收稿日期２０１５ ０３ １９　 作者简介任佳（１９８９mdash）男湖北黄冈人硕士研究生研究方向为防灾减灾　 Ｅｍａｉｌ ５７２７８０９９０ ｑｑｃｏｍ

【工程勘测设计】

降雨模式对土质边坡稳定性的影响

任　 佳巩立国（中国地质大学（武汉） 工程学院湖北 武汉 ４３００７４）

摘　 要降雨是诱发边坡失稳的重要因素 通过数值模拟分析降雨入渗规律基于饱和－非饱和理论和边坡稳定性分析

理论在相同降雨量和相同历时的 ４ 种降雨模式（减弱型增强型集中型平均型）下运用 Ｇｅｏ－ｓｔｕｄｉｏ 软件模拟了土质

边坡不同部位孔隙水压力随时间的变化规律和边坡稳定安全系数随时间的变化曲线结果表明降雨模式对土质边坡降

雨入渗规律和稳定性有显著的影响减弱型降雨模式对土质边坡内孔隙水压力的变化影响最大在减弱型降雨模式下边

坡稳定安全系数下降最快集中型和平均型次之增强型下降趋势平缓坡脚的孔隙水压力变化较坡中部和坡顶的大离边坡表面深度越大降雨对土体孔隙水压力影响越明显关键词 土质边坡 降雨模式 饱和－非饱和理论 数值模拟 降雨入渗规律 稳定性分析

中图分类号 Ｐ６４２　 　 　 文献标志码Ａ　 　 　 ｄｏｉ１０３９６９ ｊｉｓｓｎ１０００１３７９２０１６０４０２０

　 　 降雨是诱发边坡失稳的一个重要因素 降雨入渗

是指雨水通过地表向下运动补给地下水是水分在土

体中的动态分布过程［１］ 在降雨入渗过程中非饱和

边坡地下水位变化和边坡土体含水率上升造成孔隙

水压力增大基质吸力减小边坡潜在危险滑动面抗剪

强度不断减小直到不能满足抗剪强度要求为止［２ －３ ］随着非饱和土力学的发展降雨入渗对边坡的影响受

到了关注 ＢＲＡＮＤ Ｅ Ｗ 分析香港地区边坡资料提出

把每小时降雨量作为判别边坡失稳的指标［４］高华喜

等对区域性边坡与降雨量降雨强度进行偏相关分析探讨了区域性边坡失稳的临界降雨量和降雨强度阈

值［５］李裕元等研究表明当降雨强度一定时降雨历

时越长降雨量越大 累计水土流失量越大［６］张亚丽

等研究得出坡地径流量和入渗量均与降雨历时呈线

性正相关关系地表产流后形成不断扩大的湿润区湿润锋深度与降雨历时呈幂函数关系［７］ＴＳＡＩ Ｔ Ｌ 和

ＮＧ Ｃ Ｗ Ｗ 等研究发现降雨诱发的边坡失稳与降雨

模式有着密切的关系［８－９］ 然而关于降雨模式对边

坡稳定性影响的研究很少 研究不同降雨模式下土质

边坡降雨入渗规律及其稳定性变化有重要的意义笔者依据简化的边坡模型运用数值模拟方法探讨不同

降雨模式下边坡不同位置孔隙水压力的变化及边坡稳

定安全系数的变化情况进而得到边坡孔隙水压力即

基质吸力变化情况和边坡失稳过程

１　 降雨入渗基本理论

１１　 降雨入渗分析

由于边坡的滑动面一般不单纯处在地下水位线以

下或以上边坡存在非饱和区因此单纯的饱和土力学

无法解决边坡失稳问题即降雨在坡体中的入渗是典

型的饱和－非饱和问题 ＣＯＬＥＭＡＮ 等的研究结果表

明土体地表有积水入渗时其含水率剖面可以分为图

１ 所示的 ４ 个区域表层饱和区含水率较大的过渡

区含水率分布比较均匀的传导区最下面含水率逐渐

减小的湿润区［ １０ ］ 湿润区的前缘称为湿润锋随着

降雨下渗的持续传导区不断向边坡的内部和下部发

展湿润区与湿润锋向边坡下部运动边坡内部土体含

水率分布曲线逐渐趋于平缓

图 １　 含水率剖面示意

降雨入渗是随时间和空间变化的动态过程［１１］入渗量受降雨强度降雨历时土壤物理性质及坡面坡

度粗糙度植被情况等因素的影响 当降雨强度小于

等于土体的饱和渗透系数时按降雨量计算入渗量当降雨强度大于土体的饱和渗透系数时按饱和渗透系

数计算入渗量此时坡表面会产生径流或积水１２　 饱和－非饱和渗流理论

降雨入渗过程中边坡土体渗流场内的水头即孔

隙水压力随时间是变化的同时降雨随时间也在变化

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第 ３８ 卷第 ４ 期　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 人　 民　 黄　 河　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 Ｖｏｌ ３ ８ Ｎｏ ４　 　 ２０１６ 年 ４ 月　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 ＹＥＬＬＯＷ　 ＲＩＶＥＲ　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 Ａｐｒ２０１６　 　

