CN116522823A - 一种流固耦合的边坡稳定分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种流固耦合的边坡稳定分析方法，包括对边坡材料分类；对分类后的边坡透水材料进行固结分析，确定该区域所述透水材料的超静孔隙水压力；通过所述超静孔隙水压力构建孔隙水压力内插网格，计算每个网格节点上的总孔隙水压力；通过所述总孔隙水压力计算滑面上各点的抗剪强度确定边坡稳定安全系数。本发明考虑复杂边坡体中不同材料的渗透固结特性，结合材料透水特性的不同和荷载变化速率的不同，土体的固结排水条件进行差异化处理计算孔隙水压力，适用于人工形成的土质边坡的稳定分析，尤其是软土地基上修建的土石坝工程的边坡稳定分析。

Description

一种流固耦合的边坡稳定分析方法

技术领域

本发明属于边坡稳定分析技术领域，尤其是涉及一种流固耦合的边坡稳定分析方法。

背景技术

在采用极限平衡理论分析边坡稳定性的过程中，需要计算滑面上各点的抗剪强度，而滑坡发生过程中，材料发挥的抗剪强度是与渗流-固结过程有关的。由于材料透水性质的不同，渗流、固结过程对滑坡过程中材料的抗剪强度也呈现不同的影响。复杂的边坡，往往包含多种不同透水性质的材料，如堆石料、砂砾料、黏土、粉土、砂土等，有时还因为地基处理，形成了人工复合地基。传统的分析方法，往往根据施工的快慢和边坡大致的材料特性，假定材料排水或不排水，规定采用总应力法或有效应力法来计算滑面上的抗剪强度。但对于一些材料组成较为复杂的边坡，尤其是一些软基上修建土石坝工程形成的边坡，传统方法是难以适用的。如何使对这种复杂边坡的稳定性分析更为符合材料的物理力学特性，提高分析的精确性，是本领域技术人员亟需解决的技术问题，因此需要一种能够适应复杂多样性材料组成边坡的稳定分析方法。

发明内容

本发明的目的是针对上述问题，提供一种流固耦合的边坡稳定分析方法。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

包括如下步骤：

A对边坡材料分类；

B构建孔隙水压力内插网格；

C对分类后的材料分别进行渗流-固结分析，确定各种材料域内每个网格节点上的孔隙水压力，内插获得滑面上各点的孔隙水压力；

D将所述孔隙水压力带入有效应力原理和摩尔-库仑强度公式，计算滑面上各点的抗剪强度；

E通过极限平衡分析获得边坡抗滑稳定安全系数。

进一步地，所述步骤A中，边坡材料按照排水固结特性将材料分为充分透水材料、不透水材料和半透水材料。

进一步地，所述步骤C中，孔隙水压力被分解成静孔隙水压力和超静孔隙水压力两部分，其中半透水材料的超静孔隙水压力变化过程可以根据土的固结系数和地表荷载变化过程计算，这一过程称为固结分析。对于充分透水材料和不透水材料，其固结分析过程被简化处理。

进一步地，所述不透水材料采用总应力法计算抗剪强度，采用固结不排水抗剪强度指标，按照荷载变化前的有效应力状态来计算抗剪强度；充分透水材料采用有效应力法计算抗剪强度，按照当前的有效应力状态来计算抗剪强度；半透水材料采用有效应力法计算抗剪强度，按照当前的有效应力状态来计算抗剪强度。

进一步地，所述固结分析方法包括如下步骤：

瞬时荷载作用后，土层的固结度均有如下形式的表达式：

U＝1-exp(-βt) (1)

t时刻的孔隙水压力为

u_e＝p₀exp(-βt) (2)

p₀为0时刻地表施加的瞬时荷载。

变荷载p(t)作用下的超静孔隙水压力按照下式计算

进一步的，在步骤C中，对不透水材料所述孔隙水压力按照下式计算：

u＝u_st0+p (4)

其中u_st0为荷载变化前的静水压力；p为变化荷载；

对充分透水材料所述孔隙水压力按照下式计算：

u＝u_st (5)

