Geoslope在工程应用中竖向边界选取问题的探讨

刘奉银，刘国栋，张 瑞，张 斌（．西安理工大学水利水电学院，西安 70048；．青海黄河水电公司工程建设分公司，青海贵德 8700）

Geoslope在工程应用中竖向边界选取问题的探讨

刘奉银1，刘国栋1，张 瑞1，张 斌2
（1．西安理工大学水利水电学院，西安 710048；2．青海黄河水电公司工程建设分公司，青海贵德 811700）

以西安市某均质土坝为例，在上下游地层竖向边界不设置边界条件、加透水边界、加无限边界和无限边界加透水边界等条件下，计算了大坝和坝基渗流场，并进而采用Seep和Slope耦合，研究了边界条件的选取对渗流及边坡稳定的影响，得出如下结论：竖向边界简单取为无限边界时计算结果与实际不符；加透水边界时计算的渗流量和下游坡脚处的水力坡降符合实测资料，安全系数大小也比较可信。该结论可为边界条件的选取提供参考。

边界条件；边坡；渗流

1 概 述

Geoslope软件是由GEOSLOPE公司开发的一个岩土工程计算的综合性软件，与渗流计算结合时，可计算在降雨、库水位升降、地震及其不同组合情况下的边坡稳定性，被广泛应用于岩土工程计算与专业的研究。吴宏伟等［1］用Slope结合Seep研究了不同降雨强度、雨型、边坡土体渗透系数、坡面护坡、阻水层埋深等对一简单人工土坡稳定的影响；H．Rahardjo等［2］用Slope结合Seep研究了土类、坡角、降雨强度、坡高、地下水位对边坡稳定的影响；王晓燕［3］用Seep研究了在防渗墙不同的深度情况下的渗流量与关键部位的水力坡降。虽然该软件应用广泛，但因其复杂性，在实际应用中还有一些地方需要探讨。

本文结合一工程实例，对用Seep与Slope计算渗流和边坡稳定性过程中应注意的边界条件选取问题进行比较论证，供使用该软件时参考。

图1 大坝断面图Fig．1 Crosssection of the dam

2 坝体模型及材料参数

2．1 模 型

本文结合西安市某均质坝，剖面图见图1的计算进行分析，坝基从上到下的地层分别为壤土、砂砾石层和红黏土，坝前壤土层上有厚19．35 m的淤泥。

在计算模型中，上下游的水位分别在572．91 m、537．76 m高程处，坐标原点设在迎水面坡脚处，地层取到第三个地层红黏土层，地层总深度20．0 m，计算范围从坐标原点向上游取40．0 m，向下游取210．0 m（在X轴方向上总共250．0 m）。

2．2 材料参数

模型涉及到坝体土料、坝前淤泥、棱体砂砾料、壤土层、砂砾石层及红黏土层6种材料，材料强度准则采用MohrCoulomb准则，不考虑吸力摩擦角φb的变化对边坡安全系数的影响。材料的物理力学性质参数如表1。

表1 材料参数表Table 1 M aterial property parameters

土水特征曲线采用Van Genuchten理论［4］

式中：θw为体积含水量；θr为残余含水量；θs为饱和含水量；ψ为吸力；a，m，n为土水特征曲线拟合参数。

渗流分析的材料参数如表2。

表2 渗透系数及土水特征曲线参数Table 2 Permeability coefficient and SWCC parameters

3 计算分析中边界选取问题

地层竖向边界通常选取无限元，但这种边界条件仍存在疑问。如在左右2个方向的竖直边界上可以加无限边界；或加上透水边界；或结合这两者。本节内容将围绕这一问题，对左右2个方向上的竖直边界上：①无竖直边界；②竖直边界上加无限单元；③加透水边界；④既加无限单元又加透水边界等不同边界条件下计算结果的对比，分析边界条件的合理设置问题。

