某水電站邊坡降雨入滲力學特性及穩定性分析

徐 俊

（江蘇省江都水利工程管理處，江蘇 揚州 225200）

工程勘察

某水電站邊坡降雨入滲力學特性及穩定性分析

徐 俊

（江蘇省江都水利工程管理處，江蘇 揚州 225200）

降雨對邊坡穩定性及其失穩破壞有著重要影響，基于某水電站的工程地質參數，建立有限元模型，通過Abaqus對雨水入滲的瞬態滲流對邊坡力學特性的影響進行建模與計算，認為靜水壓力隨深度線性增加，建立CPE4P網格進行計算，對其滲透率、孔壓、橫縱向位移、偏應力、塑性應變及應力路徑等作了分析，得出一系列降雨入滲作用下應力、應變及穩定性相關結論。

降雨；滲流；ABAQUS；失穩；邊坡；塑性區

某水電站壩址處降雨頻發，降雨對水電站邊坡的穩定性造成了嚴重影響，土體的抗剪強度等力學參數會隨著降雨的作用而降低［1］，空隙水的壓力會隨著地下水位的抬高而升高［2-3］，進而造成穩定性的下降［4］。除此之外，高強度、長時間的降雨會導致暫態飽和區的出現，以此導致空隙水壓力的升高。基于此，有必要對雨水入滲情況下瞬態滲流影響下的邊坡應力、應變等力學特性進行研究。

降雨入滲作為—種典型的非飽和流固耦合現象，目前已有較多學者對降雨入滲進行了研究，取得了較多成果［5-10］。但研究領域多在降雨入滲的影響因素、滑坡、初始含水率、穩定性等層面上，而基于多參數、多指標的綜合分析研究較少，該文從數值模擬角度出發，土體參數取自于水電站，全面對滲透率、孔壓、橫縱向位移、偏應力、塑性應變及應力路徑等進行了分析，以此更好地為降雨入滲對邊坡的穩定性研究作參考與支持。

1 降雨入滲計算力學原理及邊界條件

1.1 計算原理

土體材料的滲透系數與基質吸力關系如式（1）：

式中 kw為土體飽和時的滲透系數，取5.0×10-6m/s（0.018m/h）；uw和ua為土體中的水壓力、氣壓，因坡面與大氣接觸的原因，式中取為0。aw、bw和cw為材料系

式中 Sr為飽和度；Si為殘余飽和度，取0.08；Sn為最大飽和度， 取1；as、bs和cs為材料系數， 分別取1，5.0×10-5，3.5。

值得注意的是，ABAQUS中，有效應力的定義為σ′=σ-（χuw+（1-χ）ua），χ取為飽和度Sr，將ua賦值為0，采用基于有效應力的本構關系，該本構重點體現了基質吸力對模型的影響，這與反映黏聚力的強度本構具有較大差異。

1.2 邊界條件

降雨入滲的物理過程十分復雜，Larson與Mein研究發現，通過土壤允許的入滲容量fp，降雨強度q及水力傳導系kws數參數，可以揭示出降雨入滲行為。

1.2.1 當q

地表徑流在該情況下不會發生，降雨完全入滲至邊坡，水的入滲率是不變的。

1.2.2 當fp>q>kws

雨水在該情況下全部入滲，隨著入滲度的不斷增加，fp不斷減小，但降雨強度還未超過允許容量，因此，入滲率并不會出現降低的情況，其仍具有較高的數值。該情況時，坡面為流量邊界。

1.2.3 當q>fp

降雨強度已超過土壤入滲容量，會出現部分降雨不入滲，而形成地表徑流的情況。該情況中，坡面上的土體為飽和狀態的土體，當達到入滲容量后，降雨將不斷下降。

本文考慮fp>q>kws情況，降雨邊界函數用降雨強度（單位流通量）來表示，同時，不考慮地表積水的情況，使分析區域頂面均受到降雨作用，其設置入滲強度和持續時間分別為20mm/h，66h。數，文中分別取1000，0.01，1.7。

飽和度隨基質吸力的關系如式（2）：

2 降雨入滲模型的建立與求解

本文所建立的邊坡模型即來自該水電站邊坡，降雨入滲的模型參數來自于某水電站土體的實測參數，為了便于研究，將其簡化成理想邊坡，該邊坡（坡角40°，坡高30m）力學參數如表1。

表1 水電站土體參數

基于降雨入滲計算力學原理及邊界條件的選擇，進行有限元模型的建立，所建立的有限元模型如圖1。其element type選擇為CPE4P，滲透系數隨飽和度及基質吸力隨飽和度的變化可根據式（1）和式（2）得到。

圖1 有限元網格模型

其中，利用distribution定義孔壓邊界條件，在左、右兩側水位以下的邊界上設置隨深度線性增加的靜水壓力孔，按照式（3）進行設置。

式中 p為靜水孔壓力（Pa）；Y為深度（m）。

分析步長時間為72h，以0.1作為初始時間增量步，將孔壓設定為沿深度線性關系增加，降雨強度的時程賦值曲線Amp-1如表2。

表2 時間和幅值大小關系

對研究坡頂區域的降雨入滲邊界條件進行設置，嵌入有效應力有限元文件，即可進行該模型的降雨入滲有限元分析。

3 降雨入滲后的結果分析

在降雨入滲發生后，46，72h的孔壓等值線云圖如圖2、圖3。由圖可知，孔壓的分布云圖與初始狀態發生顯著差異，在坡頂部范圍以下的吸力區發生范圍減小的現象，基質吸力參數較初始狀態減小，隨著降雨時間的增加，法向狀態延長，飽和度也隨之增大，孔隙水壓力參數也隨之增大。

