文摘

水库边坡的不稳定可能会导致一些严重的自然灾害如浪涌和堰塞湖。在这项研究中,渗流场的变化和分布的非饱和区水库岸坡遭受快速使用有限元方法研究了水位波动。储层的稳定性分析边坡在水位波动与执行2米/天的速度。稳定性分析是基于非饱和土力学和saturated-unsaturated渗流理论和流体力学的耦合效应。剪切应力和应变的变化以及孔隙水压力由于快速水位波动是显式地检查。此外,稳定安全系数,潜在的失效机理,以及相关影响因素进行了讨论。基于有限元分析,发现矩阵的快速损失吸入会引起表面滑坡坡脚附近。

1。介绍

水库边坡的不稳定可能会导致一些自然灾害如浪涌和堰塞湖,当水库水位波动迅速(见,例如,1- - - - - -3])。危险来自于不饱和残积土由于快速的库水位波动。一个关键的影响因素是不同的基质吸力根据渗水和水浸润线的变化。据Ng et al。4),降雨入渗将减少矩阵吸入,导致含水率的增加和土壤非饱和土的渗透性。故障判据的非饱和土强度与饱和土壤,这就增加了困难的研究非饱和土边坡的稳定性(5]。Fredlund et al。6针对摩尔-库仑剪)开发了一种外延非饱和土强度理论。此外,Fredlund et al。7)提出了边坡稳定性评价方法(GLE方法)占基质吸力。

研究非饱和土边坡的稳定性,对非饱和土的极限平衡理论是常用的。例如,气和Vanapalli [8]报道了配方计算边坡安全系数基于非饱和土强度理论和极限平衡方法,讨论了降雨入渗下的非饱和土边坡稳定性。刘等人。9,10)模拟了不排水抗剪强度作为一个随机领域反映边坡土壤特性的空间变异性和蒙特卡罗方法相结合来确定安全系数。)等。11)报道,水库地区的滑坡稳定性的影响因素包括水库水的浸泡,水库水位的急剧下降,下起倾盆大雨。Fredlund和Rahardjo12)提出了一个计算方法临界高度的垂直或接近垂直的山坡上基于非饱和土的土压力理论。Fredlund et al。13]提出的非线性法与基质吸力的非饱和土抗剪强度的变化基于非饱和土的工程水土特征曲线方程。Zhang et al。14和罗,你们15)注意到,当水位大幅波动,浸润线和场基质吸力对边坡稳定性的显著变化,随后会影响银行的斜率。然而,边坡可靠性分析以及渗流场的变化和水库岸坡的非饱和区受到快速水位波动并没有在这些研究讨论。

快速的水位波动的影响在非饱和土水库边坡的稳定性仍不清楚。与饱和土,孔隙气压之间的交互和非饱和土中孔隙水压力是更复杂的。首先,非饱和土的孔隙压力可能成为负数,从而减少有效土压力(16]。其次,含水量和非饱和土的渗透系数变化空间可能会导致水保内容,渗透系数表现出空间变异性(17- - - - - -19]。第三,故障判据的土壤饱和与非饱和土的强度。所有这些导致研究的难度在非饱和土边坡稳定。

在这项研究中,一个真正的水库滑坡工程实例Nuozhadu云南库区使用有限元法检查。液压水位波动对非饱和土边坡的内部。吸入矩阵是用来计算的水位变化的影响的非饱和土典型泥石流沉积H₁₂工程实例的银行在Nuozhadu库区边坡的调查。在边坡的稳定性分析,矩阵的耦合影响吸力的非饱和区,在饱和区孔隙水渗流,重力应力场考虑岩石和土壤。结果可以作为参考银行和河边的斜坡稳定性评价水库和其他相关工程领域(见,例如,Chen等人。20.])。

2。有限元模型

2.1。模型设置

通过收集相关数据和野外地质调查Nuozhadu库区,发现H₁₂是一种古老的滑坡堆积的身体,位于澜沧江的分支。图1显示了滑坡的整体身体积累,与明显的滑坡形态。图2是一个部分的草图吗H₁₂。滑坡的前沿的海拔是660米,背面边缘的海拔是827米,高度差大约是207 m,滑坡堆积的体积是600万立方米。主要滑坡的滑动方向是大约5°和主要滑动方向的长度约为1000米。滑坡的边界基本上是明确的。双方边界的泥石流沟。沟暴露的基石。基岩表面的发生是5°,小于17°如图2。沿基岩面滑坡体内的幻灯片。滑坡体内积累的形状如下:积累的身体边缘陡峭,斜率在中间部分是温柔,和斜率的剪口前沿陡峭,典型的滑坡特征。

