降雨条件下坡面径流和入渗耦合的数值模拟

降雨条件下坡面径流和降雨入渗的模拟互为条件,必须采用耦合分析的方法才能较好地解决这一问题。从坡面径流和降雨入渗控制方程着手,建立了用有限元方法求解该问题的耦合方程,并编制了相应的计算程序。为了加快迭代收敛的速度,还对地表饱和的判断提出了一种近似处理的方法。算例表明,所提出的方法可行,能较好地反映实际现象。该方法可为边（滑）坡稳定、水土流失、山地洪水分析等提供计算依据。     

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。     

边坡降雨入渗与坡面径流耦合数学模型及有限元模拟

降雨,特别是强降雨时边坡渗流和坡面径流过程是研究许多工程问题的基础。本文采用Richards方程描述非饱和渗流过程;运动波方程描述坡面径流。先推导了Richards方程的积分弱解格式;然后将坡面水深作为运动波方程的控制变量,并用运动波方程表示入渗率;再将这一表达式融入Richards方程的积分弱解格式,从而构建同时描述边坡渗流和径流的积分弱解格式的数学方程。该方程不再包含入渗率这一未知量。采用Galerkin有限元法实现方程的有限元模拟。算例表明,所建有限元模拟方法可以用于模拟边坡渗流和坡面径流过程。     

基于扩散波近似方程的降雨边界处理的改进EI北大核心

在降雨入渗模拟中,传统的降雨边界不能准确地反映坡面积水深度变化对坡面实际入渗率的影响。基于扩散波近似方程改进了传统的降雨边界,使得在强降雨条件下坡面积水深度动态变化可以和实际入渗率进行耦合计算,并且通过两个经典试验验证了改进边界的准确性。后将该改进边界用于工程实例计算,结果表明:(1)改进的降雨边界可以实现集中型降雨条件下流量边界与压力水头边界的实时动态转换;(2)当降雨边界为压力水头边界时,改进边界计算出的理论上坡面积水深度最深的位置出现在坡趾处;在降雨后期坡面退水阶段,积水深度可忽略不计,理论上积水深度最深的位置出现在平坦坡面与陡峭坡面的交汇处。     

降雨条件下滴水崖Ⅰ号滑坡瞬态稳定性分析

根据选定的实测月降雨资料,利用径流渗流耦合理论,对滴水崖Ⅰ号滑坡进行了降雨入渗坡体渗流场数值计算。利用非饱和土强度理论,基于GLE通用条分法,分别利用天然状态强度参数和饱和状态强度参数计算了其安全系数,并对其稳定性进行了评价,为瞬态稳定性分析提供了基准。然后调用不同降雨时段的径流渗流计算结果对滑坡瞬态稳定性进行了计算和分析,研究了水分在坡体内的运移对滑坡稳定性的时间空间影响,同时分析了降雨入渗对坡体岩土渗透特性造成的影响和对坡面径流的影响。     

基于Green-Ampt模型的多层结构边坡降雨入渗改进计算方法及稳定性影响研究

降雨作用下,边坡土体的饱和度及含水率升高,基质吸力减小。随着降雨历时的增长,雨水入渗深度对坡体的稳定性产生影响。然而传统多层结构边坡的入渗计算方法并未考虑随入渗深度不断变化的基质吸力与层间积水点的形成,且忽略饱和层内沿坡体层面流动的部分雨水对入渗过程的影响,亦未考虑潜在滑动面位置随降雨历时的变化。将入渗过程分解为若干个子过程,并基于Green-Ampt（G-A）入渗模型对传统多层结构边坡的入渗计算方法进行改进,以对每个子过程进行求解,最后将其合并为整体入渗过程的解。在此基础上对层间积水点的形成时刻进行计算,进而分析雨水入渗深度与时间的关系,并研究降雨强度与雨水入渗深度对边坡不同位置处（湿润锋、饱和层）稳定系数和滑动面位置的影响。研究表明:（1）基于G-A模型的改进计算方法所得结果比传统多层结构边坡入渗计算方法所得结果更接近于数值模拟结果。（2）对于多层结构土质边坡,其安全系数随着雨水入渗深度的增加不断降低,并且在层间积水点形成时产生突变现象。（3）随着降雨历时和降雨强度的增大,边坡中潜在滑动面位置会产生变化,前期潜在滑动面位置出现在湿润锋处,后期则出现在饱和层交界面处。该方法提高了多层结构边坡传统降雨入渗计算方法的精度,更加全面的对多层结构边坡的稳定性进行评价,其工程应用范围亦得到进一步扩大     

