泄洪雾雨作用下边坡饱和非饱和非稳定渗流研究

泄洪雾雨作用下的边坡岩体饱和非饱和渗流问题是目前我国西南地区在建和已建高坝所面临的一个共同问题。从理论上分析了雾雨作用下饱和非饱和介质中水分运动特征;根据饱和渗流和非饱和渗流的数学模型,建立起统一的岩体饱和非饱和非稳定渗流数学模型;编制了有地表入渗作用的饱和非饱和非稳定渗流三维有限元计算程序;对有限元求解中的容水度问题、非饱和水力参数问题以及初始水头场问题作了相应的优化处理;以实际工程为例进行了饱和非饱和渗流分析,计算结果表明,比天然降雨雨强大很多的雾雨入渗会形成对边坡稳定不利的暂态饱和区,并引起地下水位的抬高;暂态饱和区的大小和地下水位的增幅取决于边坡表面的护坡效应和排水、防渗帷幕等措施,因此应该加强边坡表面的保护以及合理的设置排水、帷幕等措施,以减少入渗和地下水位的抬高。     

大岩淌滑坡滑带土蠕变性质研究

通过对大岩淌滑坡滑带土在固结压力为300,500,625,800,1 000 kPa下进行蠕变试验,得到了各级压力和剪切力的蠕变曲线。采用Burger模型来模拟流变过程,介绍了该模型参数的求取方法,并得到了模型的所有参数。通过等时曲线簇确定该滑带土的长期强度。在上述结果基础上,对该滑带土的流变特性进行了分析,讨论了Burger参数同剪切力与固结压力关系,并得出长期强度约为慢剪结果的0.76～0.77倍的结论。     

泄洪雾雨区裂隙岩质边坡饱和-非饱和渗流场与应力场耦合分析

岩质滑坡除与地质条件、降雨等因素有关外,泄洪雾雨也成为其不可忽视的催化剂。通过裂隙岩体渗透性与应力关系,裂隙岩体的弹塑性本构关系以及渗流场的控制方程,建立起饱和非饱和渗流场与应力场耦合的等效连续介质模型。编制了有泄洪雾雨影响的饱和-非饱和渗流与应力耦合三维有限元程序,通过迭代求解达到两场耦合目的。以实际工程为例,根据边坡的地表信息、开挖信息、岩层分界信息以及排水洞和帷幕信息等,建立起边坡地质模型。通过耦合计算,详细分析了耦合后边坡岩体的变形、应力以及塑性区等。计算结果表明,雾雨区的边坡稳定与渗流场变化有着重要关系,在评价边坡稳定与否时,要考虑渗流场对其影响。计算成果为实际工程的安全评价提供了一定的科学依据。     

非饱和渗流对滑坡稳定性的影响研究

库水位下降对滑坡的稳定性具有较大影响。提出了土水特征曲线的多项式约束优化模型和一种新的溢出面边界条件约束函数,并用ANSYS的APDL语言编制了饱和－非饱和渗流程序。以赵树岭滑坡为例,首先利用核磁共振（NMR）技术和钻孔资料建立该滑坡的物理模型,然后模拟了长江水位以不同速度从175 m下降到145 m时该滑坡的渗流场,对每种工况不同时刻的滑坡稳定性进行了计算。实例分析结果表明,库水位下降过程中稳定性系数会出现极小值,库水位下降速度越大,稳定性系数极小值越小,出现极小值的时刻也越早。     

土质边坡非饱和渗流场与应力场耦合数值分析

阐述了坡面径流-非饱和渗流分析与应力场耦合分析的重要意义和作用;介绍了在非饱和渗流分析中具有重要作用的土-水特征曲线,包括考虑固结压力条件下的土-水特征曲线,并介绍了部分试验成果以及坡面径流-非饱和渗流耦合分析的计算方法;提出坡面径流-非饱和渗流分析与应力场的耦合计算方法,并编制相应的有限元程序;通过算例对比了耦合与非耦合情况下应力场、渗流场的差异,说明耦合分析更符合实际,且所提出的方法是切实可行的。     

考虑非饱和渗流作用下三峡库岸滑坡稳定性研究

水库水位的涨落对库岸滑坡稳定性有着显著影响。三峡水库水位涨落引起滑坡体内地下水位的变化,是非饱和到饱和过程。本文就非饱和渗流理论,在库水位涨落过程中,模拟了三峡库区马家沟滑坡暂态渗流场的变化,分析了库水位变动时孔隙水压力的变化。结合有限元强度折减法,将得到的暂态孔隙水压力以荷载方式叠加到有限元中,对该滑坡稳定性进行评价,并探讨了在一个水文周期内水位涨落时滑坡稳定性的变化。结果表明:不论库水位上升或下降,滑坡体的稳定性都显示先减小后增大的趋势。最后对马家沟滑坡提出了在库水位常规下降速度下抗滑桩与地表排水相结合的治理设计方案。     