因此降雨入渗过程属瞬态流 假设边坡土体渗透具有

各向异性根据连续性方程和达西定律可以得到降雨

入渗瞬态流分析的二维控制方程［１２］partpartｘ

ｋｘpartｈpartｘ

aelig

egraveccedil

ouml

oslashdivide ＋ part

partｙｋｙ

partｈpartｙ

aelig

egraveccedil

ouml

oslashdivide ＝ ｍｗγｗ

partｈpartｔ

（１）

式中ｈ 为土体中的总水头ｋｘｋｙ分别为 ｘｙ 方向的渗

透系数ｍｗ为水的比容重 γｗ 为水的容重ｔ 为时间饱和区渗透系数为 ｋ ＝ ｋｓａｔ 其中 ｋｓａｔ 为饱和渗透

系数 非饱和区渗透系数为 ｋ ＝ ｋθ 其中 ｋθ 为非饱和

渗透系数一般由土水特征曲线得到 θ 为体积含水

率 ０ le θ le １

２　 降雨入渗数值模型

２１　 数值计算模型

建立边坡的简化模型如图 ２ 所示（图中 ＡＤＣ三点分别代表与坡面等距的坡顶坡中部坡脚ＢＤＥ 三点分别代表坡中部离坡面越来越远的点）边坡顶

宽 １０ ｍ高 １０ ｍ底宽 ３０ ｍ倾角为 ４５deg 模型总共有

１ ８７２ 个节点１ ７９７ 个单元２２　 初始地下水位线及边界条件

为了真实表现边坡内部地下水位情况设定图 ２中虚线所示的模型地下水位线坡体内部近乎平行于

坡面但比坡面坡度缓最高水头为 １２ ｍ坡底平行于

地面水头为 ７ ｍ由于仅设置了一层单一的非饱和土体因此不存

在不透水层 地下水位线以下左右边界为固定总水头

（分别为 １２７ ｍ）地下水位线拐点处的固定总水头为

７ ｍ地下水位线以上左右边界设置为自由流动面 边

坡表面设置为随降雨入渗变化的流量边界以表现真

实的降雨情况

图 ２　 边坡简化模型

２３　 降雨模式的概化

为了反映降雨模式对土质边坡降雨入渗的影响概化图 ３ 所示 ４ 种不同的降雨模式减弱型集中型平均

型增加型 降雨历时设置为 ４ ｄ降雨总量为 ２００ ｍｍ

图 ３　 降雨模式概化

３　 降雨入渗及孔隙水压力分析

选取常见的粉土进行分析其饱和渗透系数取

０１２ ｍ ｄ初始饱和含水率为 ０２ ～ ０４（取 ０３５）相应

的土水特征曲线调用 ｓｅｅｐ 模块中的土水特征曲线（见图 ４）

图 ４　 粉土的土水特征曲线

图 ２ 中代表坡顶坡中部坡脚的 ＡＤＣ 三点孔

隙水压力在不同降雨模式下的变化情况见图 ５～图 ７由图 ５～图 ７ 比较可以看出４ 种降雨模式中减弱型

降雨对坡顶坡中部坡脚孔隙水压力的影响均较大尤其对坡脚影响最大孔隙水压力曲线一直在最上面其次是集中型和平均型这两种降雨模式下的孔隙水

压力曲线有交叉增加型降雨模式下的孔隙水压力曲

线一直处于上述三者之下４ 种降雨模式的孔隙水压

力差值最大可达 １０ ｋＰａ 产生这些现象的原因主要

是减弱型降雨模式前期降雨量较大造成边坡内快速

形成大面积的过渡区和传导区使后续降雨更容易入

渗同时在重力作用下大量雨水向边坡的坡脚处流

动导致坡脚的变化相对其他部位更加敏感而增加型

降雨与其他降雨模式的差距就会相应缩小

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人 民 黄 河　 ２０１６ 年第 ４ 期

图 ５　 Ａ 点孔隙水压力变化曲线

图 ６　 Ｄ 点孔隙水压力变化曲线

图 ７　 Ｃ 点孔隙水压力变化曲线

图 ２ 中距边坡表面不同深度的 ＢＤＥ 点在不同

降雨模式下孔隙水压力的变化情况分别见图 ８图 ６图 ９ 由图 ８图 ６图 ９ 比较可以看出４ 种降雨模式

中减弱型降雨模式对孔隙水压力的影响最大集中型

和平均型次之增加型最小同时随着深度的增加这种

影响越来越明显离坡面越近孔隙水压力前期变化越

明显而离坡面越远后期变化越明显在 Ｅ 点处孔隙

水压力极差可达 １０ ｋＰａ离坡面越近孔隙水压力变化

范围越大 结合降雨入渗规律和饱和－非饱和理论分析产生这些现象的主要原因增加型前期形成的过

渡区和传导区很小阻碍了后期降雨的入渗所以离坡

面越远这种差异越明显这也是导致离坡面越远孔隙

水压力相差越大的主要原因离坡面越近降雨入渗越

快随时间的延长入渗才可以慢慢渗入到深部因而

离坡面越近孔隙水压力前期变化越快离坡面越远后

期变化越快离坡面越近变化幅度越大

图 ８　 Ｂ 点孔隙水压力变化曲线

图 ９　 Ｅ 点孔隙水压力变化曲线

４　 边坡稳定性分析

４１　 稳定性分析理论

边坡处于饱和－非饱和状态时在地下水位线以

上存在着负的孔隙水压力即基质吸力影响到边坡的

稳定性 考虑到基质吸力对土体的抗剪强度及边坡的

稳定性有很大影响ＦＲＥＤＬＵＮＤ 等［１３］ 提出了饱和－非饱和状态下的 Ｍｏｈｒ－Ｃｏｕｌｏｍｂ 准则给出了抗剪强度 τｆ

和剪应力 τ 的计算公式τｆ ＝ ｃprime ＋ σｎ － ｕａ( ) ｔａｎ φprime ＋ ｕａ － ｕｗ( ) ｔａｎ φｂ

τ ＝σｙ － σｘ

２ｓｉｎ ２α ＋ τｘｙｃｏｓ ２α

σｎ ＝σｙ ＋ σｘ

２＋σｘ － σｙ

２ｃｏｓ ２α － τｘｙｓｉｎ ２α （２）

式中ｃprime为有效黏聚力σｎ为主应力 σｘσｙ为 ｘｙ 方向

的法向应力α 为 ｘ 方向与主应力的夹角ｕａ为孔隙气

压力ｕｗ为孔隙水压力τｘｙ为 ｘｙ 平面上的剪应力φprime为有效内摩擦角φｂ为非饱和摩擦角

用条分法进行分析时边坡安全系数计算公式为

Ｆｓ ＝sum｛ｃprimeβｃｏｓ γ ＋ ［Ｎ － ｕｗβ

ｔａｎ φｂ

ｔａｎ φprime－ ｕａβ（１ － ｔａｎ φｂ

ｔａｎ φprime）］ｔａｎ φprimeｃｏｓ γ｝

sumＮｓｉｎ γ ＋ sumｋＷ － sumＤｃｏｓ ω － sumＡ（３）

式中 β 为条块基底的长度 γ 为条块底边切线与水平

面的夹角 Ｎ 为条块底部的法向应力ｋＷ 为条块形心

受到的水平地震荷载 Ｄ 为线荷载 ω 为线荷载方向

与水平面的夹角 Ａ 为外部施加的水压力

４２　 稳定性分析

运用 Ｇｅｏ－ｓｔｕｄｉｏ 的 ｓｅｅｐ 模块得到孔隙水压力值导入 ｓｌｏｐｅ 模块计算边坡的稳定安全系数 Ｆｓ 本研

究主要针对土质边坡而土中以粉土比较常见所以计

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人 民 黄 河　 ２０１６ 年第 ４ 期

算参数按照粉土取值见表 １ ４ 种不同降雨模式下边

坡稳定安全系数变化情况见图 １０表 １　 边坡稳定性分析的计算参数

土体类型 重度 （ｋＮmiddotｍ－３） 黏聚力 ｃ ｋＰａ 摩擦角φ （deg）

粉土 １８ ４ ２２

图 １０　 边坡稳定安全系数随降雨历时的变化情况

从图 １０ 可以得到边坡的稳定安全系数随降雨入

渗时间延长而减小减幅最大的降雨模式是减弱型其次是集中型和平均型最小的是增加型最大降幅达到

００７６这也反映了减弱型降雨对土质边坡孔隙水压力

即基质吸力影响最大 降雨过程中边坡稳定安全系数

的变化情况减弱型降雨前期较后期大集中型降雨

１ ｄ内变化较小后 ３ ｄ 稳定安全系数直线下降总体

降幅也很大平均型降雨模式下的稳定安全系数变化

情况为先慢后快再慢再快但是总体降幅不是很大增加型降雨总体变化比较平缓 在初始水位作用下土质边坡的安全系数为 １１２６在 ４ 种降雨模式下 ４ ｄ 后

稳定性都有所下降极有可能诱发边坡的失稳

５　 结　 论

（１）降雨模式对土质边坡降雨入渗有显著的影

响在减弱型降雨模式下土质边坡孔隙水压力即基质

吸力变化最明显可以认为减弱型降雨模式是破坏最

严重的降雨模式（２）距坡面深度相同但部位（高程）不同的孔隙水

压力变化不同 减弱型降雨模式对坡脚影响最大对坡中部的影响次之对坡顶影响最小增加型降雨对土

质边坡孔隙水压力的影响较减弱型的小两者最大相

差 １０ ｋＰａ在坡中部距离边坡表面深度不同的孔隙水

压力变化也不相同４ 种降雨模式中减弱型降雨模式

影响最大集中型和平均型其次增加型最小同时随

着深度的增加这种影响越来越明显（３）经历总降雨量为 ２００ ｍｍ历时为 ４ ｄ 的 ４ 种

降雨模式土质边坡的稳定安全系数都有所下降减弱

型降雨模式最可能诱发土质边坡的失稳遇到此种降

雨模式必须对边坡采取处理措施

参考文献

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ｓａｔｕａｔｅｄ Ｓｏｉｌｓ ［ Ｍ］ Ｎｅｗ Ｙｏｒｋ Ｊｏｈｎ ＷｉｌｅｙＳｏｎｓ ＩＮＣ１９９３ １０７－１１７

Ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ Ｒａｉｎｆａｌｌ Ｐａｔｔｅｒｎｓ ｏｎ ｔｈｅ Ｓｏｉｌ Ｓｌｏｐｅ ＳｔａｂｉｌｉｔｙＲＥＮ Ｊｉａ ＧＯＮＧ Ｌｉｇｕｏ

（Ｆａｃｕｌｔｙ ｏｆ Ｅｎｇｎｅｅｒｉｎｇ Ｃｈｉｎａ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｇｅｏｓｃｉｅｎｃｅｓ Ｗｕｈａｎ ４３００７４ Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｒａｉｎｆａｌｌ ｉｓ ｏｎｅ ｏｆ ｔｈｅ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｆａｃｔｏｒｓ ｒｅｌａｔｅｓ ｔｏ ｔｈｅ ｓｌｏｐｅ ｆａｉｌｕｒｅ Ｔｈｉｓ ｓｔｕｄｙ ａｎａｌｙｚｅｄ ｔｈｅ ｒａｉｎｆａｌｌ ｉｎｆｉｌｔｒａｔｉｏｎ ｐｒｏｃｅｓｓ ｆｏｒ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｒａｉｎｆａｌｌ ｐａｔｔｅｒｎｓ ｂｙ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ Ｏｎ ｔｈｅ ｂａｓｉｓ ｏｆ ｓａｔｕｒａｔｅｄｕｎｓａｔｕｒａｔｅｄ ｔｈｅｏｒｙ ａｎｄ ｓｌｏｐｅ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ａｎａｌｙｓｉｓ ｔｈｅｏｒｙ ｗｅ ｃｏｎｓｉｄｅｒｅｄ ｆｏｕｒ

（下转第 ９３ 页）middot８８middot

人 民 黄 河　 ２０１６ 年第 ４ 期

从表 ５ 可以看出完建工况和运行工况下坝基铅直向应力均不存在拉应力完建工况下坝趾铅直向应力最大为 ０２７ ＭＰａ运行工况下坝趾铅直向应力为０２６ ＭＰａ均小于地基允许承载力 ０６ ～ ０８ ＭＰａ满足规范要求

４　 结　 语

以坝址覆盖层为砂卵石层的打鼓滩水电站为例采用 Ｄ－Ｐ 非线性本构模型进行三维有限元数值模拟计算重点研究了河床覆盖层上闸室与闸基在各典型工况下的应力及变形 计算得出闸室变形量和不同坝段间的位移差较小满足规范要求闸室结构应力大部分表现为压应力只在局部存在应力集中现象但应力值在规范允许范围内地基承载力和地基沉降也满足规范要求

笔者采用 Ｄ－Ｐ 本构模型对土体进行模拟但土是一种非常复杂的材料［８］当岩土体受到外部荷载作用后其表现出的应力应变关系很复杂 目前国内外学者提出的各种本构模型都只能模拟在一定加载情况下特定土的主要本构特性［９］ 因此可以使用不同的本构模型进行对比分析进一步研究土的本构模型的优缺点与适用性从而提高计算的准确性 相邻建筑物

对变形应力会造成影响扩大模型的范围可更全面深入地研究坝基变形应力的特征 进一步优化三维有限元模型采用接触单元模拟不同坝段之间的沉降缝可更加真实地反映工程情况更深入地研究深厚覆盖层的不均匀性导致闸室的不均匀沉降问题

参考文献

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Ｔｈｒｅｅ Ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ Ｆｉｎｉｔｅ Ｅｌｅｍｅｎｔ Ｓｔｒｅｓｓ Ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ａｎａｌｙｓｉｓｏｆ Ｄａｇｕｔａｎ Ｈｙｄｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｐｒｏｊｅｃｔ Ｓｌｕｉｃｅ

ＪＩＡＮＧ Ｙｕｎｌｏｎｇ ＺＨＡＮＧ Ｌｉｙｏｎｇ ＤＩＮＧ Ｚｈｅ ＬＩＡＯ Ｍｉｎｇｙｕ（Ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ａｎｄ ＨｙｄｒｏＥｌｅｃｔｒｉｃ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｓｉｃｈｕａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ Ｃｈｅｎｇｄｕ ６１００６５ Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｄｕｅ ｔｏ ｔｈｅ ｕｎｅｖｅｎ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｏｆ ｓａｎｄ ａｎｄ ｇｒａｖｅｌ ｓｔｒｏｎｇ ｐｅｒｍｅａｂｉｌｉｔｙ ｌａｒｇｅ ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ ｖａｒｉａｔｉｏｎ ａｎｄ ｔｈｅ ｐｏｓｓｉｂｌｅ ｓａｎｄ ｌａｙｅｒｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｒｉｖｅｒｂｅｄ ｔｈｅ ｓａｆｅｔｙ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｓｅｅｐａｇｅ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ａｎｄ ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ｍｕｓｔ ｂｅ ｔａｋｅｎ ｂｅｆｏｒｅ ｔｈｅ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｏｆ ａ ｄａｍ ｏｎｔｈｉｓ ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｏｂｊｅｃｔ ｏｆ Ｄａｇｕｔａｎ Ｈｙｄｒｏｐｏｗｅｒ Ｓｔａｔｉｏｎ ｃｏｖｅｒｉｎｇ ｔｈｅ ｓａｎｄ ａｎｄ ｇｒａｖｅｌ ｓｔｒａｔｕｍ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ａｐｐｌｉｅｄ ｔｈｅ ｎｏｎｌｉｎｅａｒＤＰ ｃｏｎｓｔｉｔｕｔｉｖｅ ｍｏｄｅｌ ｔｏ ｃａｌｃｕｌａｔｅ ｗｉｔｈ ３Ｄ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ａｎｄ ｓｔｕｄｉｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｓｔｒｅｓｓ ａｎｄ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｏｆ ｓｌｕｉｃｅ ｃｈａｍｂｅｒａｎｄ ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｏｆ ｌｏｃｋ ｃｈａｍｂｅｒ ａｎｄ ｔｈｅ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ ｂｅｔｗｅｅｎ ａｄｊａｃｅｎｔ ｄａｍｓ ａｒｅ ｓｍａｌｌ ａｎｄｍｅｅｔ ｒｅｇｕｌａｔｏｒｙ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ Ｌｏｃｋ ｃｈａｍｂｅｒ ｉｓ ｍａｉｎｌｙ ｕｎｄｅｒ ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｖｅ ｓｔｒｅｓｓ ｔｈｅｒｅ ｅｘｉｓｔｓ ｓｔｒｅｓｓ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ ｐｈｅｎｏｍｅｎｏｎ ｐａｒｔｌｙ ｂｕｔ ｔｈｅｓｔｒｅｓｓ ｖａｌｕｅ ｕｎｄｅｒ ｔｈｅ ｐｅｒｍｉｔｔｉｎｇ ｒａｎｇｅ ｏｆ ｓｐｅｃｉｆｉｃａｔｉｏｎ ａｎｄ ｔｈｅ ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ ｂｅａｒｉｎｇ ｃａｐａｃｉｔｙ ａｎｄ ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ ｓｅｔｔｌｅｍｅｎｔ ａｌｌ ｍｅｅｔ ｒｅｇｕｌａｔｏｒｙｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓＫｅｙ ｗｏｒｄｓ ｓａｎｄｙ ｐｅｂｂｌｅ ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ ｔｈｒｅｅ ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｓｔｒｅｓｓ Ｄａｇｕｔａｎ Ｈｙｄｒｏｐｏｗｅｒ Ｓｔａｔｉｏｎ

【责任编辑　 张华岩】1050904105090410509041050904105090410509041050904105090410509041050904105090410509041050904105090410509041050904105090410509041050904105090410509041050904105090410509041050904105090410509041050904105090410509041050904105090410509041050904105090410509041050904105090410509041050904105090410509041050904105090410509041050904105090410509041050904（上接第 ８８ 页）ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｒａｉｎｆａｌｌ ｐａｔｔｅｒｎｓ （ ａｄｖａｎｃｅｄ ｄｅｌａｙｅｄ ｃｅｎｔｒａｌｉｚｅｄ ａｎｄ ａｖｅｒａｇｅ） ｗｈｉｃｈ ｈａｄ ｔｈｅ ｓａｍｅ ｐｒｅｃｉｐｉｔａｔｉｏｎ ａｎｄ ｄｕｒａｔｉｏｎ ａｎｄ ｕｔｉｌｉｚｅｄ ｔｈｅｐｒｏｇｒａｍ ＧｅｏＳｔｕｄｉｏ ｔｏ ｓｉｍｕｌａｔｅ ｔｈｅ ｖａｒｉａｔｉｏｎｓ ｏｆ ｐｏｒｅｗａｔｅｒ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ａｎｄ ｓｌｏｐｅ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ｆａｃｔｏｒ ｗｉｔｈ ｔｉｍｅ ａｔ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｐａｒｔｓ ｏｆ ａ ｓｏｉｌ ｓｌｏｐｅ Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓ ｉｎｄｉｃａｔｅ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｒａｉｎｆａｌｌ ｐａｔｔｅｒｎｓ ｈａｖｅ ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔ ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｎ ｔｈｅ ｒａｉｎｆａｌｌ ｉｎｆｉｌｔｒａｔｉｏｎ ｐｒｏｃｅｓｓ ａｎｄ ｔｈｅ ｓｌｏｐｅ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ａ ｓｏｉｌ ｓｌｏｐｅ ｔｈｅａｄｖａｎｃｅｄ ｐａｔｔｅｒｎ ｅｘｈｉｂｉｔｓ ｔｈｅ ｍｏｓｔ ｒｅｍａｒｋａｂｌｅ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｔｏ ｔｈｅ ｖａｒｉａｔｉｏｎ ｏｆ ｐｏｒｅｗａｔｅｒ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｉｎ ａ ｓｏｉｌ ｓｌｏｐｅ ａｎｄ ｔｈｕｓ ｉｎｄｕｃｅｓ ｔｈｅ ｌａｒｇｅｓｔｄｅｃｌｉｎｅ ｉｎ ｔｈｅ ｓｌｏｐｅ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ｆａｃｔｏｒ ｔｈｅ ｃｅｎｔｒａｌｉｚｅｄ ｐａｔｔｅｒｎ ａｎｄ ｔｈｅ ａｖｅｒａｇｅ ｐａｔｔｅｒｎ ａｒｅ ｉｎ ｔｕｒｎ ａｎｄ ｔｈｅ ｄｅｌａｙｅｄ ｐａｔｔｅｒｎ ｒｅｖｅａｌｓ ｔｈｅ ｍｏｓｔ ｇｅｎｔｌｅｆｌｕｃｔｕａｔｉｏｎ Ｍｏｒｅｏｖｅｒ ｔｈｅ ｖａｒｉａｔｉｏｎ ｏｆ ｐｏｒｅｗａｔｅｒ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ａｔ ｔｈｅ ｓｌｏｐｅ ｔｏｅ ｉｓ ｌａｒｇｅｒ ｔｈａｎ ｔｈａｔ ｏｆ ｔｈｅ ｍｉｄｄｌｅ ａｎｄ ｔｈｅ ｔｏｐ ｏｆ ｔｈｅ ｓｌｏｐｅ ａｎｄ ｔｈｅｅｆｆｅｃｔｓ ｏｆ ｒａｉｎｆａｌｌ ｏｎ ｔｈｅ ｐｏｒｅｗａｔｅｒ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ａｒｅ ｔｅｎｄ ｔｏ ｂｅ ｍｏｒｅ ｐｒｏｍｉｎｅｎｔ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｄｉｓｔａｎｃｅ ｆｒｏｍ ｔｈｅ ｓｌｏｐｅ ｓｕｒｆａｃｅ ｅｘｔｅｎｄｉｎｇＫｅｙ ｗｏｒｄｓ ｓｏｉｌｓｌｏｐｅ ｒａｉｎｆａｌｌ ｐａｔｔｅｒｎｓ ｓａｔｕｒａｔｅｄｕｎｓａｔｕｒａｔｅｄ ｔｈｅｏｒｙ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｒａｉｎｆａｌｌ ｉｎｆｉｌｔｒａｔｉｏｎ ｒｕｌｅ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ａｎａｌｙｓｉｓ

