（水力学及河流动力学专业论文）渗流作用下边坡稳定性研究.pdf

摘要 摘要 土质边坡中的地下水非稳定渗流作用是一个牵扯到水力学和土力学的复杂问题。 库水位升降时产生的非稳定渗流不利于坝体和岸坡的稳定。对存在快速蓄水、水位降 落的非稳定渗流下的库岸边坡，结合边坡中非稳定渗流的复杂流念实际分布研究地下 水渗流作用下的边坡稳定性，具有重要的理论价值和实用价值。 本文主要采取理论分析、物理模型试验和数值模拟分析等方法研究分析非稳定渗 流场的变化规律以及对边坡稳定的影响。首先探讨了非稳定渗流的基本理论，在此基 础上，通过砂槽模型模拟了粉砂、细砂、粘土等材料的土质边坡在水位升降时的非稳 定渗流物理变化过程，观测了边坡在此过程中的滑动失稳过程。重点研究了水位上升 降落过程中的边坡非稳定渗流场对水位降落速度的动态响应，分析了渗流方向和渗透 力对边坡稳定性分析的影响。 结合砂槽模型试验结果，通过对边坡中各部位渗流水头、渗透坡降的空间分布规 律和时间序列变化趋势以及两者与安全系数之间的内在联系，重点研究了退水指标值 坳v 反馈非稳定渗流场的规律，进一步完善了了非稳定渗流自由面最高点和浸润线的 计算公式。 分析表明，渗流方向是边坡稳定分析的关键，水位降落时的等势线与边坡趋于平 行，渗流方向朝向上游坡面，渗透力表现为不利于边坡稳定的滑动力，边坡安全系数 远低于其他渗流方向。边坡失稳发生在水位降落过程中临水坡的渗透力或渗透坡降达 到最大时刻。建议边坡稳定分析须结合渗流作用。 关键词：砂槽模型非稳定渗流水位降落边坡稳定安全系数渗透坡降渗透力 渗流方向 a b s t r a c t a b s t r a c t e a r t hs l o p es t a b i l i t yu n d e rt r a n s i e n ts e e p a g ea c t i o ni sac o m p l e xi s s u e sw h i c hb o t h i n v o l v e si nh y d r a u l i c sa n ds o i lm e c h a n i c s u n s t e a d ys e e p a g eg e n e r a t e db yr e s e r v o i rw a t e r l e v e lr i s eo rr a p i dd r a w d o w ng o e sa g a i n s tt h es l o p es t a b i l i t yo fd a m sa n de m b a n k m e n t s f o r t h es l o p e s 谢mu n s t e a d ys e e p a g ea s ，t h e r ei si m p o r t a n tt h e o r e t i ca n dp r a c t i c a lv a l u et o a s s e s s m e n tt h es t a b i l i t yc o m b i n ew i t ht h ec o m p l e xg r o u n d w a t e rf l o wp a r e mi nt h es l o p e s t h e o r e t i c a la n a l y s i sm e t h o d ，p h y s i c a lm o d e lt e s ta n dn u m e r i c a ls i m u l m i o nm e t h o d w e r eu s e dt oa n a l y z et h ec h a n g el a wo ft h eg r o u n d e rf l o wf i e l da n dt h ef l u e n c yo nt h ee a r t h s l o p es t a b i l i t y f i r s to fa l l ，t h eb a s i ct h e o r yh a sb e e ns y s t e m a t i ca n a l y z e d ，t h e nt h ep h y s i c a l p r o c e s so ft h es l o p ew h i c hc o n s t r u c t e db ym a t e r i a ls u c ha ss i l t ，f i n e ds a n d ，a n dc l a yi nt h e t r a n s i e n ts e e p a g et h r o u g ht h es a n d b o xe x p e r i m e n th a sb e e no b s e r v e d ，t h es l i dp h e n o m e n a o ft h es l o p eh a sb e e ni n s p e c t t h ed y n a m i cr e s p o n s eo fu n s a t u r a t e ds e e p a g ef l o wf i e l d s t i m u l a t e db yt h er a p i dd r a w d o w