其中u_st为当前的静水压力，通过稳定渗流分析获得；

对半透水材料所述孔隙水压力按照下式计算

u＝u_st+u_e(t) (6)

其中u_st为静水压力，u_e(t)为超静孔隙水压力，按照式(3)确定。

进一步地，所述步骤D中，充分透水材料和半透水材料抗剪强度用有效应力法计算，不透水材料的抗剪强度用总应力法计算。

有效应力法中，所述抗剪强度τ_f按照下式计算

τ_f＝c′+(σ-u)tanφ′ (7)

式中：c′和φ′为土的有效抗剪强度指标，有效凝聚力和有效内摩擦角，取为固结排水抗剪强度指标c_cd和φ_cd；σ为当前土的总应力，u为孔隙水压力。

总应力法中，抗剪强度τ_f按照下式计算

τ_f＝c_cu+(σ_c-u_c)tanφ_cu＝c_cu+(σ-u_ef)tanφ_cu (8)

式中：c_cu和φ_cu为土的固结不排水抗剪强度指标；σ_c和u_c为荷载变化前的总应力和孔隙水压力，σ为当前土的总应力、u_ef为等效孔隙水压力(等于荷载变化量与u_c之和)。

所述步骤E中，安全系数F_s定义如下，假设土坡中存在一个滑面，在这个滑面上将土的抗剪强度从τ_f降低到τ_f/F_s，则滑面上处处达到极限平衡状态，F_s则是对应这个滑面的安全系数。对于一个真实存在的土坡，对所有可能的滑面进行分析，求得F_s，取其中最小的F_s为土坡的安全系数。F_s通常无法直接计算，必须用数值方法求得。关于F_s的数值计算方法，很多文献都有过讨论。本发明不规定具体的F_s计算方法，采用任何一种计算F_s的数值方法，不影响本发明的内容。

现有技术相比，本发明提供了一种流固耦合的边坡稳定分析方法的的方法，具备以下有益效果：

本发明考虑复杂边坡体中不同材料的渗透固结特性，结合材料透水特性的不同和荷载变化速率的不同，土体的固结排水条件进行差异化处理计算孔隙水压力，适用于材料组成复杂的土质边坡的稳定分析，尤其是软土地基上修建的土石坝工程的边坡稳定分析。

附图说明

图1为本发明流固耦合的边坡稳定分析方法的的方法的流程示意图；

图2为本发明中材料按照透水性分类的结果示意图

图3为本发明的堰基孔隙水压力计算内插网格示意图；

图4为本发明中竖向网格各点对应的地表荷载变化过程示意图；

图5为本发明中半透水材料(复合地基)在某一水平网格线上各点对应的超静孔隙水压力时程示意图；

图6为本发明实施案例中围堰竣工时刻的下游边坡稳定性分析结果。

具体实施方式

以下实施例仅处于说明性目的，而不是想要限制本发明的范围。

在本实施例子中选中某水电站作为具体案例进行表述，该水电站位于金沙江上游，挡水建筑物为混凝土面板堆石坝，坝址存在深厚堰塞湖沉积层。坝体施工采用围堰一次拦断河床、隧洞导流的方式，上游土石围堰总高约59m。其中，上游围堰堰基及基坑边坡区域河床覆盖层厚度65m～68m，从上至下分别为表层砂卵石层(Q^al-5)、中部堰塞湖沉积层(Q^l-3层、Q^l-2层)、底部砂卵石层(Q^al-1)。其中：河床表层Q^al-5为砂卵石层、夹少量漂石，在堰基区域其厚度为1.4m～4.6m，在基坑边坡区域其厚度为2.15m～7.2m，分布不均匀，厚度变化大；中部堰塞湖相沉积层Q^l-3层，以砂质低液限粉土、粉土质砂为主，少量含砂低液限黏土，在堰基区域其厚度为14.7m～18.1m，在基坑边坡区域其厚度为18.95m～21.45m；中部堰塞湖相沉积层Q^l-2层，厚度约31.4m，自上而下可分为Q^l-2-③、Q^l-2-②、Q^l-2-①三个亚层，Q^l-2-③层以低液限黏土为主、多呈流塑状、厚度4m～8.5m，Q^l-2-②层以低液限粉土和砂质低液限粉土为主、多呈可塑～软塑状、厚度10m～15m，Q^l-2-①层以低液限黏土为主、多呈可塑～软塑状、厚度15.2m。河床底部Q^al-1层为卵石、块石夹砂，在堰基区域厚度4.6m～5m，在基坑边坡区域厚度2.25m～13.1m。

