解决方案

SLOPE/W中的水位骤降分析

2023-05-22 16:34:47 121

       水位骤降的边坡稳定分析方法在土石坝的设计中非常重要。在水位骤降过程中,水对上游坝面的稳定影响消失了,但是坝体中的孔隙水压力可能仍然保持很高。结果,上游坝面的稳定性大为降低。坝中孔隙水压力的消散很大程度上受到堤坝材料的渗透性和储水特性的影响。水位骤降过程中,高渗透性的材料快速排水,但是低渗透性材料需要较长时间排水。

       在SLOPE/W中,水位骤降时的稳定性可以用两类方法建模:“有效强度”法(分为简单和严格两种方法)和“分步不排水强度法”。

       有效强度法中,有效应力参数用来计算水位骤降过程中坝的有效抗剪强度。这种方法的优点是使用了理论上较好的有效抗剪强度参数。缺点是需要额外的工作来评价水位降落过程中坝体材料中的孔隙水压力。

       分步不排水强度法中,抗剪强度的计算是基于总应力参数的,因此,不需要有效应力分析中的孔隙水压力估计。这种方法的缺点是使用了总应力参数,这些总应力参数不常用。而且,忽略了材料的水力特性,不能评价堤坝在水位降落不同阶段的稳定性。


简单有效应力法

       一种简单而保守的方法是假设水位骤降瞬间发生。在这种假设下,坝体上表面对稳定有利的水荷载降低,但是坝体内水压力保持不变,如下图所示,水位线用来计算沿着滑面的孔隙水压力。

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在水位快速下降分析中沿上游面定义的水位线

       一般来说,简单的有效强度方法代表了最坏的情况。这种快速骤降很少立即发生,上游材料中的孔隙水压力在下降过程中可能很容易消散。


严格的有效强度方法

       另一种较为复杂的方法是模拟水位骤降,并用 SEEP/W做有限元瞬态渗流分析来评价孔隙水压力情况。这种方法的优点是近似考虑了材料的水力学特性,分析中包含了时间因素。在这种方法中,水位骤降不是瞬间的,而是用一个过程模拟。整个水位降落过程中不同时间土石坝的安全系数能够计算出来,如下图所示。缺点是需要额外的工作,用SEEP/W进行有限元瞬态渗流分析。但是,在土石坝的设计中,通常已经评价了材料的水力学特性,这些特性是已知的,因为土石坝的有限元渗流分析可能在任何实例中都需要。

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快速骤降期间安全系数与时间的关系

分步不排水强度方法

       Duncan、Wright和Wong(1990)提出了一种分析快速骤降情况的三阶段程序。该程序确保在骤降前计算的不排水强度不超过骤降后计算的排水强度。完成分析需要以下输入:

  • 有效应力强度参数C'和φ'(通过Mohr-Coulomb或空间Mohr-Coulomb土壤强度模型)。

  • R(总应力)不排水强度包络线的截距CR和斜率φR取莫尔圆的切线,使用固结时的次要主应力和破坏时的主应力差(圆的直径)绘制。

  • 水位骤降前水位面位置

  • 水位骤降后水位线位置

  • 排水材料应具有CR= 0 和φR= 0。验证检查确保对于不排水材料,CR大于C',且φR小于φ'。


       完成分阶段快速骤降分析必须定义两个水位面。较高的面表征了骤降前的孔隙水压力条件,而较低的面则表征了骤降后的孔隙水压力条件。

       有关程序的详细信息,请查阅出版物。以下是计算阶段的概要:

       第一阶段:首先进行传统的极限平衡稳定性分析,使用长期有效应力强度和快速骤降前的孔隙水压力条件。计算得出沿滑动面的有效正应力和剪切应力,并保留这些有效应力。假设这些有效应力代表了在固结时存在于潜在破坏面上的那些应力,并称之为固结应力。利用固结应力来估算不自由排水材料的不排水抗剪强度。

       第二阶段:第二阶段涉及低水位时水位下降后的稳定性分析。有效强度参数用于自由排水材料。根据阶段1计算的有效法向应力和剪切应力计算排水不良材料的不排水强度。通过以下方式定义各向同性固结强度包络线的有效(C'和φ')和总(CR和φR)强度参数:

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       各向同性固结强度包络将破坏平面上的强度与有效固结压力联系起来;即,剪切前三轴试样上的各向同性压力。随后,使用一个程序在有效应力和各向同性固结剪切强度包络线之间插入不排水剪切强度。该过程试图说明各向异性固结不排水强度可能低于各向同性固结不排水强度这一事实。将每条块底部的不排水强度与排水强度进行比较,第三阶段采用较小的强度。

       第三阶段:第三阶段涉及使用低水位对应的有效应力强度或来自第二阶段的总应力强度中较小者进行稳定性分析。从第三阶段分析计算出的安全系数用于表示快速骤降后的稳定性。如果不排水强度小于有效应力强度,则从第三阶段计算出的安全系数将与从第二阶段计算出的安全系数相同。

        Duncan, Wright和Wong(1990)以及Corps of Engineers(2003)共发布了四个快速骤降的案例,这些案例已在GeoStudio中进行了复现模拟(见下表)。图中展示了Walter Bouldin大坝的GeoStudio结果:


Example

GeoStudio

Publication

Reference

Walter Bouldin Dam

1.03

1.04

Duncan, Wright and Wong (1990)

Pumped Storage Project

Dam

1.55

1.56

Duncan, Wright and Wong (1990)

Pilarcitos Dam

1.05

1.05

Duncan, Wright and Wong (1990)

USACE benchmark

1.46

1.44

Corps of Engineers (2003) EM

1110-2-1902

快速骤降后的Walter Bouldin大坝验证

快速骤降后的Walter Bouldin大坝验证



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