nv e l o c i t yo fr e s e r v o i rw a t e rl e v e lh a sb e e nm a i n l ys t u d i e d ， a n dt h ee f f e c to fd i r e c t i o no ft h es e e p a g ea n ds e e p a g ef o r c eo ns l o p es t a b i l i t yh a sb e e n s t u d i e d b a s eo nt h et e s tr e s u l t so ft h es a n d b o x ，t h r o u g ht h ed i s t r i b u t i o no fh e a d ，s e e p a g e g r a d i e n ta n dt h e i n t e r n a lr e l a t i o n sb e t w e e nt h e s e p r o p e r t ya n dt i m ev a r i a t i o n ，t h e u n s a t u r a t e ds e e p a g el a wc a u s e db yr e c e s s i o nf l o wi n d e x 鳓，h a sb e e nm a i n l ys t u d i e d ，a n d t h ec a l c u l a t i o nf o r m u l ao ft h eh i g h e s tp o i n to ft h ep h r e a t i cl i n eh a sb e e nf u r t h e rp e r f e c t e d t h ea n a l y s i ss h o w st h a t ，t h es e e p f i g ed i r e c t i o ni st h e k e yo fs l o p es t a b i l i t y , t h e e q u i p o t e n t i a ll i n e sa r ep a r a l l e lt ot h es l o p ew h e nt h er e s e r v o i rw a t e rl e v e lr a p i dd r a w d o w n ， t h i sm o m e n t ，t h es e e p a g ed i r e c tt ot h eu p s t r e a ms l o p e t h es l o p ef a i l u r ew h e nt h es e e p a g e f o r c ea n ds e e p a g eg r a d i e n ti nt h eu p s t r e a ms l o p ea tt h ep e a k s o ，w es u g g e s tt h a tt h es l o p e s t a b i l i t ys h o u l dc o m b i n et h es e e p a g ea c t i o n k e y w o r d s ：s a n d b o x ，u n s a t u r a t e ds e e p a g e ，r a p i dd r a w d o w n ，s l o p es t a b i l i t y , s a f e t yf a c t o r , s e e p a g eg r a d i e n t ，s e e p a g ef o r c e ，s e e p a g ed i r e c t i o n i i 学位论文独创性声明： 本人所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他入已经 发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同事对本研究所做的任何贡献均已在论 文中作了明确的说明并表示了谢意。如不实，本人负全部责任。 论文作者( 签名) ： 学位论文使用授权说明 2 0 0 9 年0 6 月 南京水利科学研究院、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期刊 ( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或电子文档，可以采 用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相 一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅。论文全部或部分内容 的公布( 包括刊登) 授权南京水利科学研究院研究生处办理。 论文作者( 签名) ：2 0 0 9 年0 6 月 誉n h r i 第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究背景和理论意义 1 1 1 研究背景 抗滑稳定和渗流稳定是江河湖泊岸坡、堤防、水库大坝安全的两大主要方面，直 接关系到安全与经济效益。