降雨条件下边坡渗流和稳定有限元分析_娄一青.pdf

水 　　利 　　学 　　报 　2007 年 10 月 SHUIL I 　　XUEBAO 增刊 ( ) 文章编号 2007 增刊034606 降雨条件下边坡渗流及稳定有限元分析 娄一青1 ,2 ( 1 河海大学 水利水电工程学院 ,江苏 南京 　210098 ; 2 水资源高效利用与工程安全国家工程研究中心 ,江苏 南京 　210098) 摘要 :简要分析了多孔介质饱和 - 非饱和渗流数学模型 ,探讨了非稳定时间插分格式 、计算参数和降雨入渗边界处 理等相关问题 ;基于非饱和土抗剪强度理论和延展的MohrCoulomb 屈服准则 ,将有限元强度折减法推广到非饱和 土边坡稳定分析中。以某边坡为例 ,模拟了降雨入渗引起的边坡体内暂态渗流场 ,并采用推广的有限元强度折减 法进行了降雨条件下边坡的稳定性分析 。 关键词 :降雨入渗 ;饱和 - 非饱和渗流 ;边坡稳定 ;有限元强度折减法 中图分类号 :TU432 文献标识码 :A 降雨是影响边坡稳定性 、导致边坡失稳破坏的主要因素 。降雨期间 ,雨水的大量入渗使边坡土体饱 和度增加 ,非饱和区基质吸力降低 ,土体抗剪强度下降 ,当降雨的强度和持续时间超过一定程度时 ,便能 导致边坡失稳 。近年来 , 国内外对于降雨条件下边坡稳定性问题的研究逐渐增多 。对该问题的研究 ,包 含了对降雨条件下边坡饱和 - 非饱和渗流场的研究[ 1 ,2 ] 以及将渗流场的变化纳入到边坡稳定的研究中 两个方面 。目前 ,对降雨条件下边坡稳定的数值分析方法有极限平衡方法[3 ,4 ] 、有限元法[5 ,6 ] 、非饱和土 [7 ] 流固耦合数值模拟 等 。这些方法各有其特点 ,极限平衡方法应用早 、积累经验多且已被广泛认可 ;有 限元法能计算得到边坡内较详细的单元应力 、应变及节点位移等信息 ;非饱和土流固耦合数值模拟将降 雨入渗下非饱和土边坡的渗流场和应力场进行耦合研究 ,考虑多因素控制作用 。 [8 ] 近年来 ,有限元强度折减法 在边坡稳定分析中的应用不断增多 。有限元强度折减法进行边坡稳 定分析不仅能够得到边坡的整体稳定安全系数和滑动面位置 ,而且还能够得到边坡内单元及节点的信 息 ,具有很强的适用性 。采用有限元强度折减法进行降雨条件下边坡稳定分析有以下两种思路 :一是先 计算降雨入渗下边坡不同时刻的暂态渗流场 ,结合非饱和土抗剪强度理论 ,分析每一时刻的安全系数 , 该方法概念清晰且易于实现 ;二是考虑边坡渗流场与应力场的耦合 ,结合非饱和土固结理论分析各时刻 的安全系数 ,该方法综合考虑了多种作用因素 。本文采用前一种思路 ,基于饱和 - 非饱和渗流分析结 果 ,应用有限元强度折减法进行降雨条件下边坡稳定性分析 ,并进行了算例分析 。 1 　降雨条件下边坡渗流分析 11 　饱和 - 非饱和渗流数学模型　根据质量守恒原理以及广义达西定律 ,各向异性多孔介质中饱和 - 非饱和渗流的控制方程为 : h h k k ( h ) ( ( ) β ) ( ) x i ij r p xj + Q = C hp + S s t 1 收稿 日期 (