非饱和渗流的与边坡稳定关系探讨
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摘要：边坡的渗流是一个复杂的问题，同时又是边坡破坏的主要影响因素。本文应用Abaqus和强度折减法相结合，基于尾矿坝干滩长度的变化使得渗流场的改变的原理，把尾矿坝非饱和渗流的结果带入到坝坡的强度折减法中去，分析非饱和渗流的作用下对边坡稳定的影响。得到了边坡非饱和渗流与边坡的稳定关系，对于以后的边坡设计能提供有意义的参考价值。
关键词：边坡稳定；非饱和渗流；滑坡；尾矿坝
Abstract: the seepage of slope is a complicated problem, is the main influence factors of slope failure at the same time. And combining strength subtraction of Abaqus is applied in this article, based on the change makes the seepage field of tailings dam dry beach length change principle of unsaturated seepage of the tailing dam results into the dam slope strength subtraction, unsaturated seepage analysis of slope stability under the action of impact. Get the relationship between the slope of unsaturated seepage flow and slope stability, slope for later design can provide significant reference value.
Key words: the slope stability; The unsaturated seepage; Landslides; Tailings dam.
中图分类号：U213.1+3文献标识码：A文章编号：2095-2104(2013)
0、引言
滑坡是对人类的生命财产带来重大威胁的一种重要的地质灾害，它经常导致河道堵塞、交通中断、城镇被掩埋、工程受阻等灾害发生【1】【2】。滑坡灾害最常见的外因是降雨和地震【1】【2】【3】【4】。土体含水量只要发生改变，则土体的参数就变化。浸润线的变化，土体的参数随着变化，水土相互作用，两者是相关相联的。在众多边坡中尾矿坝边坡渗流较为典型。研究浸润线对尾矿坝边坡的作用，对于尾矿坝坝坡稳定有至关重要作用【5】【6】。尾矿坝干滩长度对浸润线有着直接作用，本文通过干滩长度变化来分析坝体边坡渗流的影响。
1、有限元法强度折减法在边坡稳定性的计算方法
边坡计算方法经过70多年的发展，在计算方法上已日臻完善。早期为极限平衡法，极限片法以条分法较为通用，就是计算中假定土体为理想的塑性材料，不考虑土体内部应力—应变的关系【7】。1975年，Zienkiewicz等首次在土工弹塑性有限元数值分析中引入抗剪强度折减系数的概念【8】，由此所确定的强度安全系数与Bishop【9】在极限平衡法中计算得到的安全系数在概念上是一致的。
本文采用大型有限元分析软件Abaqus，结合强度折减法对尾矿坝进行坝坡稳定性分析，Abaqus的Drucker–Prager模型采用了线性屈服面模拟计算分析，计算出边坡坡体塑性应变的发展趋势，通过数据分析坡体水平位移、塑性变形等随各个因素的变化，由此来评价边坡的稳定性。
2 、工程概况及计算结果
2.1工程概况