堤坝的作用主要是挡水，干燥的堤坝的边坡稳定性一般都 是能够保证的，但当水流穿过堤坝建筑物时，边坡结构的稳定性降低，当水位变化或 降雨时，边坡的安全系数更小，最容易引起边坡失稳。特别对于水库大坝而言，渗漏、 管涌与坝体和库岸滑坡事故占水库工程事故一半左右，而水则是诱发滑坡的主要因 素。 ( 1 ) 渗流的危害与非稳定渗流研究背景 堤防、江河水库岸坡和土石坝的渗流稳定主要是渗透破坏问题。渗流破坏可区分 为整体破坏和局部破坏n 。整体破坏即在渗流作用下的岸坡滑坡稳定性问题 2 1 ，整体 稳定性分析，正确考虑作用在土体上的渗流作用是关键。渗流的局部破坏主要发生在 地下水渗流的集中渗出点( 渗流方向为自下而上或与坝坡相切) 、边坡下游坡和基础 薄弱部位。对渗流作用的破坏研究重点是危险的水力条件及不同渗流方向时允许渗透 坡降( 与局部稳定相关) 等，采取措施改变地下水渗流的方向、高度、渗出点坡降等， 防止产生渗漏、管涌、流土和接触冲刷等渗透变形 3 1 。 由表1 1 可知，国外垮坝事故1 4 l 中，管涌和渗漏造成安全事故或垮坝最多，占 5 2 5 。 表1 1 国际人坝安全事故或垮坝统计表1 4 l 表1 2 是国内2 4 1 座大型水库发生的1 0 0 0 宗工程事故分析【5 】，渗流管涌塌坑占 3 4 2 ，占据1 3 。 大量的工程资料和实践经验表明6 j 【7 l ：大坝在汛期发生的各种险情中，大部分是 由于渗透破坏造成的。渗流造成管涌险情等局部稳定隐患和滑坡等整体稳定隐患。因 ：毫n h r i 第一章绪论 此，须对大坝的渗流状况进行监控与分析，并对其渗流发展态势及时预测与预报，防 患于未然。 表1 2 国内1 0 0 0 宗上程事故不同破坏类型所占比例1 5 1 渗流稳定的校核主要是确定岩土体中的渗流流场分布，确定结构的薄弱部位的渗 透坡降和渗压水头，确保内部发生渗流时的安全，同时渗流量满足渗漏的要求。 渗流场的确定，特别是在发生洪水涨退、库水位变化、雨水以及地下水位变化时， 坝体和库岸边坡中的非稳定渗流场的确定是研究渗流安全的关键所在。由于非稳定渗 流涉及的因素和参数较多，虽然有理论的微分方程，但是在实际工程计算中，往往用 稳定流场的浸润线代替非稳定流场、假定一条浸润线或自由面或者结合土体容重的各 种替代方法。这些处理方法忽略非稳定渗流的消极影响，特别是非稳定渗流方向对稳 定不利的影响，经常导致严重的事故。确定非稳定渗流流场和非稳定渗流计算方法的 规范性亟需引起重视。 ( 2 ) 边坡稳定性研究背景 抗滑稳定就是校核堤防、江河岸坡和水库大坝边坡或者基础整体稳定性。 边坡失稳是自然界和工程建设中最为常见的不能满足抗滑稳定的事故，主要为岩 土体边坡在各种因素综合作用下失稳破坏。边坡失稳后形成的“堰塞湖”、“滑坡坝” 溃决诱发的特大洪水以及河流改道的后果更为严重。 大量的事故表明，土质边坡的失稳在滑坡事故中占有相当大的比例，而地下水渗 流则是诱发边坡失稳的关键因素。据统计，约9 0 的自然边坡和人工边坡的破坏与地 下水作用有关【8 1 。对于水库边坡和江河堤防而言，浸水、水位急剧降低和降雨所产生 的非稳定渗流，是形成滑坡的主要因素。在日本，大约6 0 的水库滑坡发生在库水位 骤降时期，其余4 0 发生在水位上升时期，包括初期蓄水 9 1 。地下水渗流诱发边坡失 稳主要由于土体的含水率增加，基质吸力丧失，土体的抗剪强度降低；江河湖泊或水 库水位的变化使得堤坝、岸坡内部发生非稳定渗流，产生渗流力，增加土体的重量和 滑动力。 随着国民经济的发展和大量工程的兴建，边坡失稳的频度和规模有着逐年增强的 趋势1 0 1 。 2 琵n h r i第一章绪论 1 1 2 研究的理论意义和实用价值 在认识完善边坡稳定分析理论和方法、开发边坡治理技术、边坡监测和预报等方 面，我国开展了深入的研究，在预防和治理滑坡方面的关键技术方面取得了较大的进 展。而其中的边坡稳定分析是涉及了这一学科中的一个十分具体的领域，相对于滑坡 分析和治理的其他学科分支来说，这是发展比较成熟的基础领域。它在边坡的设计和 加固中占有十分重要的地位，对滑坡监测、预防和治理有着指导意义。 边坡中的地下水渗流情况对边坡的稳定性起着主导作用。正确认识边坡中的地下 水分布情况及其对边坡稳定性的影响规律能够合理预测滑动面，可以预防滑坡的发 生，指导边坡整治工程，减少事故损失。 目前实际边坡稳定验算中大多仍旧沿用土坡中的简化计算方法，如条分法，有时 会产生较大误差，主要是由于对地下水渗流的考虑不当或简化处理了非稳定渗流。用 这样的结果来指导工程设计和建设是非常危险的。因此，对于复杂流态下如浸润、水 位升降的非稳定渗流状况时的边坡工程，结合地下水实际分布形态完善适用于地下水 渗流作用下的条分法计算边坡稳定性已非常重要。 