基于Mein-Larson入渗模型的凹形边坡稳定性分析

坡面形态对边坡表面应力状态影响显著,而应力状态与边坡稳定性密切相关。以往的降雨入渗模型仅考虑直线形态的边坡,并没有考虑边坡为曲线形态的情况。将Mein-Larson入渗模型与坡形函数相结合,推导降雨作用下凹形边坡的入渗函数,结合极限平衡分析方法,提出一种凹形边坡稳定性计算模型。同时根据坡形拟合与坡形简化的思路,将实际边坡分别当作成凹形边坡和直线边坡进行研究。研究结果表明:湿润锋入渗深度与降雨时间呈线性关系,湿润锋面在不同降雨时刻下均与坡面平行。将实际边坡当作凹形边坡进行分析时,其降雨入渗规律更符合实际情况;当降雨时间为10天时,浅层斜坡模型得到的计算结果为0.95,而本文计算模型与数值模拟得到的稳定性系数分别为1.004和1.003,相对误差不超过1%。因此与以往提出的计算模型相比,该模型不仅考虑了实际边坡的坡面形态,而且具有计算简便、可靠度较高等特点。     

坡地氮磷流失过程模拟

根据农田坡面氮、磷流失的主要过程,建立了基于次降雨事件的坡面氮、磷迁移模型。模型采用改进的Green-Ampt方程和运动波方程计算下渗与坡面流,土壤侵蚀采用修改的欧洲土壤侵蚀模型计算,用考虑了侵蚀影响与扩散作用的迁移模型计算坡面氮、磷迁移过程,采用一维对流扩散方程计算氮、磷在土壤中的迁移过程。利用室内人工降雨资料对模型进行了率定及验证。结果表明,模型可以较好地模拟地表径流中氮、磷浓度,率定期与验证期模型效率系数均在0.89以上。根据坡地氮、磷流失机理,分析了降雨强度与地表坡度对坡面径流中氮、磷浓度的影响。     

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。     

基于全耦合的地表径流与土壤水分运动数值模拟

针对降雨径流从坡面流下的过程中会发生下渗,导致土壤水非饱和带含水率增大这一动力学过程,从物理机制上对土壤水和地表水进行耦合,将二维平面地表水模型叠置在土壤水模型的顶部,对土壤水、地表水模型进行相同的空间和时间离散,在模型的计算过程中通过达西流关系对两者之间的水量交换进行计算(双层结点法耦合)或整合离散方程的整体法进行耦合。通过对两种耦合方法的比较以及与前人的实验结果对比,该模型与耦合方法能够准确地模拟和预测地表径流与土壤水分运动过程。研究结果可为分析地表水流与饱和-非饱和带水分与溶质耦合机理提供理论支持。     

