降雨诱发边坡破坏数值模拟两个关键问题的解决方法

研究降雨因素对边坡稳定性的影响,最有效的方法是室内外试验和数值模拟方法,最为重要的是设置与实际情况接近的降雨入渗边界与动态流量边界下初始孔隙水压力分布问题。为有效地解决这两方面的问题,首先将现有的降雨数值边界施加方法所得模拟结果与室内试验结果进行了对比分析,指出了传统方法的不足之处,并在此基础上提出了新的降雨数值边界条件,即在土体表面施加一层很薄的"空气单元",表述的是一个动态的边界条件。降雨入渗边界施加在"空气单元"表面,而不直接施加在土体单元表面,应用该方法完成的入渗土柱数值模拟结果更加接近现场和试验测得的降雨入渗率,为有效模拟降雨诱发边坡破坏的边界条件提供准确、真实可行的方法。同时,由于相对渗透系数和负孔隙水压力均为饱和度的函数,通过设置流体的抗拉强度来赋予节点负孔隙水压力模拟基质吸力,在数值模拟中每一个计算步根据节点饱和度自动更新负孔隙水压力和相对渗透系数,可实现FLAC软件中非饱和土的有效渗流分析。此外,为解决非饱和区土体施加负孔隙水压力所带来的问题,提出数值模拟过程中施加动态的流量边界,通过模拟自然界中地下水的补给,很好地解决使用FLAC进行数值模拟时动态流量边界条件下初始孔隙水压力的分布问题。     

降雨诱发边坡破坏数值模拟两个关键问题的解决方法

研究降雨因素对边坡稳定性的影响,最有效的方法是室内外实验和数值模拟方法,最为重要的是设置与实际情况接近的降雨入渗边界与动态流量边界下初始孔隙水压力分布问题。为有效地解决这两方面的问题,首先将现有的降雨数值边界施加方法所得模拟结果与室内试验结果进行了对比分析,指出了传统方法的不足之处,并在此基础上提出了新的降雨数值边界条件,即在土体表面施加一层很薄的“空气单元”,表述的是一个动态的边界条件。降雨入渗边界施加在“空气单元”表面,而不直接施加在土体单元表面,应用该方法完成的入渗土柱数值模拟结果更加接近现场和试验测得的降雨入渗率,为有效模拟降雨诱发边坡破坏的边界条件提供准确、真实可行的方法。同时,由于相对渗透系数和负孔隙水压力均为饱和度的函数,通过设置流体的抗拉强度来赋予节点负孔隙水压力模拟基质吸力,在数值模拟中每一个计算步根据节点饱和度自动更新负孔隙水压力和相对渗透系数,可实现FLAC软件中非饱和土的有效渗流分析。此外,为解决非饱和区土体施加负孔隙水压力所带来的问题,本文提出数值模拟过程中施加动态的流量边界,通过模拟自然界中地下水的补给,很好地解决使用FLAC进行数值模拟时动态流量边界条件下初始孔隙水压力的分布问题。     

基于单、双重渗透介质降雨边界处理的改进

在降雨入渗模拟中,现有研究无法准确实现复杂降雨条件下降雨边界在流量与压力两类边界之间的双向动态转换。基于饱和?非饱和渗流理论,将降雨补给流量与实际入渗流量的差值作为两类边界动态转换的判别条件,改进了单重渗透介质降雨边界动态转换控制方程,并进一步提出了双重渗透介质降雨边界处理方法及控制方程,在此基础上进行了数值试验及工程实例验证。结果表明：改进的降雨边界动态转换控制方程克服了传统降雨边界只能实现流量到压力边界单向转换的局限性,可准确实现流量边界与压力边界的双向动态实时转换;案例边坡的降雨入渗模拟结果说明了改进后降雨边界的正确性和工程适用性。     

