论Geo-slope中背水面边界条件选取问题

刘国栋

（商洛学院 城乡发展与管理工程系，陕西商洛 726000）

Geo-slope软件是由国际GEO-SLOPE公司开发的一个岩土方面的综合性软件，同时还有针对三维渗流情况下的Seep/3D,各模块间耦合方便。如果与渗流计算结合,可计算在降雨情况下的边坡稳定，可考虑在库水位升降过程中的边坡稳定，可考虑地震作用下的边坡稳定，也可考虑上述各种工况不同组合情况下的边坡稳定。在国内外它被广泛应用于岩土专业的研究，如吴宏伟等[1]用软件slope/w结合seep/w计算了一人工土坡在降雨情况下的边坡稳定，分析了不同的降雨强度、雨型、边坡土体渗透系数、坡面护坡、阻水层埋深对边坡安全系数的影响。H.Rahardjo等[2]用该软件计算了不同的土类、坡角、降雨强度、坡高和地下水位对边坡安全系数的影响。王晓燕[3]用该软件计算了一个与混凝土防渗墙联合的土坝的渗流情况，并以经济性和流量为目标函数，以防渗墙深度为设计变量，运用目标函数法、图解法等对防渗墙深度进行了优化设计。杨智勇等[4]用该软件结合FLAC-3D分析了干河子滑坡不同工况下的稳定性和应力、应变场，得出的结论与实际监测结论一致。

在Seep/w里，针对坝体渗流计算提供了5种边界条件，分别是结点流量、总水头、单位边界水力梯度、单位边界流量和压力水头。在实际工程中，很多情况下要给背水面加透水边界，这可以通过加零压力水头来模拟[5]，但Seep/w没有根据实际计算情况自动调整透水边界位置的功能，需要人为设置透水边界位置，往往会使背水面坡脚处的水力坡降与实际情况背离甚远，并会使背水面处浸润线很不合理。张启义[6]在2008年用自编程序的办法解决了这一问题。但由于该软件有计算方便、被公认等优点，对这一问题的讨论仍有很大的意义。鉴于此，本文对西安市某均质土坝，库水位在最高水位的工况下，用有限元分析软件Geo-slope计算分析背水面不同高度的透水边界对渗流场和背水面边坡安全系数的影响，得到合理的背水面透水边界。

1 模型及材料参数

1.1 模型

本文采用西安市某水库大坝的实例，坝体为一粉土均质坝，大坝剖面见图1。坝下探明的有三层地层，从上到下分别为壤土、砂砾石层和红粘土，坝前有19.35 m的淤泥。

计算中库水位取最高水位572.91 m，背水面水位取正常水位高程537.76 m。模型坐标原点设在迎水面坡脚处，地层从上到下取三个土层，总深度20.0 m。水平方向上，从坐标原点向上游取40.0 m,向下游取210.0 m，总共250.0 m。

图1 大坝断面图

1.2 材料参数

模型共涉及到6种材料，分别为坝体土料、坝前淤泥、棱体砂砾料、壤土层、砂砾石层、红粘土层，强度采用扩展的Mohr-Coulomb准则[7]，不考虑Φb的变化对边坡安全系数的影响，材料参数如表1。

表1 材料参数表

渗流分析材料参数如表2，表2中土水特征曲线参数是Van Genuchten理论中的土水特征曲线拟合参数，是根据实际工况的渗透系数从文献[8]中取渗透系数最相近的材料类比得来。

表2 渗流计算参数

2 渗流及边坡稳定的计算分析

2.1 正常情况下的流场分布

正常情况为库水位在572.91 m高程处，背水面水位在河床面上。A-A断面流量为总流量，B-B断面流量为坝基流量，A-A断面流量减去B-B断面流量为溢出流量,单位m3·s-1。渗流场分布如图2所示。

图2 背水面水位在河床面上时的渗流场

2.2 特殊情况下的渗流及边坡稳定计算结果

对本工程，如果排水棱体孔隙被堵塞，渗透系数就会减小，浸润线相应就会升高。此时，背水面透水边界若加的不合适，背水面处水力坡降将会受到更大的影响，并且对浸润线形态和位置也会产生不客观的影响。本文采用减小排水棱体土料渗透系数的办法，模拟这种情况，分析如何给背水面加合适的透水边界。