水库岸坡受到水位波动在不同的利率。图3显示了一个典型的垂直截面的示意图H₁₂滑坡存款获得基于基本地质调查和1:10000地形图。典型的部分合理地拦截。部分的方向与主滑方向是一致的。地层分为三层。从上到下,滑坡存款(含砾石粉质粘土),滑动区主要是强风化泥质砂岩和洋红色silty-argillaceous粉砂岩。

有侧墙的水平位移和垂直和水平的。对于边界条件、水平约束是对双方的模型,和地面上的所有节点添加水平和垂直约束。山坡上有水压力,压力值是由水库水位。根据滑坡的物质组成和相邻的岩石和土壤的力学参数,综合计算确定计算参数如表所示1。

正常存储水位812米和初始水位625米,低于脚趾滑坡的质量,即。的海拔压倒性的身体。初始水位达到时,河床的部分是免费的水。水库扣押在三个阶段:第一阶段从当前水位672.5米,第二阶段的死水位从672.5 765,第三个阶段从765米的死水位的正常水位812米。的情况下模拟滑坡的分析如表所示2。

2.2。计算条件

有限元模型是使用的σ/ W模块实现GeoStudio商业有限元软件。该模块能够正确模型的稳定行为涉及的耦合的非饱和边坡渗流和应力-应变行为的土壤。在非饱和土边坡稳定性分析的研究是使用线性弹性模型计算的实现提出的2007年GeoStudio哦et al。21]。

土壤和基岩滑坡的模型使用一个弹塑性本构模型和线性弹性本构模型,分别。图4显示了土壤和基岩滑坡的网格域。工作条件的基础上Nuozhadu水库在蓄水期和操作中,两个场景被认为是在这个研究。分析中使用的参数显示在表中1。

2.3。计算方法的确定

fluid-soil交互是明确视为有限元建模。土壤被认为是一个连续的介质。静态的渗流特点是孔隙压力和流体动力,体现的渗透压P应用于某一行动表面和渗流体积力f在渗流区域分布。前者是表面力,后者是体力;表达式中说明了

另一方面,渗透系数k体积应变将会改变吗和孔隙度n,进而影响渗流场。的表达式

耦合fluid-soil交互实现使用非线性有限元方法进行边坡稳定分析。主要步骤包括解决渗流场通过初始渗透系数k₀,获得主管分配的静水压力和渗透体积力可以计算。上述结果然后带进应力场,以及边界条件相结合来解决应力场。获得体积应变和体积应变被替换成(2渗透系数)来解决k₁。不断重复以上步骤,直到平衡来获得应力-应变分布。

3所示。结果和分析

3.1。案例1到2

在分析边坡的稳定性,由于突然的上升和下降的水位,考虑渗流力的耦合效应和应力场;即添加到滑坡micro-unit渗流力,和2米/天的变异率选择和分析。如图5,水库水位从812减少到765。考虑到有限元法不饱和滑坡的稳定性计算结果存款后渗流场和应力场的耦合,结果显示整体滑动。稳定系数为1.123,总体稳定。

当水库水位从672.5上升到765,检查流体力学的耦合效应。在分析过程中,基质吸力是估计。如图6边坡的安全系数为1.255。

为了研究非饱和土的基质吸力的影响不饱和滑坡的稳定存款,吸水力不考虑;,土的强度由于吸入被删除的软件,和其他参数不变,考虑渗流力的作用。潜在滑动条件如图7。从1.255到1.138的安全系数降低,这表明了基质吸力对边坡稳定具有积极的影响,当水位迅速上涨。

与水库水位的上升条件相比,存款机构的稳定优越的突然下降。的有利因素的antisliding水库水位上升示意图如图8。首先,水库水位突然提高了,而滑坡身体受到渗透力F(K)向斜率,这有利于提高antisliding力量。其次,在突然上升的水位,水将迫于自重在很短的时间内,这是垂直于斜坡F′(N)。坡脚前缘的防滑力增加,从而增加整个边坡的稳定性。水储存在边坡稳定的不利因素也存在。经过一段时间的水储存,斜率是饱和的前沿,和前缘岩石和土壤本身将减少由于水浸的力量,减少阻力。引起滑坡的滑动力量。因为的前缘斜坡是饱和的上行压力F(N)的水前缘饱和后,水渗入到滑动面发挥润滑作用,所以前边缘antisliding力降低。然而,水位下降的速度条件下2米/天,斜率是广泛的和安全的稳定系数,表明有利因素大于不利因素。