黄土边坡降雨入渗规律及其对稳定性的影响

降雨是诱发土质边坡失稳的主导因素之一,研究降雨入渗对土质边坡稳定性的影响有着重要意义。以陕西富平地区某黄土边坡为例,结合野外现场试验和数值模拟,研究了降雨入渗规律和其对稳定性的影响。研究结果表明,降雨入渗的影响范围在边坡浅层,深度为2~2.5 m。土体的抗剪强度参数受含水率影响较大,在雨水入渗条件下,边坡表层的孔隙水压力变化较大,孔隙水压力的变化区域指示着湿润锋的位置。最大剪应力的应力集中区域为湿润锋区域以及各级边坡坡脚处,降雨后边坡稳定性系数比降雨前降低了12%,显示降雨对边坡的稳定性影响较大。     

基于COMSOL Multiphysics的非饱和裂隙土降雨入渗特性研究

基于COMSOL Multiphysics软件对非饱和裂隙土降雨入渗特性进行数值模拟研究。通过将裂隙和基质分别离散成有限单元,建立了能充分模拟土中裂隙流、基质流以及裂隙-基质流量交换的离散裂隙-孔隙介质模型。结合"空气单元"的概念,对裂隙土的上边界进行模拟。该方法不仅能描述降雨初期雨水沿裂隙优先入渗的现象,还能描述当降雨量大于裂隙土入渗量时雨水沿地表流走的现象。通过对地表以下2 m深度内低渗含裂隙土体进行模拟,分析了裂隙的几何特征、基质的水力特性、前期水分条件以及降雨强度对非饱和裂隙土降雨入渗过程的影响。结果表明,在非饱和裂隙土中,存在两个主要的渗流过程:一是水沿裂隙优先流动;二是水不断从裂隙吸入基质中,基质吸收水的作用抑制了裂隙中优势流的发展。与裂隙的几何特征相比,基质的水力特性对非饱和裂隙土渗流的影响较大。增大基质的饱和渗透系数可能使由裂隙流主导的渗流过程转变为由基质流主导的渗流过程,而基质的非饱和特性与裂隙土的初始含水率改变了土体的储水能力,从而加速或延缓了降雨入渗至某一深度的时间。降雨强度对土体入渗速率和入渗量均有影响,当超过裂隙土的入渗能力时,多余积水沿地表流走,断面入渗率随...     

降雨入渗引起非饱和土边坡破坏的水-土-气三相渗流-变形耦合有限元分析

为了全面地了解降雨入渗引起的边坡失稳破坏机制,基于有限元-有限差分理论(FE-FD scheme)的水-土-气三相渗流-变形耦合有限元数值分析方法被提出。程序中采用了Zhang等~([1])提出的以Bishop有效应力和饱和度作为状态变量的非饱和土弹塑性本构模型,从而可以连续地描述在降雨入渗时土体由非饱和状态转化为饱和状态过程中力学特性的变化。同时用Green-Naghdi客观应力速率张量来考虑边坡失稳过程中的大变形问题。程序不仅可以模拟由于降雨入渗引起的水分迁移、孔隙水/气压力变化的过程,而且可以很好地反映出由于降雨入渗所引起的边坡变形、塑性剪切带形成等力学行为。选取室内边坡模型试验为研究对象,用所提出的水-土-气三相渗流-变形耦合有限元程序来进行数值模拟,并与试验结果对比,验证了所提出的有限元数值方法的有用性。     

基于强度衰减模型的降雨对边坡渗流影响的研究

降雨入渗对边坡渗流的影响直接表现为对边坡稳定性的削减。而孔隙水压力、渗流速度和渗透力等均是研究边坡渗流的关键参数。以某水库工程右侧边坡为研究对象,基于强度衰减模型,对降雨对边坡渗漏的影响进行数值模拟,结果可知:土体深度越浅,孔隙水压力越小,渗透力越大,受降雨渗流的影响越大,中间深度土体的渗流速度最大,地下水位以下土层的渗流参数基本不受降雨影响,渗流参数随降雨强度、降雨时长的增加而增大。     

