Geoslope在工程應用中豎向邊界選取問題的探討

劉奉銀，劉國棟，張 瑞，張 斌（．西安理工大學水利水電學院，西安 70048；．青海黃河水電公司工程建設分公司，青海貴德 8700）

Geoslope在工程應用中豎向邊界選取問題的探討

劉奉銀1，劉國棟1，張 瑞1，張 斌2
（1．西安理工大學水利水電學院，西安 710048；2．青海黃河水電公司工程建設分公司，青海貴德 811700）

以西安市某均質土壩為例，在上下游地層豎向邊界不設置邊界條件、加透水邊界、加無限邊界和無限邊界加透水邊界等條件下，計算了大壩和壩基滲流場，并進而采用Seep和Slope耦合，研究了邊界條件的選取對滲流及邊坡穩(wěn)定的影響，得出如下結論：豎向邊界簡單取為無限邊界時計算結果與實際不符；加透水邊界時計算的滲流量和下游坡腳處的水力坡降符合實測資料，安全系數(shù)大小也比較可信。該結論可為邊界條件的選取提供參考。

邊界條件；邊坡；滲流

1 概 述

Geoslope軟件是由GEOSLOPE公司開發(fā)的一個巖土工程計算的綜合性軟件，與滲流計算結合時，可計算在降雨、庫水位升降、地震及其不同組合情況下的邊坡穩(wěn)定性，被廣泛應用于巖土工程計算與專業(yè)的研究。吳宏偉等［1］用Slope結合Seep研究了不同降雨強度、雨型、邊坡土體滲透系數(shù)、坡面護坡、阻水層埋深等對一簡單人工土坡穩(wěn)定的影響；H．Rahardjo等［2］用Slope結合Seep研究了土類、坡角、降雨強度、坡高、地下水位對邊坡穩(wěn)定的影響；王曉燕［3］用Seep研究了在防滲墻不同的深度情況下的滲流量與關鍵部位的水力坡降。雖然該軟件應用廣泛，但因其復雜性，在實際應用中還有一些地方需要探討。

本文結合一工程實例，對用Seep與Slope計算滲流和邊坡穩(wěn)定性過程中應注意的邊界條件選取問題進行比較論證，供使用該軟件時參考。

圖1 大壩斷面圖Fig．1 Crosssection of the dam

2 壩體模型及材料參數(shù)

2．1 模 型

本文結合西安市某均質壩，剖面圖見圖1的計算進行分析，壩基從上到下的地層分別為壤土、砂礫石層和紅黏土，壩前壤土層上有厚19．35 m的淤泥。

在計算模型中，上下游的水位分別在572．91 m、537．76 m高程處，坐標原點設在迎水面坡腳處，地層取到第三個地層紅黏土層，地層總深度20．0 m，計算范圍從坐標原點向上游取40．0 m，向下游取210．0 m（在X軸方向上總共250．0 m）。

2．2 材料參數(shù)

模型涉及到壩體土料、壩前淤泥、棱體砂礫料、壤土層、砂礫石層及紅黏土層6種材料，材料強度準則采用MohrCoulomb準則，不考慮吸力摩擦角φb的變化對邊坡安全系數(shù)的影響。材料的物理力學性質參數(shù)如表1。

表1 材料參數(shù)表Table 1 M aterial property parameters

土水特征曲線采用Van Genuchten理論［4］

式中：θw為體積含水量；θr為殘余含水量；θs為飽和含水量；ψ為吸力；a，m，n為土水特征曲線擬合參數(shù)。

滲流分析的材料參數(shù)如表2。

表2 滲透系數(shù)及土水特征曲線參數(shù)Table 2 Permeability coefficient and SWCC parameters

3 計算分析中邊界選取問題

地層豎向邊界通常選取無限元，但這種邊界條件仍存在疑問。如在左右2個方向的豎直邊界上可以加無限邊界；或加上透水邊界；或結合這兩者。本節(jié)內容將圍繞這一問題，對左右2個方向上的豎直邊界上：①無豎直邊界；②豎直邊界上加無限單元；③加透水邊界；④既加無限單元又加透水邊界等不同邊界條件下計算結果的對比，分析邊界條件的合理設置問題。

圖2中給出了采用前面4種邊界時背水面邊坡滑動面形狀及邊坡安全系數(shù)。由圖2和表3可知，不同的地層豎直邊界對邊坡滑動面形狀及安全系數(shù)影響很大。

為了模擬實際無限遠處的邊界情況，很多工程計算人員只給左右邊界加無限邊界。從表3的數(shù)據(jù)可以看到，加無限邊界后逸出口處水力坡降顯著增大；并且浸潤線表現(xiàn)出上凸的趨勢，幾乎與背水面坡面相切，至排水棱體處驟然下降；因為逸出口處水力坡降非常大，所以背水面邊坡的最危險滑面在坡腳附近，安全系數(shù)下降到0．968，而此壩在經歷了2008年5月12日地震后仍然運行正常。由此可知，軟件Slope／w中提供的無限單元邊界，其計算結果還存在疑點，它能使斷面流量減小，局部水力坡降結果與實測不符。