【责任编辑　 张智民】

middot３９middot

人 民 黄 河　 ２０１６ 年第 ４ 期

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因此降雨入渗过程属瞬态流 假设边坡土体渗透具有

各向异性根据连续性方程和达西定律可以得到降雨

入渗瞬态流分析的二维控制方程［１２］partpartｘ

ｋｘpartｈpartｘ

aelig

egraveccedil

ouml

oslashdivide ＋ part

partｙｋｙ

partｈpartｙ

aelig

egraveccedil

ouml

oslashdivide ＝ ｍｗγｗ

partｈpartｔ

（１）

式中ｈ 为土体中的总水头ｋｘｋｙ分别为 ｘｙ 方向的渗

透系数ｍｗ为水的比容重 γｗ 为水的容重ｔ 为时间饱和区渗透系数为 ｋ ＝ ｋｓａｔ 其中 ｋｓａｔ 为饱和渗透

系数 非饱和区渗透系数为 ｋ ＝ ｋθ 其中 ｋθ 为非饱和

渗透系数一般由土水特征曲线得到 θ 为体积含水

率 ０ le θ le １

２　 降雨入渗数值模型

２１　 数值计算模型

建立边坡的简化模型如图 ２ 所示（图中 ＡＤＣ三点分别代表与坡面等距的坡顶坡中部坡脚ＢＤＥ 三点分别代表坡中部离坡面越来越远的点）边坡顶

宽 １０ ｍ高 １０ ｍ底宽 ３０ ｍ倾角为 ４５deg 模型总共有

１ ８７２ 个节点１ ７９７ 个单元２２　 初始地下水位线及边界条件

为了真实表现边坡内部地下水位情况设定图 ２中虚线所示的模型地下水位线坡体内部近乎平行于

坡面但比坡面坡度缓最高水头为 １２ ｍ坡底平行于

地面水头为 ７ ｍ由于仅设置了一层单一的非饱和土体因此不存

在不透水层 地下水位线以下左右边界为固定总水头

（分别为 １２７ ｍ）地下水位线拐点处的固定总水头为

７ ｍ地下水位线以上左右边界设置为自由流动面 边

坡表面设置为随降雨入渗变化的流量边界以表现真

实的降雨情况

图 ２　 边坡简化模型

２３　 降雨模式的概化

为了反映降雨模式对土质边坡降雨入渗的影响概化图 ３ 所示 ４ 种不同的降雨模式减弱型集中型平均

型增加型 降雨历时设置为 ４ ｄ降雨总量为 ２００ ｍｍ

图 ３　 降雨模式概化

３　 降雨入渗及孔隙水压力分析

选取常见的粉土进行分析其饱和渗透系数取

０１２ ｍ ｄ初始饱和含水率为 ０２ ～ ０４（取 ０３５）相应

的土水特征曲线调用 ｓｅｅｐ 模块中的土水特征曲线（见图 ４）

图 ４　 粉土的土水特征曲线

图 ２ 中代表坡顶坡中部坡脚的 ＡＤＣ 三点孔

隙水压力在不同降雨模式下的变化情况见图 ５～图 ７由图 ５～图 ７ 比较可以看出４ 种降雨模式中减弱型

降雨对坡顶坡中部坡脚孔隙水压力的影响均较大尤其对坡脚影响最大孔隙水压力曲线一直在最上面其次是集中型和平均型这两种降雨模式下的孔隙水

压力曲线有交叉增加型降雨模式下的孔隙水压力曲

线一直处于上述三者之下４ 种降雨模式的孔隙水压

力差值最大可达 １０ ｋＰａ 产生这些现象的原因主要

是减弱型降雨模式前期降雨量较大造成边坡内快速

形成大面积的过渡区和传导区使后续降雨更容易入

渗同时在重力作用下大量雨水向边坡的坡脚处流

动导致坡脚的变化相对其他部位更加敏感而增加型

降雨与其他降雨模式的差距就会相应缩小

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人 民 黄 河　 ２０１６ 年第 ４ 期

图 ５　 Ａ 点孔隙水压力变化曲线

图 ６　 Ｄ 点孔隙水压力变化曲线

图 ７　 Ｃ 点孔隙水压力变化曲线

图 ２ 中距边坡表面不同深度的 ＢＤＥ 点在不同

降雨模式下孔隙水压力的变化情况分别见图 ８图 ６图 ９ 由图 ８图 ６图 ９ 比较可以看出４ 种降雨模式

中减弱型降雨模式对孔隙水压力的影响最大集中型

和平均型次之增加型最小同时随着深度的增加这种

影响越来越明显离坡面越近孔隙水压力前期变化越

明显而离坡面越远后期变化越明显在 Ｅ 点处孔隙

水压力极差可达 １０ ｋＰａ离坡面越近孔隙水压力变化

范围越大 结合降雨入渗规律和饱和－非饱和理论分析产生这些现象的主要原因增加型前期形成的过

渡区和传导区很小阻碍了后期降雨的入渗所以离坡

面越远这种差异越明显这也是导致离坡面越远孔隙

水压力相差越大的主要原因离坡面越近降雨入渗越

快随时间的延长入渗才可以慢慢渗入到深部因而

离坡面越近孔隙水压力前期变化越快离坡面越远后

期变化越快离坡面越近变化幅度越大

图 ８　 Ｂ 点孔隙水压力变化曲线

图 ９　 Ｅ 点孔隙水压力变化曲线

４　 边坡稳定性分析

４１　 稳定性分析理论

边坡处于饱和－非饱和状态时在地下水位线以

上存在着负的孔隙水压力即基质吸力影响到边坡的

稳定性 考虑到基质吸力对土体的抗剪强度及边坡的

稳定性有很大影响ＦＲＥＤＬＵＮＤ 等［１３］ 提出了饱和－非饱和状态下的 Ｍｏｈｒ－Ｃｏｕｌｏｍｂ 准则给出了抗剪强度 τｆ

和剪应力 τ 的计算公式τｆ ＝ ｃprime ＋ σｎ － ｕａ( ) ｔａｎ φprime ＋ ｕａ － ｕｗ( ) ｔａｎ φｂ

τ ＝σｙ － σｘ

２ｓｉｎ ２α ＋ τｘｙｃｏｓ ２α

σｎ ＝σｙ ＋ σｘ

２＋σｘ － σｙ

２ｃｏｓ ２α － τｘｙｓｉｎ ２α （２）

式中ｃprime为有效黏聚力σｎ为主应力 σｘσｙ为 ｘｙ 方向

的法向应力α 为 ｘ 方向与主应力的夹角ｕａ为孔隙气

压力ｕｗ为孔隙水压力τｘｙ为 ｘｙ 平面上的剪应力φprime为有效内摩擦角φｂ为非饱和摩擦角

用条分法进行分析时边坡安全系数计算公式为

Ｆｓ ＝sum｛ｃprimeβｃｏｓ γ ＋ ［Ｎ － ｕｗβ

ｔａｎ φｂ

ｔａｎ φprime－ ｕａβ（１ － ｔａｎ φｂ

ｔａｎ φprime）］ｔａｎ φprimeｃｏｓ γ｝

sumＮｓｉｎ γ ＋ sumｋＷ － sumＤｃｏｓ ω － sumＡ（３）

式中 β 为条块基底的长度 γ 为条块底边切线与水平

面的夹角 Ｎ 为条块底部的法向应力ｋＷ 为条块形心

受到的水平地震荷载 Ｄ 为线荷载 ω 为线荷载方向

与水平面的夹角 Ａ 为外部施加的水压力

４２　 稳定性分析

运用 Ｇｅｏ－ｓｔｕｄｉｏ 的 ｓｅｅｐ 模块得到孔隙水压力值导入 ｓｌｏｐｅ 模块计算边坡的稳定安全系数 Ｆｓ 本研

究主要针对土质边坡而土中以粉土比较常见所以计

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人 民 黄 河　 ２０１６ 年第 ４ 期

算参数按照粉土取值见表 １ ４ 种不同降雨模式下边

坡稳定安全系数变化情况见图 １０表 １　 边坡稳定性分析的计算参数

土体类型 重度 （ｋＮmiddotｍ－３） 黏聚力 ｃ ｋＰａ 摩擦角φ （deg）

粉土 １８ ４ ２２

图 １０　 边坡稳定安全系数随降雨历时的变化情况

从图 １０ 可以得到边坡的稳定安全系数随降雨入

渗时间延长而减小减幅最大的降雨模式是减弱型其次是集中型和平均型最小的是增加型最大降幅达到

００７６这也反映了减弱型降雨对土质边坡孔隙水压力

即基质吸力影响最大 降雨过程中边坡稳定安全系数

的变化情况减弱型降雨前期较后期大集中型降雨

１ ｄ内变化较小后 ３ ｄ 稳定安全系数直线下降总体

降幅也很大平均型降雨模式下的稳定安全系数变化

情况为先慢后快再慢再快但是总体降幅不是很大增加型降雨总体变化比较平缓 在初始水位作用下土质边坡的安全系数为 １１２６在 ４ 种降雨模式下 ４ ｄ 后

稳定性都有所下降极有可能诱发边坡的失稳

５　 结　 论

（１）降雨模式对土质边坡降雨入渗有显著的影

响在减弱型降雨模式下土质边坡孔隙水压力即基质

吸力变化最明显可以认为减弱型降雨模式是破坏最

严重的降雨模式（２）距坡面深度相同但部位（高程）不同的孔隙水

压力变化不同 减弱型降雨模式对坡脚影响最大对坡中部的影响次之对坡顶影响最小增加型降雨对土

质边坡孔隙水压力的影响较减弱型的小两者最大相

差 １０ ｋＰａ在坡中部距离边坡表面深度不同的孔隙水

压力变化也不相同４ 种降雨模式中减弱型降雨模式

影响最大集中型和平均型其次增加型最小同时随

着深度的增加这种影响越来越明显（３）经历总降雨量为 ２００ ｍｍ历时为 ４ ｄ 的 ４ 种

降雨模式土质边坡的稳定安全系数都有所下降减弱

型降雨模式最可能诱发土质边坡的失稳遇到此种降

雨模式必须对边坡采取处理措施

参考文献

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［２］　 ＬＡＭ Ｌ ＦＲＥＤＬＵＮＤ Ｄ Ｇ ＢＡＲＢＯＵＲ Ｓ Ｌ Ｔｒａｎｓｉｅｎｔ Ｓｅｅｐａｇｅ Ｍｏｄｅｌ ｆｏｒ ＳａｔｕｒａｔｅｄＵｎｓａｔｕｒａｔｅｄ Ｓｏｉｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ ＡＧｅｏｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ａｐｐｒｏａｃｈ［ Ｊ］Ｃａｎａｄｉａｎ Ｇｅｏｔｅｈｎｉｃａｌ Ｊｏｕｒｎａｌ１９８７（２４）５６５－５８０