某尾矿场地位于某支沟，岩基被风化剥蚀形成沟谷，沟谷长度大于680m，库区长300m。地貌单元划分来看属于低中山区侵蚀小型沟谷。在已建初期土石混合坝高17.5m，坝顶标高为800m，坝顶为106m。坡比上游为1：1.5，下游为1：1.75，土工织物防渗层设在上游面。尾矿堆积形式为上游筑坝法，现在总高度56m，设计的堆积坝比初期坝顶高30m，总库容为145.2×104m3。初期坝址的横断面沟底宽约10m。沟谷两侧的坡度为35°～65°，沟谷对称较好。为确定堆积坝的坝体内部浸润线位置，在15个钻孔对地下水位长期观测管。经过测量该浸润线，如下图2-1。
图2-1实测浸润线图图2-2计算网格划分图
2.2计算条件
1）概况及计算范围
计算按着原来坝体参数建模如图2-3。模型的基准点（坐标原点）为初期坝的坝址处，模型向下游左延伸40米，向上游延伸450米，基本符合尾矿坝的堆积范围，垂直向上为Y方向的的正向，水平向右为X的正向。模型坝高为50.6m，上游坡比1：1.5，下游坡比1：1.75。模型如图3-6所示。
采用ABAQUS特有的孔压/位移耦合单元，划分为11123个单元和14325个节点。网格的划分如图2-2所示。
2）边界条件
（1）位移边界
如图3-6所示，基岩前端以及坝基的后端都为水平约束，模型底部为垂直约束，在坝基、初期坝、尾矿坝相互之间的连接都用接触设置传递应力与应变。
（2）渗流边界
在地表面全部采用岀渗边界，尾矿坝的上游水位，除干滩面以外的尾矿堆积层滩面上采用入渗边界。尾矿坝下游坡面、初期坝、临空坡面地表面都设置自由渗出边界。通过对边坡排水边界的定义，满足完全饱和区域的孔隙水压力为零，流速设置为孔压的函数，当孔压为正时，流速和孔压成正比，当孔压为负时，流速则为零。
2-3计算模型图
备注：为了研究尾矿坝边坡应力应变情况，在模型中设置了一条A-B水平路径，提取路径中的数据研究边坡内部变化。
2.3材料参数
在计算中，坝基和初期坝不考虑屈服破坏，只考虑了渗流场以及应力应变相互作用对尾矿坝的影响。
表2-1 工况1尾矿坝计算参数
3、计算结果
3.1原条件计算结果
图3-1工况1 折减系数为1.0时的孔隙水压力等值线图
图3-2工况1折减系数为1.18时的等效塑性应变等值线图
由于模型前端初期坝的初期坝材料颗粒粒径较大，孔隙比较大，而尾矿坝堆积体的渗透系数小，初期坝相当于一个透水边界，孔隙水压力的最大值始终处于坝体右下方。根据图3-1隙水压力等值线图，浸润线以上孔隙水压力消散为负压表现为负值，浸润线以下为饱和区域，孔隙水压力数值为正。计算所得的浸润线与勘察的实测浸润线相吻合，证明应力应变与渗流耦合作用的准确性。
图3-2折减系数为1.18时的等效塑性应变云图。由图可见，边坡出现的塑性应变屈服区即边坡破坏的潜在滑动面。折减系数增大，塑性区范围也跟着在不断扩大，同时，塑性应变的值也在不断增大。强度折减系数为1.18塑性应变云图可以看出，幅值比较大，但是此时的塑性屈服区没有贯通整个边坡，认为边坡依然安全的。边坡在折减系数为1.19不再收敛，认为此时边坡塑性区已经贯通整个边坡，边坡坡体上的土体处于无限流动状态，边坡失稳。
3.2干滩长度对尾矿坝稳定计算分析
前面计算，工况1的干滩长度160m，通过改变尾矿坝的干滩长度分析尾矿坝的稳定，所以设置了另外三个工况，工况2干滩设置长度为30m，工况3干滩长度设置为100m，工况4干滩长度设置为220m，其他材料参数与工况1的一致。工况5为非渗流耦合作用未引入水渗流作用，为了研究尾矿坝在没有渗流情况下与上述渗流工况对比，仅仅应力应变作用下得到边坡的稳定性。
图3-3工况2折减系数为1.03的等效塑性应变
图3-4工况3折减系数为1.15的等效塑性应变
图3-5 工况4折减系数为1.19的等效塑性应变
图3-6工况5折减系数为1.15的等效塑性应变
