GeoStudio软件在土坡饱和_非饱和渗流分析中的应用

GeoStudio软件在土坡饱和—非饱和渗流分析中的应用

陈　浩,黄　静,林　锋

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(11西南交通大学,四川成都610031;21重庆市交通规划勘查设计研究院,重庆400067;

31中国市政工程西南设计研究院,四川成都610081)

　　【摘　要】　在对饱和-非饱和渗流数学模型简要分析的基础上,对影响渗流有限元计算分析结果的一些参数选取方法进行讨论,如非饱和土的水土特征曲线、渗透系数及毛细水头等。利用GeoStudio软件对降雨条件下的土质边坡内部渗流场进行模拟,分析地下水位线、坡体饱和度、压力水头随降雨时间的变化规律。模拟结果与实际情况比较吻合,可为土质边坡稳定性的分析提供参考依据。　　【关键词】　边坡;　饱和渗流;　非饱和渗流;　渗透系数　　【中图分类号】　TU43　　　　　　　　　　　【文献标识码】　A

　　降雨是诱发滑坡的主要因素之一。

研究雨水入渗引发滑坡的物理过程并建立定量分析模型是降雨与滑坡关系研究的重要方面。目前研究的难点依然为如何准确求得降雨条件下边坡的瞬时渗流场,及其变化特征:如土体饱和度、压力水头等进行深入的研究。这是研究降雨入渗边坡稳定性影响的基本问题也是首要问题。

本文从土体饱和—非饱和渗流共同作用的角度出发,重点讨论在降雨条件下土质边坡内的渗流场问题,主要采用数值计算的方法对降雨条件下土质边坡内部的渗流场特征如饱和度、地下水位级及压力水头等特征量随计算时间的变化规律进行分析研究,以探讨边坡降雨条件下稳定性降低的根本原因[1]。

超孔隙水压力消散问题的有限元软件。该软件对求解问题的定义操作简单,能准确、快速地对降雨条件下边坡内部的渗流场进行模拟。本文将利用SEEP/W在对影响非饱和渗流计算结果的参数选取方法进行探讨的基础上,对土质边坡在降雨条件下的渗流场特征进行计算分析。111　饱和—非饱和渗流计算中各参数的选取方法土水特征曲线表明有多少水由于基质吸力克服重力而被保持在土壤中,反映了土体的持水能力,而非饱和渗透系数则反映土体在非饱和区导水的快慢。这两个参数是表述土体非饱和渗流特性的重要参数。由于直接试验方法费用高、历时长,而且可重复性差,难以得到一般规律性的结果,目前普遍采用的间接方法是利用少量的试验数据根据相应的数学模型来获得水土特征曲线及渗透系数函数。

1　饱和—非饱和渗流的基本微分方程及边界条件

　　求解饱和—非饱和渗流问题,需要建立其控制方程(假设土骨架不变形、水为不可压缩流体)和边界条件[2]:

99h+99h=ρgmw9hkxkyw29x9y9t9x9yh(x,y,t)=h1(x,y,t),在s1上,

9h9hcos(n,x)+kycos(n,y)=q(x,y,t)在s2上,9x9y

h(x,y,t)=z(x,y,t),在s3上,

kx

h(x,y,t0)=h0(x,y,t0)

(1)

式中:h为水头,h=u/r;u为孔隙压力,rw+zw为水的密度,z为位置水头;s为饱和度;直角坐标轴x,y为渗透主方向;kx,ky分别沿主方向的渗透系数;s1为已知水头边界,s2为已知流量边界,s3为逸出段边界;h0为已知水头;q为边界流量;

cos(n,x)等为边界面外法线方向的方向余弦;t为时间。

　　图1　渗透系数函数曲线图2　土水特征曲线

多年来众多研究者已有许多研究成果,提出了多种拟合

[收稿日期]2008-01-28

[作者简介]陈浩(1982～),男,重庆长寿人,硕士

2　边坡渗流场模拟结果分析

　　GeoStudio软年由加拿大GEO-SLOPE国际有限公司开

发,其中SEEP/W是分析多孔介质土体中的地下水渗流和

研究生,研究方向:市政工程。

四川建筑　第28卷6期　2008112

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　・岩土工程与地下工程・　

模型,SEEP/W程序也相应地提供了各种估计的数学模型。其中VG模型与实测数据线型十分相近,而且参数意义明确,所以至今仍为最常用的模型之一。因此本文主要选用VG模型来进行非饱和渗流计算参数的估计。土水特征曲线及渗透函数见图1、图2。

初始状态主要指初始地下水位及初始孔隙水压力或含水量的分布。饱和区的孔隙水压力可以较方便地准确测定,而非饱和区和负孔隙水压力的测量则十分困难,缺乏广泛应用的经验。在本文按文献[3]中针对不同类型的土体所给出的毛细水上升高度值作为参考进行估算,在本例中取毛细水升高高度为3m。112　计算模型及分析结果

计算模型如图3所示,采用的边界条件为:取边坡上部

-5

边界为降雨入渗边界,取降雨强度为314×10m/s,降雨时间和计算时间均为9h,其余边界均为自由边界。坡顶地下水位埋深为5m,坡度地下水位埋深为3m。

有不同程度的减小。

(a)降雨1小时压力(水头)等值线

(b)降雨5小时压力(水头)等值线

图3　计算模型为了较好考察某一剖面的体积含水量变化情况,取距左边界30m处的一个纵断面进行分析,如图4。

(c)降雨9小时压力(水头)等值线

图5　孔隙压力(水头)等值线

2　结　论

　　降雨引起的边坡失稳问题一直受到人们的关注,准确计

算边坡暂态渗流场是解决问题的关键,本文利用Geostudio软件模拟了一次降雨过程中的渗流场,得到以下几点认识。

(1)该软件能够准确、快速地进行降雨条件下边坡渗流场的分析,并提供了与该渗流场相关的信息查询和各种参数的分布图,缩短了工程设计的周期。

(2)从模拟结果可以看出,由于暂态饱和区的出现和扩大,使土体内基质吸力降低,抗剪强度下降,从而导致边坡稳定性的下降。因此,应该尽可能地对边坡顶部的土质表面实行硬化处理。

(4)坡脚部位由于离地下水位一般相对较近,在降雨条件下更易饱和,应引起注意。

参考文献

[1]　FredlundDG,RahardioH.非饱和土土力学[M].陈仲颐,等,

图4　断面X上的体积含水量的变化关系

由图4可以看出,随着降雨的进行,边坡表面含水率开

始升高,随后雨水继续向下渗,其所经过地方的含水率逐步升高,到降雨持续9h后,雨水已到达地下水位,引起了该断面处地下水位线的升高。

图5显示了不同时间的空隙水压力分布情况。可以看出,从降雨开始,随着雨水的入渗,土坡表面基质吸力开始减小,其值与地下水位线附近相当。由于入渗雨水未到达,中间部分基质吸力保持不变。当降雨持续到5h后,坡底处,由于地下水位离地面较近,这部分初始含水量较高,入渗较快,已经引起地下水位的升高,部分地下水位已到达地面和坡脚。到降雨结束,也就是9h后,雨水已基本经过了所有非饱和区,地下水位普遍开始升高,整个非饱和区的基质吸力都

译.北京:中国建筑工业出版社,1997.

[2]　吴梦喜,高莲士.饱和—非饱和土体非稳定渗流数值分析[J].

水利学报,1999(12):38-42.

[3]　苑连菊.工程渗流力学及应用[M].北京:中国建材工业出版

社,2001.

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