背水面透水邊界使背水面浸潤(rùn)線成光滑連續(xù)的曲線，對(duì)應(yīng)總流量、出溢流量、出溢口水力坡降、背水面邊坡安全系數(shù)的極值點(diǎn)。

[1]吳宏偉,陳守義,龐宇威.雨水入滲對(duì)非飽和土坡穩(wěn)定性影響的參數(shù)研究[J].巖土力學(xué),1999,20(3):1-14.

[2]Rahardjo H,Ong T H,Rezaur R B,et al.Factors controlling instability ofhomogeneous soilslopes under rainfall [J]. Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering,2007,133(12):1532-1543.

[3]王曉燕.懸掛式混凝土防滲墻深度優(yōu)化設(shè)計(jì)研究[D].西安理工大學(xué),2008.

[4]楊智勇,吉 鋒.大渡河干河子滑坡穩(wěn)定性研究[J].防災(zāi)減災(zāi)工程學(xué)報(bào),2011,31(2):201-206.

[5]K-John Krahn.Seepage modeling with SEEP/W[M].Calgary,Alberta,CanadaT2P 2Y5:GEO-SLOPE International Ltd,2004.

[6]張啟義.堤壩滲流與邊坡穩(wěn)定分析軟件開(kāi)發(fā)與應(yīng)用[D].中國(guó)水利水電科學(xué)研究院,2008.

[7]Fredlund D G,Rahardjo H.Soil mechanics for unsaturated soils(中譯本)[M].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,1997.

[8]Th M van Genuchten.A closed-form equation for predicting the hydraulic conductivity of unsaturaed soil[J].SoilScience Society ofAmerican Journal,1980,44:892-898.