降雨入渗稳定分析参数研究课件.ppt

1、分析工具分析工具資料收集資料收集分析方法分析方法 SEEP/W-滲流分析滲流分析 SLOPE/W-穩定性分析穩定性分析影響因子參數設定影響因子參數設定流程圖流程圖簡報流程簡報流程前言前言 GEO-Studio 2007流流 程程 圖圖降雨邊坡穩定性各項影響因子之參數研究降雨邊坡穩定性各項影響因子之參數研究影響因子之參數研究影響因子之參數研究1.1. 地形因子：坡高、坡度地形因子：坡高、坡度2.2. 地質因子：地質因子： C C、 b b、k(u)uk(u)u3.3. 降雨型態、降雨強度、降雨型態、降雨強度、 初始地下水水位初始地下水水位降雨入滲分析降雨入滲分析( (有限元素分析有限元素分析)降

2、雨邊坡穩定分析降雨邊坡穩定分析( (極限平衡法分析極限平衡法分析) )邊坡穩定安全係數與邊坡穩定安全係數與影響因子關係圖表製作影響因子關係圖表製作前前 言言雖然評分的方式種類繁多，但在評分的過程中，卻無法將降雨造成坡地崩塌之機制加以呈現並納入考量，而只侷限於各種山崩潛感影響因子之討論。為進行坡地崩塌災害之數值模擬及參數研究，本研究採用二維有限元素法及極限平衡法來進行滲流數值模擬及邊坡穩定分析。本研究期望藉由數值分析的方式來探討降雨對坡地不穩定性的影響以及降雨促成坡地瀕臨崩塌臨界點時之破壞機制。另外，坡地崩塌的可能影響因子繁多。針對台灣之坡地災害問題，主要以崩塌所誘發之因子較為廣泛研究。在山崩潛

3、感之傳統分析及評估方面，大多是以統計的方式，針對造成邊坡破壞的各種潛在因子給予不同之權重後進行評分式分析。透過颱風期間之降雨入滲、雨水滲流、地下水位變動及地層孔隙水壓變化之計算成果，可對坡地在降雨期間之崩塌機制進行合理的詮釋。 因此，如何將較具有代表性且可掌握性的影響因子定量化，再以數值模擬的方式來探討各影響因子在坡地崩塌中所扮演角色之輕重，也是本研究之重點。另外，藉由特定之單峰降雨型態、降雨強度、地層材料、邊坡坡角與坡度高度等邊坡穩定影響因子之變化，進行參數研究。再依據數值分析成果以量化方式來評估各影響因子對坡地崩塌災害之實際影響度。前前 言言影響因子說明坡度 ()16.721.828.8

4、45坡高 H(m)51015土層有效應力凝聚力C(kN/m2)101520土層有效應力內摩擦角 ()20253035土層的單位重 (kN/m3)18.9420.9422.94未飽和土層之當量吸力摩擦角 b()101520土層之水力傳導係數函數k(u)uk(u)0.1uk(u)uk(u)10u降雨雨型降雨延時 T颱風(三角形單峰降雨歷線)T=25 hr梅雨(不規則多峰降雨歷線)T=25 hr平均降雨強度I (mm/hr)101520平均降雨強度I (10-6m/sec)2.84.25.6初始地下水水位深度hwo (m)1.53.57影響因子影響因子1. 三角形單峰降雨歷線-颱風雨型 為提升數值分

5、析研究成果之通用性，乃選用一般常見之設計降雨歷線進行分析，而採用之降雨延時乃依台灣地區主要降雨期間之延時記錄，先考量為25 hr，而其平均降雨強度I (mm/hr)乃依據近年台灣數場颱風降雨記錄資料（桃芝颱風I=10.94 mm/hr，碧利斯颱風I=7.42 mm/hr，艾莉颱風I=7.42 mm/hr，敏督利颱風I=8.02 mm/hr）及台灣一般山坡地致災日累積降雨量400 mm(I=16.66 mm/hr)來決定。經由簡單計算( I= Pi/25 )可求得平均降雨強度I (=10，15，20 mm/hr)之3組三角形單峰降雨歷線，並作為本研究之降雨歷線輸入資料。降雨型態及延時降雨型態及延

6、時水水 文文2. 不規則多峰降雨歷線-梅雨雨型 梅雨降雨量於時間上之分佈呈現平均現象，各時段降雨量百分比(各時段降雨量100%/總降雨量)均介於510間，尖峰降雨不甚明顯，此顯示梅雨降雨分佈型態具有較為平穩且降雨量變化性不大的特性，因此將梅雨降雨歷線定義為不規則多峰降雨歷線。降雨型態及延時降雨型態及延時水水 文文滲流及穩定分析滲流及穩定分析 之數值模型之數值模型GEO-Studio 2007SIGMA/W 2007CTRAN/W 2007AIR/W 2007TEMP/W 2007VODASE/W 2007QUAKE/W 2007分析工具分析工具SLOPE/W 2007SEEP/W 20071.

