非稳定渗流场（共3篇）
非稳定渗流场 篇1
随着工业的不断发展,对矿产品的需求也不断增加,我国矿业也得到了迅速的发展。随之而来的问题就是尾矿坝数量的显著增加,堆积坝的不断增高,并且其中大部分尾矿库存在超期服役、带病运行等问题。大部分溃坝事故都是与渗流有关的,据国内外调查资料发生事故的大坝中,由渗透破坏引起的约占40%,滑坡破坏也有15%左右[1,2]。为保证尾矿坝的正常运行,对尾矿坝渗流进行分析,研究浸润线影响下的尾矿坝稳定性很有必要。本文以某尾矿库为研究对象,采用渗流理论和极限平衡法等方法,通过Geo Studio软件对尾矿坝渗流场和稳定性进行了模拟,得出渗流场对尾矿坝稳定性的影响规律。
1 模型的建立
某尾矿库初期坝形式是堆石坝,坝底高70米,坝顶高程是100米,坝高最大为30米;马道宽2米,修筑在高度85米处,马道以上的下游边坡坡比为1∶1.75,上游边坡坡比为1∶1.5,马道以下上下游边坡的坡比为1∶1.75,坝轴线长172.15米,坝顶宽4米,坝底宽107.25米;上游坝坡面构造由内到外依次为:堆石坝体—四十厘米厚砾(碎)石垫层—土工布—二十厘米厚砂砾石—三十厘米干砌石护坡,下游坝面亦设厚三十厘米干砌石护坡。子坝由尾砂堆积而成,坝高为1米,坡比1∶1.25,总体坡比为1∶4。本文对尾矿坝进行渗流分析时,土-水特征曲线是根据Geo Studio软件中提供的样本函数来确定的;渗透系数函数是根据各层土的土—水特征曲线和相应的饱和渗透系数来估计的。
2 尾矿坝渗流分析
本文针对不同干滩长度、库水位和不同初期坝排水情况两类工况下的渗流进行了分析,共选取了10种工况。
3 尾矿坝稳定性分析
Geo Studio软件可以直接进行稳定性分析计算,根据勘察报告得到各土层土性指标,另外根据前文渗流分析所选取的10种工况和分析结果,对尾矿坝稳定性进行计算分析。结果如下表3所示:
该尾矿库坝高77m,根据《尾矿库安全技术规程》[3]可知其为三等尾矿库,正常情况下最小安全系数为1.20,洪水情况下最小安全系数为1.10。从上表可以看出对于干滩长度从68.91m减小到44.07m,安全系数也从1.736减小至1.650,减小了0.086,改变了4.95%。对于渗透系数从0.001m/s减小到0.000003m/s,安全系数从1.704减小到1.306,减小了0.398,改变了23.4%。对于渗透系数从0.001m/s减小到0.000003m/s,安全系数从1.586减小到1.257,减小了0.329,改变了20.7%。
4 总结
从上面的计算结果可以发现该尾矿坝在当前坝高时,坝体是稳定的,在不同工况下,虽然安全系数有所变化,仍是稳定的。在正常运行情况下,随着库水位的增加,干滩长度的减小,尾矿坝安全系数虽然有所减小,但安全系数仍能满足要求。随着初期坝渗透系数的降低,尾矿坝安全系数逐渐减小,但仍能满足规程要求。在洪水水位下,随着初期坝渗透系数的降低,尾矿坝安全系数逐渐减小,但仍能满足规程要求。对于初期坝排渗良好和排渗不良,就算库水位到达洪水水位,尾矿坝也能保持良好状态。初期坝开始不排水时,安全系数都偏小,尾矿坝的稳定性显著降低,因此,需要特别注意。初期坝的排渗情况对尾矿坝的安全系数影响更大,正常水位相对于洪水水位安全系数的变化幅度更大,排渗不良时的安全系数都小于排渗良好时的安全系数。所以,保持初期坝渗透良好具有重要意义。
摘要：本文对考虑渗流场情况下的尾矿坝稳定性进行了研究,通过对不同干滩长度、初期坝渗透性等10种工况进行模拟,得出了干滩长度、初期坝渗透性对尾矿坝稳定性的影响规律,对维持尾矿库的安全运行具有一定的指导意义。
关键词：尾矿坝,渗流场,稳定性
参考文献
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[3]尾矿库安全技术规程(AQ2006-2005).