三峡库区降雨型滑坡入渗特征及变形机制——基于一维和二维模型试验研究

强降雨诱发古滑坡的浅层变形是三峡库区最为严重的地质灾害,因此,探索暴雨作用下滑坡土体的入渗规律及其浅层变形机制具有重要的研究意义。以三峡库区的降雨型滑坡为研究对象,统计了降雨型滑坡土体的渗透特性分布特征,考虑强降雨作用,分别开展一维土柱入渗试验和二维滑坡模型试验,研究了不同降雨强度条件下滑坡土体的入渗特征以及对应的滑坡浅层变形机制。降雨入渗试验结果表明：降雨入渗土体的速度取决于降雨强度与土体渗透系数的相对大小,当降雨强度小于或等于土体渗透系数时,入渗能力随降雨强度增大而增大。当降雨强度大于土体渗透系数时,入渗能力反而随之减小。模型试验结果表明：强降雨入渗时,会造成地表土体暂态饱和,表层土体以下非饱和区内的气体被暂态封闭并受到表层孔隙水压力作用而压缩,导致孔隙气压力随降雨入渗迅速增大。对于三峡库区的降雨型滑坡,短时的暴雨会产生瞬态饱和区。封闭气体,这也是影响强降雨入渗能力的主要原因;同时封闭气体传递水压使得浅层土体的孔隙水压力骤增,这也是许多滑坡发生浅层变形和破坏的主要原因。     

不同渗流边界条件下粉砂边坡失稳模型试验研究

研究不同渗流边界条件下粉砂边坡的稳定特性对滑坡安全评价及防灾减灾具有重要意义。开发研制了室内边坡模型试验系统,分别进行了在上部边界入渗、侧向边界入渗和底部边界入渗的边坡失稳模型试验。分析了各试验中边坡内部不同位置体积含水率、孔隙水压力和基质吸力的变化规律以及坡体破坏过程。结果表明,不同入渗边界条件下边坡土体局部由非饱和变为饱和状态,基质吸力消失,最后在坡面形成不稳定区域塌落破坏。上部边界入渗、侧向边界入渗和底部边界入渗所引起的破坏模式根据其特点可分为局部浅层破坏、多级后退式破坏和坡面滑动破坏。通过监测边坡不同位置的体积含水率,可以为渗流引发的边坡失稳预警机制提供参考依据。     

斜坡降雨入渗在Flac中模拟

为了简化分析,在模拟斜坡降雨入渗暂态渗流时,通常没有考虑入渗和产流的耦合过程,通过施加流量边界或零水头边界进行地下水渗流计算,通过在FALC中利用内嵌的fish语言,考虑地表径流和地下渗流的耦合以及雨向影响下斜坡降雨入渗过程,并通过算例分析了考虑和不考虑耦合、对斜坡孔隙水压力分布以及考虑各种雨向作用下对坡面积水深度的影响。     

考虑降雨渗流影响的露天煤矿黄土开挖边坡分析

黄土开挖边坡在降雨作用下坡面破坏可分为片蚀破坏、沟状侵蚀、坍塌破坏3个阶段。通过野外现场地质调查,建立调查区域露天煤矿某段运煤大道处黄土开挖边坡三维数值分析模型,采用V-G模型设定渗流边界函数,并以此根据室内外实验设定初始负孔隙水压力;在有限差分软件中运用fish语言将野外现场测得的稳定渗透系数与边坡开挖高度关系编入渗流计算命令流中,模拟了不同降雨强度下孔隙水压力、开挖边坡位移、坡面冲刷程度、最大主应力变化情况,提出黄土区开挖边坡在降雨作用下沟状侵蚀在第三级台阶(坡高60m)左右破坏严重,坡高高于此高度应注意沟状侵蚀的剧烈扩展并加以防治;应在开挖边坡顶部以及台阶坡顶、坡肩处加强监测与防护治理工作。     

降雨条件下岩土饱和-非饱和渗流分析

基于Buckley-Leverett两相渗流方程,提出了新的岩土饱和-非饱和渗流数学模型,利用有限差分方法给出了隐式压力显示饱和度数值求解方法,编制了饱和-非饱和渗流计算程序.结合工程实例,模拟了降雨入渗条件下边坡岩体渗流场孔隙压力变化和含水饱和度变化,模拟结果验证了所提出的模型对饱和-非饱和渗流的有效性.     