非饱和土渗流及其参数影响的数值分析

基于一维的Richards方程,考虑van Genuchten提出的土-水特征曲线和水力传导系数的表达式,采用差分方法进行求解,研究该土-水特征曲线对孔隙水压力分布的影响,分析该模型四个参数θs、θr、α和n对孔隙水压力分布的作用特征。结果表明经验参数α和n对孔隙水压力分布产生显著的影响。α影响土-水特征曲线的位置和水力传导系数斜率,其值越大,基质吸力越滞后,孔隙水压力分布弯曲度随着α值的增大而明显;n决定土-水特征曲线的斜率,其值大意味着基质吸力易消散。计算分析显示θr值变化引起孔隙水压力分布微弱的差异,这差异随着时间的增长而增大;饱和含水量θs对孔隙水压力分布也产生不小的影响,随θs的降低孔隙水压力消散减慢。     

近饱和条件下非饱和多孔介质渗流过程的数值分析

在非饱和多孔介质渗流分析中,近饱和条件下物理模型与数值模型之间的差异会导致数值不稳定问题。为解决这一问题,并保证模拟结果的可靠性,提出了3种方法,并在有限元分析程序U-DYSAC2中分别进行了程序代码的实施。通过数值试验与试验数据的比较,证实了在近饱和条件下土-水特征曲线和水力传导函数的高非线性可引起数值收敛性、稳定性和精度问题,而且在不同条件下含水率和基质吸力的预测结果差异明显。在3种方法中,修正的Van Genuchten模型（MVGM）方法对含水率的预测较为准确,而Line方法对基质吸力的预测较为合理。因此,解决在分析近饱和条件下非饱和多孔介质渗流问题时,为获得接近真实的模拟结果,采用合适的数值方法进行预测是非常关键的。     

蒸汽凝水滴渗诱发的一个非饱和黄土滑坡机理研究

2010年10月21—22日,陕西延炼厂区储油罐下方的斜坡发生缓慢滑移,造成了巨大的经济损失。滑坡发生前当地没有降雨或地震,为探究其形成过程,在边坡上取代表性土样进行土水特征曲线测试、配制不同含水率土样,进行常规三轴试验和直剪试验,以确定土体的非饱和渗透曲线和强度参数。建立边坡滑动前的有限元模型,进行非饱和渗透与非饱和强度的耦合分析,得到凝结水入渗过程中边坡的应力场,据此可得不同时间段的边坡稳定系数,揭示其破坏过程。结果表明,水蒸气凝结水在斜坡内长期滴渗,使得坡体地下水位缓慢上升,地下水位浸润潜在滑面前,稳定系数基本不变,待地下水位开始浸润边坡潜在滑面时,稳定系数开始迅速降低,最终导致斜坡破坏。     

非饱和-非稳定渗流条件下的边坡临界滑动场

受季节性降雨或水库运行的影响,岸坡外水位及坡内孔隙水压力场的变化较大,不利于岸坡的稳定性。在水位变化过程中,利用非饱和-非稳定渗流有限元计算得到孔隙水压力场,基于非饱和土的渗流和抗剪强度理论,对水位变化过程中的边坡临界滑动场法进行改进,提出可考虑水位变化与岸坡非饱和-非稳定渗流过程的边坡临界滑动场数值模拟方法。将改进后的水位变化过程中的边坡临界滑动场法分别应用于黏土、粉土岸坡在水位升降过程中的稳定性分析,研究了水位升降速率及基质吸力对岸坡稳定性的影响,并揭示了边坡在水位变化过程中的稳定性变化历程。研究表明,该方法计算结果合理、可靠,更适用于涉水边坡的稳定性计算,且岸坡稳定性变化历程受水位升降速率、基质吸力等多种因素共同影响,只有在考虑非稳定渗流的基础上同时考虑基质吸力的作用才能正确得出水位变化过程中岸坡稳定性变化规律和实质。     

泄洪雾化降雨对水布垭大岩淌滑坡地下水分布的影响研究

清江水布垭大岩淌滑坡位于水布垭水电站坝址区后部,正处于溢洪道泄洪时产生的雾化强暴雨中心地带,这种强雾化雨会显著影响滑坡体内的地下水分布,并给滑坡体的稳定带来不良后果。利用三维饱和非饱和稳定渗流有限元法对大岩淌滑坡在天然降雨以及高强度雾化降雨条件下的地下水流场分布进行了计算分析,后比较了滑体不同防、排渗措施的渗控效果。     

降雨条件下滑坡排水沟排水数值模拟

地表排水沟是滑坡治理常见措施之一。在降雨入渗与坡面径流有限元耦合模型中,通过调整径流方程中的坡度参数,实现地表排水沟排水模型。模型具有易于理解、实现简单的优点。以地表排水模型为基础,对5种典型滑坡在设与不设排水沟情况下坡体渗流场、坡面径流场、坡体入渗量和入渗过程进行了数值模拟。结果表明,当降雨强度相对土体渗透性较小时,排水沟设置在坡体渗透性由小变大的位置,才能有效地截断上游径流,减小入渗量;而当降雨强度相对土体渗透性较大时,排水沟排水效果并不明显。     