非稳定渗流场 篇2
随着深基坑工程规模、基坑深度的不断加大和设计方法的改进,对基坑的设计和整体稳定性验算提出了更高的要求,土中水的问题是基坑设计的难点,也是关系其稳定的重要因素。
基坑整体稳定性分析是对具有支护结构的直立土坡的分析,目的在于对基坑侧壁支护结构在给定的条件下设计出合理的嵌固深度或验算已拟定的支护结构是否稳定和合理。目前,整体稳定性分析方法中已经考虑了地下水的问题,但实际工程对基坑整体稳定性验算中,很少考虑基坑渗流和孔隙水压力的影响,这显然不符合实际。事实上,在基坑降水过程中地下水渗流是非稳定的,按稳定渗流分析基坑的整体稳定性显然不能真实地反映地下水的影响。
作者以水泥土挡土墙为例,降水使得坑下地下水整体自下向上流时,不考虑土体分层和各向异性,考虑降水方案和降水过程的影响,利用FOR-TRAN编制程序,对基坑内外的非稳定渗流进行模拟,进而根据圆弧滑动法分析基坑不同降水时刻的整体稳定性,分析降水引起的非稳定渗流对基坑整体稳定性的影响,并据此探讨降水过程中基坑整体稳定性的变化规律。
1 基本理论
1.1 二维非稳定渗流理论
简便起见,不考虑开挖过程的影响,假定基坑无限长,并且沿长度方向土的各种参数不变,则基坑降水过程中的非稳定渗流可采用饱和-非饱和二维非稳定渗流数学模型进行模拟,其基本方程为:
式中:H为饱和-非饱和水流总水头;θ为土体体积含水率,用以表示非饱和土的饱和度;Q为汇源项;t为降水时间;x和y分别为水平向和竖向坐标;k为饱和-非饱和土的渗透系数,编制程序时非饱和土的渗透系数可根据文献建议的基于土-水特征曲线的方法进行估算。
1.2 边界条件
基坑计算模型见图1。边界条件取为:水泥土挡土墙底下一定深度处为不透水边界,水平方向无穷远处为给水边界。由于水泥挡土墙透水性与土相比可以忽略,定义其周边为不透水边界。假定基坑内外初始水位为天然水位。开始降水后,基坑内外水位均降低,建模时基坑外水位定义为自由边界,基坑内水位变化按不同降水方案进行,即假定基坑内水位在n d内降到设计水位,并保持水位不变。
1.3 方程的求解
本文编制FORTRAN程序时应用迦辽金法建立有限元渗流方程为:
式中:[B]为梯度矩阵;[k]为单元渗透系数矩阵;{H}为节点水头向量;{N}为插值函数向量;{Ν}T{N}=[m]为质量矩阵;q为边界流量;λ=mwγw,其中mw为土体体积含水率,θ孔隙压力u曲线的斜率,γw为水的重度。
其中浸润面根据饱和与非饱和法进行确定,土中水的各势之间存在下列关系:
式中:φ在饱和区为压力势,值为正;在非饱和区为基质势,值为负。所以,首先假定全域饱和,然后根据求得的φ调整渗透系数,重新进行计算,直到计算结果达到精度要求,即可确定渗流场,进而求出φ=0的等势线,即为浸润面。
1.4 基坑整体稳定性分析
基坑整体稳定性分析的方法与边坡稳定分析一致,一般采用条分法,作者选取Bishop、Janbu和Morgenstern-Price三种计算方法,对比分析安全系数随时间的变化,在后文分析降水方案、渗透系数对整体稳定安全系数的影响时,采用了工程中较常用的Bishop法计算结果对基坑稳定性进行分析。
Bishop法仍然是圆弧滑动条分法,它在建立土条力平衡方程时,考虑了侧向力的影响,其土条受力分析如图2所示,根据力的平衡条件可得边坡稳定系数:
