鄂西恩施地区非饱和土降雨入渗规律

在分析鄂西恩施地区降雨特征的基础上,选取6组典型降雨条件,设计并进行了室内人工降雨土柱非饱和入渗试验。通过实测土体体积含水率,揭示了鄂西恩施地区非饱和土降雨入渗规律,获得了降雨入渗影响区体积含水率变化规律、入渗前锋运移规律以及降雨强度和历时对入渗的影响规律。通过GeoStudio软件对室内降雨试验进行了数值模拟,数值模拟结果与试验结果基本相同,进一步验证了降雨入渗规律。同时依据实测结果,分析了数值模拟的不足之处,为通过数值模拟方法研究非饱和土降雨入渗奠定了基础。     

非饱和粉质黏土坡面降雨非正交入渗试验研究

传统降雨入渗分析是以降雨强度在坡面上的正交分量作为边界条件,不符合实际降雨的非正交入渗规律。为了研究非饱和粉质黏土的非正交入渗规律性,首先通过对正交入渗理论的综述,揭示并分析目前降雨入渗理论在坡面流模型和边界条件方面的缺陷。采用自行研制的室内降雨试验装置对非饱和粉质黏土进行不同降雨强度、坡角和孔隙比的降雨入渗试验,结果表明,非饱和粉质黏土坡面降雨入渗是并非简单正交分解入渗而是非正交入渗;对于坡角和孔隙比为定值的土坡,具有最大坡面入渗的最优雨强;土的孔隙比越小,降雨初期入渗率随时间变化越快,入渗率趋于稳定状态越快;入渗率和累积入渗量并不是随坡角的增大呈单调变化,而存在对应入渗水量最少的最优坡角。     

垂直降雨入渗水势模型的推导及其试验验证

通过讨论传统降雨入渗模型及降雨非饱和渗流计算方法,指出从入渗量角度建立的降雨模型及其计算方法不能较好地满足岩土工程渗透稳定性的分析要求;且与降雨入渗的物理过程不符.应用半解析半迭代的方法,从水势(负压)的角度推导了降雨自由入渗和压力入渗两个阶段的理论模型,开发相应的数值计算程序,并实现了两个阶段模型的联立求解;从理论上推导出自由入渗阶段表层土壤负压和压力入渗阶段表层土壤入渗率两个特征参数随时间的变化规律.设计了室内降雨入渗水势(负压)测试试验,应用测试结果验证理论模型及其数值计算方法的有效性.该研究为解决降雨入渗导致的岩土工程渗透稳定性问题提供了重要的理论和方法支持.     

非均质土坡降雨入渗的耦合过程及稳定性分析

针对天然土质边坡通常呈现非均质特性这一问题,进行了降雨入渗作用下非均质土坡稳定性分析,考虑了渗流场和应力场之间的耦合作用。以一简化非均质土坡模型为例,对比了耦合和非耦合情况下渗流场的差异,验证耦合的客观性和其必要性;细-粗型和粗-细型土坡的降雨入渗过程可分别分为2个和3个阶段;运用有限元强度折减法,以特征部位位移突变并结合塑性区贯通作为失稳判据,进行了土坡稳定性分析,发现雨水到达土坡土层接触面的时刻即为边坡稳定性突变的时刻;并通过深入分析孔隙水压力分布,揭示了降雨诱发非均质土坡的变形破坏机制。同时,就降雨强度、历时和渗透系数对非均质土坡入渗过程和稳定性的影响进行了大量的计算和分析,发现只有当雨水进入到下层土体时,该层土体渗透系数才会对土坡稳定性产生较大影响。     

降雨入渗条件下非饱和土边坡稳定分析

针对降雨入渗土坡的稳定问题,建立一个考虑水力渗透系数特征曲线、土-水特征曲线以及修正的Mohr-Coulomb破坏准则的非饱和土流固耦合有限元计算模型,进行雨水入渗下非饱和土边坡渗流场和应力场耦合的数值模拟,得到非饱和土边坡变形与应力的若干重要规律。研究成果为降雨入渗条件下非饱和土边坡的稳定分析提供了基础。     

大降雨强度下雨水人渗规律研究

基于Green Ampt入渗模型 ,研究了符合Green Ampt入渗模型的干土构成的缓坡 ,在大降雨强度的情况下的入渗规律。利用Green Ampt入渗模型提出了考虑气压势的入渗率公式 ,得出了在恒定的降雨强度下的实际入渗关系式。并与控制坡面流的一维圣维南不稳定流方程组结合 ,得到了干土坡在大降雨强度下的入渗及坡面径流的数值模拟     