圖2 不同豎向地層邊界條件下的計算結果Fig．2 The computed results under different vertical boundaries

表3 不同豎直邊界時的計算結果Table 3 The calculated results under different vertical boundaries

在加透水邊界后，總流量增加，出溢流量減小，逸出口處的水力坡降下降，背水面邊坡安全系數(shù)有所增大，滑動面大小和滑坡方量有所增加。結合以上和滲流計算的流線形態(tài)和水頭等勢線形態(tài)來看，加透水邊界符合實際情況。

我們再來看這幾個邊界條件下流速矢量圖（見圖3），可以看出在無豎直邊界的情況下，流速在上部壤土層中X方向上185～210 m內迅速減小為0，這顯然與實際不符；而設為無限邊界的情況下，流速的減小速率明顯變緩；設為透水邊界時在這個范圍內流速幾乎不變，地層右邊界處的流速很大；無限邊界加透水邊界時壤土層中的流速減小速率非常小，流速也非常小。而實際情況是在壤土層中，水平方向上25 m的距離不足以引起流速明顯的改變。

由以上所述可得，Seep／w中所提供的無限邊界在實際中會帶來一些不客觀的計算結果；而左右邊界為透水邊界所得結果和實際情況更接近，所以筆者建議采用透水邊界。

圖3 流速矢量圖Fig．3 Vector diagram of flow velocity

4 結 語

用Seep／w結合Slope／w對西安某水庫大壩在有滲流作用下的邊坡安全系數(shù)進行了計算，探討了不同的地層豎向邊界條件對滲流計算的影響。得出如下認識：

地層左右豎直邊界設為無限邊界時，在坡腳逸出處水力坡降異常增大，下游出溢流量比工程的實際監(jiān)測結果大，計算的安全系數(shù)較?。蛔笥疫吔缭O為透水邊界時，流量、流線和水力坡降分布更客觀，認為應選擇左右邊界加透水邊界。

［1］ 吳宏偉，陳守義，龐宇威．雨水入滲對非飽和土坡穩(wěn)定性影響的參數(shù)研究［J］．巖土力學，1999，20（1）：1－14．（WU Hongwei，CHEN Shouyi，PANG Yuwei．Parametric study of effects of rain infiltration on unsaturated slopes［J］．Rock and Soil Mechanics，1999，20（1）：1－14．（in Chinese））

［2］ RAHARDJO H，ONG T H，REZAUR R B，et al．Factors controlling instability of homogeneous soil slopes 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)化設計研究［D］．西安：西安理工大學，2008．（WANG Xiaoyan．Study on depth optimization design of suspended concrete cutoff wall［D］．Xi’an：Xi’an University of Technology，2008．（in Chinese））

［4］ VAN GENUCHTEN M TH．A closedform equation for predicting the hydraulic conductivity of unsaturated soil［J］．Soil Science Society of America Journal，1980，44：892－898．

（編輯：王 慰）

On Vertical Boundary Conditions Selection in Practical Engineering w ith Geoslope

LIU Fengyin1，LIU Guodong1，ZHANG Rui1，ZHONG Bin2
（1．Institute of Geotechnical Engineering，Xi＇an University of Technology，Xi’an 710048，China；2．Qinghai Upper Huanghe River Hydropower Develepment Co．Ltd，Qinghai 811700，China）

The coupled seepage and safety factors are calculated in some homogeneous dam in Xi’an City under the following four boundary conditions，i．e．not setting vertical boundaries，setting a permeable boundary，adding an infinite boundary and instituting both infinite and permeable condition．The slope stability is analyzed with slope calculation considering seepage．The calculated result shows that it is not coincidentwith themeasured data under the infinite boundary condition，while that it is in accordance with the measured data under permeable boundary condition．The conclusion could provide a reference in setting the boundary condition．

boundary condition；slope；seepage

TU432

A

1001－5485（2010）07－0076－03

20090923；

20100217

國家自然科學基金項目（10872162）；陜西省黃土力學與工程重點實驗室基金項目（05JS33）

劉奉銀（1968），男，山東滕州人，副教授，主要從事黃土力學與非飽和土力學方面的研究工作，（電話）02982312660（電子信箱）liufy＠sina．com。