式中:L为滑弧长度;Wi为土条自重;Ti、Ti-1为土条间水平作用力;μi为渗流作用下滑面上孔隙水压力;c′、φ′为土的有效应力系数。
编程时考虑了以下几点:(1)建立的模型与渗流模型一致,便于孔隙水压力的导入;(2)采用网格法来搜索危险滑移面,可以采用逐渐缩小搜索面的方法,即开始时可以在滑裂面可能出现的地方搜索,然后慢慢缩小搜索面积,尽量使最小安全系数出现在搜索网格的中间部位;(3)基坑丧失稳定性发生滑动时,滑动土体将沿滑动面整块滑动,滑动面通常为一曲面。为计算方便,Fellenius等人认为滑动面为一个圆弧,基于这样的假定一般都能够保证工程的安全。另外,在桩下没有软弱下卧层时,最危险滑动面通过坡脚或桩的最底端,大量的计算分析也证明了这一点。因此在选定可能的滑裂面时,一般只考虑通过桩底端的滑动面。因此本文分析时,假定基坑最危险滑裂面为一个通过墙踵的圆弧滑裂面。
2 算例分析
基坑深5 m,宽40 m,采用水泥土挡土墙,墙高10 m,宽4.2 m,场地影响范围内土层以粉土为主,孔隙率θ=n=43%,抗剪强度指标φ′=30°,水位以下平均重度为18.8 k Nm3,水位以上取18 kNm3。饱和渗透系数k=0.5 m/d,对非饱和区,定义渗透系数与基质吸力的变化关系及水土特征曲线见图2和图3。计算时假定降水前水位与地面相平,坑内水位N d内降低5 m,然后保持不变,为考虑降水速度对基坑稳定性的影响,N分别取1、5和10时,降水30 d内的基坑整体稳定性变化,模拟方案计算见图3。
2.1 基坑整体稳定性计算分析
作者选取Bishop、Janbu、Morgenstern-Price三种计算方法,对降水过程中各个时刻、各种可能的滑裂面进行计算。表1给出了考虑按照降水方案b降水过程的非稳定渗流、考虑稳定渗流和不考虑渗流时按三种计算方法计算的整体稳定安全系数值。
可以看出:考虑非稳定渗流的安全系数随时间而不断增大,最后趋于某一稳定值。这可归结为在降水过程中,由于坑外水位不断下降,水力梯度也逐渐减小。另外考虑非稳定渗流的安全系数基本上都大于稳定渗流的结果,仅在刚降到预定水位时略小于后者。但由于渗流作用,安全系数始终比不考虑渗流时小很多,因此对于有地下水渗流的基坑,其整体稳定性计算时,如果不考虑渗流将使得计算结果是偏于危险的。
另外,从表1中也可以看出,按照Bishop法和按照完全考虑土条间作用力的Morgenstern-Price法的计算结果相差不多,且Bishop法比较简单,在工程中采用该法进行计算是适宜的。但要注意条块底部不能出现拉力,否则Bishop法也会产生很大的误差,甚至不能适用。
2.2 降水方案、渗透系数对安全系数的影响
以Bishop法的计算结果为据,分析降水速度和渗透系数对基坑整体稳定安全系数γs的影响。
采用自编程序,分别模拟土体渗透系数为0.5m/d、2.16 m/d、5 m/d、8.64 m/d的基坑,每种基坑均选取上述三种降水方案进行模拟,计算结果见图3。通过分析,可以得到以下结论:
(1)考虑渗流的计算结果均比不考虑渗流要小的多,渗流对支护结构整体稳定性不利,这与渗流对挡土墙的抗倾覆和抗滑移稳定性产生有利影响正好相反。
(2)随降水的进行,不同的降水方案,安全系数有不同程度的增大,但对同一土体在坑内水位降到预定水位后,安全系数很快就趋于稳定,并且三种降水方案下的安全系数趋于一致。