1 2 非稳定渗流及边坡稳定性分析国内外研究现状及发展趋势 1 2 1 非稳定渗流研究概况 ( 1 ) 非稳定渗流理论发展 从1 8 5 6 年法国工程师达西( h e n r yd a r c y ) 通过砂柱中的水的渗透试验得出了多 孔介质中的渗透定律达西定理后；1 8 6 3 年，法国水力学家裘布依( j d u p u i t ) 在 达西定律的基础上推导出了缓变渗流的裘布依公式；1 9 0 4 年，布西尼斯克 ( b o u s s i n e s q ) 利用水量平衡推导出潜水非稳定流偏微分方程或称地下水非稳定渗流 运动基本方程，这是一个二维水平面地下水运动方程；1 9 4 0 年，雅可布( c e j a c o b ) 进一步论述了承压含水层弹性释水理论，并在1 9 5 0 推导出了考虑土体和水压缩性的 地下水运动微分方程；1 9 4 1 年，比奥( b i o t ) 提出了应用于多孔介质的流固耦合理论 的b i o t 固结理论i l ，并在1 9 6 2 年提出了改进，使b i o t 固结方程严格适用于达西定律 下的渗流。至此，非稳定渗流从单一的流体力学微分方程，到结合土水压缩性和土体 3 琵n h r i 第一章绪论 固结模型后，逐步完善了非稳定渗流模型。 ( 2 ) 非稳定渗流数值方法的发展 非稳定渗流模型的微分方程是一个非线性偏微分方程，目前尚难精确求解。早期 是靠简化计算条件或把非线性偏微分方程线性化来近似求解。上个世纪以来，对地下 水非稳定渗流计算的研究国内外开展的工作较多，数值模拟技术逐渐成熟。有限差分 法的被应用到渗流求解计算中( r i c h a r d s o n ，1 9 1 1 ) ，斯博扎和麦克拉伊格( s z a b oa n d m c c r a i g ，1 9 6 8 ) f 1 2 l 利用有限差模型模拟了瞬时水流的非稳定渗流，德塞和谢尔曼 ( d e s a ia n ds h e r m a n ，1 9 7 0 ) 1 1 3 采用交替方向显式步序( a d e p ) 求解斜坡河堤的布 西尼斯克方程。有限元法是从上世纪六七十年代在稳定渗流领域得到广泛应用( f i n n ， 1 9 6 7 ；t a y l o ra n db r o w n ，1 9 6 7 ；n e u m a n na n dw i t h e r s p o o n ，1 9 7 0 ；川本、驹田，1 9 7 0 ) ， 并发展到非稳定渗流计算( n e u m a n na n dw i t h e r s p o o n ，1 9 7 1 ；t a y l o re ta 1 ，1 9 7 2 ；g r a y a n dp i n d e r ，1 9 7 4 ；饭田龙一，1 9 7 1 ；河野尹一郎，1 9 7 3 ) ，同时边界元( l i g g e t t ，1 9 7 7 ) 等数值方法的发展，也丰富了渗流问题的求解f 2 】【1 4 】【1 5 】。 数值方法对非稳定渗流的模拟，解决了大量的工程问题，但是非稳定渗流的计算 参数复杂，特别是土体的土水特征曲线、给水度、渗透系数、水位降落速度等因素对 非稳定渗流场影响较大。 ( 3 ) 非稳定渗流试验发展概述 非稳定渗流试验可以直观地反映水位波动时的渗流场响应外水位的情况。对非稳 定渗流的实验研究手段主要有粘滞流、水力网模型、电阻网、电模拟和砂槽模型。 粘滞流、水力积分仪方法已较少使用。电模拟试验是早期的研究渗流的试验手段， 电模拟实验与砂槽模型试验相比较，不仅大幅减少工作量，同时，相对于砂槽模型不 易精确确定模型内部情况有着一定的优势，也比其他的模拟手段如粘滞流试验易于控 制边界条件。赫伯特( h e r b e r t ，1 9 6 8 年) 1 1 6 1 和南京水科院毛昶熙等人电阻网模拟 了非稳定渗流场。电阻网和电模拟试验不能够完全反映各种材料的土力学性质，也不 能模拟渗流作用时岸坡稳定性特征。 砂模型不仅能够真实反映渗流的物理现象，而且能够反映非稳定渗流过程中的边 坡稳定情况。砂模型在渗流研究中被广泛应用。比较著名的是赤井浩一通过砂槽模型 非稳定渗流试验从土体颗粒的受力角度解释了渗流发生对边坡稳定的影响【1 8 l 。 1 9 7 9 年1 9 8 0 年毛昶熙、陈平、李祖贻、李定方、陶同康等【1 9 】【2 0 】进行了非稳定 渗流的砂槽模型试验，比较了多种渗流数学模型，提出渗流作用下边坡稳定分析的有 4 霉n h r i 第一章绪论 限元法。 山村和也、朱伟等1 2 l 】人在高7 0 m ，宽为3 4 0 m 的河流粉质土堤内进行了非稳定 渗流的现场试验，实测了洪水来临时河堤内的渗流进展过程，分析了洪水到来后渗流 发展的过程和渗透稳定。但是没有结合研究边坡稳定性揭示边坡失稳的根本原因。 余湘娟，王路军，张幸农【2 2 1 等人通过长江砂的宽水槽模型模拟了河流边坡在高 水位退落时的崩岸和稳定，分析多种因素对了退水速度的判别指标的影响。 毛昶熙、段祥宝【2 3 】【2 4 1 等人通过宽槽和窄槽的模型试验，模拟了洪峰过程中堤岸 的非稳定渗流过程，评价了正弦波洪峰时的非稳定渗流发展过程。 速宝玉、严飞【2 5 1 等人结合- j t 饱和渗流试验研究了堤防渗流发展现象。 罗先启，刘德富1 6 9 j 等人通过模拟雨水和库水作用下的滑坡模型，研究了水库边 坡在雨水和库水共同作用下的稳定。但没有具体分析渗流作用对边坡稳定性的影响。 由于非稳定渗流场的特殊性，前人的试验研究在考虑非稳定渗流作用于边坡的研 究不够，没有能够深入研究渗流对边坡破坏的影响原因。 ( 4 ) 国内非稳定渗流的发展状况 在国内，对地下水渗流的研究是从1 9 4 9 年建国开始的。在水文地质、地下水资 源评价、水利工程渗流等领域都开展了广泛的研究。