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∥ＢＯＮＮＡＲＤ Ｃ Ｐｒｏｃ ５ｔｈ Ｓｙｍ ｏｎ Ｌａｎｄｓｌｉｄｅｓ ＬｏｎｄｏｎＩＣＥＰｕｂｌｉｓｈｉｎｇ１９８８１０５９－１０７４

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阈值之探讨［Ｊ］岩土力学２００７２８（５）１０５４－１０６０［６］　 李裕元邵明安降雨条件下坡地水分转化特征试验研究

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［１０］　 张蔚榛 地下水与土壤水动力学［Ｍ］ 北京中国水利

水电出版社 １９９６ １－５［１１］　 雷志栋杨诗秀谢森传土壤动力学［Ｍ］ 北京清华大

学出版社１９９８３－１２［１２］　 ＮＩＮＧ Ｌ ＵＷＩＬＬＩＡＭ Ｊ 非饱和土力学［Ｍ］ 北京高等

教育出版社２０１２２６９－２７４［１３］　 ＦＲＥＤＬＵＮＤ Ｄ Ｇ ＲＡＨＡＲＤ Ｊ Ｏ Ｓｏｉｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃｓ ｆｏｒ Ｕｎ

ｓａｔｕａｔｅｄ Ｓｏｉｌｓ ［ Ｍ］ Ｎｅｗ Ｙｏｒｋ Ｊｏｈｎ ＷｉｌｅｙＳｏｎｓ ＩＮＣ１９９３ １０７－１１７

Ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ Ｒａｉｎｆａｌｌ Ｐａｔｔｅｒｎｓ ｏｎ ｔｈｅ Ｓｏｉｌ Ｓｌｏｐｅ ＳｔａｂｉｌｉｔｙＲＥＮ Ｊｉａ ＧＯＮＧ Ｌｉｇｕｏ

（Ｆａｃｕｌｔｙ ｏｆ Ｅｎｇｎｅｅｒｉｎｇ Ｃｈｉｎａ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｇｅｏｓｃｉｅｎｃｅｓ Ｗｕｈａｎ ４３００７４ Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｒａｉｎｆａｌｌ ｉｓ ｏｎｅ ｏｆ ｔｈｅ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｆａｃｔｏｒｓ ｒｅｌａｔｅｓ ｔｏ ｔｈｅ ｓｌｏｐｅ ｆａｉｌｕｒｅ Ｔｈｉｓ ｓｔｕｄｙ ａｎａｌｙｚｅｄ ｔｈｅ ｒａｉｎｆａｌｌ ｉｎｆｉｌｔｒａｔｉｏｎ ｐｒｏｃｅｓｓ ｆｏｒ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｒａｉｎｆａｌｌ ｐａｔｔｅｒｎｓ ｂｙ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ Ｏｎ ｔｈｅ ｂａｓｉｓ ｏｆ ｓａｔｕｒａｔｅｄｕｎｓａｔｕｒａｔｅｄ ｔｈｅｏｒｙ ａｎｄ ｓｌｏｐｅ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ａｎａｌｙｓｉｓ ｔｈｅｏｒｙ ｗｅ ｃｏｎｓｉｄｅｒｅｄ ｆｏｕｒ

（下转第 ９３ 页）middot８８middot

人 民 黄 河　 ２０１６ 年第 ４ 期

从表 ５ 可以看出完建工况和运行工况下坝基铅直向应力均不存在拉应力完建工况下坝趾铅直向应力最大为 ０２７ ＭＰａ运行工况下坝趾铅直向应力为０２６ ＭＰａ均小于地基允许承载力 ０６ ～ ０８ ＭＰａ满足规范要求

４　 结　 语

以坝址覆盖层为砂卵石层的打鼓滩水电站为例采用 Ｄ－Ｐ 非线性本构模型进行三维有限元数值模拟计算重点研究了河床覆盖层上闸室与闸基在各典型工况下的应力及变形 计算得出闸室变形量和不同坝段间的位移差较小满足规范要求闸室结构应力大部分表现为压应力只在局部存在应力集中现象但应力值在规范允许范围内地基承载力和地基沉降也满足规范要求

笔者采用 Ｄ－Ｐ 本构模型对土体进行模拟但土是一种非常复杂的材料［８］当岩土体受到外部荷载作用后其表现出的应力应变关系很复杂 目前国内外学者提出的各种本构模型都只能模拟在一定加载情况下特定土的主要本构特性［９］ 因此可以使用不同的本构模型进行对比分析进一步研究土的本构模型的优缺点与适用性从而提高计算的准确性 相邻建筑物

对变形应力会造成影响扩大模型的范围可更全面深入地研究坝基变形应力的特征 进一步优化三维有限元模型采用接触单元模拟不同坝段之间的沉降缝可更加真实地反映工程情况更深入地研究深厚覆盖层的不均匀性导致闸室的不均匀沉降问题

参考文献

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出版社２００７１６９［５］　 郑颖人沈珠江龚晓南广义塑性力学mdashmdashmdash岩土塑性力

学原理［Ｍ］北京中国建筑工业出版社２００２４１－８８［６］　 陈晓文杨光华不均匀地基上水闸底板内力分析［Ｊ］中

国农村水利水电２０１３（５）１１８－１２１［７］　 李吕英王利荣陈贤等双河水电站闸坝变形应力研究

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Ｔｈｒｅｅ Ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ Ｆｉｎｉｔｅ Ｅｌｅｍｅｎｔ Ｓｔｒｅｓｓ Ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ａｎａｌｙｓｉｓｏｆ Ｄａｇｕｔａｎ Ｈｙｄｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｐｒｏｊｅｃｔ Ｓｌｕｉｃｅ

ＪＩＡＮＧ Ｙｕｎｌｏｎｇ ＺＨＡＮＧ Ｌｉｙｏｎｇ ＤＩＮＧ Ｚｈｅ ＬＩＡＯ Ｍｉｎｇｙｕ（Ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ａｎｄ ＨｙｄｒｏＥｌｅｃｔｒｉｃ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｓｉｃｈｕａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ Ｃｈｅｎｇｄｕ ６１００６５ Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｄｕｅ ｔｏ ｔｈｅ ｕｎｅｖｅｎ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｏｆ ｓａｎｄ ａｎｄ ｇｒａｖｅｌ ｓｔｒｏｎｇ ｐｅｒｍｅａｂｉｌｉｔｙ ｌａｒｇｅ ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ ｖａｒｉａｔｉｏｎ ａｎｄ ｔｈｅ ｐｏｓｓｉｂｌｅ ｓａｎｄ ｌａｙｅｒｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｒｉｖｅｒｂｅｄ ｔｈｅ ｓａｆｅｔｙ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｓｅｅｐａｇｅ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ａｎｄ ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ｍｕｓｔ ｂｅ ｔａｋｅｎ ｂｅｆｏｒｅ ｔｈｅ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｏｆ ａ ｄａｍ ｏｎｔｈｉｓ ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｏｂｊｅｃｔ ｏｆ Ｄａｇｕｔａｎ Ｈｙｄｒｏｐｏｗｅｒ Ｓｔａｔｉｏｎ ｃｏｖｅｒｉｎｇ ｔｈｅ ｓａｎｄ ａｎｄ ｇｒａｖｅｌ ｓｔｒａｔｕｍ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ａｐｐｌｉｅｄ ｔｈｅ ｎｏｎｌｉｎｅａｒＤＰ ｃｏｎｓｔｉｔｕｔｉｖｅ ｍｏｄｅｌ ｔｏ ｃａｌｃｕｌａｔｅ ｗｉｔｈ ３Ｄ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ａｎｄ ｓｔｕｄｉｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｓｔｒｅｓｓ ａｎｄ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｏｆ ｓｌｕｉｃｅ ｃｈａｍｂｅｒａｎｄ ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｏｆ ｌｏｃｋ ｃｈａｍｂｅｒ ａｎｄ ｔｈｅ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ ｂｅｔｗｅｅｎ ａｄｊａｃｅｎｔ ｄａｍｓ ａｒｅ ｓｍａｌｌ ａｎｄｍｅｅｔ ｒｅｇｕｌａｔｏｒｙ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ Ｌｏｃｋ ｃｈａｍｂｅｒ ｉｓ ｍａｉｎｌｙ ｕｎｄｅｒ ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｖｅ ｓｔｒｅｓｓ ｔｈｅｒｅ ｅｘｉｓｔｓ ｓｔｒｅｓｓ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ ｐｈｅｎｏｍｅｎｏｎ ｐａｒｔｌｙ ｂｕｔ ｔｈｅｓｔｒｅｓｓ ｖａｌｕｅ ｕｎｄｅｒ ｔｈｅ ｐｅｒｍｉｔｔｉｎｇ ｒａｎｇｅ ｏｆ ｓｐｅｃｉｆｉｃａｔｉｏｎ ａｎｄ ｔｈｅ ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ ｂｅａｒｉｎｇ ｃａｐａｃｉｔｙ ａｎｄ ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ ｓｅｔｔｌｅｍｅｎｔ ａｌｌ ｍｅｅｔ ｒｅｇｕｌａｔｏｒｙｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓＫｅｙ ｗｏｒｄｓ ｓａｎｄｙ ｐｅｂｂｌｅ ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ ｔｈｒｅｅ ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｓｔｒｅｓｓ Ｄａｇｕｔａｎ Ｈｙｄｒｏｐｏｗｅｒ Ｓｔａｔｉｏｎ

【责任编辑　 张华岩】1050904105090410509041050904105090410509041050904105090410509041050904105090410509041050904105090410509041050904105090410509041050904105090410509041050904105090410509041050904105090410509041050904105090410509041050904105090410509041050904105090410509041050904105090410509041050904105090410509041050904105090410509041050904105090410509041050904（上接第 ８８ 页）ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｒａｉｎｆａｌｌ ｐａｔｔｅｒｎｓ （ ａｄｖａｎｃｅｄ ｄｅｌａｙｅｄ ｃｅｎｔｒａｌｉｚｅｄ ａｎｄ ａｖｅｒａｇｅ） ｗｈｉｃｈ ｈａｄ ｔｈｅ ｓａｍｅ ｐｒｅｃｉｐｉｔａｔｉｏｎ ａｎｄ ｄｕｒａｔｉｏｎ ａｎｄ ｕｔｉｌｉｚｅｄ ｔｈｅｐｒｏｇｒａｍ ＧｅｏＳｔｕｄｉｏ ｔｏ ｓｉｍｕｌａｔｅ ｔｈｅ ｖａｒｉａｔｉｏｎｓ ｏｆ ｐｏｒｅｗａｔｅｒ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ａｎｄ ｓｌｏｐｅ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ｆａｃｔｏｒ ｗｉｔｈ ｔｉｍｅ ａｔ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｐａｒｔｓ ｏｆ ａ ｓｏｉｌ ｓｌｏｐｅ Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓ ｉｎｄｉｃａｔｅ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｒａｉｎｆａｌｌ ｐａｔｔｅｒｎｓ ｈａｖｅ ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔ ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｎ ｔｈｅ ｒａｉｎｆａｌｌ ｉｎｆｉｌｔｒａｔｉｏｎ ｐｒｏｃｅｓｓ ａｎｄ ｔｈｅ ｓｌｏｐｅ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ａ ｓｏｉｌ ｓｌｏｐｅ ｔｈｅａｄｖａｎｃｅｄ ｐａｔｔｅｒｎ ｅｘｈｉｂｉｔｓ ｔｈｅ ｍｏｓｔ ｒｅｍａｒｋａｂｌｅ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｔｏ ｔｈｅ ｖａｒｉａｔｉｏｎ ｏｆ ｐｏｒｅｗａｔｅｒ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｉｎ ａ ｓｏｉｌ ｓｌｏｐｅ ａｎｄ ｔｈｕｓ ｉｎｄｕｃｅｓ ｔｈｅ ｌａｒｇｅｓｔｄｅｃｌｉｎｅ ｉｎ ｔｈｅ ｓｌｏｐｅ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ｆａｃｔｏｒ ｔｈｅ ｃｅｎｔｒａｌｉｚｅｄ ｐａｔｔｅｒｎ ａｎｄ ｔｈｅ ａｖｅｒａｇｅ ｐａｔｔｅｒｎ ａｒｅ ｉｎ ｔｕｒｎ ａｎｄ ｔｈｅ ｄｅｌａｙｅｄ ｐａｔｔｅｒｎ ｒｅｖｅａｌｓ ｔｈｅ ｍｏｓｔ ｇｅｎｔｌｅｆｌｕｃｔｕａｔｉｏｎ Ｍｏｒｅｏｖｅｒ ｔｈｅ ｖａｒｉａｔｉｏｎ ｏｆ ｐｏｒｅｗａｔｅｒ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ａｔ ｔｈｅ ｓｌｏｐｅ ｔｏｅ ｉｓ ｌａｒｇｅｒ ｔｈａｎ ｔｈａｔ ｏｆ ｔｈｅ ｍｉｄｄｌｅ ａｎｄ ｔｈｅ ｔｏｐ ｏｆ ｔｈｅ ｓｌｏｐｅ ａｎｄ ｔｈｅｅｆｆｅｃｔｓ ｏｆ ｒａｉｎｆａｌｌ ｏｎ ｔｈｅ ｐｏｒｅｗａｔｅｒ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ａｒｅ ｔｅｎｄ ｔｏ ｂｅ ｍｏｒｅ ｐｒｏｍｉｎｅｎｔ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｄｉｓｔａｎｃｅ ｆｒｏｍ ｔｈｅ ｓｌｏｐｅ ｓｕｒｆａｃｅ ｅｘｔｅｎｄｉｎｇＫｅｙ ｗｏｒｄｓ ｓｏｉｌｓｌｏｐｅ ｒａｉｎｆａｌｌ ｐａｔｔｅｒｎｓ ｓａｔｕｒａｔｅｄｕｎｓａｔｕｒａｔｅｄ ｔｈｅｏｒｙ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｒａｉｎｆａｌｌ ｉｎｆｉｌｔｒａｔｉｏｎ ｒｕｌｅ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ａｎａｌｙｓｉｓ