(3)渗透系数对不考虑渗流和考虑稳定渗流时的安全系数无影响,而对于非稳定渗流则是渗透系数越大,安全系数越大。
(4)除渗透系数为的土体外,考虑稳定渗流的计算结果比降水到预定水位时刻的安全系数稍小,偏于安全。因而,对于渗透系数较大的土体,在设计时,可以按照稳定渗流计算挡土墙整体稳定安全系数。
3 结论
本文通过应用自编程序,探讨了降水过程中基坑整体稳定性的变化规律。通过对不同渗透系数的土体在不同降水速度下的基坑的模拟,详细分析了降水速度和渗透系数对整体稳定安全系数的影响,并与考虑稳定渗流和不考虑渗流的计算结果进行比较。结果表明:渗流对基坑整体稳定性是不利的,因而在设计时只有充分考虑地下水渗流的影响,才能保证设计的安全性;渗透系数对非稳定渗流的影响较大,对于渗透系数较大的土体,在设计时,可以按照稳定渗流计算基坑整体稳定安全系数,但要充分考虑降水速度的影响。
摘要：通过模拟降水过程中基坑的非稳定渗流,分析了降水过程中基坑整体稳定性的变化规律,探讨了非稳定渗流、基坑降水方案和渗透系数对整体稳定安全系数的影响。分析结果表明,渗流对基坑整体稳定性不利。在设计时只有充分考虑地下水渗流的影响,才能保证设计的安全性;渗透系数对整体稳定性的影响较大,对于渗透系数较大的土体,设计时可以按照稳定渗流计算基坑整体稳定安全系数,但要充分考虑降水速度的影响。
关键词：非稳定渗流,基坑,稳定性
参考文献
[1]唐业清.深基坑工程事故的预防与处理[J].施工技术,1997,01:4-5
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[6]黄春娥.考虑渗流作用的基坑稳定分析[D].浙江大学博士学位论文,2001
非稳定渗流场 篇3
1 数学模型
1.1 控制方程
模型中水流控制方程采用Richards方程, 其形式为:
式中θ———岩土体积含水率;
h———为压力水头, m;
S———汇, d-1, 反映岩土根系对水分的吸收;
xi——— (i=1, 2) 空间坐标, m;
xj——— (j=1, 2) 空间坐标, m;
z———垂向坐标, m, 向上为正;
t———时间, d;
———无量纲各向异性张量EA的分量;
K———非饱和水力传导函数, m/d, 并由下式给出。
式中Kr———相对水力传导系数;
Ks———饱和水力传导系数, m/d。
1.2 水分运动特征参数
含水率θ (h) 和土壤水力传导度K (h) 与基质吸力h具有很强的非线性关系, SEEP/W软件有5种可供选择的解析模型来表示土壤水分特征。其中比较常用的为VG模型 (Van Genuchten, 1980) :
式中θr———残余体积含水率 (即最大分子持水率) ;
θs———饱和体积含水率;
Ks———饱和水力传导度, m/d;
Sθ———饱和度;
l———孔隙连通系数, 一般取为0.5;
α和n为经验常数。
根据该工程地层情况及相关地质参数, 选取的岩土水分参数如表1所示, 基于VG模型的土壤水分特征曲线如图1所示。
1.3 初始条件
模拟的初始条件按压力水头给定, 假定地下水位在地表下2m, 则围堰底部压力水头为H (0, 0) =-2 m, 水头在垂直方向上线性变化。
1.4 边界条件
根据围堰运用期间的水位条件, 围堰迎水面设定为定水头边界, 背水面设定为渗出面边界, 围堰顶部设定为大气边界, 其余设定为不排水边界。
2 数值模拟计算