降雨入渗条件下软岩边坡稳定性分析

降雨条件下软岩边坡的失稳模式是进行边坡处治的基本依据之一。为研究软岩边坡在降雨条件下的稳定性,提出了一种既能考虑渗流场对边坡稳定性的影响,又能体现岩石软化效应对边坡失稳所带来的不利作用的新方法。运用二维渗流数值计算方法,对降雨条件下的边坡孔隙水压力大小及暂态饱和区面积在空间及时间上的分布进行了模拟。并将渗流场计算结果与暂态饱和区岩石软化试验所得岩石物理力学参数随时间的取值相结合,采用强度折减法分析软岩边坡在降雨入渗条件下的稳定性。对算例边坡的研究表明：降雨入渗条件下软岩边坡的失稳在降雨初期表现为边坡表层局部分层垮塌。随着降雨历时的增长,失稳形式则表现为局部分层垮塌与整体滑移相结合。降雨停止后,边坡负孔隙水压力的消散,对软岩边坡安全系数的继续降低具有一定的延缓作用。     

降雨入渗条件下预应力锚索加固边坡稳定性分析

根据目前边坡失稳案例统计,导致边坡失稳破坏的原因多为降雨入渗,目前大多学者对自然边坡在降雨入渗条件下的失稳机理做了大量研究,但是对于不同降雨入渗条件下边坡加固结构及其稳定性是如何随降雨强度的变化而发生改变的研究却较少。以云南昆明某边坡为研究对象,考虑土体饱和-非饱和渗流理论及非饱和强度理论,通过有限元软件MIDAS-GTS分析研究降雨动态过程中边坡加固结构内力的变化规律及边坡的稳定性变化规律。研究发现:①当降雨时长一定时,降雨强度越大,非饱和区越小,负孔隙水压力降低越明显,安全系数越差;②随着降雨入渗的进行,边坡下滑力增大,抗滑力逐渐变小;③降雨入渗对原始边坡的稳定性影响较大,但是对加固后边坡的稳定性影响相对较小;④预应力锚索轴力随着降雨时长增大而增大,当降雨时长一定时,锚索轴力随降雨强度增大而增大。     

降雨和蒸发对土质边坡稳定性的影响

降雨入渗降低边坡的稳定性,蒸发增加边坡的稳定性,降雨和蒸发对边坡稳定性的定量研究是很有意义的。采用蒸发和降雨模型对边坡进行非饱和-非稳定渗流分析,用总凝聚力表示的Bishop极限平衡法计算边坡安全系数。采用数值方法对算例土质边坡进行了研究,得到了孔隙水压力随时间变化的关系、边坡安全系数随时间变化的关系。结果显示：土体中孔隙水压力与天气条件、边坡安全系数与天气条件之间存在滞后关系;降雨和蒸发对边坡的表层滑动稳定性影响非常大,对深层滑动稳定性影响相对较小;降雨过程中边坡的临界滑动面由较深位置向较浅位置转变,蒸发过程则相反。     