其中，张蔚榛在农田地下水非稳 定渗流与土壤水渗流理论等方面进行了深入研究【2 6 】；1 9 5 4 年，南京水科院应用电阻 网及电模拟等手段研究了非稳定渗流理论和工程应用，1 9 7 2 年南京水利科学研究院 渗流组毛昶熙教授等与黄河水利科学研究院、上海计算科技研究所合作合作研究了小 浪底水库心墙的稳定渗流数值模拟问题，计算结果与电模拟试验结果极为一致【2 7 1 。 1 9 7 6 年又开展了非稳定渗流的有限元计算，在国内首先开展了工程中渗流有限元计 算鸭薛禹群、谢春红、朱学愚、李佩成【2 8 1 【2 9 1 1 3 0 1 等在水文地质、地下水井流力学、 地下水潜水解析解及数值计算也做出了突出的贡献。另外，国内的许多学者在求解非 稳定渗流自由面方面提出了各种数值方法，推动了渗流计算的发展。 ( 5 ) 非稳定渗流的发展趋势 非稳定渗流理论，在随着计算机的高速发展中，结合了有限差分( f d m ) 、有限 元( f e m ) 、边界元( b e m ) 等数值计算方法的发展，解决了大量的地下水渗流的实 际问题。在现阶段，地下水非稳定渗流的研究表现为以下特点1 3 1 j ： 1 ) 提出进一步完善的地下水渗流的理论计算方法，改进渗流模拟试验。 2 ) 广泛引用石油渗流力学及热传导理论等其他学科领域的成就，研究和解决地 5 荟n h r i 第一章绪论 下非稳定渗流的相关问题。 3 ) 发展地下水渗流数值计算方法及计算机数值模拟技术，用线性问题逼近非线 性问题，使非线性和变系数方程的计算求解变为可能。 4 ) 非饱和渗流理论的发展，结合非稳定渗流解决了更多的实际问题，如降雨和 洪峰过程中非稳定渗流计算。 5 ) 非稳定渗流结合其他问题的结合，如与应力场、温度场的耦合，结合边坡稳 定、泥石流等解决实际问题。 1 2 2 边坡稳定性研究发展综述 土坡稳定的分析方法很多，其中以极限平衡法应用最为广泛。根据作用力的假定 不同，极限平衡法衍生出各种条分法。条分法因为其力学模型简单适用，可对边坡进 行定量的评价，经过长期的工程实践和不断的完善和补充，已经成为边坡稳定分析的 成熟方法。 对土质边坡而言，数十年来的讨论和发展都集中在对土条间荷载和计算参数的假 定上。虽然假设较多，但条分法，特别是应用最为广泛的简化b i s h o p 方法，其结果 在常规条件下基本能够得到工程实际的认可。 迄今国内外对土坡稳定问题的分析仍广泛采用极限平衡法。即在求解土坡内某一 滑面上滑动土体的抗滑安全系数尼时，假定材料的抗剪强度参数c 和t g c p 都分别除以 该r 值后，滑体就达到了极限平衡状态。本节主要讨论极限平衡法的发展概况 ( 1 ) 力矩平衡方法 经典的极限平衡法是通过满足滑块整体的力矩平衡来确定安全系数的。其特点是 滑裂面为圆柱面。 1 ) 瑞典圆弧法 瑞典的彼德森( k e p e t t e r s s o n ，1 9 1 6 年) 等人根据大量的观测论证了土坡在发 生滑动失稳时，滑动面接近与圆柱面的曲面。在此基础上提出了圆弧滑面分析法，就 是瑞典圆弧法。此时的瑞典圆弧法没有考虑土体的粘聚力。费伦纽斯( w f e l l e n i u s ， 1 9 2 7 ) 3 2 1 将最初的圆弧法推广到兼有摩擦力和粘聚力的土体稳定计算，并初步探索 了最危险滑弧位置的变化规律。计算中把滑块划分为若干土条，又称之为瑞典条分法。 瑞典条分法假定土坡稳定是个平面应变问题，滑裂面是圆柱面，计算中不考虑土 6 誉n h r i 第一章绪论 条之间的作用力，简单的将条块重量相加求得法向力。同时抗滑安全系数只使用滑 弧上的全部抗滑力矩与滑动力矩之比来定义的。因此，瑞典法计算出的安全系数偏低， 但是其误差是偏于安全方面的。 2 ) 简化毕肖普( b i s h o p ) 方法 上世纪4 0 年代以后，不少学者致力于改进条分法，主要体现在以下两个方面， 其一是探索最危险滑弧位置的规律，其二是对基本假定作了修改和补充。泰勒 ( d w t a y l o r ) 、毕肖普( a w b i s h o p ) 、拉姆里和包络斯等人通过一些特殊情况的研 究，揭示了最危险滑弧圆心位置的某些变化规律。 毕肖普( a w b i s h o p ，1 9 5 5 ) 1 3 3 1 对传统的瑞典圆弧法提出两点重大改进，重新提 出了安全系数的定义。定义安全系数只为土体滑面的平均抗剪强度与滑面上的平均 剪应力的比值。这样不仅使安全系数的物理意义更加明确，而且是安全系数适用于非 圆弧滑动法，为考虑条件土条间的作用力创造了条件。 同时考虑了土条块间的作用力，求出土条底部滑面的法向力。简化毕肖普法也是 通过力矩平衡方程来确定安全系数的。 简化毕肖普法被认为是最标准的圆弧计算法，已被纳入各国规范。但是，简化毕 肖普法存在两个问题。其一，毕肖普法中，虽然满足了整体力矩的平衡和垂直力的平 衡，但是忽略了土条间的切向力，各个条块水平力的平衡没有得到满足，同时各个条 块的力矩也不平衡；其二，迭代计算中避开了土条条块间作用力及作用点的位置。因 此，简化毕肖普法计算的安全系数f s 的误差约为2 7 ( w h i t m a n ，r va n db a i l e y ， w ：a ，1 9 6 7 ) 0 4 1 。 瑞典圆弧法和简化毕肖普法都是通过整体力矩平衡来确定安全系数的，力的平衡 没有得到满足。 ( 2 ) 力平衡方法 一些学者致力于通过满足土条力的平衡确定安全系数，这些方法是建立力的平衡 方程，由此产生出也适用于非圆弧滑动面的各种滑楔法。这些方法通过条间侧向力方 向的不同产生了简化简布法( j a n b u ，1 9 5 4 ) 、l o w e 和k a r a f i a t h ( 1 9 5 9 ) 法，陆军工 程师团法( m e n d t z ，1 9 7 1 ) 和剩余推力法( 又称之为不平衡推力传递法) 等。 简布( j a n b u ，1 9 5 4 ) 1 3 5 1 假定土条问的作用力为水平；l o w e 和k a r a f i a t h ( 1 9 5 9 ) 【3 6 】假定条间力倾角为土条顶部和底部倾角的平均值；陆军工程师团法【3 7 1 假定条块间 推力倾角等于平均坝坡坡度；剩余推力法假定条间力倾角等于土条底部倾角，只计算 7 蚕n h r i第一章绪论 力的平衡确定安全系数。 力的平衡法由于引入了对条间侧向力的方向的假定，对安全系数有很大的影响。 条间力的假定如果不合适，计算出的安全系数会严重偏离正确解。只有在侧向力的倾 斜程度隐含了力矩平衡条件时，才能得出较为精确的计算结果【3 引。 ( 3 ) 力矩和力的平衡法 6 0 年代以后，由于计算手段和计算机的发展，一些学者致力于研究同时满足力 和力矩平衡的边坡稳定分析方法。代表的有m o r g e n s t e m p r i c e 法( m o r g e n s t e m ，p r i c e ， 1 9 6 5 ) 、s p e n c e r 方法( s p e n c e r ，1 9 6 7 ) ，简布通用条分法( n j a n b u ，1 9 7 4 ) 。 1 ) m o r g e n s t e r n - p r i c e 法 m o r g e n s t e m 和p r i c e ( 1 9 6 5 ) 3 9 1 假定对土条的作用力做了一个简化假定，假定条块 间的切向力和法向力为函数关系，建立力和力矩平衡微分方程，通过n e w t o n r a p h s o n 迭代法求解安全系数。 陈祖煜( 1 9 8 3 ) 1 4 0 1 1 4 1 1 对m o r g e n s t e m p r i c e 法作了改进，推导了静力平衡微分方 程的闭合解，对边界上土条侧向力作出了限制，提出了一个求解安全系数合理解的最 大、最小值的方法。 2 ) s p e n c e r 法 s p e n c e r ( 1 9 6 7 ) 1 4 2 1 假定条间力是平行的，即其倾角为常数在每一个垂直面上都 是相同的，建立每一条块的力和力矩平衡方程，不断变化它以达到力和力矩同时平衡。 在很多情况下，采用该法所得的安全系数从工程角度来看己足够精确。 s p e n c e r 法可以认为是m o r g e n s t e m p r i c e 法的f ( x ) = 1 的特例。 3 ) j a n b u 通用条分法 j a n b u ( 1 9 7 3 ) h 3 在其简化法的基础上，提出了同时满足力和力矩平衡的“通用 条分法”，这一方法区别于其它方法的一个重要方面是通过假定土条间侧向力的作用 点而不是作用方向来求解安全系数。j a n b u 假定了条块问法向力位置，认为无粘性土， 土条法向力的作用点位置在土条高度的1 3 位置左右。对于粘性土，在压缩区，作用 点位置高于1 3 土条高度，在膨胀区，作用点位置低于1 3 土条高度。己知条问力的 位置，可以求出相应的条问力方向。 此外，还有s a r m a t 1 对土条侧向力大小的分布函数作假定，并引入临界加速度系 数，在此基础上建立力和力矩平衡的方法。 8 蔑n h 刚 第一章绪论 ( 4 ) 各种极限平衡方法的比较 刚体极限平衡法以摩尔一库仑抗剪强度为基础，将边坡滑动体划分成若干垂直土 条，建立作用在这些垂直土条上的力的平衡方程，求解安全系数。通常只考虑静力平 衡条件和土的摩尔库仑破坏准则，通过分析土体在破坏瞬间的平衡来求得问题的解。 在大多数情况下问题是静不定的，因此众多学者致力于改进条分法计算方法，对条块 问作用力引入一些简化假定使问题变得静定可解，这样就衍生出各种条分法计算方 法。这种处理虽然对计算结果精度的损害并不大1 4 5 1 ，却能够使分析计算工作大为简 化，因而在工程中获得广泛应用。 表1 3 常用条分法对条问力的简化假定及主要特征 对各种分析方法差异的研究很多。w h i u n a n 和b a i l e y ( 1 9 6 7 ) 【4 6 1 认为，简化b i s h o p 法、简化j a n b u 法、m o r g e n s t e m p r i c e 法和s p e n c e r 法等方法的计算安全系数相差不 大，而瑞典圆弧法和这些方法相差是比较明显的，甚至可达6 0 以上；简化b i s h o p 法计算的安全系数只的误差约为2 0 , - 7 。j a n b u ( 1 9 8 0 ) 1 4 7 1 等从理论的角度分析了 各种方法计算的安全系数的关系。