7、1. 耦合分析耦合分析2.2. 多場耦合多場耦合3.3. 材料模型材料模型4.4. 網格劃分功能網格劃分功能5.5. 等勢線圖生成等勢線圖生成6.6. 等勢線動畫演示等勢線動畫演示7.7. 提高函數的定義能力提高函數的定義能力8.8. 後處理結果快速生成後處理結果快速生成9.9. 基質吸力基質吸力10.10.繪圖功能繪圖功能工具功能工具功能 SEEP/W採用採用有限元素法有限元素法求解飽和與求解飽和與不飽和土層（含岩層）之滲流問題，不飽和土層（含岩層）之滲流問題，藉由多孔分析材料藉由多孔分析材料(如土壤、岩石如土壤、岩石)中中之之孔隙水壓的變化孔隙水壓的變化來求得水流路徑、來求得水流路徑、流速

8、大小及水壓分布，以模擬地下水流速大小及水壓分布，以模擬地下水在岩石和土層內之在岩石和土層內之滲流行為滲流行為及及水壓分水壓分布布，並可進行與時間無關之，並可進行與時間無關之穩態穩態滲流滲流分析分析(steady state seepage analysis)或或與時間相依之與時間相依之暫態暫態滲流分析滲流分析(transient seepage analysis)。滲流分析程式滲流分析程式(SEEP/W)程程 式式 SLOPE/W採用採用極限平衡法極限平衡法求求解土壤或岩石邊坡穩定問題，解土壤或岩石邊坡穩定問題，除可分析間單或複雜的邊坡問除可分析間單或複雜的邊坡問題外，亦可從事邊坡保護工法題外

9、，亦可從事邊坡保護工法設計。設計。程程 式式邊坡穩定性分析程式邊坡穩定性分析程式 ( (SLOPE/W) ) 1. 1.降雨入滲分析降雨入滲分析 ：(1)(1)建立建立數值幾何模式有限元素網格數值幾何模式有限元素網格。(2)(2)輸入輸入邊界條件邊界條件、地層材料參數地層材料參數及及降雨歷線圖降雨歷線圖。(3)(3)啟動降雨歷線，分別進行降雨啟動降雨歷線，分別進行降雨穩態穩態及及暫態入滲暫態入滲分析分析。 2.2. 邊坡穩定分析：邊坡穩定分析：(1)(1)輸入輸入邊界條件邊界條件、地層材料參數地層材料參數及及設定滑動面設定滑動面。(2)(2)依據暫態入滲分析之結果進行邊坡穩定分析。依據暫態入滲

10、分析之結果進行邊坡穩定分析。3.3. 探討：探討：(1)(1)地下水水位地下水水位變化趨勢與變化趨勢與浸潤帶浸潤帶變化變化(2)(2)可能可能滑動面位置滑動面位置分析方法分析方法水力傳導係數函數水力傳導係數函數體積含水量體積含水量函數函數 (u)u篩分析曲線篩分析曲線Ksat = 510-6 m/s 水力傳導係數水力傳導係數函數函數K(u)u結結 果果降雨第降雨第9 hr壓力水頭分佈壓力水頭分佈降雨第降雨第10 hr壓力水頭分佈壓力水頭分佈 浸潤帶地下水位地下水位結結 果果地下水水位線與雨水入滲浸潤線間地下水水位線與雨水入滲浸潤線間之變動對穩定性之影響之變動對穩定性之影響 結結 果果坡趾下方體

11、積含水量深度分佈剖面坡趾下方體積含水量深度分佈剖面 結結 果果地形因子地形因子( (、H ) ) 六級坡，=100 五級坡，=55 四級坡，=40 三級坡，=30 t=10 hr結結 果果地形因子地形因子( (、H ) ) 三級坡，=30，FS=2.653 四級坡，=40 ，FS=2.172 五級坡，=55 ，FS=1.715六級坡，=100 ，FS=1.121 t=10 hr結結 果果地形因子地形因子( (、H ) ) H 坡高H=5 m ，FS=1.256 坡高H=10 m ，FS=1.121坡高H=15 m ，FS=1.024t=10 hr結結 果果地形因子地形因子( (、H ) ) 、