青藏高原东北部黄土地区降雨入渗对土质边坡稳定性的影响研究

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。以青海西宁盆地黄土边坡为例,结合野外现场试验和室内直剪试验,研究了降雨入渗对坡体含水量和抗剪强度的影响,采用FLAC2D软件模拟分析了降雨前后边坡的应力、位移分布特征,并通过计算安全系数对边坡进行稳定性评价。研究结果表明,雨水入渗150 min内边坡表层土层含水量急剧增加,150 min后其变化趋势逐步变缓,较深层土层含水量随雨水入渗时间呈持续缓慢增加的趋势。对于同一层土体而言,雨水入渗深度随降雨历时的增大而增加,且表层土体中雨水入渗速度先快后慢。表层土体含水量每增加1.01%,其粘聚力减小13.53 k Pa,土体抗剪强度降低16 k Pa,说明土体抗剪强度对含水量的变化极为敏感。二维有限元模拟和分析结果表明,在自重应力作用和雨水入渗条件下,研究区坡脚处出现应力集中现象,且降雨后边坡位移量、应力集中范围及应力大小明显大于降雨前,而降雨后边坡稳定安全系数比降雨前降低了21.6%,说明降雨入渗对边坡的稳定性影响较大。     

不同含石量条件下TBM渣料降雨入渗特性试验研究

降雨是大型堆积体边坡失稳的主要诱发因素之一,研究大型堆积体降雨入渗规律,有助于揭示其致灾机理,并指导大型堆积体防灾减灾工作具有重要价值。鉴于此,本文基于TBM渣料独特的针片状形状和定向堆置结构,开展土柱试验研究,揭示不同含石量条件下TBM渣料降雨入渗规律。研究结果表明：由于TBM渣料定向堆置结构的影响,在含石量较高条件下,岩块倾向侧湿润峰运移距离更远,表现出显著的非均匀入渗特征;当含石量为70%时,土体结构转变为骨架结构,岩块间架空,大孔隙增多,水流沿孔隙顺向渗流,渗流速率加快,并在边壁出现明显聚集现象,加剧了两侧湿润峰运移的差异;随着降雨入渗,基质吸力逐渐降低,与体积含水率变化规律相反;而含石量越高,试样的饱和含水率越低。研究成果将弥补当前对针片状定向排列结构土石混合体降雨入渗规律研究的不足,为TBM弃渣场降雨稳定性分析工作提供理论支撑。     

改进的斜坡降雨入渗与坡面径流耦合算法研究

大气降雨时坡面径流与非饱和入渗的耦合计算,是降雨诱发滑坡及水土流失等研究中的重大问题之一。从坡面径流和降雨入渗控制方程着手,建立了基于有限元方法的耦合方程求解模型,实现了耦合问题的直接求解。该耦合计算模型与求解方法避免了坡面径流和降雨入渗间的迭代计算,也不需计算两者间的流量交换,较大程度地提高了计算效率和计算精度。算例表明,该方法正确可行,计算效率高,稳定性好。     

考虑非饱和浸润层厚度和累积入渗量的改进Green-Ampt模型

矿山内排土场因其储量大、结构松散和强度低等特点,在降雨条件下极易产生侵蚀或整体失稳破坏,因此降雨入渗分析对预测内排土场稳定性至关重要。以元宝山露天煤矿内排土场为原型,按相似试验理论进行物理模型试验,研究降雨入渗特征,根据试验结果对经典Green-Ampt入渗模型进行改进。结果表明:雨水入渗过程中,随着浸润锋的向下运移,坡面侵蚀由溅蚀凹槽开始,逐渐过渡为径流侵蚀,最后呈现为溯源侵蚀破坏,整体呈现平行于坡表面的浅层滑坡特征;浸润锋之上非饱和浸润层的存在,导致经典Green-Ampt模型计算结果不准确;在考虑浸润层厚度和累积入渗量基础上,推导出改进的Green-Ampt模型;改进后的Green-Ampt模型为分段函数,能够反映降雨入渗使坡面由非饱和向饱和过渡的实际特征。验证结果显示,使用改进模型,浸润锋入渗深度和累积入渗量的预测精度显著提升,虽然冲蚀破坏和初始含水率的差异导致降雨入渗后期的预测精度有所下降,但相关结果对煤矿内排土场降雨初期稳定性分析具有重要意义。改进后的Green-Ampt模型的计算结果与实测数据更为接近,能为分析露天煤矿内排土场降雨入渗规律及边坡稳定性研究提供参考。     

