土坡基质吸力动态变化的数值模拟方法

土坡基质吸力动态变化的数值模拟方法 SerialNo.491 March.2010 现代矿业 M0RDENMINING 总第491期 2010年3月第3期 土坡基质吸力动态变化的数值模拟方法 李跃杨永生 (中铜集团马鞍山矿山研究院有限公司) 摘要:在传统的基质吸力计算模型基础上,增加时间维变量,从而实现了基质吸力的动态计 算,并将该方法应用于某露天矿边坡工程实例,为进一步边坡稳定性动态评价研究提供了依据. 关键词:基质吸力;降雨入渗;非饱和渗流;动态评价;数值模拟 中图分类号:TD854.6;TU441.33文献标识码:A文章编号:1674.6082(2010)03— 0078-03 NumericalSimulationApproachfortheDynamicVariationofMatricSuctioninSoilSlope LiYueYangYongsheng „ (SinosteelMaanshanInstituteofMiningResearchCo.,Ltd.) Abstract:Basedonthetraditionalmethodforthematriesuctioncalculation,thetime.dimensionwas takenintoconsiderationtorealizethedynamiccalculationofmatricsuction.Thisdynamicsimulation methodwasappliedtoanopenpitslope,provideafoundationforfurtherdynamicevaluationresearchof slopestability. Keywords:Matricsuction;Rainfallinfiltration;Unsaturatedseepage;Dynamicevaluation;Numeri— ca1sim111atnn 1引言 降雨入渗坡体,诱发边坡破坏或泥石流发生已 成为常见的工程灾害之一.在传统的稳定性评价方 法中,由于只考虑重力水即地下水位以下的饱和渗 流的静水压力,不考虑土体内非饱和土力学作用,造 成模拟结果不甚准确,有时甚至会产生错误结果. 事实上,对绝大多数非饱和土边坡而言,基质吸 力所提供的抗剪强度对其稳定性起着不可替代的关 键性作用.当降雨人渗发生时,土体体积含水量增 大,导致了基质吸力的降低,从而引起土体总的抗剪 强度减弱,进而可能导致边坡失稳破坏.因此,基质 吸力的影响一般不可忽略,而掌握土坡在不同降雨 条件下基质吸力的动态变化规律,则是后续的边坡 稳定性动态监测或评价中不可或缺的一个重要环 节. 在降雨过程中,随着入渗进行,土体体积含水量 不断发生变化,导致基质吸力不断发生变化.与此 同时,体积含水量的增大,亦引起渗透系数的改变, 人渗速率因此变化,每个时刻体积含水量的变化速 78 李跃(1984一),男,工程师,243000安徽省马鞍山市. 率也不相同,基质吸力变化复杂化.具体表现为不 同时刻,同一位置基质吸力大小不同,同一时段,不 同位置基质吸力变化速率也不相同;不同时段,同一 位置基质吸力变化速率不同;同一时刻,不同位置基 质吸力大小不同.如此复杂的吸力时空形态分布, 用数值模拟的手段是最方便快捷的方式之一. 笔者在降雨人渗理论和非饱和渗流理论的基础 上,从动态角度出发,考虑时间维效应,提出降雨人 渗条件下非饱和土坡基质吸力的动态变化计算方 法,为后续的边坡稳定性动态评价提供依据. 2基质吸力动态模拟体系的构建 2.1非饱和渗流基本理论 LA.Richardsllj假设,非饱和土中水仅通过水 所占有的孔隙空间流动,空气所占空间为非传导性 流槽,这样,孑L隙气空间可视为与土体颗粒类似的固 相介质.当土体体积含水率降低,气体填充孔隙,使 得渗径增大,渗透系数降低,此时,渗透系数不再是 常数.根据质量守恒定律,假定流体不可压缩,并在 等热条件下,可得非饱和土水运动的基本方程: 0,Oh,,Oh,a(H—v) 7x【J+【v.-Jmww—, 李跃杨永生:土坡基质吸力动态变化的数值模拟方法2010年3月第3期 式中,k,为,Y方向的渗透系数,是关于体积含 水量0的函数;m为土水特征曲线斜率绝对值,其 日 值为一;(M一”)为基质吸力;y为水的 a”a一”w, 容重;H为总水头;y为位置水头;t为时间. 2.2动态模拟体系的构建 动态模拟体系的构建,时,空两方面的因素不可 或缺,在本文所研究的问题中,时,即在所研究的时 间段内,随着时间的推移,边坡基质吸力的发展变 化;空,即指在研究的区域内,某一特定时刻,不同部 位的基质吸力大小因应外界条件变化的不同响应. 在传统的基质吸力计算方法基础上,将时间维因素 纳入考察体系中,其基本流程如图1所示. 图1基质吸力时空形态数值模拟流程图 据此,便可求出压力水头时空分布,对于绝大多 数情况而言,不考虑孑L隙气压力的影响,因此此处所 求的压力水头的负值即为基质吸力. 3工程实例应用 3.1工程概况 所研究区域位于某露天矿区采场东帮,边坡主 体主要由第四系构成,上部主要由砾粉质粘土,粉质 粘土,岩屑,岩石碎块等组成,结构松散,透水性好; 下部成分复杂,主要有粉质粘土,含砾粉土,砾砂粉 质粘土,粗砂,砾砂,角砾,混合岩和灰岩碎块等,呈 中密状,透水性极好;基底部分由石炭系船山组.