下的边坡稳定影响基质吸力的非饱和区也被认为是。发现计算矩阵吸入时,边坡的稳定性可能会改善,增加主要是由不饱和区范围。范围越大,越大增加稳定性。水库水位下降的情况下,不饱和区范围不一样大的上升状态,所以非饱和区少影响边坡在降雨条件下的稳定性。上述结果表明,滑坡堆积体内所有上述水库水位变动条件下是稳定的。计算结果更准确,当流体力学的耦合效应被认为在不饱和的条件下。

3.2。案例3

图9显示了滑坡的渗流速度场H₁₂案例3的水位下降的速度从812米到765米2米/天。可以看到,附近的最大渗流速度发生边坡表面在水海拔765米,即。2米/天的速度,这可能是由于土壤渗透系数相对较低。渗流速度是一个关键的影响因素在斜坡的稳定性22]。这可以从孔隙水压力和饱和度变化反映出来。这一效应将变得更加明显,当流速的方向是一样的滑动方向和流速大于滑坡的滑动速度。

图10显示位移的轮廓,滑坡的剪切应力和应变情况3与水位下降的速度从812米到765米2米/天。位移、剪切应力和应变分布计算了考虑渗流场和应力场的耦合效应是显示在沿水平和垂直方向的位移等值线图。有x 0滑坡体位移的475米。由于水压力作用于斜坡蓄水后,土壤是巩固和流离失所的正方向x设在。最大位移值是0.31x设在200米。滑坡后缘的身体,由于滑力和渗透力的联合行动,后缘有沿着负位移x设在方向,0.29米的最大值位于滑坡后缘。位移沿y设在主要是负面的。解决问题的最大是0.78米,主要是由于土壤固结引起的水压力。上述结果表明,潜在的失效模式是一个典型的推力load-caused压倒性的胜利。

应力-应变计算的结果表明,剪切应力集中在滑动床的线性弹性模型;最大值达到2500 kPa。压倒性的身体弹塑性模型、剪切应力很小,但剪切应变很大,滑坡的剪切应变前和滑动面是伟大的。

3.3。例4

图11显示了位移、剪切应力和剪切应变的轮廓,当水库水位上升的速度从672.5到765米2米/天。从倾斜位移和应力-应变分布轮廓,以下研究结果可以观察到。首先,当水库水位上升,滑坡体的位移低于水库水位从812米到765米。剪切应变小得多。因为水库水位急剧上涨,渗流力的投影方向和滑动方向是负的,这抵消部分滑动的影响力量。因此,当水位上升,滑坡的位移的身体往往是小。其次,海拔765米,渗透力存在沿相反方向的滑动方向,后缘和接收滑移引起的重力;因此,两个零位移线出现在滑动体x设在位移等值线。在剪切应变等值线图,两个零剪切应变线也出现在滑动体。第三,滑体的剪切应力分布是一样的,在急剧下降条件下,和滑动剪切应力大床上。剪切应变分布是伟大的在滑滑的身体和小床上。

4所示。结论

基于快速水位波动的研究在不饱和水库岸坡稳定性和流体力学的行为,可以得到以下结论。(1)基质吸力计算时应考虑非饱和土的稳定,这对建立的非饱和土边坡稳定是有益的。(2)不饱和油藏银行的稳定性较弱,当水位急剧下降,然后急剧上升。结果是归因于渗透力的取向倾向于斜坡的外缘,水位急剧下降。(3)应该考虑耦合seepage-soil应力场计算非饱和水库岸坡的稳定当水位变化迅速。(4)的不饱和区域斜坡的身体突然变得较小的水位上升后,可使水库岸坡稳定。

水储存的过程中,由于基质吸力的迅速消失,不难山体滑坡导致一些肤浅的表面。发现最危险工况下岸坡的深思熟虑的存储和快速释放的水。与水库水位的上升条件相比,存款的身体是更稳定的水位突然下降的情况。估计矩阵吸入时,边坡的稳定性可能会改善。一个更大的非饱和区往往有利于边坡稳定。本研究是基于2 d模型,和一个更完整的评估应该考虑边坡的三维模型。土壤作为一种多相材料,沿滑动面应空间变量(见[23,24])也会影响失效模式和滑动速度。这些形式的未来的工作。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的发现可以从相应的作者。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

这项研究受到了中国国家重点研究和发展计划(批准号2018 yfc1505006)和中国国家自然科学基金(批准号51879203)。