【责任编辑　 张智民】

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人 民 黄 河　 ２０１６ 年第 ４ 期

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图 ５　 Ａ 点孔隙水压力变化曲线

图 ６　 Ｄ 点孔隙水压力变化曲线

图 ７　 Ｃ 点孔隙水压力变化曲线

图 ２ 中距边坡表面不同深度的 ＢＤＥ 点在不同

降雨模式下孔隙水压力的变化情况分别见图 ８图 ６图 ９ 由图 ８图 ６图 ９ 比较可以看出４ 种降雨模式

中减弱型降雨模式对孔隙水压力的影响最大集中型

和平均型次之增加型最小同时随着深度的增加这种

影响越来越明显离坡面越近孔隙水压力前期变化越

明显而离坡面越远后期变化越明显在 Ｅ 点处孔隙

水压力极差可达 １０ ｋＰａ离坡面越近孔隙水压力变化

范围越大 结合降雨入渗规律和饱和－非饱和理论分析产生这些现象的主要原因增加型前期形成的过

渡区和传导区很小阻碍了后期降雨的入渗所以离坡

面越远这种差异越明显这也是导致离坡面越远孔隙

水压力相差越大的主要原因离坡面越近降雨入渗越

快随时间的延长入渗才可以慢慢渗入到深部因而

离坡面越近孔隙水压力前期变化越快离坡面越远后

期变化越快离坡面越近变化幅度越大

图 ８　 Ｂ 点孔隙水压力变化曲线

图 ９　 Ｅ 点孔隙水压力变化曲线

４　 边坡稳定性分析

４１　 稳定性分析理论

边坡处于饱和－非饱和状态时在地下水位线以

上存在着负的孔隙水压力即基质吸力影响到边坡的

稳定性 考虑到基质吸力对土体的抗剪强度及边坡的

稳定性有很大影响ＦＲＥＤＬＵＮＤ 等［１３］ 提出了饱和－非饱和状态下的 Ｍｏｈｒ－Ｃｏｕｌｏｍｂ 准则给出了抗剪强度 τｆ

和剪应力 τ 的计算公式τｆ ＝ ｃprime ＋ σｎ － ｕａ( ) ｔａｎ φprime ＋ ｕａ － ｕｗ( ) ｔａｎ φｂ

τ ＝σｙ － σｘ

２ｓｉｎ ２α ＋ τｘｙｃｏｓ ２α

σｎ ＝σｙ ＋ σｘ

２＋σｘ － σｙ

２ｃｏｓ ２α － τｘｙｓｉｎ ２α （２）

式中ｃprime为有效黏聚力σｎ为主应力 σｘσｙ为 ｘｙ 方向

的法向应力α 为 ｘ 方向与主应力的夹角ｕａ为孔隙气

压力ｕｗ为孔隙水压力τｘｙ为 ｘｙ 平面上的剪应力φprime为有效内摩擦角φｂ为非饱和摩擦角

用条分法进行分析时边坡安全系数计算公式为

Ｆｓ ＝sum｛ｃprimeβｃｏｓ γ ＋ ［Ｎ － ｕｗβ

ｔａｎ φｂ

ｔａｎ φprime－ ｕａβ（１ － ｔａｎ φｂ

ｔａｎ φprime）］ｔａｎ φprimeｃｏｓ γ｝

sumＮｓｉｎ γ ＋ sumｋＷ － sumＤｃｏｓ ω － sumＡ（３）

式中 β 为条块基底的长度 γ 为条块底边切线与水平

面的夹角 Ｎ 为条块底部的法向应力ｋＷ 为条块形心

受到的水平地震荷载 Ｄ 为线荷载 ω 为线荷载方向

与水平面的夹角 Ａ 为外部施加的水压力

４２　 稳定性分析

运用 Ｇｅｏ－ｓｔｕｄｉｏ 的 ｓｅｅｐ 模块得到孔隙水压力值导入 ｓｌｏｐｅ 模块计算边坡的稳定安全系数 Ｆｓ 本研

究主要针对土质边坡而土中以粉土比较常见所以计

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人 民 黄 河　 ２０１６ 年第 ４ 期

算参数按照粉土取值见表 １ ４ 种不同降雨模式下边

坡稳定安全系数变化情况见图 １０表 １　 边坡稳定性分析的计算参数

土体类型 重度 （ｋＮmiddotｍ－３） 黏聚力 ｃ ｋＰａ 摩擦角φ （deg）

粉土 １８ ４ ２２

图 １０　 边坡稳定安全系数随降雨历时的变化情况

从图 １０ 可以得到边坡的稳定安全系数随降雨入

渗时间延长而减小减幅最大的降雨模式是减弱型其次是集中型和平均型最小的是增加型最大降幅达到

００７６这也反映了减弱型降雨对土质边坡孔隙水压力

即基质吸力影响最大 降雨过程中边坡稳定安全系数

的变化情况减弱型降雨前期较后期大集中型降雨

１ ｄ内变化较小后 ３ ｄ 稳定安全系数直线下降总体

降幅也很大平均型降雨模式下的稳定安全系数变化

情况为先慢后快再慢再快但是总体降幅不是很大增加型降雨总体变化比较平缓 在初始水位作用下土质边坡的安全系数为 １１２６在 ４ 种降雨模式下 ４ ｄ 后

稳定性都有所下降极有可能诱发边坡的失稳

５　 结　 论

（１）降雨模式对土质边坡降雨入渗有显著的影

响在减弱型降雨模式下土质边坡孔隙水压力即基质

吸力变化最明显可以认为减弱型降雨模式是破坏最

严重的降雨模式（２）距坡面深度相同但部位（高程）不同的孔隙水

压力变化不同 减弱型降雨模式对坡脚影响最大对坡中部的影响次之对坡顶影响最小增加型降雨对土

质边坡孔隙水压力的影响较减弱型的小两者最大相

差 １０ ｋＰａ在坡中部距离边坡表面深度不同的孔隙水

压力变化也不相同４ 种降雨模式中减弱型降雨模式

影响最大集中型和平均型其次增加型最小同时随

着深度的增加这种影响越来越明显（３）经历总降雨量为 ２００ ｍｍ历时为 ４ ｄ 的 ４ 种

降雨模式土质边坡的稳定安全系数都有所下降减弱

型降雨模式最可能诱发土质边坡的失稳遇到此种降

雨模式必须对边坡采取处理措施

参考文献

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土入渗性能的影响［Ｊ］中国水土保持科学２００９７（２）１－６

［２］　 ＬＡＭ Ｌ ＦＲＥＤＬＵＮＤ Ｄ Ｇ ＢＡＲＢＯＵＲ Ｓ Ｌ Ｔｒａｎｓｉｅｎｔ Ｓｅｅｐａｇｅ Ｍｏｄｅｌ ｆｏｒ ＳａｔｕｒａｔｅｄＵｎｓａｔｕｒａｔｅｄ Ｓｏｉｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ ＡＧｅｏｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ａｐｐｒｏａｃｈ［ Ｊ］Ｃａｎａｄｉａｎ Ｇｅｏｔｅｈｎｉｃａｌ Ｊｏｕｒｎａｌ１９８７（２４）５６５－５８０

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性分析［Ｊ］水利学报２００８３９（９）１０６６－１０７３［４］　 ＢＲＡＮＤ Ｅ Ｗ Ｌａｎｄｓｌｉｄｅ Ｒｉｓｋ Ａｓｓｅｓｓｍｅｎｔ ｉｎ Ｈｏｎｇｋｏｎｇ ［Ｃ］

∥ＢＯＮＮＡＲＤ Ｃ Ｐｒｏｃ ５ｔｈ Ｓｙｍ ｏｎ Ｌａｎｄｓｌｉｄｅｓ ＬｏｎｄｏｎＩＣＥＰｕｂｌｉｓｈｉｎｇ１９８８１０５９－１０７４

［５］　 高华喜殷坤龙降雨与边坡灾害相关性分析及预警预报

阈值之探讨［Ｊ］岩土力学２００７２８（５）１０５４－１０６０［６］　 李裕元邵明安降雨条件下坡地水分转化特征试验研究

［Ｊ］水利学报２００４３５（４） ４８－５１［７］　 张亚丽李怀恩张兴昌等降雨－径流－土壤混合层深度

研究进展［Ｊ］ 农业工程学报２００７２３（９）２８３－２９０［８］ 　 ＴＳＡＩ Ｔ Ｌ Ｔｈｅ Ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ Ｒａｉｎｓｔｏｒｍ Ｐａｔｔｅｒｎ ｏｎ Ｓｈａｌｌｏｗ

Ｌａｎｄｓｉｄｅ ［ Ｊ］ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ Ｇｅｏｌｏｇｙ ２００８ ５３ １５６３ －１５６９

［９］　 ＮＧ Ｃ Ｗ Ｗ ＷＡＮＧ Ｂ Ｂ ＴＵＮＧ Ｙ Ｋ Ｔｈｒｅｅ－ＤｉｍｅｎｓｉｏｎａｌＮｕｍｅｒｉｃａｌ Ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎ ｏｆ Ｇｒｏｕｎｄｗａｔｅｒ Ｓｌｏｐｅ Ｓｕｂｊｅｃｔｅｄ ｔｏＶａｒｉｏｕｓ Ｒａｉｎｆａｌｌ Ｐａｔｔｅｒｎｓ［ Ｊ］ Ｃａｎａｄｉａｎ Ｇｅｏｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｊｏｕｒｎａｌ ２００１ ３８（５） １０４９－１０６２

［１０］　 张蔚榛 地下水与土壤水动力学［Ｍ］ 北京中国水利

水电出版社 １９９６ １－５［１１］　 雷志栋杨诗秀谢森传土壤动力学［Ｍ］ 北京清华大

学出版社１９９８３－１２［１２］　 ＮＩＮＧ Ｌ ＵＷＩＬＬＩＡＭ Ｊ 非饱和土力学［Ｍ］ 北京高等

教育出版社２０１２２６９－２７４［１３］　 ＦＲＥＤＬＵＮＤ Ｄ Ｇ ＲＡＨＡＲＤ Ｊ Ｏ Ｓｏｉｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃｓ ｆｏｒ Ｕｎ

ｓａｔｕａｔｅｄ Ｓｏｉｌｓ ［ Ｍ］ Ｎｅｗ Ｙｏｒｋ Ｊｏｈｎ ＷｉｌｅｙＳｏｎｓ ＩＮＣ１９９３ １０７－１１７

Ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ Ｒａｉｎｆａｌｌ Ｐａｔｔｅｒｎｓ ｏｎ ｔｈｅ Ｓｏｉｌ Ｓｌｏｐｅ ＳｔａｂｉｌｉｔｙＲＥＮ Ｊｉａ ＧＯＮＧ Ｌｉｇｕｏ

（Ｆａｃｕｌｔｙ ｏｆ Ｅｎｇｎｅｅｒｉｎｇ Ｃｈｉｎａ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｇｅｏｓｃｉｅｎｃｅｓ Ｗｕｈａｎ ４３００７４ Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｒａｉｎｆａｌｌ ｉｓ ｏｎｅ ｏｆ ｔｈｅ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｆａｃｔｏｒｓ ｒｅｌａｔｅｓ ｔｏ ｔｈｅ ｓｌｏｐｅ ｆａｉｌｕｒｅ Ｔｈｉｓ ｓｔｕｄｙ ａｎａｌｙｚｅｄ ｔｈｅ ｒａｉｎｆａｌｌ ｉｎｆｉｌｔｒａｔｉｏｎ ｐｒｏｃｅｓｓ ｆｏｒ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｒａｉｎｆａｌｌ ｐａｔｔｅｒｎｓ ｂｙ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ Ｏｎ ｔｈｅ ｂａｓｉｓ ｏｆ ｓａｔｕｒａｔｅｄｕｎｓａｔｕｒａｔｅｄ ｔｈｅｏｒｙ ａｎｄ ｓｌｏｐｅ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ａｎａｌｙｓｉｓ ｔｈｅｏｒｙ ｗｅ ｃｏｎｓｉｄｅｒｅｄ ｆｏｕｒ