12、H Fs=1.0在特定條件下，邊坡之穩定性隨降雨延時之增長而逐漸降低。在降雨第9 hr之前降低幅度並不明顯，在第910 hr間則有明顯下降趨勢，此意謂潛在滑動破壞面上未飽和區之孔隙水壓逐漸由負值趨近於零後再轉為正值，在此同時土壤之基質吸力(ua-uw)將完全消失，並導致未飽和區土層之當量吸力抗剪強度(ua-uw)tanb轉為無效。 結結 果果地質因子地質因子( (C、) ) C、 降雨延時第10 hr之凝聚力增加率對安全係數的影響如下：Co=10 kPa15 kPa ， C/Co=0.50 ， Fs/Fso=0.21Co=15 kPa20 kPa ， C/Co=0.33 ， Fs/Fso=0.

13、13f=C+(n-ua)tan+(ua-uw) tan b 內摩擦角增加率對安全係數的影響如下：o=2025， / o=0.25 ， Fs/Fso=0.155 (降雨延時第2 hr) o=2530 ， / o=0.20 ， Fs/Fso=0.09 (降雨延時第10 hr) o=3035， / o=0.17 ， Fs/Fso=0.10 (降雨延時第10 hr)結結 果果地質因子地質因子( (、b ) ) 、 b 降雨延時第10 hr之土層的單位重增加率對安全係數的影響如下： o=18.94 kN/m320.94 kN/m3 /o=0.11 ， Fs/Fso=-0.03 o=20.94 kN/m3

14、22.94 kN/m3 /o=0.10 ， Fs/Fso=-0.03 降雨延時第10 hr之當量吸力摩擦角增加率對安全係數的影響如下： bo =1015 ， b / bo=0.50 ， Fs/Fso=0.05 bo=1520 ， b / bo=0.33 ， Fs/Fso=0.04 結結 果果地質因子地質因子( (k(u)u) ) k(u)10u，FS=1.005k(u)u，FS=1.121k(u)0.1u，FS=1.139t=10 hr 結結 果果水文因子水文因子 - 颱風雨型颱風雨型颱風雨型20 mm/hr-7hr(浸潤線形成) 颱風雨型15 mm/hr-9hr(浸潤線形成) 颱風雨型10

15、mm/hr-13hr(浸潤線形成) 結結 果果水文因子水文因子 -梅雨雨型梅雨雨型梅雨雨型20 mm/hr-4hr(浸潤線形成) 梅雨雨型15 mm/hr-6hr(浸潤線形成) 梅雨雨型10 mm/hr(未形成浸潤線) 結結 果果水文因子水文因子 - 雨型雨型颱風雨型 在平均降雨強度同為20 mm/hr時，梅雨雨型條件下之邊坡較颱風雨型條件下者提前發生不穩定。其主要原因為輸入之梅雨雨型初期降雨強度呈波動式之遞升，此與颱風雨型者成均勻線性式之遞升不同所致。 梅雨雨型 結結 果果水文因子水文因子 - 初始地下水水位初始地下水水位降雨延時第10 hr之初始地下水水位位置hwo對安全係數的影響如下：h

16、wo=1.5 m3.5 mhwo/hwo =1.33，Fs/Fso=0.04hwo=3.5 m7 mhwo/hwo =1， Fs/Fso=0.06結結 果果靈敏度分析靈敏度分析結結 果果邊坡穩定影響因子評估參數研究邊坡穩定影響因子評估參數研究 - 地形地形 1. 邊坡邊坡坡度愈陡坡度愈陡或或坡高愈大坡高愈大時，降雨期間其坡趾下方的時，降雨期間其坡趾下方的浸潤線前端波浸潤線前端波(Wave Front)會會愈深入地表愈深入地表，因此在較，因此在較短之降雨延時內浸潤線即可能和地下水水位線結合。短之降雨延時內浸潤線即可能和地下水水位線結合。 2. 在在tf-1時，邊坡之浸潤線與地下水水位線之結合區只