图2中给出了采用前面4种边界时背水面边坡滑动面形状及边坡安全系数。由图2和表3可知，不同的地层竖直边界对边坡滑动面形状及安全系数影响很大。

为了模拟实际无限远处的边界情况，很多工程计算人员只给左右边界加无限边界。从表3的数据可以看到，加无限边界后逸出口处水力坡降显著增大；并且浸润线表现出上凸的趋势，几乎与背水面坡面相切，至排水棱体处骤然下降；因为逸出口处水力坡降非常大，所以背水面边坡的最危险滑面在坡脚附近，安全系数下降到0．968，而此坝在经历了2008年5月12日地震后仍然运行正常。由此可知，软件Slope／w中提供的无限单元边界，其计算结果还存在疑点，它能使断面流量减小，局部水力坡降结果与实测不符。

图2 不同竖向地层边界条件下的计算结果Fig．2 The computed results under different vertical boundaries

表3 不同竖直边界时的计算结果Table 3 The calculated results under different vertical boundaries

在加透水边界后，总流量增加，出溢流量减小，逸出口处的水力坡降下降，背水面边坡安全系数有所增大，滑动面大小和滑坡方量有所增加。结合以上和渗流计算的流线形态和水头等势线形态来看，加透水边界符合实际情况。

我们再来看这几个边界条件下流速矢量图（见图3），可以看出在无竖直边界的情况下，流速在上部壤土层中X方向上185～210 m内迅速减小为0，这显然与实际不符；而设为无限边界的情况下，流速的减小速率明显变缓；设为透水边界时在这个范围内流速几乎不变，地层右边界处的流速很大；无限边界加透水边界时壤土层中的流速减小速率非常小，流速也非常小。而实际情况是在壤土层中，水平方向上25 m的距离不足以引起流速明显的改变。

由以上所述可得，Seep／w中所提供的无限边界在实际中会带来一些不客观的计算结果；而左右边界为透水边界所得结果和实际情况更接近，所以笔者建议采用透水边界。

图3 流速矢量图Fig．3 Vector diagram of flow velocity

4 结 语

用Seep／w结合Slope／w对西安某水库大坝在有渗流作用下的边坡安全系数进行了计算，探讨了不同的地层竖向边界条件对渗流计算的影响。得出如下认识：

地层左右竖直边界设为无限边界时，在坡脚逸出处水力坡降异常增大，下游出溢流量比工程的实际监测结果大，计算的安全系数较小；左右边界设为透水边界时，流量、流线和水力坡降分布更客观，认为应选择左右边界加透水边界。

［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（1）：1－14．（WU Hongwei，CHEN Shouyi，PANG Yuwei．Parametric study of effects of rain infiltration on unsaturated slopes［J］．Rock and Soil Mechanics，1999，20（1）：1－14．（in Chinese））

［2］ RAHARDJO H，ONG T H，REZAUR R B，et al．Factors controlling instability of homogeneous soil slopes 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：西安理工大学，2008．（WANG Xiaoyan．Study on depth optimization design of suspended concrete cutoff wall［D］．Xi’an：Xi’an University of Technology，2008．（in Chinese））

［4］ VAN GENUCHTEN M TH．A closedform equation for predicting the hydraulic conductivity of unsaturated soil［J］．Soil Science Society of America Journal，1980，44：892－898．

（编辑：王 慰）

On Vertical Boundary Conditions Selection in Practical Engineering w ith Geoslope

LIU Fengyin1，LIU Guodong1，ZHANG Rui1，ZHONG Bin2
（1．Institute of Geotechnical Engineering，Xi＇an University of Technology，Xi’an 710048，China；2．Qinghai Upper Huanghe River Hydropower Develepment Co．Ltd，Qinghai 811700，China）

The coupled seepage and safety factors are calculated in some homogeneous dam in Xi’an City under the following four boundary conditions，i．e．not setting vertical boundaries，setting a permeable boundary，adding an infinite boundary and instituting both infinite and permeable condition．The slope stability is analyzed with slope calculation considering seepage．The calculated result shows that it is not coincidentwith themeasured data under the infinite boundary condition，while that it is in accordance with the measured data under permeable boundary condition．The conclusion could provide a reference in setting the boundary condition．

boundary condition；slope；seepage

TU432

A

1001－5485（2010）07－0076－03

20090923；

20100217

国家自然科学基金项目（10872162）；陕西省黄土力学与工程重点实验室基金项目（05JS33）

刘奉银（1968），男，山东滕州人，副教授，主要从事黄土力学与非饱和土力学方面的研究工作，（电话）02982312660（电子信箱）liufy＠sina．com。