（下转第 ９３ 页）middot８８middot

人 民 黄 河　 ２０１６ 年第 ４ 期

从表 ５ 可以看出完建工况和运行工况下坝基铅直向应力均不存在拉应力完建工况下坝趾铅直向应力最大为 ０２７ ＭＰａ运行工况下坝趾铅直向应力为０２６ ＭＰａ均小于地基允许承载力 ０６ ～ ０８ ＭＰａ满足规范要求

４　 结　 语

以坝址覆盖层为砂卵石层的打鼓滩水电站为例采用 Ｄ－Ｐ 非线性本构模型进行三维有限元数值模拟计算重点研究了河床覆盖层上闸室与闸基在各典型工况下的应力及变形 计算得出闸室变形量和不同坝段间的位移差较小满足规范要求闸室结构应力大部分表现为压应力只在局部存在应力集中现象但应力值在规范允许范围内地基承载力和地基沉降也满足规范要求

笔者采用 Ｄ－Ｐ 本构模型对土体进行模拟但土是一种非常复杂的材料［８］当岩土体受到外部荷载作用后其表现出的应力应变关系很复杂 目前国内外学者提出的各种本构模型都只能模拟在一定加载情况下特定土的主要本构特性［９］ 因此可以使用不同的本构模型进行对比分析进一步研究土的本构模型的优缺点与适用性从而提高计算的准确性 相邻建筑物

对变形应力会造成影响扩大模型的范围可更全面深入地研究坝基变形应力的特征 进一步优化三维有限元模型采用接触单元模拟不同坝段之间的沉降缝可更加真实地反映工程情况更深入地研究深厚覆盖层的不均匀性导致闸室的不均匀沉降问题

参考文献

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［２］　 谢红强有限元软件 ＡＮＳＹＳ 及其在水工中的高级应用

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学原理［Ｍ］北京中国建筑工业出版社２００２４１－８８［６］　 陈晓文杨光华不均匀地基上水闸底板内力分析［Ｊ］中

国农村水利水电２０１３（５）１１８－１２１［７］　 李吕英王利荣陈贤等双河水电站闸坝变形应力研究

［Ｊ］人民黄河２０１４３６（２）１１５－１１７［８］　 杨进良土力学［Ｍ］北京中国水利水电出版社２００９９［９］　 蒋彭年土的本构关系［Ｍ］北京科学出版社１９８２４７

Ｔｈｒｅｅ Ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ Ｆｉｎｉｔｅ Ｅｌｅｍｅｎｔ Ｓｔｒｅｓｓ Ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ａｎａｌｙｓｉｓｏｆ Ｄａｇｕｔａｎ Ｈｙｄｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｐｒｏｊｅｃｔ Ｓｌｕｉｃｅ

ＪＩＡＮＧ Ｙｕｎｌｏｎｇ ＺＨＡＮＧ Ｌｉｙｏｎｇ ＤＩＮＧ Ｚｈｅ ＬＩＡＯ Ｍｉｎｇｙｕ（Ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ａｎｄ ＨｙｄｒｏＥｌｅｃｔｒｉｃ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｓｉｃｈｕａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ Ｃｈｅｎｇｄｕ ６１００６５ Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｄｕｅ ｔｏ ｔｈｅ ｕｎｅｖｅｎ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｏｆ ｓａｎｄ ａｎｄ ｇｒａｖｅｌ ｓｔｒｏｎｇ ｐｅｒｍｅａｂｉｌｉｔｙ ｌａｒｇｅ ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ ｖａｒｉａｔｉｏｎ ａｎｄ ｔｈｅ ｐｏｓｓｉｂｌｅ ｓａｎｄ ｌａｙｅｒｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｒｉｖｅｒｂｅｄ ｔｈｅ ｓａｆｅｔｙ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｓｅｅｐａｇｅ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ａｎｄ ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ｍｕｓｔ ｂｅ ｔａｋｅｎ ｂｅｆｏｒｅ ｔｈｅ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｏｆ ａ ｄａｍ ｏｎｔｈｉｓ ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｏｂｊｅｃｔ ｏｆ Ｄａｇｕｔａｎ Ｈｙｄｒｏｐｏｗｅｒ Ｓｔａｔｉｏｎ ｃｏｖｅｒｉｎｇ ｔｈｅ ｓａｎｄ ａｎｄ ｇｒａｖｅｌ ｓｔｒａｔｕｍ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ａｐｐｌｉｅｄ ｔｈｅ ｎｏｎｌｉｎｅａｒＤＰ ｃｏｎｓｔｉｔｕｔｉｖｅ ｍｏｄｅｌ ｔｏ ｃａｌｃｕｌａｔｅ ｗｉｔｈ ３Ｄ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ａｎｄ ｓｔｕｄｉｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｓｔｒｅｓｓ ａｎｄ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｏｆ ｓｌｕｉｃｅ ｃｈａｍｂｅｒａｎｄ ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｏｆ ｌｏｃｋ ｃｈａｍｂｅｒ ａｎｄ ｔｈｅ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ ｂｅｔｗｅｅｎ ａｄｊａｃｅｎｔ ｄａｍｓ ａｒｅ ｓｍａｌｌ ａｎｄｍｅｅｔ ｒｅｇｕｌａｔｏｒｙ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ Ｌｏｃｋ ｃｈａｍｂｅｒ ｉｓ ｍａｉｎｌｙ ｕｎｄｅｒ ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｖｅ ｓｔｒｅｓｓ ｔｈｅｒｅ ｅｘｉｓｔｓ ｓｔｒｅｓｓ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ ｐｈｅｎｏｍｅｎｏｎ ｐａｒｔｌｙ ｂｕｔ ｔｈｅｓｔｒｅｓｓ ｖａｌｕｅ ｕｎｄｅｒ ｔｈｅ ｐｅｒｍｉｔｔｉｎｇ ｒａｎｇｅ ｏｆ ｓｐｅｃｉｆｉｃａｔｉｏｎ ａｎｄ ｔｈｅ ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ ｂｅａｒｉｎｇ ｃａｐａｃｉｔｙ ａｎｄ ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ ｓｅｔｔｌｅｍｅｎｔ ａｌｌ ｍｅｅｔ ｒｅｇｕｌａｔｏｒｙｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓＫｅｙ ｗｏｒｄｓ ｓａｎｄｙ ｐｅｂｂｌｅ ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ ｔｈｒｅｅ ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｓｔｒｅｓｓ Ｄａｇｕｔａｎ Ｈｙｄｒｏｐｏｗｅｒ Ｓｔａｔｉｏｎ

【责任编辑　 张华岩】1050904105090410509041050904105090410509041050904105090410509041050904105090410509041050904105090410509041050904105090410509041050904105090410509041050904105090410509041050904105090410509041050904105090410509041050904105090410509041050904105090410509041050904105090410509041050904105090410509041050904105090410509041050904105090410509041050904（上接第 ８８ 页）ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｒａｉｎｆａｌｌ ｐａｔｔｅｒｎｓ （ ａｄｖａｎｃｅｄ ｄｅｌａｙｅｄ ｃｅｎｔｒａｌｉｚｅｄ ａｎｄ ａｖｅｒａｇｅ） ｗｈｉｃｈ ｈａｄ ｔｈｅ ｓａｍｅ ｐｒｅｃｉｐｉｔａｔｉｏｎ ａｎｄ ｄｕｒａｔｉｏｎ ａｎｄ ｕｔｉｌｉｚｅｄ ｔｈｅｐｒｏｇｒａｍ ＧｅｏＳｔｕｄｉｏ ｔｏ ｓｉｍｕｌａｔｅ ｔｈｅ ｖａｒｉａｔｉｏｎｓ ｏｆ ｐｏｒｅｗａｔｅｒ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ａｎｄ ｓｌｏｐｅ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ｆａｃｔｏｒ ｗｉｔｈ ｔｉｍｅ ａｔ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｐａｒｔｓ ｏｆ ａ ｓｏｉｌ ｓｌｏｐｅ Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓ ｉｎｄｉｃａｔｅ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｒａｉｎｆａｌｌ ｐａｔｔｅｒｎｓ ｈａｖｅ ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔ ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｎ ｔｈｅ ｒａｉｎｆａｌｌ ｉｎｆｉｌｔｒａｔｉｏｎ ｐｒｏｃｅｓｓ ａｎｄ ｔｈｅ ｓｌｏｐｅ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ａ ｓｏｉｌ ｓｌｏｐｅ ｔｈｅａｄｖａｎｃｅｄ ｐａｔｔｅｒｎ ｅｘｈｉｂｉｔｓ ｔｈｅ ｍｏｓｔ ｒｅｍａｒｋａｂｌｅ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｔｏ ｔｈｅ ｖａｒｉａｔｉｏｎ ｏｆ ｐｏｒｅｗａｔｅｒ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｉｎ ａ ｓｏｉｌ ｓｌｏｐｅ ａｎｄ ｔｈｕｓ ｉｎｄｕｃｅｓ ｔｈｅ ｌａｒｇｅｓｔｄｅｃｌｉｎｅ ｉｎ ｔｈｅ ｓｌｏｐｅ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ｆａｃｔｏｒ ｔｈｅ ｃｅｎｔｒａｌｉｚｅｄ ｐａｔｔｅｒｎ ａｎｄ ｔｈｅ ａｖｅｒａｇｅ ｐａｔｔｅｒｎ ａｒｅ ｉｎ ｔｕｒｎ ａｎｄ ｔｈｅ ｄｅｌａｙｅｄ ｐａｔｔｅｒｎ ｒｅｖｅａｌｓ ｔｈｅ ｍｏｓｔ ｇｅｎｔｌｅｆｌｕｃｔｕａｔｉｏｎ Ｍｏｒｅｏｖｅｒ ｔｈｅ ｖａｒｉａｔｉｏｎ ｏｆ ｐｏｒｅｗａｔｅｒ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ａｔ ｔｈｅ ｓｌｏｐｅ ｔｏｅ ｉｓ ｌａｒｇｅｒ ｔｈａｎ ｔｈａｔ ｏｆ ｔｈｅ ｍｉｄｄｌｅ ａｎｄ ｔｈｅ ｔｏｐ ｏｆ ｔｈｅ ｓｌｏｐｅ ａｎｄ ｔｈｅｅｆｆｅｃｔｓ ｏｆ ｒａｉｎｆａｌｌ ｏｎ ｔｈｅ ｐｏｒｅｗａｔｅｒ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ａｒｅ ｔｅｎｄ ｔｏ ｂｅ ｍｏｒｅ ｐｒｏｍｉｎｅｎｔ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｄｉｓｔａｎｃｅ ｆｒｏｍ ｔｈｅ ｓｌｏｐｅ ｓｕｒｆａｃｅ ｅｘｔｅｎｄｉｎｇＫｅｙ ｗｏｒｄｓ ｓｏｉｌｓｌｏｐｅ ｒａｉｎｆａｌｌ ｐａｔｔｅｒｎｓ ｓａｔｕｒａｔｅｄｕｎｓａｔｕｒａｔｅｄ ｔｈｅｏｒｙ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｒａｉｎｆａｌｌ ｉｎｆｉｌｔｒａｔｉｏｎ ｒｕｌｅ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ａｎａｌｙｓｉｓ