计算模型如图2所示 (不设防渗墙的模型去掉防渗墙) , 设置的防渗墙尺寸为厚40 cm, 深20m。取地表为零基准面, 坐标轴z轴取向上为正, x轴取向右为正, 即模拟的区域为:-21 m≤z≤6m, -35 m≤x≤35 m模拟时间0≤t≤T, T=1 080 d。
假定围堰为均质体, 围堰与基础各向同性且基础以下为相对不透水层。将计算区域离散为一般三角网格并进行自动优化且在围堰处进行网格加密, 网格节点为1 316个, 一维单元为277个, 二维单元为2 483个, 采用变时间步长剖分方式, 根据迭代计算次数来调整时间步长。设定的初始迭代步长为1 d, 最小迭代步长为0.1 d, 最大迭代步长为5 d;每个时段内最大的迭代次数为50次, 含水率容许偏差为0.01, 压力水头容许偏差为0.1 m。在迭代过程中, 如果某特定时间步长达到收敛所需的次数小于3, 则下一步长可乘以一个大于1的常数;如迭代次数超过7, 则下一步乘以一个小于1的常数, 如果迭代次数超过50次则计算自动结束。
3 渗流分析
根据数值模拟的结果, 给出围堰在有无防渗墙的情况下流入和流出边界的逐日流量, 具体情况见图3。
从图3中可以看出:
(1) 流动形式可划分为非稳定流和稳定流两种典型情况, 大致以150 d为界。
(2) 对比有无防渗墙时的流量曲线, 发现加设防渗墙不改变水流运动的基本规律。
(3) 对比出入流曲线, 二者在数量上不一致, 在不设防渗墙的模拟情况下, 模型孔隙水总增量为33.44 m3/m, 累计流入量为188.1 m3/m, 累计流出量为151.2 m3/m, 则累计蒸发量为3.46 m3/m。
(4) 当流动达到稳定时, 无防渗墙的溢出流量为0.142 m3/ (d·m) , 加设防渗墙的溢出流量为0.135 m3/ (d·m) 。
(5) 在模拟时间1 080 d内, 按照围堰总长500 m计算, 总的基坑渗漏为75 600 m3, 平均每日基坑渗漏量为70 m3/d, 这个渗漏量在工程中是可以接受的。模拟时段末, 围堰及基岩的压力水头分布图4所示。
4 结语
(1) 本文应用Geostudio岩土软件中的渗流分析软件SEEP/W中的VG模型模拟计算了土石围堰变饱和非恒定流的流动规律及水量平衡, 得出了施工阶段的基坑渗漏量, 并研究了防渗墙未贯穿强透水层时的防渗效果。
(2) 根据对数值模拟结果分析可知, 流动形式可划分为非稳定流和稳定流两种典型情况, 大致以150 d为界;对比出入流曲线, 二者在数量上不一致;当流动达到稳定时, 有无防渗墙溢出流量变化不大。
(3) 在非稳定流阶段, 流入水量明显大于流出水量, 特别是模拟初始阶段出流量为零, 分析认为该部分水量大部分补充围岩及基础的孔隙水, 令一部分消耗于围堰表面蒸发。稳定流阶段, 流入流出水量差量消耗于表面蒸发。
(4) 对比有无防渗墙时的流量曲线, 发现加设防渗墙不改变水分运动的基本规律。混凝土防渗墙的效果在该工程中十分不明显, 分析渗流流速矢量动画时发现, 基础含淤泥的砂层流速远大于围堰内流速, 沿防渗墙绕流现象严重。这是由于该层渗透系数为8.64 m/d, 显著大于其他岩层。若需要布置防渗设施时, 防渗墙需要贯穿该强透水层。
参考文献
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