17、侷時，邊坡之浸潤線與地下水水位線之結合區只侷限於坡趾附近小範圍區域，因此最小安全係數限於坡趾附近小範圍區域，因此最小安全係數Fsmin(1)以以滑動面通過整個坡面滑動面通過整個坡面來進行計算。反之，來進行計算。反之，在在tf時，浸潤線與地下水水位線之結合區將會往上邊時，浸潤線與地下水水位線之結合區將會往上邊坡方向延伸一個範圍，並在下邊坡形成一個飽和區，坡方向延伸一個範圍，並在下邊坡形成一個飽和區，因此破壞安全係數因此破壞安全係數Fsfailure(1)將以將以滑動面通過整個飽滑動面通過整個飽和區和區來進行計算。來進行計算。 結結 果果邊坡穩定影響因子評估參數研究邊坡穩定影響因子評估參數研究 -

18、 地質地質 1. 未飽和土壤之未飽和土壤之Mohr-Coulomb剪力強度公式可表為剪力強度公式可表為 f =C+( n-ua) tan+(ua-uw) tan b，因此邊坡之，因此邊坡之C、 、ua-uw0及及b之增加皆會提升邊坡之穩之增加皆會提升邊坡之穩定性安全係數定性安全係數Fs值。值。2. 土層的單位重在穩定性分析中主要用來計算滑動土層的單位重在穩定性分析中主要用來計算滑動面上之面上之下滑驅動力下滑驅動力及及正向作用力正向作用力。土層單位重。土層單位重()之增加將會降低穩定性安全係數之增加將會降低穩定性安全係數FS值。值。結結 果果結結 果果邊坡穩定影響因子評估參數研究邊坡穩定影響因子

19、評估參數研究 - 水文水文 1.平均降雨強度愈大，降雨浸潤線形成所需之平均降雨強度愈大，降雨浸潤線形成所需之降雨延時愈短，而邊坡也愈早發生不穩定。降雨延時愈短，而邊坡也愈早發生不穩定。在平均降雨強度同為在平均降雨強度同為20 mm/hr時，邊坡在梅時，邊坡在梅雨雨型條件下較颱風雨型條件下提前發生不雨雨型條件下較颱風雨型條件下提前發生不穩定。其主要原因為梅雨雨型初期降雨強度穩定。其主要原因為梅雨雨型初期降雨強度呈呈波動式之遞升波動式之遞升，此與颱風雨型呈，此與颱風雨型呈均勻線性均勻線性之遞升之遞升不同所致。不同所致。 2.邊坡之初始地下水水位線愈高邊坡之初始地下水水位線愈高(hwo愈小愈小)，其

20、，其在地下水水位與浸潤線發生結合之降雨延時在地下水水位與浸潤線發生結合之降雨延時也愈短。也愈短。邊坡穩定影響因子評估參數研究邊坡穩定影響因子評估參數研究 - 水力傳導系數函數水力傳導系數函數 1. 整體水力傳導係數函數值向上調昇或向下調降，整體水力傳導係數函數值向上調昇或向下調降，在降雨期間對既有之地下水水位影響不大，邊坡在降雨期間對既有之地下水水位影響不大，邊坡下方土層之壓力水頭主要受降雨浸潤線之影響。下方土層之壓力水頭主要受降雨浸潤線之影響。而邊坡穩定性則受而邊坡穩定性則受浸潤線浸潤線與與地下水水位線結合區地下水水位線結合區在坡面上之延伸範圍在坡面上之延伸範圍所控制。所控制。2. 整體水力

21、傳導係數函數值向上調昇將促使地表未整體水力傳導係數函數值向上調昇將促使地表未飽和區之範圍擴大。反之，向下調降將會縮小未飽和區之範圍擴大。反之，向下調降將會縮小未飽和區之範圍。飽和區之範圍。結結 果果邊坡穩定影響因子評估參數研究邊坡穩定影響因子評估參數研究 - 靈敏度分析靈敏度分析 由參數研究靈敏度分析中可發現，各項邊坡穩定由參數研究靈敏度分析中可發現，各項邊坡穩定性影響因子中，性影響因子中，邊坡坡度邊坡坡度之改變對邊坡穩定性的之改變對邊坡穩定性的影響度最高，而影響度最高，而邊坡坡高邊坡坡高H次之。次之。 結結 果果 採用採用GEO-Studio 2007軟體中軟體中SEEP/W、SLOPE/W功能，並加入功能，並加入QUAKE/W以分析壩體滲流情形與地以分析壩體滲流情形與地震時的破壞機制。震時的破壞機制。 論文方向論文方向報告完畢 謝謝聆聽