CN113688547A - 雾化雨强度与边坡安全系数关系曲线的获取方法 - Google Patents

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Abstract

本发明为获取不同岩土材料下不同雾化雨强度分布与斜坡稳定安全系数之间的关系曲线的方法，属于水利工程边坡稳定领域，其包括如下步骤：1)给出不同雾化雨强度分布下渗流场荷载分布；2)应用极限平衡法原理出发构建斜坡稳定安全系数计算模型；3)进行相应稳定安全系数计算；4)绘制雾化雨强度分布与斜坡稳定安全系数的关系曲线。本发明的有益效果在于：提出了雾化雨边坡连续分布强度下的边坡稳定分析方法；该方法真实反映雾化雨强度分布与斜坡稳定安全之间的变化特征；本方法提出的关系曲线显示了稳定安全系数的时程变化特征。

Description

雾化雨强度与边坡安全系数关系曲线的获取方法
技术领域
本发明涉及一种水库下游边坡安全曲线的获取方法，尤其是当高坝下游存在雾化降雨时对边坡安全系数的影响曲线的获取方法，属于水利工程防护领域。
背景技术
近年来，随着我国能源战略的实施，水利事业得以巨大发展，我国建立了一大批高坝和超高坝，随之挑流泄洪所伴随的雾化现象，得到广泛的关注。其中泄洪雾化雨边坡稳定问题较为突出，由于降雨强度及其影响范围相当大，与常规的自然降雨相比对水利枢纽附属建筑物与下游岸坡所造成的威胁与破坏要大得多，因此，泄洪雾化作为环境问题也开始受到来自社会方面的极大关注。
泄洪雾化雨具有雨强大、历时长、冲刷能力及渗流能力强等特点。
泄洪雾化形成的强降雨，一方面直接冲蚀下游岸坡，另一方面侵入岩体，增加岩体的滑动力，诱发滑坡。雾化雨的水流冲刷和入渗形成的渗流是影响边坡稳定性导致边坡失稳的最主要和最普遍的环境因素。雾化雨入渗使得边坡地下水位和孔隙水压力升高，在边坡体内形成暂态饱和区及暂态水压力，降低岩石或土体的抗剪强度，其实质是导致边坡非饱和区基质吸力降低，进而导致边坡稳定性的降低。目前关于泄洪雾化区渗流机制的研究还有待进一步深入，需深入掌握岩土体非饱和区渗流场的定量变化规律，对包含不同强度雾化雨及其随机变化的入渗过程的饱和非饱和渗流计算进行了深入研究。
目前主要是建立在雾化雨水流地表水疏排、雾化雨入渗下饱和非饱和渗流计算及直观观察经验基础上的防排水设计和施工，需要对泄洪雾化特征下地下水贮存、渗流与边坡工程的相互影响及雾化区雨雾入渗在边坡工程结构中渗流规律进行深入研究，以满足科学合理地进行泄洪雾化区边坡防排水(特别是坡面坡脚结构内部防排水)设计和地下水地表水联合影响下边坡稳定评价及保护设计的要求。
综上所述，现有的雾化雨入渗边坡稳定研究存在以下问题:
(1)雾化雨雨强分布非连续性分布，与工程实践存在偏差，如概化大强度则对边坡防护设计费时费财，而概化强度小，则偏于不安全。
(2)建立雾化雨强度与边坡稳定安全系数的关系，可方便快捷估算不同雾化雨强度下边坡稳定性。
因此，解决雾化雨坡内渗流反映实际雾化雨对岸坡影响机制难题，研发基于雾化雨强度下渗流场的边坡稳定安全系数获取方法，对于泄洪雾化雨对岸坡稳定的影响与防护具有重要意义和价值。
发明内容
本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供雾化雨强度与边坡安全系数关系曲线的获取方法。
为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：1)给出不同雾化雨强度下渗流场荷载分布；2)应用极限平衡法原理出发构建斜坡稳定安全系数计算模型；3)进行相应稳定安全系数计算；4)绘制雾化雨强度分布与斜坡稳定安全系数的关系曲线。
所述的1)给出不同雾化雨强度下渗流场荷载分布，是指：采用渗流有限元数值模拟法进行边坡在雨雾入渗过程中的饱和—非饱和渗流场模拟计算，并将渗流场换算为渗透力荷载分布方式。
所述的：2)应用极限平衡法原理出发构建斜坡稳定安全系数计算模型；是指：应用Morgenstern-Price极限平衡分析法，先假定安全系数，通过迭代求得相应滑动面的安全系数。
根据弯矩平衡求得安全系数：
Figure BDA0003214557050000021
根据水平力平衡求得安全系数：
Figure BDA0003214557050000022
Figure BDA0003214557050000023
其中：c为土体粘聚力；
Figure BDA0003214557050000031