圖2 降雨46h后孔壓云圖

圖3 降雨72h后孔壓云圖

隨著降雨時間的增加，淺層土體的基質吸力不斷減小甚至消失。而隨著降雨減少直至停止，在時間不斷延長的情況下，飽和度出現逐漸減小的情況，孔隙水壓力也隨之逐漸減小，土體淺層的基質吸力出現逐漸增加的情況。

降雨發生72h后的水平位移及沉降的等值線云圖如圖4與圖5。由此可知，發生在坡腳的最大水平位移是9.55mm，邊坡的中部發生最大沉降現象，沉降位移是4.06mm。由于初始設置的分布條件，導致坡頂沒有出現最大抗降。

圖4 降雨72h后的水平位移

圖5 降雨72h后的沉陷

對坡頂進行單獨分析，當降雨入滲發生后，吸力出現降低情況，孔壓出現增加情況，有效應力出現減小情況，發生了卸裁回彈現象。除此之外，降雨入滲不斷持續，使得土體容重和含水率增加，進而使得沉降和應力均出現增加現象。

降雨72h后的位移矢量如圖6。可以看出，降雨入滲發生后，邊坡出現明顯滑動變形趨勢，由此可知，邊坡穩定性逐漸變低。

圖6 降雨72h后的位移矢量

降雨入滲23h及72h后的等效塑性應變云圖如圖7和圖8。可以看出，坡腳淺層由于降雨入滲作用首先出現塑性區，且塑性區沿坡面會不斷地向上擴展。

圖7 降雨入滲23h的等效塑性應變

圖8 降雨入滲72h的等效塑性應變

選取塑性區中心點，等效塑性應變時程曲線如圖9。可以看出，當t＝20h時，塑性區出現在坡腳，隨后降雨入滲時間的快速增加，當時間增加到50h后，降雨情況開始減小，此后，塑性區便不再向后擴展，等效塑性應變隨之也不再增加，保持穩定不變。

圖9 塑性中心單元等效塑性應變時程

利用ABAQUS提供的combine函數，繪出塑性區中心點和非塑性區中心點的有效應力路徑如圖10和圖11。

圖10 塑性中心單元有效應力路徑曲線

圖11 非塑性區單元有效應力路徑曲線

由圖10和圖11可知，塑性中心單元和非塑性區中心單元的有效應力路徑明顯出現了不同的力學特征，對于出現在坡腳的塑性中心單元，如圖10，由于降雨入滲，孔壓開始增加，有效平均應力出現減小的情況，而減小到一定閾值后，有效應力路徑表現出屈服現象，其處于屈服面位置，此時，應力路徑向左下方逐漸下移，其沿著摩爾庫侖強度包線形成的屈服面朝左下方移動，當降雨量減小后，移動停止，此時，吸力開始增加，孔壓開始減小，在有效應力開始增大后，起逐漸遠離屈服面。

而對于非塑性單元，如圖11，其處于土方內部，上方的單元吸水后容重增加，導致塑性區單元的平均有效應力和偏應力都是增加的，直至降雨的后期，接近降雨結束時平均有效應力和偏應力都有所下降，即降雨入滲作用下主要是邊坡淺層可能會出現失穩現象，該區域具有較高的失穩傾向性。

4 結語

基于某水電站邊坡的力學參數，通過ABAQUS對邊坡降雨入滲現象進行了非飽和流固耦合分析，得出在降雨入滲的作用下，位移矢量圖表明，邊坡有明顯的滑動變形的趨勢，邊坡穩定性由此逐漸降低，坡腳淺層會首先出現塑性區，并沿著坡面不斷向上擴展，塑性點和非塑性點的有效應力路徑表現出了不同的特征。

［1］王英豪.利用赤平極射投影法評價巖質邊坡穩定性［J］.水科學與工程技術，2011（6）：57-59.

［2］汪仕旭.降雨入滲對邊坡穩定性的影響［D］.廣州：廣東工業大學，2011.

［3］曾耀.水庫庫岸老滑坡復活過程中地下水作用機制研究［D］.武漢：中國地質大學，2010.

［4］季洪濤.基于突變理論的土石壩壩坡安全穩定分析［J］.水利建設與管理，2015（12）：24-34.

［5］張家明.植被發育斜坡非飽和帶土體大孔隙對降雨入滲影響研究［D］.昆明：昆明理工大學，2013.

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［9］朱偉，陳學東，鐘小春.降雨入滲規律的實測與分析［J］.巖土力學，2006，27（11）：1873-1879.

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（責任編輯：尹健婷）

The numerical simulation of rainfall infiltration in slope on stress strain and stability characteristics in a hydropower station

XU Jun
（Jiangdu Water Conservancy Project Management Office， Yangzhou 225200，China）

The rainfall will affect the mechanical parameters of soil， based on Abaqus， the stress and strain of slope on rainwater infiltration effect is studied.An ideal slope is regarded as a case for modeling and calculation without considering the effect of rainfall water， and the hydro-static pressure increases linearly with depth， the CPE4P grid is established to calculated.The permeability， pore pressure， horizontal and vertical displacement， deviatoric stress， plastic strain and stress path are analyzed on post-processing，the instability phenomenon may appear on the shallow slope because of the effect of rainfall infiltration.

rainfall； seepage； ABAQUS； instability； slope； plastic zone

TU457

B

1672-9900（2017）03-0001-04

2017-04-21

徐 俊（1988-），男（漢族），江蘇揚州人，本科，主要從事邊坡穩定性方面的研究，（Tel）13813151027。