图3-3~3-6为四个不同工况下边坡最后一次收敛时的塑性应变云图。图3-4为工况2折减系数为1.03时，坝坡中的等效塑性应变的发展情况。由图可知，此时尾矿坝坝坡的塑性屈服区在一级子坝右上角已经贯通，安全系数为1.02；图3-5为工况3折减系数为1.15，此时尾矿坝坝坡的塑性区在一级子坝右上角接近贯通，结合软件收敛情况应选取安全系数为1.15；图3-6为工况4折减系数为1.19，坝坡中的等效塑性已经贯穿边坡，安全系数为1.19。由图3-7同理分析工况5安全系数为1.15。
图3-7路径上不同干滩长度的孔隙水压力图
图3-8 路径上不同干滩长度的水平位移图
由图3-7，三个工况的对比分析，非饱和区，随着干滩长度的增加，同一个点的基质吸力也相应的增大，而基质吸力对边坡的稳定是有贡献作用的，边坡是愈趋于稳定的。在饱和区，随着干滩长度的增加，同一位置的孔隙水压力减小，孔压形成的渗透力对于边坡稳定是很不利，孔隙水压力减小边坡稳定性增强。工况2、工况3、工况1、工况4孔压的正直分别出现在22m、30m、35m、41m，当孔隙水压力的值为正说明是饱和渗流，对边坡起不利作用，当孔隙水压力为负值说明基质吸力作用，对于边坡稳定起积极作用。由图可见，干滩长度增加，水对边坡积极作用的有效范围向边坡内部发展，从渗流这个方面分析，干滩长度增加边坡趋于稳定。
由图3-8，对比五个工况路径的水平位移，干滩长度的增加，路径上同一个地方的水平位移减小明显。工况2干滩长度30m时的水平位移最大值达到了0.12m，是一个不稳定的值。工况5不考虑边坡渗流作用，得到的结果在其他工况曲线有相交，这跟上面分析基质吸力作用原理也是比较吻合。边坡的水平位移是边坡滑动的直观表现，干滩长度降低，边坡水平位移越大，边坡稳定性越差。
综合分析，干滩长度增加，安全系数就会愈大，边坡的稳定性就会越好。，尾矿坝饱和区往边坡深部移动，从渗流方面考虑，边坡就越稳定。干滩长度增加，边坡水平位移减小，边坡稳定性增大。工况5与工况4、工况1对比，安全系数仅仅为1.15，比两者都要小，以及上述有关于对等效塑性应变、水平位移、基质吸力的分析，可见边坡中考虑基质吸力对边坡稳定的作用是积极的。
4、小结
本文通过运用ABAQUS和强度折减法相结合，对尾矿坝非饱和渗流的稳定性进行计算分析，由分析可见，地下水埋藏较深，边坡塑性区范围内土体处于非饱和渗流区，基质吸力对边坡稳定性起积极作用，水对边坡稳定作用是有益的；浸润线深入边坡的塑性屈服区，土体抗剪强度参数迅速降低，土体中都增大，水对于边坡作用表现为急剧地降低了边坡的稳定性。因此在分析水对边坡作用时，需要分析边坡的潜在滑动面与浸润线的关系，土体饱和程度，才能进一步分析水对于边坡稳定性的作用。参考文献
谢定义，姚仰平，党发宁.高等土力学[M].北京：高等教育出版社，2007.
王恭先.面向21世纪我国滑坡灾害防治的思考[J].兰州滑坡泥石流学术研讨会文集.兰州大学出版社文集编委会主编.1998.1-8.
乔 娟，罗先启.水对边坡失稳的作用机理探讨[J].灾害与防治工程，2005(2):39243.
殷坤龙，汪 洋，唐仲华.降雨对滑坡的作用机理及动态模拟研究[J].地质科技情报，21(1):75278.
徐宏达.我国尾矿库病害事故统计分析[J].工业建筑，2001，(1)69～71.
李康宏，邓祥辉，何 萌，柴军瑞，李守义.基于钻孔资料的某尾矿坝渗透系数反演分析有限元模型建立[J].岩石力学与工程学报，2004年7月，23(增1)：4329～4332.
陈祖煜.土质边坡的稳定性分析[M].北京:高等教育出版社，1997.
Zienkiewicz O C，Humpheson C and Lewis R W. As-sociated and Non-Associated Visco-Plasticity and Plasticity in Soil Mechanics[J]. Geotechnique，1975，25(4):671-689.
Bishop A W. The Use of the Slip Circle in the Stabili-ty Analysis of Slopes[J]. Geotechnique， 1955(5): 7-17.