为土体内摩阻角；ΔL为各土条在滑动面上的长度；
LW为各土条形心到滑动面圆心的力臂长度；LN为各土条在滑动面处的中点到对应法线之间的距离；α为各土条切线与水平面的夹角；R为对圆心取矩力臂长度；N为滑动面对土条的法向作用力；λ为条间作用力变化系数；f(x)为条间作用力变化函数。
根据以上弯矩和水平力平衡条件，通过FoS迭代计算得出对应滑动面的安全系数。
所述的：3)进行相应稳定安全系数计算，是指；
根据前述2)计算公式，编制雾化雨稳定性安全系数计算程序，程序运算主要有以下几个步骤：
①根据地形、地质资料和地表入渗下岩坡的饱和非饱和渗流场，对岩坡进行分层；
②从上到下输入上述各层面的位置信息和各层的物理力学参数及孔隙水压力(非饱和区为基质吸力)，其中各层的孔隙水压力值取该层孔隙水压力的平均值；
③输入其它信息，包括：初始滑裂面上的物理力学参数、条块数、水平向地震系数及地震加速度分布系数；
④根据岩坡内结构面的发育情况，决定是否需要搜索最危险滑裂面，同时选取合理的初始滑裂面位置；
⑤若不需搜索最危险滑裂面，则还需选取其它可能的滑裂面并输入滑裂面上的物理力学参数同上进行稳定分析，最终确定出最危险滑裂面位置及相应的稳定安全系数。
所述的4)绘制雾化雨强度分布与斜坡稳定安全系数的关系曲线,是指：
根据不同雾化雨强度分布，绘制随时间变化的斜坡稳定安全系数关系曲线。
具体而言，本发明的效益如下：
1，提出了雾化雨边坡连续分布强度下的边坡稳定分析方法；
2，该方法真实反映雾化雨强度分布与斜坡稳定安全之间的变化特征；
3，本方法提出的关系曲线显示了稳定安全系数的时程变化特征。
附图说明
图1本发明实施例中3种典型雾化雨雨强连续分布形态；
图2雨强为图1中1曲线分布时，泄洪8天后的下边坡渗流特征；
图3雨强为图1中2曲线分布时，泄洪8天后的下边坡渗流特征；
图4雨强为图1中3曲线分布时，泄洪8天后的下边坡渗流特征；
图5基于图2、3、4的下边坡渗流特征得到的不同雨强下边坡安全系数时程变化图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述，以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
实施例一
采用获取雾化雨不同强度分布下边坡稳定安全系数曲线方法，对某高坝的入渗进行模拟：
实测获得斜坡上对应于高程的雾化雨雨强连续分布形态，如图1所示。
1)采用渗流有限元数值模拟法进行边坡在雨雾入渗过程中的饱和—非饱和渗流场模拟计算，并将渗流场换算为渗透力荷载分布方式。如图2，3，4所示。
2)应用极限平衡法原理出发构建斜坡稳定安全系数计算模型；是指：
应用Morgenstern-Price极限平衡分析法，先假定安全系数，通过迭代求得相应滑动面的安全系数。
根据弯矩平衡求得安全系数：
Figure BDA0003214557050000041
根据水平力平衡求得安全系数：
Figure BDA0003214557050000042
Figure BDA0003214557050000043
其中：c为土体粘聚力；
Figure BDA0003214557050000051
为土体内摩阻角；ΔL为各土条在滑动面上的长度；
LW为各土条形心到滑动面圆心的力臂长度；LN为各土条在滑动面处的中点到对应法线之间的距离；α为各土条切线与水平面的夹角；R为对圆心取矩力臂长度；N为滑动面对土条的法向作用力；λ为条间作用力变化系数；f(x)为条间作用力变化函数。
根据以上弯矩和水平力平衡条件，通过FoS迭代计算得出对应滑动面的安全系数。
3)进行相应稳定安全系数计算，是指；
根据前述2)计算公式，编制雾化雨稳定性安全系数计算程序，程序运算主要有以下几个步骤：
①根据地形、地质资料和地表入渗下岩坡的饱和非饱和渗流场，对岩坡进行分层；
②从上到下输入上述各层面的位置信息和各层的物理力学参数及孔隙水压力(非饱和区为基质吸力)，其中各层的孔隙水压力值取该层孔隙水压力的平均值；
③输入其它信息，包括：初始滑裂面上的物理力学参数、条块数、水平向地震系数及地震加速度分布系数；
④根据岩坡内结构面的发育情况，决定是否需要搜索最危险滑裂面，同时选取合理的初始滑裂面位置；
⑤若不需搜索最危险滑裂面，则还需选取其它可能的滑裂面并输入滑裂面上的物理力学参数同上进行稳定分析，最终确定出最危险滑裂面位置及相应的稳定系数。
最终得到图5基于时间序列的三种不同雾化雨强度安全系数时序曲线。