降雨对均质各向异性土质边坡稳定性的影响

采用有限元法分析了非饱和均质各向异性土坡中的降雨渗透过程和土水相互作用的变化过程,使用修改的Mohr-Coulomb破坏准则考虑非饱和土的抗剪强度,根据基质吸力变化引起抗破坏强度变化的原理,寻找最危险的滑移面位置,计算最小稳定安全系数,研究了土坡遭受降雨渗透时的安全稳定问题。实例分析结果表明,该法在评判降雨时非饱和土坡的稳定性方面是合理可行的。同时分析数据表明裂隙的存在对土质边坡稳定性的影响是显著的,在对雨水入渗的土边坡稳定性分析时,必须考虑裂隙的影响。     

强降雨条件下基岩型层状边坡入渗模型及稳定性研究

强降雨作用下基岩型层状边坡易发生失稳破坏,给人们生命财产造成重大损失。为探索基岩型层状边坡的降雨入渗过程,以Green-Ampt入渗模型为基础,考虑了边坡几何特征及饱和带渗流作用,得到了边坡不同入渗阶段入渗率和湿润峰深度的计算式,建立了适用于基岩型层状边坡的降雨入渗计算模型;在分析基岩型层状边坡稳定性时,考虑了饱和带的渗流作用,联合降雨入渗模型与极限平衡法,分析了基岩面与湿润峰面稳定性的变化规律,得到了计算基岩型层状边坡安全系数的解析表达式;结果表明,该模型的计算与试验结果具有一致性。利用该计算模型与传统计算方法对张家湾滑坡进行了强度为30 mm/h的降雨入渗与稳定性分析,得到了不同计算方法下张家湾滑坡湿润峰深度及安全系数随降雨历时增加而发生的变化规律,结果表明该计算模型在分析基岩型层状边坡稳定性时优于传统分析方法。     

土石混合体边坡人工降雨模拟试验研究

降雨入渗是诱发土石混合体边坡失稳的主要因素之一,此类问题一直受到人们的关注,但对此问题的研究不够系统和深入。为了对降雨入渗诱发下土石混合体滑坡的失稳机理有较深的了解及研究边坡性状随时间变化的一些重要特性,在上瑞高速公路贵州段选取了一个典型的土石混合体边坡进行人工降雨模拟试验和原位综合监测。监测成果表明：降雨入渗影响下土石混合体边坡的滑动变形区为坡面以下0～4 m之间,变形量以坡面最大,从坡面到坡体深部逐渐减小;在实施降雨的前2 h,平均入渗百分率为86 %,之后,入渗率由于地表径流的增加而随时间逐渐减少,一段时间(6 h)之后,入渗率降到一个相对稳定值(50 %);降雨入渗造成土体中孔隙水压力增加,致使边坡土体的抗剪强度由于有效应力的减少及土体吸水软化而降低,降雨入渗的这一双重效应可能是降雨诱发土石混合体边坡失稳的主要原因之一。     

强降雨作用下堆积层滑坡稳定性分析

强降雨作用易造成堆积层滑坡发生,带来严重的生命财产损失。基于Green-Ampt（GA）模型,同时考虑湿润锋以上饱和带渗流作用,推导了一种新的滑坡降雨入渗函数,弥补了GA模型只适用于无限长坡的不足。为考虑降雨入渗对土体条块强度的影响,采用整体抗剪强度准则评价滑坡稳定性,并在受力分析时考虑了湿润锋以上饱和带渗透力作用,建立了滑坡稳定性系数表达式。研究结果表明：滑坡降雨入渗的尺寸效应非常明显,湿润锋扩展速率随着坡长的增大而增大,当滑坡无限长时新降雨入渗模型与GA模型计算结果相同,说明GA模型是新模型的一个特例。此外,降雨初期,滑坡稳定性下降较快;随着降雨的持续,稳定性下降速率逐渐放缓。与模型试验结果对比表明,提出的降雨入渗模型和评价方法计算结果与试验揭示的现象一致,证明了该方法的可靠性。     

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。     

降雨条件下浅层滑坡稳定性探讨

降雨条件下浅层滑坡是一种常见、多发的地质灾害现象,为了解边坡稳定性随降雨入渗过程的变化情况,以Green-Ampt入渗模型为基础,并考虑了动水压力的作用,建立了降雨入渗条件下浅层滑坡的概念模型,分别推导了降雨前有、无地下水位条件下的边坡安全系数与降雨时间的关系表达式。从分析结果中可以看出,对于这两种情况下边坡稳定性发生突变的主要原因归结于：前者为在湿润锋与地下水位面接触的短时间内,滑带处的孔隙水压力迅速增高;后者为滑带在浸水饱和情况下,岩土体的强度迅速降低。在此基础上,根据降雨过程中边坡是否达到饱和,提出边坡饱和临界时间的概念,考虑了初始降雨强度小于土壤入渗能力的情况。这个时间可以作为一个参数指标用于浅层滑坡的预警。