下 二叠统茅口组灰岩构成基底部分,该岩组岩石致密, 裂隙发育,其渗透率约为0.9,3.6Lu.研究区内无 大断层.如图2为边坡工程地质剖面图. 300 恒26O 22O 180 140 墅票藿表粘ZKDb2土透水性较好I\ DBD1 KOBD2 粘土,含司,硼,,1\1\粉后,拈士逶 2K件极好l,\l\Z一 . 76?9055.60 萎岩透水率32.40弱? 0b0l00l50ZU02b03U0 图2边坡工程地质剖面图 据当地气象站1972--1998年气象资料,该地区 多年平均降雨量1866.5mm,最大年降水量2868 mm(1998),最小年降水量1166.6mm(1978);降水 多集中在4,7月份,约占全年的50%;7d最大降水 量676.1film(1998年6月),日最大降水量237.6 ram(1995年6月25日).年平均蒸发量1589mm, 潮湿系数1.17.研究区内无大的地表水体,地下水 补给来源主要来自大气降水,呈季节性变化. 3.2计算参数的设置 由文献可知,VanGenuchten模型对土水特征 曲线的拟合效果较好,故此处采用VG模型拟合土 水特征曲线.各部位饱和渗透系数取值分别为:上 部,5.0×10一.m/s;中部,1.13X10一m/s;下部,1.0 x10,m/s.初始基质吸力分布模式采用图3_3中 的 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 ?,如图4为边坡初始状态下基质吸力分布. 1喧 - /? ? 基质吸力. 图4天然状态下边坡基质吸力分布图 考虑采用Neumann边界条件,对坡顶及处于地 下水位线以上的坡面部位设置流量边界;对地下水 位线以下的坡面部分施加降雨流量边界,并设定为 可能出渗面.因降雨人渗随时,空的实时变化特征, 其边界条件形式应为: 79 总第491期现代矿业2010年3月第3期 -q(x,y,z,t). 当降雨强度小于上部土体人渗能力时(q< Ko),全部降雨均入渗;当降雨强度大于等于上部土 体人渗能力时(g?),其入渗速率等于土体入渗 能力,多余降雨以迳流方式从底部平台排泄. 对照降水量等级表4J,讨论暴雨工况下(设定 为72mm/d)边坡基质吸力动态响应特性,其余雨量 等级下吸力变化模式与之类似. 3.3计算结果及 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 利用如图1所示方法进行边坡基质吸力动态计 算,图5为从计算结果中所选取的各典型时刻的基 质吸力分布.由图5(a)可知,当降雨持时1d时,由 于湿润峰的下移,坡顶处90kPa吸力等值线约下降 5m,而坡面上相对下降幅度稍大;到第3d时,90kPa 吸力线已下降lOm多,坡顶及坡面附近开始出现 70kPa大小的吸力;第5d时,湿润峰继续向下移动, 70kPa等值线也向下运动,坡面上开始出现60kPa 吸力;持时7d时,吸力进一步下降. 可见,在一定的降雨强度下,随着降雨持时的增 加,边坡基质吸力也随之下降.在降雨初期,由于边 坡初始含水量较小,渗透系数很大,因此降雨人渗速 率较快,基质吸力下降幅度很大;随着降雨的不断进 行,传导区范围增大,其含水量梯度减小,造成人渗 速率的降低,从而湿润峰下降速度趋于缓慢,基质吸 力分布变化程度减弱. (c)持时5d(d)持时7d 图5不同降雨持时下的基质吸力分布图 ..匕参考文献: 在现有的基质吸力计算基础上,增加时间维变 量,提出基质吸力时空形态的动态数值模拟方法,并[]LA?Ri.” 耐?cpillaryc.”“iofLiq”i”“gPorous 应用于某露天矿边坡工程实例.结果表明,降雨作[2]MM . e Th diu . m v [J] G . . ies. . 1 A 93 c 1 l… (1) d一 :3 nn 18 E - q 333 i . .f0Pdi(=in1e 用对边坡基质吸力分布的影响很大.通常在降雨初Hdlic.dtiitofutt.dSoils[J].SoilseiericeSo- 期的一段时间内,边坡基质吸力变化范围及幅度均.i.tyofAmeri.Journa1.1980,44(5):892,898. 较大,随着降雨人渗的进行,基质吸力变化速率趋于[3]吴俊杰,王成华,李广信非饱和土基质 吸力对边坡稳定的影 降低.响[J]?岩土力学,2004,25(5):732,736? 因上述计算增加了”时间维,,变量,实现了基质[]魏永霞?王丽学?工程水文学[M]?北京:中国 水利水电出版 -i~ 吸力的”动态计算”,从而为降雨条件下非饱和土边-0/3/3g (收稿日期2010_()2—24) 坡稳定性的动态评价提供了基础性工作. (上接第17页)套,提高效率.2004. [3]国外采矿装备趋势[J].有色矿山,2003(4):7 参考文献:[4]吴和平等. 井下无人采矿技术装备导航与控制关键技术[J]. [1]甘海仁等.我国凿岩机械现状[J].矿山机械,2006,34(6):28有色金属,2007,59(6):12,16. , 34.(收稿日期2009-11-30) [2]陈卫东.矿用汽车的基本现状和发展趋势[J].中国水泥, 80