基于改进遗传算法的边坡可靠度分析

采用基于概率的可靠性分析方法来分析边坡的稳定性,以克服目前大多数分析方法以确定性安全系数为评判标准的弊端。对于每次搜索中给定的滑移面,结合拉格朗日乘子法提出边坡可靠度的计算模型;采用遗传算法搜索关键滑移面,提出边坡的适应度函数。为克服标准遗传算法在进化过程中无法调节全局搜索和局部搜索速度、且可能陷入次优解的缺陷,改进了子代中最佳个体的确定方法,来并以相邻两代的群体多样性特征值增量为导向,动态调节交叉概率和变异概率,以保持群体的多样性和搜索的有效性。实例分析结果表明,本文方法可以提高遗传算法的搜索能力和收敛速度,保证解全局最优;该法适用于边坡稳定可靠度分析,且前处理简单;在遗传操作前预优化可靠指标计算模型能大大减少遗传算法中的计算量,节约机时。     

Windows下的土坡稳定性分析研究

利用CAD二次开发技术,对边坡进行稳定性分析,采用的计算方法为瑞典圆弧滑面条分法。通过编程计算,能得到该边坡的任意滑面的安全系数和最危险滑面位置及其安全系数,该程序有良好的Windows风格的用户界面,直观、形象的计算过程,简单明了的输出结果,是进行边坡稳定分析的新选择     

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。     

Two Methods for Predicting Reliability Index and Critical Probabilistic Slip Surface of Soil Slopes

Two methods of reliability analysis of soil slopes are studied, and the representative flow charts of both methods are illustrated. Method 1 can predict the reliability index and the critical probabilistic slip surface directly and it is computational efficient, but it needs the development of new codes for integrating the reliability analysis code and the slope stability code. Method 2 makes the reliability analysis code call the slope stability analysis code directly, and each code can be considered as an intact part. The main result of Method 2 is the reliability index of soil slope. Combined with the proposed method for locating the critical slip surface, Method 2 can also predict the probabilistic slip surface. Although Method 2 needs much more callings of the subprogram of slope stability analysis code, it needs not the developing of new computer program. Thus, Method 2 is easy to use and can be applied to different reliability analysis methods and slope stability analysis methods.     

地震作用下加筋土坡临界高度研究

以塑性极限分析理论为基础,假定破裂面为对数螺旋面,考虑加筋机理和地震力的作用,提出了加筋土坡临界高度的计算模型。应用该计算模型,不仅能考虑地震力的作用,而且能考虑不同的加筋机理对临界高度的影响。通过与前人静力试验结果的对比发现,基于复合加筋机理得到的临界高度比基于单一加筋机理得到的临界高度要偏大,且更接近于实测值,表明了该理论及其求解方法的有效性和可靠性。通过对地震作用下加筋边坡的临界高度分析表明,地震力作用下摩擦加筋机理对临界高度基本没有影响,主要是准粘聚力机理在起作用。该方法可对加筋边坡临界高度的设计提供有益的指导和参考。     

PSO-based stability analysis of unreinforced and reinforced soil slopes using non-circular slip surface

Slope stability analysis is one of the most intricate problems of geotechnical engineering because it is mathematically difficult to search the critical slip surface of earth slopes with complex strata owing to the involved multimodal function optimization problem. At present, a minimum factor of safety for a non-circular slip surface in a uniform and unreinforced earth slope can be calculated using several methods; however, for a reinforced soil slope, it cannot be easily calculated because of the additional effect of the reinforcement. One efficient method to search the critical slip surface is particle swarm optimization (PSO). PSO can solve complex non-differentiable problems, and its increasing ease of use has facilitated its application to multimodal function optimization problems in a variety of fields. However, the recommended PSO parameters to calculate the safety factors of unreinforced and reinforced soil slopes, namely the inertia and local and global best solution weighting coefficients, have not been sufficiently investigated. Moreover, the computational efficiency of PSO for safety factor calculation, including computational accuracy and time, has not been clarified. To calculate the unreinforced and reinforced soil slope safety factors, this study considers force and moment equilibriums, including the tensile force of the reinforcement. Firstly, the computational efficiency of the calculation process by PSO was shown to increase the maximum number of slip surface nodes in the calculation of the safety factor. Then, an analysis was carried out to investigate the safety factor sensitivity to the PSO parameters. Based on this analysis, appropriate PSO parameters for the safety factor calculation of unreinforced and reinforced soil slopes were proposed.