如图1所示，本发明包括如下步骤：

A对边坡材料分类；

所述边坡材料按照排水固结特性将材料分为充分透水材料、不透水材料和半透水材料。在本实例中，地基中的Q^al-1层、Q^al-5层和堰体被划分为充分透水材料；未经处理的天然堰塞湖沉积层Q^l-3层、Q^l-2层被划分为不透水材料；经过碎石桩处理后，Q^l-3层、Q^l-2层与碎石桩组成的复合地基被划分为半透水材料，如图2所示。

B构建孔隙水压力内插网格，如图3所示。

C对其中的半透水材料进行固结分析，根据地表荷载作用的变化过程如图4所示，通过固结分析，计算得到半透水材料域内，各网格节点上的超静孔隙水压力变化过程。

所述固结分析方法如下

根据围堰的形态特点，根据围堰的施工、运行计划，可以得到竖向网格对应的地表荷载的变化过程p(t)，如图4所示。

对某一土层，变荷载p(t)作用下的超静孔隙水压力按照下式计算

其中β为反映材料固结特性的一个参数，对于采用透水桩体的复合地基，

其中C_h为桩间土的水平固结系数；d_e为碎石桩的影响直径，通常为桩间距的(1.05～1.13)倍；ζ为一个综合系数，反映桩直径与d_e之比、桩与桩间土的渗透系数比值、桩施工扰动等因素的影响。

本工程采用碎石桩的设计直径为1m、桩间距为2m，d_e为2.26m，各土层的C_h可以通过试验测得，于是计算得到各网格节点上的超静孔隙水压力变化过程。图5给出了图3中L2线上各网格节点的超静孔隙水压力变化过程。对于特定的分析时刻，在图5中可以查询到每一节点的超静孔隙水压力值。

在步骤C中，对不透水材料所述孔隙水压力按照下式计算：

u＝u_st0+p (3)

其中u_st0为荷载变化前的静水压力，p为地表施加的变化荷载；

对充分透水材料所述孔隙水压力按照下式计算：

u＝u_st (4)

其中u_st为当前的静水压力；

对半透水材料所述孔隙水压力按照下式计算

u＝u_st+u_e(t) (5)

其中u_st为静水压力，通过稳定渗流分析确定，u_e(t)为超静孔隙水压力。

在本实施例子中某水电站围堰竣工时刻网格节点上的孔隙水压力数据

如表1所示：

表1

	A1	A1	E1	E2	C1	D	D	C2	B	A2	A2
												L1	122.38	120.99	154.31	205.09	256.75	401.41	398.30	300.93	132.02	129.00	29.49
L2	267.38	268.79	303.59	356.14	407.34	552.39	550.20	451.08	272.40	284.35	200.88
												L3	373.38	373.95	408.32	460.51	513.29	663.02	662.29	558.45	371.68	371.45	277.20
L4	488.56	490.74	525.79	579.00	632.26	783.41	783.04	677.84	498.09	500.57	408.48

D将所述孔隙水压力带入有效应力原理和摩尔-库仑强度公式，计算滑面上各点的抗剪强度

在本实施例子中，充分透水材料和半透水材料的抗剪强度τ_f按照下式计算

τ_f＝c′+(σ-u)tanφ′ (6)

式中：c′和φ′为土的有效抗剪强度指标，有效凝聚力和有效内摩擦角，取为固结排水抗剪强度指标c_cd和φ_cd；σ为当前土的总应力，u为孔隙水压力。

不透水材料的抗剪强度τ_f按照下式计算

τ_f＝c_cu+(σ_c-u_c)tanφ_cu＝c_cu+(σ-u_ef)tanφ_cu (7)

