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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

考虑径流影响的滑坡降雨入渗二维有限元模拟及应用

降雨是滑坡失稳的常见诱发因素之一,现有数值模拟方法由于不能考虑来自基岩边坡的径流对滑体渗流的补给而低估了真实的降雨入渗水量,导致在评价降雨对滑坡稳定性特别是深层滑动影响时存在一定不足。以Richards方程和有限元法为基础,忽略降雨对渗透性极低的滑床和滑带的影响,将滑坡渗流计算域缩小为滑体,以避免因滑体与滑床（滑带）渗透性差异巨大引起的数值计算困难;依据基岩边坡水平长度和滑体降雨入渗边界饱和情况,修正降雨入渗边界,实现了考虑径流补给的滑坡降雨入渗简化数值模拟。算例表明,该方法所得渗流场更加符合实际情况。以三峡库区某滑坡为例,模拟了2006年10月～2009年12月间滑坡在库水升降和降雨条件下的渗流场和安全系数的演化过程;计算结果表明,考虑径流补给时滑坡后部的渗流场饱和区域明显较大,稳定系数降低较多,与位移监测资料显示的佐证较为吻合;若不考虑径流补给,则降雨对滑坡稳定性影响不大。     

降雨作用下路基裂隙渗流分析

为探讨路基裂隙在降雨作用下渗流特征及其对路基含水率影响作用,分析了路基裂隙产生的原因及土质裂隙特征,研究了土质裂隙渗流特点。根据降雨IEM及FDEM模型,推导了降雨作用下路基裂隙渗流公式。利用Hydrus渗流软件,分别模拟了路基中的裂隙及路堑边坡裂隙渗流下含水率分布状况特征。模拟结果表明,降雨过程中路基裂隙渗流能够较显著的改变局部路基含水率,在工程中值得重视。     

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...     

降雨诱发缓倾顺层滑坡机制离散元模拟

降雨在节理岩体的离散元模拟中有一定的局限性。文章提出一种等效渗流法模拟降雨条件下地下水向坡脚的渗流过程。以西南地区某顺层岩质滑坡为例,采用施加固定水头的方法,实现地下水在滑体内部的渗流过程,从而诱发滑坡形成。研究结果表明:(1)雨水入渗从坡顶向坡脚渗流,导致滑体内部空隙水压力升高;(2)斜坡受地下水渗流影响,坡脚首先发生变形并逐渐向上部呈阶梯状扩展。随渗流时间的延长,坡脚产生滑移,斜坡中上部和后缘出现拉裂,沿软弱夹层发生整体向河流方向滑动堆积形成堰塞湖;(3)滑坡形成的地质力学模式为"滑移-拉裂",滑体前缘运动至河流对岸形成前缘鼓丘,模拟结果与现场实际特征吻合。该方法可实现降雨条件下节理岩质斜坡中地下水渗流对滑坡形成的影响模拟。     

空间链接器式多维通用饱和-非饱和流模型研究

多维饱和-非饱和流方程离散后生成的系数矩阵中常存在零系数,这将影响求解过程中的存储空间和计算效率。合理的系数矩阵优化方法既能保证模拟精度,又能提高模型在大规模网格单元中的计算效率及通用性。文章在多维饱和-非饱和流有限差分法基础上,预先记录不同方向上有效单元间的连接关系,避免了零系数的计算和存储,并结合矩阵标识法建立了空间链接器式多维通用饱和-非饱和流模型。通过模拟地下水位起涨、渗流面排水等四个经典案例及田间三场长历时小雨入渗过程,验证了该模型的模拟精度及计算效率。对比结果表明:该模型在多维度、不同边界条件（包括天然降雨、渗流面等）下的模拟精度与Hydrus、VSF等成熟软件相当,计算效率略低于Hydrus软件。田间模拟结果表明:VG模型中的参数n敏感性最强,需优先率定;因模型中尚未考虑大孔隙流影响,各层土壤水分响应时间滞后于实测过程;三场降雨计算时段末期,超过80%的入渗水量仍滞蓄在表层40 cm的土壤中,仅有约4%~12%的水量已转化为潜水。本文模型有望成为传统多维饱和-非饱和流模型的重要补充。     

降雨条件下道路边坡地下水渗流分析

降雨是影响道路边坡稳定的主要因素之一,根据岩土饱和-非饱和渗流理论,考虑降雨入渗的影响,利用有限元方法,对强降雨条件下公路边坡地下水渗流场动态进行了数值模拟,得到了边坡地下水压力水头、总水头变化、流速的变化规律,为道路边坡的稳定性分析和滑坡预测提供重要的分析数据。     