降雨入渗条件下土质边坡含水率分布与浅层稳定性研究

设计一种可以测量土体体积含水率的降雨入渗试验模型,通过试验得到土体初始含水率分布状态以及降雨入渗条件下土体含水率变化规律。在此基础之上,结合非饱和土抗剪强度理论与极限平衡理论,得到降雨入渗条件下土质边坡浅层稳定性计算方法。对杭新景高速公路七里连接线工程沿线土质边坡稳定性进行分析,具体结论如下:可采用含水率分布参数A、修正系数λ、μ表征的反比例函数表示自然状态下土体的初始含水率分布规律。含水率分布参数对边坡稳定性影响表现为随着A值的增大,边坡初始稳定性逐渐下降,边坡受降雨影响的敏感程度也随之下降。降雨强度相同时,初始表面含水率越大引起边坡失稳所需的降雨时间越短;降雨时间相同时,初始表面含水率越大引起边坡失稳所需的降雨强度越小。在相同地下水位条件下,边坡降雨强度与导致边坡失稳所需的降雨时间成反比。     

基于FLAC3D平台的边坡非饱和降雨入渗分析

为研究降雨入渗条件下三维边坡渗流场的变化过程,在全面研究FLAC3D软件渗流分析模块功能及算法的基础上,通过编写FISH函数完善了FLAC3D软件的非饱和渗流计算功能。基于降雨入渗机制的分析,编写了降雨入渗及停雨出渗边界的FISH函数,实现边坡三维降雨入渗过程的模拟。通过降雨条件下算例边坡的饱和非饱和渗流场变化过程的数值计算,研究了降雨入渗引起的边坡暂态饱和区变化过程,并与已有研究成果进行对比分析,从而验证了自编FISH函数实现边坡三维非饱和渗流计算结果的正确性。研究成果表明,文中提出的边坡三维非饱和降雨入渗分析是可行的,同时也为三维边坡非饱和渗流场的研究提供了一条有益的途径。     

考虑气相影响的降雨入渗过程分析研究

降雨入渗过程是水在下渗的过程中驱替空气的水-气二相流过程,对这一过程的精确模拟一直是渗流计算的难点,目前的处理方法通常是忽略孔隙气压力变化的影响。根据多相流理论,结合质量守恒定律和达西定律,建立了水-气二相流模型,模型的求解采用积分有限差分法和Newton-Raphson迭代方法,通过变换主要变量来表达相态的变化,实现了水相、气相边界条件及降雨入渗边界的精确模拟。利用上述模型对一土柱试验进行模拟,从而验证了模型的正确性,研究了一均质土层的降雨入渗过程,得到了孔隙水压力、孔隙气压力和毛细压力及含水率的变化过程。根据入渗率与地表孔隙气压力的变化关系,验证了孔隙气压力的增大对入渗水流产生阻滞作用。在求解非稳定渗流问题中,考虑空气压力变化的影响是值得研究的。     

饱和-非饱和非稳定渗流的数值模拟

介绍了饱和-非饱和渗流的计算程序数值模拟方法,该方法模拟了降雨过程中边坡内孔隙水压力的变化,克服了传统降雨边界处理方法的缺陷,考虑了降雨过程中地表边界的条件转化,为以后的径流渗流耦合的模拟提供了良好的基础,为降雨诱发滑坡研究提供了定量分析手段。     

降雨入渗条件下土质边坡含水率分布与浅层稳定性研究

设计一种可以测量土体体积含水率的降雨入渗试验模型,通过试验得到土体初始含水率分布状态以及降雨入渗条件下土体含水率变化规律。在此基础之上,结合非饱和土抗剪强度理论与极限平衡理论,得到降雨入渗条件下土质边坡浅层稳定性计算方法。对杭新景高速公路七里连接线工程沿线土质边坡稳定性进行分析,具体结论如下：（1）可采用含水率分布参数A、修正系数α、β表征的反比例函数表示自然状态下土体的初始含水率分布规律。（2）含水率分布参数对边坡稳定性影响表现为随着A值的增大,边坡初始稳定性逐渐下降,边坡受降雨影响的敏感程度也随之下降。（3）降雨强度相同时,初始表面含水率越大引起边坡失稳所需的降雨时间越短;降雨时间相同时,初始表面含水率越大引起边坡失稳所需的降雨强度越小。（4）在相同地下水位条件下,边坡降雨强度与导致边坡失稳所需的降雨时间成反比。