【责任编辑　 张智民】

middot３９middot

人 民 黄 河　 ２０１６ 年第 ４ 期

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算参数按照粉土取值见表 １ ４ 种不同降雨模式下边

坡稳定安全系数变化情况见图 １０表 １　 边坡稳定性分析的计算参数

土体类型 重度 （ｋＮmiddotｍ－３） 黏聚力 ｃ ｋＰａ 摩擦角φ （deg）

粉土 １８ ４ ２２

图 １０　 边坡稳定安全系数随降雨历时的变化情况

从图 １０ 可以得到边坡的稳定安全系数随降雨入

渗时间延长而减小减幅最大的降雨模式是减弱型其次是集中型和平均型最小的是增加型最大降幅达到

００７６这也反映了减弱型降雨对土质边坡孔隙水压力

即基质吸力影响最大 降雨过程中边坡稳定安全系数

的变化情况减弱型降雨前期较后期大集中型降雨

１ ｄ内变化较小后 ３ ｄ 稳定安全系数直线下降总体

降幅也很大平均型降雨模式下的稳定安全系数变化

情况为先慢后快再慢再快但是总体降幅不是很大增加型降雨总体变化比较平缓 在初始水位作用下土质边坡的安全系数为 １１２６在 ４ 种降雨模式下 ４ ｄ 后

稳定性都有所下降极有可能诱发边坡的失稳

５　 结　 论

（１）降雨模式对土质边坡降雨入渗有显著的影

响在减弱型降雨模式下土质边坡孔隙水压力即基质

吸力变化最明显可以认为减弱型降雨模式是破坏最

严重的降雨模式（２）距坡面深度相同但部位（高程）不同的孔隙水

压力变化不同 减弱型降雨模式对坡脚影响最大对坡中部的影响次之对坡顶影响最小增加型降雨对土

质边坡孔隙水压力的影响较减弱型的小两者最大相

差 １０ ｋＰａ在坡中部距离边坡表面深度不同的孔隙水

压力变化也不相同４ 种降雨模式中减弱型降雨模式

影响最大集中型和平均型其次增加型最小同时随

着深度的增加这种影响越来越明显（３）经历总降雨量为 ２００ ｍｍ历时为 ４ ｄ 的 ４ 种

降雨模式土质边坡的稳定安全系数都有所下降减弱

型降雨模式最可能诱发土质边坡的失稳遇到此种降

雨模式必须对边坡采取处理措施

参考文献

［１］　 刘汗雷廷武赵军土壤初始含水率和降雨强度对黏黄

土入渗性能的影响［Ｊ］中国水土保持科学２００９７（２）１－６

［２］　 ＬＡＭ Ｌ ＦＲＥＤＬＵＮＤ Ｄ Ｇ ＢＡＲＢＯＵＲ Ｓ Ｌ Ｔｒａｎｓｉｅｎｔ Ｓｅｅｐａｇｅ Ｍｏｄｅｌ ｆｏｒ ＳａｔｕｒａｔｅｄＵｎｓａｔｕｒａｔｅｄ Ｓｏｉｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ ＡＧｅｏｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ａｐｐｒｏａｃｈ［ Ｊ］Ｃａｎａｄｉａｎ Ｇｅｏｔｅｈｎｉｃａｌ Ｊｏｕｒｎａｌ１９８７（２４）５６５－５８０

［３］　 周家文徐卫亚邓俊晔等降雨入渗条件下边坡的稳定

性分析［Ｊ］水利学报２００８３９（９）１０６６－１０７３［４］　 ＢＲＡＮＤ Ｅ Ｗ Ｌａｎｄｓｌｉｄｅ Ｒｉｓｋ Ａｓｓｅｓｓｍｅｎｔ ｉｎ Ｈｏｎｇｋｏｎｇ ［Ｃ］

∥ＢＯＮＮＡＲＤ Ｃ Ｐｒｏｃ ５ｔｈ Ｓｙｍ ｏｎ Ｌａｎｄｓｌｉｄｅｓ ＬｏｎｄｏｎＩＣＥＰｕｂｌｉｓｈｉｎｇ１９８８１０５９－１０７４

［５］　 高华喜殷坤龙降雨与边坡灾害相关性分析及预警预报

阈值之探讨［Ｊ］岩土力学２００７２８（５）１０５４－１０６０［６］　 李裕元邵明安降雨条件下坡地水分转化特征试验研究

［Ｊ］水利学报２００４３５（４） ４８－５１［７］　 张亚丽李怀恩张兴昌等降雨－径流－土壤混合层深度

研究进展［Ｊ］ 农业工程学报２００７２３（９）２８３－２９０［８］ 　 ＴＳＡＩ Ｔ Ｌ Ｔｈｅ Ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ Ｒａｉｎｓｔｏｒｍ Ｐａｔｔｅｒｎ ｏｎ Ｓｈａｌｌｏｗ

Ｌａｎｄｓｉｄｅ ［ Ｊ］ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ Ｇｅｏｌｏｇｙ ２００８ ５３ １５６３ －１５６９

［９］　 ＮＧ Ｃ Ｗ Ｗ ＷＡＮＧ Ｂ Ｂ ＴＵＮＧ Ｙ Ｋ Ｔｈｒｅｅ－ＤｉｍｅｎｓｉｏｎａｌＮｕｍｅｒｉｃａｌ Ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎ ｏｆ Ｇｒｏｕｎｄｗａｔｅｒ Ｓｌｏｐｅ Ｓｕｂｊｅｃｔｅｄ ｔｏＶａｒｉｏｕｓ Ｒａｉｎｆａｌｌ Ｐａｔｔｅｒｎｓ［ Ｊ］ Ｃａｎａｄｉａｎ Ｇｅｏｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｊｏｕｒｎａｌ ２００１ ３８（５） １０４９－１０６２

［１０］　 张蔚榛 地下水与土壤水动力学［Ｍ］ 北京中国水利

水电出版社 １９９６ １－５［１１］　 雷志栋杨诗秀谢森传土壤动力学［Ｍ］ 北京清华大

学出版社１９９８３－１２［１２］　 ＮＩＮＧ Ｌ ＵＷＩＬＬＩＡＭ Ｊ 非饱和土力学［Ｍ］ 北京高等

教育出版社２０１２２６９－２７４［１３］　 ＦＲＥＤＬＵＮＤ Ｄ Ｇ ＲＡＨＡＲＤ Ｊ Ｏ Ｓｏｉｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃｓ ｆｏｒ Ｕｎ

ｓａｔｕａｔｅｄ Ｓｏｉｌｓ ［ Ｍ］ Ｎｅｗ Ｙｏｒｋ Ｊｏｈｎ ＷｉｌｅｙＳｏｎｓ ＩＮＣ１９９３ １０７－１１７

Ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ Ｒａｉｎｆａｌｌ Ｐａｔｔｅｒｎｓ ｏｎ ｔｈｅ Ｓｏｉｌ Ｓｌｏｐｅ ＳｔａｂｉｌｉｔｙＲＥＮ Ｊｉａ ＧＯＮＧ Ｌｉｇｕｏ

（Ｆａｃｕｌｔｙ ｏｆ Ｅｎｇｎｅｅｒｉｎｇ Ｃｈｉｎａ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｇｅｏｓｃｉｅｎｃｅｓ Ｗｕｈａｎ ４３００７４ Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｒａｉｎｆａｌｌ ｉｓ ｏｎｅ ｏｆ ｔｈｅ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｆａｃｔｏｒｓ ｒｅｌａｔｅｓ ｔｏ ｔｈｅ ｓｌｏｐｅ ｆａｉｌｕｒｅ Ｔｈｉｓ ｓｔｕｄｙ ａｎａｌｙｚｅｄ ｔｈｅ ｒａｉｎｆａｌｌ ｉｎｆｉｌｔｒａｔｉｏｎ ｐｒｏｃｅｓｓ ｆｏｒ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｒａｉｎｆａｌｌ ｐａｔｔｅｒｎｓ ｂｙ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ Ｏｎ ｔｈｅ ｂａｓｉｓ ｏｆ ｓａｔｕｒａｔｅｄｕｎｓａｔｕｒａｔｅｄ ｔｈｅｏｒｙ ａｎｄ ｓｌｏｐｅ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ａｎａｌｙｓｉｓ ｔｈｅｏｒｙ ｗｅ ｃｏｎｓｉｄｅｒｅｄ ｆｏｕｒ

（下转第 ９３ 页）middot８８middot

人 民 黄 河　 ２０１６ 年第 ４ 期

从表 ５ 可以看出完建工况和运行工况下坝基铅直向应力均不存在拉应力完建工况下坝趾铅直向应力最大为 ０２７ ＭＰａ运行工况下坝趾铅直向应力为０２６ ＭＰａ均小于地基允许承载力 ０６ ～ ０８ ＭＰａ满足规范要求

４　 结　 语

以坝址覆盖层为砂卵石层的打鼓滩水电站为例采用 Ｄ－Ｐ 非线性本构模型进行三维有限元数值模拟计算重点研究了河床覆盖层上闸室与闸基在各典型工况下的应力及变形 计算得出闸室变形量和不同坝段间的位移差较小满足规范要求闸室结构应力大部分表现为压应力只在局部存在应力集中现象但应力值在规范允许范围内地基承载力和地基沉降也满足规范要求

笔者采用 Ｄ－Ｐ 本构模型对土体进行模拟但土是一种非常复杂的材料［８］当岩土体受到外部荷载作用后其表现出的应力应变关系很复杂 目前国内外学者提出的各种本构模型都只能模拟在一定加载情况下特定土的主要本构特性［９］ 因此可以使用不同的本构模型进行对比分析进一步研究土的本构模型的优缺点与适用性从而提高计算的准确性 相邻建筑物

对变形应力会造成影响扩大模型的范围可更全面深入地研究坝基变形应力的特征 进一步优化三维有限元模型采用接触单元模拟不同坝段之间的沉降缝可更加真实地反映工程情况更深入地研究深厚覆盖层的不均匀性导致闸室的不均匀沉降问题

参考文献

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［２］　 谢红强有限元软件 ＡＮＳＹＳ 及其在水工中的高级应用

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出版社２００７１６９［５］　 郑颖人沈珠江龚晓南广义塑性力学mdashmdashmdash岩土塑性力

学原理［Ｍ］北京中国建筑工业出版社２００２４１－８８［６］　 陈晓文杨光华不均匀地基上水闸底板内力分析［Ｊ］中

国农村水利水电２０１３（５）１１８－１２１［７］　 李吕英王利荣陈贤等双河水电站闸坝变形应力研究

［Ｊ］人民黄河２０１４３６（２）１１５－１１７［８］　 杨进良土力学［Ｍ］北京中国水利水电出版社２００９９［９］　 蒋彭年土的本构关系［Ｍ］北京科学出版社１９８２４７

Ｔｈｒｅｅ Ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ Ｆｉｎｉｔｅ Ｅｌｅｍｅｎｔ Ｓｔｒｅｓｓ Ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ａｎａｌｙｓｉｓｏｆ Ｄａｇｕｔａｎ Ｈｙｄｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｐｒｏｊｅｃｔ Ｓｌｕｉｃｅ

ＪＩＡＮＧ Ｙｕｎｌｏｎｇ ＺＨＡＮＧ Ｌｉｙｏｎｇ ＤＩＮＧ Ｚｈｅ ＬＩＡＯ Ｍｉｎｇｙｕ（Ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ａｎｄ ＨｙｄｒｏＥｌｅｃｔｒｉｃ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｓｉｃｈｕａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ Ｃｈｅｎｇｄｕ ６１００６５ Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｄｕｅ ｔｏ ｔｈｅ ｕｎｅｖｅｎ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｏｆ ｓａｎｄ ａｎｄ ｇｒａｖｅｌ ｓｔｒｏｎｇ ｐｅｒｍｅａｂｉｌｉｔｙ ｌａｒｇｅ ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ ｖａｒｉａｔｉｏｎ ａｎｄ ｔｈｅ ｐｏｓｓｉｂｌｅ ｓａｎｄ ｌａｙｅｒｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｒｉｖｅｒｂｅｄ ｔｈｅ ｓａｆｅｔｙ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｓｅｅｐａｇｅ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ａｎｄ ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ｍｕｓｔ ｂｅ ｔａｋｅｎ ｂｅｆｏｒｅ ｔｈｅ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｏｆ ａ ｄａｍ ｏｎｔｈｉｓ ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｏｂｊｅｃｔ ｏｆ Ｄａｇｕｔａｎ Ｈｙｄｒｏｐｏｗｅｒ Ｓｔａｔｉｏｎ ｃｏｖｅｒｉｎｇ ｔｈｅ ｓａｎｄ ａｎｄ ｇｒａｖｅｌ ｓｔｒａｔｕｍ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ａｐｐｌｉｅｄ ｔｈｅ ｎｏｎｌｉｎｅａｒＤＰ ｃｏｎｓｔｉｔｕｔｉｖｅ ｍｏｄｅｌ ｔｏ ｃａｌｃｕｌａｔｅ ｗｉｔｈ ３Ｄ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ａｎｄ ｓｔｕｄｉｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｓｔｒｅｓｓ ａｎｄ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｏｆ ｓｌｕｉｃｅ ｃｈａｍｂｅｒａｎｄ ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｏｆ ｌｏｃｋ ｃｈａｍｂｅｒ ａｎｄ ｔｈｅ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ ｂｅｔｗｅｅｎ ａｄｊａｃｅｎｔ ｄａｍｓ ａｒｅ ｓｍａｌｌ ａｎｄｍｅｅｔ ｒｅｇｕｌａｔｏｒｙ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ Ｌｏｃｋ ｃｈａｍｂｅｒ ｉｓ ｍａｉｎｌｙ ｕｎｄｅｒ ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｖｅ ｓｔｒｅｓｓ ｔｈｅｒｅ ｅｘｉｓｔｓ ｓｔｒｅｓｓ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ ｐｈｅｎｏｍｅｎｏｎ ｐａｒｔｌｙ ｂｕｔ ｔｈｅｓｔｒｅｓｓ ｖａｌｕｅ ｕｎｄｅｒ ｔｈｅ ｐｅｒｍｉｔｔｉｎｇ ｒａｎｇｅ ｏｆ ｓｐｅｃｉｆｉｃａｔｉｏｎ ａｎｄ ｔｈｅ ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ ｂｅａｒｉｎｇ ｃａｐａｃｉｔｙ ａｎｄ ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ ｓｅｔｔｌｅｍｅｎｔ ａｌｌ ｍｅｅｔ ｒｅｇｕｌａｔｏｒｙｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓＫｅｙ ｗｏｒｄｓ ｓａｎｄｙ ｐｅｂｂｌｅ ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ ｔｈｒｅｅ ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｓｔｒｅｓｓ Ｄａｇｕｔａｎ Ｈｙｄｒｏｐｏｗｅｒ Ｓｔａｔｉｏｎ