泄洪雾化降雨作用下裂隙岩体边坡渗流稳定分析

某水电站溢洪道泄洪雾化降雨边坡问题严重,为研究其稳定性,对溢洪道左侧边坡典型剖面建立考虑雾雨入渗的裂隙岩体饱和非饱渗流数学模型,以有限元为模拟手段研究降雨入渗机理以及饱和非饱和渗流特性,在此基础上用非饱和点安全系数法评价有地表入渗的岩质边坡稳定性。分析表明：雾雨会降低岩体抗剪强度,造成地下水位的缓慢升高,非饱和区会形成暂态饱和区,这是边坡失稳的重要控制因素。渗流及稳定性研究成果可为雾化区边坡渗控设计提供参考。     

膨胀土边坡非饱和渗流及渐进性破坏耦合分析

膨胀土边坡受降雨影响产生膨胀变形,是典型的非饱和土多场耦合问题。为探究降雨入渗对其渐进性破坏的失稳过程,基于饱和-非饱和渗流理论、膨胀土弹塑性本构关系和应变软化理论,利用应变软化模型、FLAC3D二次开发平台和内置FISH语言,提出了一种综合考虑非饱和渗流、膨胀变形和应变软化的多场耦合数值分析法。结合工程实例,通过该方法探讨了降雨入渗条件下膨胀土边坡非饱和渗流、位移响应及渐进性破坏的变化规律。结果表明:膨胀变形和应变软化受控于非饱和渗流的时空分布,对边坡位移响应过程影响显著,也易导致饱和-非饱和分界带形成剪应力集中区。膨胀土边坡渐进性破坏由局部破坏转变为整体性失稳,其塑性破坏区首先随悬挂型暂态饱和区的变化向坡内扩展,雨后逐渐形成第二条由坡脚向坡顶扩展的滑动带,呈现出多重滑动性和后退牵引式的破坏特征。     

福建德化霞碧滑坡渗流稳定性模拟分析

降雨入渗导致土体孔隙水压力的增大造成土体有效抗剪强度的降低,进而发生滑坡。本文建立滑坡饱和-非饱和渗流有限元模型,考虑孔隙水压力随时间和空间任意不规则分布,计算特定降雨量、降雨强度、降雨历时不同滞后时段基于渗流场的滑坡稳定性。     

降雨入渗条件下边坡岩体饱和非饱和渗流计算

简要分析了连续介质饱和非饱和渗流数学模型,并讨论了渗流有限元计算中的有关问题,同时研究了降雨入渗机理及模拟方法,在此基础上编写了非饱和渗流程序SUSC。运用该程序模拟了某边坡降雨过程渗流场的变化情况。计算结果表明,在降雨入渗作用下边坡顶部迅速被饱和,随后表面雨水逐渐向边坡深部下渗,形成从坡顶往深部压力水头等值线由高(零)→低→高的封闭现象。随着降雨的继续,边坡顶部负压区进一步缩小,且负压绝对值减小。降雨结束后,由于上部地下水的继续下渗,在边坡的一定范围、一定时间内压力水头继续升高。根据计算结果可知,局部地方的压力水头最高值出现在降雨结束2 d左右,往后整个边坡非饱和区地下水压力水头全面下降,逐渐恢复原状。模拟结果总体可靠,可作为边坡稳定性分析评价及边坡排水加固的参考依据。同时表明,运用上述饱和非饱和渗流模型及降雨模拟方法,计算降雨条件下边坡岩体的渗流场是可行的。     

降雨过程中边坡临界滑动场

降雨入渗过程中孔隙水压力的升高与基质吸力的降低引起边坡稳定性的下降,是导致边坡滑塌的主要诱导因素。利用饱和-非饱和渗流有限元计算得到的孔隙水压力场,基于Fredlund提出的非饱和土抗剪强度理论,对边坡临界滑动场进行改进,提出可以考虑降雨过程的边坡临界滑动场数值模拟方法,能够方便、快速地计算出边坡局部、整体安全系数和相对应的临界滑动面在降雨过程中的变化历程。将该法用于一个典型均质边坡和一个非均质边坡在降雨过程中的稳定性计算,分析降雨持续时间、降雨强度和非饱和强度参数取值等因素对边坡稳定性的影响,并将计算结果与其他方法进行比较,结果表明临界滑动场方法能搜索任意形状最危险滑面,计算的安全系数合理。     

三峡船闸高边坡降雨入渗的三维数值仿真

基于反映裂隙岩体渗透张量各向异性特性的广义达西定律与相对透水率等裂隙岩体渗流基本理论,应用三维非线性有限元方法,对长江三峡工程永久船闸高陡边坡在连续降雨条件下裂隙岩体饱和-非饱和、非恒定渗流扩散过程进行了三维数值仿真分析,得出了连续降雨条件下船闸高陡边坡裂隙岩体渗流场的时空分布规律及典型降雨时段闸室混凝土衬砌上的最不利外水压力荷载,对暴雨入渗情况下闸室边墙稳定性与安全性进行了评价。分析结果表明,闸室混凝土衬砌具有较高的安全度;船闸高陡边坡内排水系统效果显著,即使遭遇长期强降雨,闸室衬砌上的外水压力荷载受降雨的影响也不大。