降雨条件下大型滑坡体渗流稳定性分析

西南高山峡谷地区,大型滑坡体分布广泛,降雨作用下极易产生失稳。古水水电站争岗特大型滑坡堆积体方量高达4 750×104 m3,存在多处厚度超过50 m 的超深层滑坡。2008年强降雨导致滑体变形再次启动并加剧,依据野外勘测,首先对地质结构和水文条件进行了分析,基于此对降雨入渗机制和稳定性现状开展了定性评价,认为降雨引起了滑体材料强度降低,整体处于沿贯通底滑面蠕滑变形的状态,须开挖加固治理。其次,运用饱和非饱和渗流理论,对降雨条件下滑体开挖治理前、后渗流特性进行了定量研究,揭示了入渗引起滑动变形的动态机制,并对稳定性和治理措施进行了评价,提出了有效的排水措施。结果显示,入渗引起土体饱和,形成浸润线并出现滞水现象;治理前滑体局部和滑带处滞水严重,雨停4 d后,滞水层厚度最高达6 m,此时稳定性最差;治理后滞水层明显减小,稳定性显著提升。其结果真实地反映了滑体稳定性现状与规律,与现场勘查相吻合。治理措施亦有显著效果,依据滞水层分布位置,提出相关排水措施,更有利于保持其稳定性。研究成果可为类似工程问题提供有意义的参考。     

渗流场中岩石流变特性的数值模拟

渗流对岩石的流变特性有显著的影响,但限于试验条件,相关的试验成果较少。而数值计算技术已成为进行岩石力学研究的重要方法,因此,采用数值模拟方法对渗流场中岩石的流变特性进行了研究。对已有的岩石室内流变试验进行模拟来验证数值方法的有效性,在压缩流变试验的数值模拟中对试件分别施加单向、三向渗流场来模拟不同渗流条件对岩石流变特性的影响。模拟结果表明,在渗流方向上渗流产生的动水压力会导致试件的流变变形增大。此外,不同渗流场对流变的影响也有所差异,三向渗流场中试件受到的轴向渗透力小于单向渗流场,而侧向渗透力则大于单向渗流情况,这也导致三向渗流场中试件的轴向应变小于单向渗流场,而侧向应变大于单向渗流场。     

渗流作用下深埋巷道围岩热交换过程的数值模拟

为了研究深埋巷道围岩温度场的分布规律,基于传热学和渗流理论建立了深埋巷道围岩的热扩散数学模型,结合边界条件采用MATLAB对其进行了数值求解,获得了在风流和渗流耦合作用下围岩的温度场和温度矢量分布。研究结果表明,渗流改变了围岩初始温度场和温度矢量的对称分布的状态,围岩内部的温度场可划分为向内扩散区和向外扩散区。在围岩与风流的热交换作用下,巷道的壁面温度将接近风流温度,温度矢量零点的范围呈现出逐步增大的趋势。当热交换达到平衡状态时,向内扩散区的温度场呈现为环状对称分布状态;而向外扩散区等温线的形状没有明显的改变,但等温线的分布逐渐稀疏。     

地下水渗流场对库区滑坡稳定性影响的数值模拟——以白马库区羊角滩滑坡为例

针对库水位变化条件下滑坡的稳定性定量评价复杂问题,考虑降雨和库水位变化对地下水渗流场变化规律的影响机制,采用饱和-非饱和渗流的基本理论,运用渗流模拟有限元法,对重庆市武隆区羊角滩滑坡在6种不同工况下的库区滑坡的稳定性开展了模拟研究。结果表明: ①降雨工况下,降雨对地下水渗流场都有影响,滑坡中部位置受地下水位影响最大,前后部影响小,降雨条件下,滑坡稳定性随着降雨历时的增加而变小,到达一定阶段后,滑坡已经滑动,滑坡稳定性系数不再变化; ②库水位工况下,主要影响滑坡前缘,地下水位是随库水位变化而迅速变化的,随着库水位的上涨,滑坡稳定性系数呈现先减小后增大的趋势; ③地下水位的骤升对浮托作用影响有限,对压坡作用影响较大,同时降低了渗流力的影响,对滑坡稳定起到了积极作用,地下水位的骤降增大了渗流力,减弱了前缘库水位的压坡作用,滑坡失稳的可能性最大。可为库区该类滑坡的稳定性现状及发展趋势预判提供科学依据。     

龙都尾矿库地下渗流场的数值模拟分析

利用2D-FLOW计算软件,对龙都尾矿库在不同条件下的渗流进行了模拟计算。其中,初期坝按透水和堵塞两种情况,干滩面长度分100,200,300 m三种情况考虑;同时,首次考虑了大气降雨对尾矿坝渗流场的影响,分别计算了50,100,200 mm/d三种雨型。通过计算,获得了龙都尾矿库在不同条件下地下渗流的变化规律。从计算结果中发现,如果初期坝被堵塞,则坝体浸润线会抬高,与尾矿堆积坝坝面相交,并从坝面溢出,对坝体的稳定性产生不利影响;干滩面距离的长短对坝体浸润线有影响,但均不会与堆积坝坝面相交,不会从坝面溢出;大气降雨对坝体的渗流影响较大,从模拟计算中可以看出,大气降雨越大,浸润线抬升越高,对坝体的稳定越不利。