f r e d l u n d 和k r a h n ( 1 9 8 1 ) t 4 研分析了a 与力平衡的安 9 蔑n h r i第一章绪论 全系数及力矩平衡的安全系数的关系，简洁明了的给出了不同计算方法的安全系数之 间的关系。 1 9 9 6 年，d u n c a n ( 1 9 9 6 ) 1 4 9 1 对堤坝边坡稳定分析方法的当代水平做了总结，对 各种传统的边坡稳定分析极限平衡法的计算精度和适用范围作了较为详细的论述。他 总结了边坡稳定分析极限平衡法的论述如下： 1 ) 瑞典圆弧法在平缓边坡和高孔隙水压情况下进行有效应力法分析时是非常不 准确的。该法的安全系数在“旷o 分析中是完全精确的，对于圆弧滑动面的总应力 法可得出基本正确的结果。此法的数值分析不存在问题。 2 ) 简化b i s h o p 法局限性表现在仅仅适用于圆弧滑面以及有时会遇到数值分析问 题。如果使用简化b i s h o p 法计算获得的安全系数反而比瑞典法小，那么可以认为 b i s h o p 法中存在数值分析问题。基于这个原因，同时计算瑞典法和b i s h o p 法，比较 其结果，是一个较好的选择。 3 ) 仅仅使用力的平衡的方法计算的安全系数对所假定的条间力方向极为敏感， 条间力假定不合适将导致安全系数严重偏离正确值。 4 ) 满足全部平衡条件的方法( 如j a n b u 法，m o r g e n s t e m p r i e e 法和s p e n c e r 法在 任何情况下都是精确的( 除非遇到数值分析问题) 。这些方法计算的成果相互误差不超 过1 2 ，相对于一般认为是正确的答案的误差不会超过6 ，所有这些方法也都有数 值分析问题。 ( 5 ) 其他方法 除了广泛应用的极限平衡法外，还有滑移线法和有限元法也常用与边坡稳定性分 析。限于篇幅，本文不做过多描述。 从工程应用角度来看，传统的极限平衡法是评价边破土体稳定的首选方法，随着 非线性有限元技术的不断完善和计算机的同益普及，有限元法在评价土体稳定性方面 展现了巨大的生命力，但由于其对工程人员素质提出了更高的要求，又限制了其在工 程界的迅速推广。滑移线法和极限分析法似乎更多地只是停留在研究层面，较少在复 杂的工程问题中得到实际应用，但对他们的研究却给其它方法提供了更深入的理论支 持。 总之，经过近百年的发展和工程实践，土坡稳定分析的条分法的计算理论已经发 展到十分完善，应用非常成熟。 正如上面所讲，极限平衡法仍是目前应用最为广泛的方法，所以本文将致力于对 1o 琵n h r i 第一章绪论 它在渗流作用下的分析作些探讨。 1 2 3 边坡稳定性中渗流问题 在目前的边坡工程治理中，对考虑渗流的计算非常混乱。一些简化方法的适用条 件也必须是在地下水的流态与土坡中近似。雨水、外水位变化都会使得边坡中的非稳 定渗流场流态复杂化。因此，土坡稳定分析中对渗流力的简化计算或不考虑渗流作用 的方法在某些时候并不合适。有时会产生较大误差，甚至是错误的结果。用错误的结 果来指导工程设计是非常危险的，数十年来由于对渗流的认识不够或对地下水处理不 当而引发的工程失事屡屡发生也反映了这一点。因此，研究非稳定渗流复杂流场的特 征和实际分布形态，并完善适用于考虑地下水渗流作用边坡稳定方法来指导工程实践 十分必要。 ( 1 ) 渗流对边坡稳定的作用途径 引起土质边坡失稳的根本原因在于土体内部某个面上的剪应力达到了它的抗剪 强度，稳定平衡遭到破坏。触发边坡失稳的因素是多种多样的，水的作用是诱发边坡 失稳的最主要因素，特别是边坡内部的地下水渗对边坡的稳定性有着至关重要的作 用。 渗流对边坡的作用途径主要有： 1 ) 水位变化。主要表现在：坡外水位骤降引起非稳定渗流，进而产生不利与边 坡稳定的孔隙水压力；岩土体含水量和容重的增加。这几个方面作用的表现都是通 过地下水改变边坡的力学性质，进而影响边坡的稳定性。 2 ) 降雨入渗及坡面径流，坡面表层形成局部饱和渗流区及其下的非饱和渗流区， 降低边坡的稳定性。 ( 2 ) 渗流作用下的边坡失稳破坏和相关水力条件 渗流作用下的边坡破坏可区分为整体破坏和局部破坏，整体破坏对于于土石坝的 滑坡稳定性问题，此时应首先对大坝进行整体稳定性分析，正确考虑作用在土体上的 渗透力的大小和方向。渗流的局部破坏主要发生在地下水渗流的集中渗出点( 渗流方 向为自下而上或与坝坡相切) 和大坝下游坡尾水面和坡面的交点上。 研究边坡失稳相关的危险水力条件及不同渗流方向时允许渗透坡降( 与局部稳定 相关) 等，从而采取措施改变地下水渗流的方向、高度、渗出点坡降等，提高工程安 荟三n h r l第一章绪论 全度。 堤坝稳定性分析时的危险水力条件包括：高水位时的背水坡、蓄( 泄) 水过快的 迎水坡、降雨饱和的堤坝岸坡及施工填筑期间的大坝。高水位的下游坡当没有适当的 排水保护措施时，地下水浸润线会很高，且渗流溢出点处渗透力与坝坡平行，渗透坡 降大，易产生渗流局部破坏：蓄水过快的大坝主要存在着变形过大易产生裂缝等问题； 泄水过快的上游坡由于在坡面上产生渗流溢出点和坝体内较高的孔隙水压力易产生 滑坡破坏；降雨期间由于浸润线以上天然土体基质吸力消失、土重增加、内摩擦角减 小易发生滑坡破坏；施工情况下的坝体由于填筑料含水量高，孔隙水压力难以消散， 在软粘土饱和地基上尤为明显。 因此，对危险水力条件下的堤坝进行渗流分析( 渗流场计算、局部渗透坡降分析、 局部渗流稳定性分析) 、稳定性分析( 整体稳定性、结合渗透力) 非常有必要。