图3 背水面坡脚处的水力梯度分布

计算中采用的模型和其它材料参数均与表1相同，不同的是将排水棱体的渗透系数减小一个数量级，减小到6.0×10-5m·s-1。得到的背水面坡脚处水力坡降和浸润线分布如图3所示。

由图3中（a）可以看出,0压力水头加在背水面河床面上时，浸润线不连续；如果将背水面0压力水头边界升高到538.06 m高程，浸润线如图3中（b）所示，有所下降，但在坡脚处还是不连续；将背水面0压力边界升高到538.66 m高程时，浸润线如图3中（c）所示，光滑连续，认为是合理的；背水面0压力水头边界加到539.88 m高程时，如（d）所示浸润线又上升，并且在出溢口处出现上翘，这显然也是不符合实际的。

由表3的数据可知，背水面透水边界由高程537.76 m（背水面河床面）上升到538.66 m的过程中，背水面边坡安全系数有微小的提高，从1.220提高到1.223，这是因中浸润线下降和更合理的分布而产生的，由于浸润线的下降并不明显，所以安全系数的增加也很小；滑面形状仍是贯穿整个边坡的大滑坡；潜在滑坡方量也没有明显的改变；渗流出口处的水力坡降由0.342提高到0.444，这是透水边界的调整引起出逸口处流速增加带来的；总流量和出溢流量都在增加。

表3 背水面边界局部升高时的计算结果

当透水边界上升到539.88 m高程时，总流量和出溢流量又下降，出溢口处水力坡降下降到0.341，背水面边坡安全系数下降到1.212。分析表3的数据对比可以发现，背水面边界条件在从合理高程继续上升时总流量和出逸流量是减小的，这是因为给背水面加上高于合理的0压力水头边界条件,将会使一部分水强制向上流动，这样反而增加了水在背水面排出的困难；可得出，在背水面0压力水头在合理的高程以上继续上升时，出溢口处的水力坡降和背水面的安全系数下降。

由此可知，在合理的背水面0压力水头边界以上，透水边界条件的升高必然引起总流量、出溢流量、出溢口水力坡降和背水面边坡安全系数的减小；而在合理的背水面0压力水头边界以下，0压力水头边界的升高必然引起总流量、出溢流量、出溢口处水力坡降和背水面坡安全系数的增加。所以合理的背水面0压力水头高度应该是这几个代表值增大与减小的临界点，在工程实际中通过这一点就可以判断背水面透水边界条件的是否合理。

3 结论

通过对一均质土坝进行渗流与边坡稳定的耦合分析，给背水面加不同高度的透水边界，对计算结果进行分析，得出合理的背水面透水边界使背水面浸润线成光滑连续的曲线，对应总流量、出溢流量、出溢口水力坡降、背水面边坡安全系数的极值点。

[1]吴宏伟,陈守义,庞宇威.雨水入渗对非饱和土坡稳定性影响的参数研究[J].岩土力学,1999,20(3):1-14.

[2]Rahardjo H,Ong T H,Rezaur R B,et al.Factors controlling instability ofhomogeneous soilslopes under rainfall [J]. Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering,2007,133(12):1532-1543.

[3]王晓燕.悬挂式混凝土防渗墙深度优化设计研究[D].西安理工大学,2008.

[4]杨智勇,吉 锋.大渡河干河子滑坡稳定性研究[J].防灾减灾工程学报,2011,31(2):201-206.

[5]K-John Krahn.Seepage modeling with SEEP/W[M].Calgary,Alberta,CanadaT2P 2Y5:GEO-SLOPE International Ltd,2004.

[6]张启义.堤坝渗流与边坡稳定分析软件开发与应用[D].中国水利水电科学研究院,2008.

[7]Fredlund D G,Rahardjo H.Soil mechanics for unsaturated soils(中译本)[M].北京:中国建筑工业出版社,1997.

[8]Th M van Genuchten.A closed-form equation for predicting the hydraulic conductivity of unsaturaed soil[J].SoilScience Society ofAmerican Journal,1980,44:892-898.