Claims (5)

1.雾化雨强度与边坡安全系数关系曲线的获取方法，其特征在于：包括以下步骤：1)给出不同雾化雨强度下渗流场荷载分布；2)应用极限平衡法原理出发构建斜坡稳定安全系数计算模型；3)进行相应稳定安全系数计算；4)绘制雾化雨强度分布与斜坡稳定安全系数的关系曲线。
2.根据权利要求1所述的雾化雨强度与边坡安全系数关系曲线的获取方法，其特征在于：
所述的1)给出不同雾化雨强度下渗流场荷载分布，是指：采用渗流有限元数值模拟法进行边坡在雨雾入渗过程中的饱和—非饱和渗流场模拟计算，并将渗流场换算为渗透力荷载分布方式。
3.根据权利要求1所述的雾化雨强度与边坡安全系数关系曲线的获取方法，其特征在于：
所述的：2)应用极限平衡法原理出发构建斜坡稳定安全系数计算模型；是指：应用Morgenstern-Price极限平衡分析法，先假定安全系数，通过迭代求得相应滑动面的安全系数；
根据弯矩平衡求得安全系数：
Figure FDA0003214557040000011
根据水平力平衡求得安全系数：
Figure FDA0003214557040000012
Figure FDA0003214557040000013
其中：c为土体粘聚力；
Figure FDA0003214557040000014
为土体内摩阻角；ΔL为各土条在滑动面上的长度；
LW为各土条形心到滑动面圆心的力臂长度；LN为各土条在滑动面处的中点到对应法线之间的距离；α为各土条切线与水平面的夹角；R为对圆心取矩力臂长度；N为滑动面对土条的法向作用力；λ为条间作用力变化系数；f(x)为条间作用力变化函数；
根据以上弯矩和水平力平衡条件，通过FoS迭代计算得出对应滑动面的安全系数。
4.根据权利要求1所述的雾化雨强度与边坡安全系数关系曲线的获取方法，其特征在于：
所述的：3)进行相应稳定安全系数计算，是指；
根据前述2)计算公式，编制雾化雨稳定性安全系数计算程序，程序运算主要有以下几个步骤：
②根据地形、地质资料和地表入渗下岩坡的饱和非饱和渗流场，对岩坡进行分层；
②从上到下输入上述各层面的位置信息和各层的物理力学参数及孔隙水压力，在非饱和区为基质吸力，其中各层的孔隙水压力值取该层孔隙水压力的平均值；
③输入其它信息，包括：初始滑裂面上的物理力学参数、条块数、水平向地震系数及地震加速度分布系数；
④根据岩坡内结构面的发育情况，决定是否需要搜索最危险滑裂面，同时选取合理的初始滑裂面位置；
⑤若不需搜索最危险滑裂面，则还需选取其它可能的滑裂面并输入滑裂面上的物理力学参数同上进行稳定分析，最终确定出最危险滑裂面位置及相应的稳定安全系数。
5.根据权利要求1所述的雾化雨强度与边坡安全系数关系曲线的获取方法，其特征在于：
所述的4)绘制雾化雨强度分布与斜坡稳定安全系数的关系曲线,是指：
根据不同雾化雨强度分布，绘制随时间变化的斜坡稳定安全系数关系曲线。
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