对其 进行研究是有意义的。 ( 3 ) 边坡稳定分析中考虑渗流的方法 目前在考虑渗流作用时的边坡稳定性的研究中，主要有两类方法： 第一种方法是首先确定边坡内部渗流( 自由面) 的位置，非稳定渗流时，去确定 各时刻渗流场，然后利用渗透力的方法再进行边坡稳定性分析。【5 0 1 【5 l 】【5 2 】这种方法的 优点是在已知渗流场，特别是在有现场地下水实时监测资料时可以直接精确计算渗流 力，合理考虑渗流作用。对于这种方法而言，关键在于确定非稳定渗流浸润面，浸润 线的位置直接影响到边坡稳定性分析结果的精确度，同时还要谨慎考虑渗流方向。 第二种方法是简化地下水计算，如常用的替代法，或用直线的地下水水位线代替 实际的地下水分布，这些方法的优点是计算简单，但只能在稳定流动或者边坡内部地 下水水位趋于直线时才能够基本接近真实结果，实际也未完全考虑渗流作用【5 3 1 ，同 时对于非稳定渗流场却完全不适合，使用不当可能会造成非常严重的后果。 还有一种方法是避开求解非稳定渗流场，直接由下降前的状态决定水位下降后的 土体抗剪强度进行边坡稳定分析的方法。【5 4 1 【5 5 1 这种绕开非稳定渗流计算的总应力方 法，关键在于确定土体的饱和不排水强度，再根据水位降落前的法向应力推出水位降 落时的抗剪强度。这种方法的优点是计算简单，无需计算渗流场，但是缺点也很明显， 就是过于依赖土体的抗剪强度的试验结果，同时引入了对强度降低后的假定，这在某 些情况是非常危险的，这种方法也不能合理考虑水位变化的过程中边坡的稳定性。 1 2 是n h r i 第一章绪论 ( 4 ) 参数的选用 在渗流作用下的边坡稳定计算，除了考虑渗流场的基本参数渗透系数、给水度和 贮存量，还必须选用合适的土体抗剪强度指标。是否正确选用计算参数，关系到结果 的可靠性和工程安全。 1 3研究内容和技术路线 1 3 1 研究的主要内容 本文主要针条分法在分析地下水渗流作用下的土质边坡稳定中存在和亟待解决 的概念性和方法方面的问题，围绕非稳定渗流流场的形态和考虑渗流作用的边坡稳定 分析中的极限平衡法开展研究。从地下水渗流作用下边坡稳定性分析的土力学基础出 发，结合渗透力与孔隙水压力知识对各种条分法进行力学荷载的理论分析，比较研究 各自在边坡稳定性分析方面的差异以及差异产生的原因；设计合理的库岸边坡室内滑 坡物理模型试验，并建立相应的数值模型验证理论分析的结论；探讨广泛使用的条分 法在理论和实践中根据经验的各种假定存在的问题；为渗流作用下边坡稳定性分析和 滑坡治理设计提供正确合理的理论指导和实践方法。 拟开展的具体研究内容包括以下几个方面： ( 1 ) 在对非稳定渗流研究和边坡稳定分析方法的研究成果及进展进行总结评述 的基础上，介绍条分法的基本原理，重点就各类不同条分法在考虑条问荷载的假设方 面进行了比较分析研究； 对比研究方法基于已有的条分法研究基础，推导渗流场中垂直分条考虑孔隙水压 力时的真实荷载组合情况，从力学理论的角度阐述堤坝岸坡在各种渗流规律下的土坡 稳定计算理论； ( 2 ) 设计渗流滑坡室内砂槽模型，模拟验证各种渗流状况下的不同坡比和各种 材料强度的土坡滑坡时的极限状况。 分析研究非稳定渗流的各参数之间的关系，总结非稳定渗流流态的特征和非稳定 渗流的方向对边坡稳定性的影响。 ( 3 ) 建立数学模型，利用条分法( 包括瑞典圆弧法和简化毕肖普法) 和基于流 网计算渗透力的方法，选取不同的介质材料参数和不同水位变化的渗流状况计算安全 1 3 蕉n h r i第一章绪论 系数，着重比较考虑渗透力的方法与常用的条分法在边坡稳定性分析方面的差异，验 证各类方法计算边坡稳定安全系数的合理性； ( 4 ) 综合分析理论分析、物理模型试验和数值模拟的结果，认识渗流作用对边 坡稳定的规律和重要性以及库( 河) 水位特征的影响，提出考虑渗流作用的边坡稳定 分析方法，建立科学、合理、可靠、实用的堤坝岸坡的边坡稳定性分析方法。 1 3 2 研究技术路线 由于渗流作用的土坡稳定性问题是一个极其复杂的问题，合理的研究技术路线非 常关键，本文根据非稳定渗流及其对土坡稳定的作用，确定以下研究技术路线： ( 1 ) 概化水位降落下的边坡模式，研制渗流滑坡的室内模型来分析非稳定渗流 场分布特点；在此基础上分析边坡稳定分析中的对渗流问题的考虑。 ( 2 ) 试验与理论研究非稳定渗流对土坡产生的渗流力作用及条分法分析土坡稳 定性的问题。 ( 3 ) 理论与实例研究水位变化下引起的非稳定渗流各要素包括渗透系数、给水 度、水位降落速度以及边坡坡比之间的关系，边分析各参数对边坡稳定性的影响。 ( 4 ) 研究土坡的安全系数变化与各渗透系数、给水度、水位降落速度以及边坡 坡比等之间的关系，建立一种土坡失稳的简便预测方法。 综上所述，论文以科学研究的简单性原则为宗旨，以土坡稳定分析为主题，以工 程适用性的基础，研究非稳定渗流作用对边坡安全的影响，条分法中的诸种方法在渗 流的计算不合理，及利用渗透力计算土坡安全系数的方法，以供工程参考和应用。 1 4 霉n h r i 第二章非稳定渗流及边坡稳定理论 第二章非稳定渗流及边坡稳定理论 2 1 渗流基本理论 2 1 1 概述 渗流稳定分析和边坡稳定是工程安全的重要组成部分。根据以往的工程实践表 明，忽视诸如水位骤降