式中：c_cu和φ_cu为土的固结不排水抗剪强度指标；σ_c和u_c为荷载变化前的总应力和孔隙水压力，σ为当前土的总应力、u_ef为等效孔隙水压力(等于荷载变化量与u_c之和)。

E通过极限平衡分析获得边坡抗滑稳定安全系数。

本实施案例中，采用简化的Bishop方法计算得到围堰竣工时刻下游边坡稳定安全系数F_s＝1.524。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种流固耦合的边坡稳定分析方法，其特征在于：包括如下步骤：

A对边坡材料分类；

B构建孔隙水压力内插网格；

C对分类后的材料分别进行渗流-固结分析，确定各种材料域内每个网格节点上的孔隙水压力，内插获得滑面上各点的孔隙水压力；

D将所述孔隙水压力带入有效应力原理和摩尔-库仑强度公式，计算滑面上各点的抗剪强度；

E通过极限平衡分析获得边坡抗滑稳定安全系数。

2.根据权利要求1所述的一种流固耦合的边坡稳定分析方法，其特征在于：所述边坡材料按照排水固结特性将材料分为充分透水材料、不透水材料和半透水材料。

3.根据权利要求1所述的一种流固耦合的边坡稳定分析方法，其特征在于：所述步骤B中，孔隙水压力被分解成静孔隙水压力和超静孔隙水压力两部分，其中超静孔隙水压力变化过程可以根据土的固结系数和地表荷载变化过程计算，这一过程称为固结分析。

4.根据权利要求1所述的一种流固耦合的边坡稳定分析方法，其特征在于：所述不透水材料采用总应力法计算抗剪强度，采用固结不排水抗剪强度指标，按照荷载变化前的有效应力状态来计算抗剪强度；充分透水材料采用有效应力法计算抗剪强度，按照当前的有效应力状态来计算抗剪强度；半透水材料采用有效应力法计算抗剪强度，按照当前的有效应力状态来计算抗剪强度。

5.根据权利要求1所述的一种流固耦合的边坡稳定分析方法，其特征在于：所述固结分析方法包括如下步骤：

瞬时荷载作用后，土层的固结度均有如下形式的表达式：

U＝1-exp(-βt) (1)

t时刻的孔隙水压力为

u_e＝p₀exp(-βt) (2)

p₀为0时刻地表施加的瞬时荷载；

变荷载p(t)作用下的超静孔隙水压力按照下式计算

6.根据权利要求1所述的一种流固耦合的边坡稳定分析方法，其特征在于：

在步骤C中，对不透水材料所述孔隙水压力按照下式计算：

u＝u_st0+p (4)

其中u_st0为荷载变化前的静水压力；p为变化荷载；

对充分透水材料所述孔隙水压力按照下式计算：

u＝u_st (5)

其中u_st为当前的静水压力，通过稳定渗流分析获得；

对半透水材料所述孔隙水压力按照下式计算

u＝u_st+u_e(t) (6)

其中u_st为静水压力，u_e(t)为超静孔隙水压力，按照式(3)确定。

7.根据权利要求1所述的一种流固耦合的边坡稳定分析方法，其特征在于：

有效应力法中，所述抗剪强度τ_f按照下式计算

τ_f＝c′+(σ-u)tanφ′ (7)

式中：c′和φ′为土的有效抗剪强度指标，有效凝聚力和有效内摩擦角，取为固结排水抗剪强度指标c_cd和φ_cd；σ为当前土的总应力，u为孔隙水压力；

总应力法中，抗剪强度τ_f按照下式计算

τ_f＝c_cu+(σ_c-u_c)tanφ_cu＝c_cu+(σ-u_ef)tanφ_cu (8)

式中：c_cu和φ_cu为土的固结不排水抗剪强度指标；σ_c和u_c为荷载变化前的总应力和孔隙水压力，σ为当前土的总应力、u_ef为等效孔隙水压力(等于荷载变化量与u_c之和)。