【责任编辑　 张华岩】1050904105090410509041050904105090410509041050904105090410509041050904105090410509041050904105090410509041050904105090410509041050904105090410509041050904105090410509041050904105090410509041050904105090410509041050904105090410509041050904105090410509041050904105090410509041050904105090410509041050904105090410509041050904105090410509041050904（上接第 ８８ 页）ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｒａｉｎｆａｌｌ ｐａｔｔｅｒｎｓ （ ａｄｖａｎｃｅｄ ｄｅｌａｙｅｄ ｃｅｎｔｒａｌｉｚｅｄ ａｎｄ ａｖｅｒａｇｅ） ｗｈｉｃｈ ｈａｄ ｔｈｅ ｓａｍｅ ｐｒｅｃｉｐｉｔａｔｉｏｎ ａｎｄ ｄｕｒａｔｉｏｎ ａｎｄ ｕｔｉｌｉｚｅｄ ｔｈｅｐｒｏｇｒａｍ ＧｅｏＳｔｕｄｉｏ ｔｏ ｓｉｍｕｌａｔｅ ｔｈｅ ｖａｒｉａｔｉｏｎｓ ｏｆ ｐｏｒｅｗａｔｅｒ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ａｎｄ ｓｌｏｐｅ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ｆａｃｔｏｒ ｗｉｔｈ ｔｉｍｅ ａｔ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｐａｒｔｓ ｏｆ ａ ｓｏｉｌ ｓｌｏｐｅ Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓ ｉｎｄｉｃａｔｅ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｒａｉｎｆａｌｌ ｐａｔｔｅｒｎｓ ｈａｖｅ ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔ ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｎ ｔｈｅ ｒａｉｎｆａｌｌ ｉｎｆｉｌｔｒａｔｉｏｎ ｐｒｏｃｅｓｓ ａｎｄ ｔｈｅ ｓｌｏｐｅ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ａ ｓｏｉｌ ｓｌｏｐｅ ｔｈｅａｄｖａｎｃｅｄ ｐａｔｔｅｒｎ ｅｘｈｉｂｉｔｓ ｔｈｅ ｍｏｓｔ ｒｅｍａｒｋａｂｌｅ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｔｏ ｔｈｅ ｖａｒｉａｔｉｏｎ ｏｆ ｐｏｒｅｗａｔｅｒ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｉｎ ａ ｓｏｉｌ ｓｌｏｐｅ ａｎｄ ｔｈｕｓ ｉｎｄｕｃｅｓ ｔｈｅ ｌａｒｇｅｓｔｄｅｃｌｉｎｅ ｉｎ ｔｈｅ ｓｌｏｐｅ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ｆａｃｔｏｒ ｔｈｅ ｃｅｎｔｒａｌｉｚｅｄ ｐａｔｔｅｒｎ ａｎｄ ｔｈｅ ａｖｅｒａｇｅ ｐａｔｔｅｒｎ ａｒｅ ｉｎ ｔｕｒｎ ａｎｄ ｔｈｅ ｄｅｌａｙｅｄ ｐａｔｔｅｒｎ ｒｅｖｅａｌｓ ｔｈｅ ｍｏｓｔ ｇｅｎｔｌｅｆｌｕｃｔｕａｔｉｏｎ Ｍｏｒｅｏｖｅｒ ｔｈｅ ｖａｒｉａｔｉｏｎ ｏｆ ｐｏｒｅｗａｔｅｒ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ａｔ ｔｈｅ ｓｌｏｐｅ ｔｏｅ ｉｓ ｌａｒｇｅｒ ｔｈａｎ ｔｈａｔ ｏｆ ｔｈｅ ｍｉｄｄｌｅ ａｎｄ ｔｈｅ ｔｏｐ ｏｆ ｔｈｅ ｓｌｏｐｅ ａｎｄ ｔｈｅｅｆｆｅｃｔｓ ｏｆ ｒａｉｎｆａｌｌ ｏｎ ｔｈｅ ｐｏｒｅｗａｔｅｒ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ａｒｅ ｔｅｎｄ ｔｏ ｂｅ ｍｏｒｅ ｐｒｏｍｉｎｅｎｔ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｄｉｓｔａｎｃｅ ｆｒｏｍ ｔｈｅ ｓｌｏｐｅ ｓｕｒｆａｃｅ ｅｘｔｅｎｄｉｎｇＫｅｙ ｗｏｒｄｓ ｓｏｉｌｓｌｏｐｅ ｒａｉｎｆａｌｌ ｐａｔｔｅｒｎｓ ｓａｔｕｒａｔｅｄｕｎｓａｔｕｒａｔｅｄ ｔｈｅｏｒｙ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｒａｉｎｆａｌｌ ｉｎｆｉｌｔｒａｔｉｏｎ ｒｕｌｅ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ａｎａｌｙｓｉｓ

【责任编辑　 张智民】

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人 民 黄 河　 ２０１６ 年第 ４ 期

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从表 ５ 可以看出完建工况和运行工况下坝基铅直向应力均不存在拉应力完建工况下坝趾铅直向应力最大为 ０２７ ＭＰａ运行工况下坝趾铅直向应力为０２６ ＭＰａ均小于地基允许承载力 ０６ ～ ０８ ＭＰａ满足规范要求

４　 结　 语

以坝址覆盖层为砂卵石层的打鼓滩水电站为例采用 Ｄ－Ｐ 非线性本构模型进行三维有限元数值模拟计算重点研究了河床覆盖层上闸室与闸基在各典型工况下的应力及变形 计算得出闸室变形量和不同坝段间的位移差较小满足规范要求闸室结构应力大部分表现为压应力只在局部存在应力集中现象但应力值在规范允许范围内地基承载力和地基沉降也满足规范要求

笔者采用 Ｄ－Ｐ 本构模型对土体进行模拟但土是一种非常复杂的材料［８］当岩土体受到外部荷载作用后其表现出的应力应变关系很复杂 目前国内外学者提出的各种本构模型都只能模拟在一定加载情况下特定土的主要本构特性［９］ 因此可以使用不同的本构模型进行对比分析进一步研究土的本构模型的优缺点与适用性从而提高计算的准确性 相邻建筑物

对变形应力会造成影响扩大模型的范围可更全面深入地研究坝基变形应力的特征 进一步优化三维有限元模型采用接触单元模拟不同坝段之间的沉降缝可更加真实地反映工程情况更深入地研究深厚覆盖层的不均匀性导致闸室的不均匀沉降问题

参考文献

［１］　 李皓月周田朋刘相新ＡＮＳＹＳ 工程计算应用教程［Ｍ］北京中国铁道出版社２００３４０

［２］　 谢红强有限元软件 ＡＮＳＹＳ 及其在水工中的高级应用

［Ｍ］成都四川大学２００６１５９［３］　 朱伯芳有限元法原理与应用［Ｍ］北京中国水利水电出

版社１９９８４７７［４］　 常士骠张苏民工程地质手册［Ｍ］北京中国建筑工业

出版社２００７１６９［５］　 郑颖人沈珠江龚晓南广义塑性力学mdashmdashmdash岩土塑性力

学原理［Ｍ］北京中国建筑工业出版社２００２４１－８８［６］　 陈晓文杨光华不均匀地基上水闸底板内力分析［Ｊ］中

国农村水利水电２０１３（５）１１８－１２１［７］　 李吕英王利荣陈贤等双河水电站闸坝变形应力研究

［Ｊ］人民黄河２０１４３６（２）１１５－１１７［８］　 杨进良土力学［Ｍ］北京中国水利水电出版社２００９９［９］　 蒋彭年土的本构关系［Ｍ］北京科学出版社１９８２４７

Ｔｈｒｅｅ Ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ Ｆｉｎｉｔｅ Ｅｌｅｍｅｎｔ Ｓｔｒｅｓｓ Ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ａｎａｌｙｓｉｓｏｆ Ｄａｇｕｔａｎ Ｈｙｄｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｐｒｏｊｅｃｔ Ｓｌｕｉｃｅ

ＪＩＡＮＧ Ｙｕｎｌｏｎｇ ＺＨＡＮＧ Ｌｉｙｏｎｇ ＤＩＮＧ Ｚｈｅ ＬＩＡＯ Ｍｉｎｇｙｕ（Ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ａｎｄ ＨｙｄｒｏＥｌｅｃｔｒｉｃ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｓｉｃｈｕａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ Ｃｈｅｎｇｄｕ ６１００６５ Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｄｕｅ ｔｏ ｔｈｅ ｕｎｅｖｅｎ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｏｆ ｓａｎｄ ａｎｄ ｇｒａｖｅｌ ｓｔｒｏｎｇ ｐｅｒｍｅａｂｉｌｉｔｙ ｌａｒｇｅ ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ ｖａｒｉａｔｉｏｎ ａｎｄ ｔｈｅ ｐｏｓｓｉｂｌｅ ｓａｎｄ ｌａｙｅｒｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｒｉｖｅｒｂｅｄ ｔｈｅ ｓａｆｅｔｙ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｓｅｅｐａｇｅ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ａｎｄ ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ｍｕｓｔ ｂｅ ｔａｋｅｎ ｂｅｆｏｒｅ ｔｈｅ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｏｆ ａ ｄａｍ ｏｎｔｈｉｓ ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｏｂｊｅｃｔ ｏｆ Ｄａｇｕｔａｎ Ｈｙｄｒｏｐｏｗｅｒ Ｓｔａｔｉｏｎ ｃｏｖｅｒｉｎｇ ｔｈｅ ｓａｎｄ ａｎｄ ｇｒａｖｅｌ ｓｔｒａｔｕｍ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ａｐｐｌｉｅｄ ｔｈｅ ｎｏｎｌｉｎｅａｒＤＰ ｃｏｎｓｔｉｔｕｔｉｖｅ ｍｏｄｅｌ ｔｏ ｃａｌｃｕｌａｔｅ ｗｉｔｈ ３Ｄ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ａｎｄ ｓｔｕｄｉｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｓｔｒｅｓｓ ａｎｄ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｏｆ ｓｌｕｉｃｅ ｃｈａｍｂｅｒａｎｄ ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｏｆ ｌｏｃｋ ｃｈａｍｂｅｒ ａｎｄ ｔｈｅ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ ｂｅｔｗｅｅｎ ａｄｊａｃｅｎｔ ｄａｍｓ ａｒｅ ｓｍａｌｌ ａｎｄｍｅｅｔ ｒｅｇｕｌａｔｏｒｙ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ Ｌｏｃｋ ｃｈａｍｂｅｒ ｉｓ ｍａｉｎｌｙ ｕｎｄｅｒ ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｖｅ ｓｔｒｅｓｓ ｔｈｅｒｅ ｅｘｉｓｔｓ ｓｔｒｅｓｓ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ ｐｈｅｎｏｍｅｎｏｎ ｐａｒｔｌｙ ｂｕｔ ｔｈｅｓｔｒｅｓｓ ｖａｌｕｅ ｕｎｄｅｒ ｔｈｅ ｐｅｒｍｉｔｔｉｎｇ ｒａｎｇｅ ｏｆ ｓｐｅｃｉｆｉｃａｔｉｏｎ ａｎｄ ｔｈｅ ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ ｂｅａｒｉｎｇ ｃａｐａｃｉｔｙ ａｎｄ ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ ｓｅｔｔｌｅｍｅｎｔ ａｌｌ ｍｅｅｔ ｒｅｇｕｌａｔｏｒｙｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓＫｅｙ ｗｏｒｄｓ ｓａｎｄｙ ｐｅｂｂｌｅ ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ ｔｈｒｅｅ ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｓｔｒｅｓｓ Ｄａｇｕｔａｎ Ｈｙｄｒｏｐｏｗｅｒ Ｓｔａｔｉｏｎ

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【责任编辑　 张智民】

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