     

Critical slip surface and landslide volume of a soil slope under random earthquake ground motions

Finding the critical slip surface and estimating the landslide volume are of primary importance for slope seismic design. However, this may be difficult due to the uncertainty of ground motions. To address this problem, a new method for calculating uncertainties is recommended in this paper, especially for the critical slip surface and landslide volume under random earthquake ground motions. Firstly, a series of intensity–frequency nonstationary random earthquake ground motions were generated based on an improved orthogonal expansion method. A given number of potential slip surfaces were set in a soil slope. Subsequently, the factor of safety (FOS) of each slip surface for all ground motions was calculated and the minimum FOS curves were obtained. It was found that the critical slip surfaces and failure times are uncertain under different earthquakes. The Monte Carlo method was used to verify the accuracy of probability density evolution method (PDEM), and the results of the PDEM and the Monte Carlo method are consistent, meaning that the PEDM has higher computational efficiency. Moreover, the distributions of earthquake-triggered landslide volume and landslide depth were analyzed by considering equivalent extreme events. Both landslide volume and depth exhibit a normal distribution for a homogeneous soil slope. The framework of this study is meaningful for slope seismic design in engineering, for example, the location of critical slip surface can be used for slope reinforcement, and the distribution of sliding volume can be used for disaster assessment.     

应用点安全系数分析基坑边坡三维稳定性

复杂基坑边坡具有明显的三维效应,目前计算方法尚不便准确计算其三维稳定性,不便于确定其空间失稳范围。在三维数值计算结果的基础上,选用Bezier双三次曲面对通过节点的位移等值面进行拟合,以位移等值面作为基坑边坡局部破坏面,据此计算出垂直破坏面的正应力和滑动方向的剪应力,提出新的点安全系数定义为该点抗剪强度与滑动方向上剪应力的比值,整体安全系数为等值面上点安全系数对面积的加权平均值。分析了某师范大学基坑边坡的稳定性,结果表明,点安全系数在剖面分布上呈中部小,内、外高的分布特征,小于1.06的区域从坡脚延伸至坡顶,揭示了滑动面的位置,最危险滑动面为15 mm的位移等值面。通过与刚体极限平衡法比较,验证了特定剖面上二者计算结果的一致性     

地震作用下边坡安全系数时程计算及参数研究

提出了一种计算地震作用下边坡动力安全系数时程的方法,该方法以动力有限元时程分析得到应力场,再使用遗传算法搜索每个时刻下的临界滑裂面,进而确定其安全系数,从而得到边坡在动力作用下的安全系数时程,物理意义明确。通过在基岩输入不同周期的正弦波加速度,研究了动力作用周期对安全系数时程的影响,发现相同加速度幅值下周期越大安全系数越小,安全性越低。与边坡自振周期和振型比对后发现,地震波周期与边坡自振周期耦合引起的动力响应增大,不仅与周期耦合相关,还与相应的自振振型相关,只有与以坡体本身振动为主的振型耦合时,才会发生明显的动力响应增大,相应的安全系数明显降低。     

降雨条件下软岩边坡渗流-软化分析方法及其灾变机制

降雨条件下软岩边坡的灾变问题是滑坡领域研究的热点与难点。采用间接耦合法进行软岩边坡降雨入渗分析,根据软岩边坡非饱和渗流-应力计算原理,建立了软岩边坡渗流效应分析方法;将软岩抗剪强度的遇水软化特征动态赋予暂态饱和区中对应的软岩体,模拟降雨渗流条件下软岩边坡的软化效应;将渗流与软化相结合,建立基于暂态饱和区的软岩边坡降雨-渗流-软化-灾变的数值分析方法,并用于实例边坡的降雨灾变机制分析。结果显示,软岩边坡潜在滑动面深度随时间逐渐变浅,安全系数-时程曲线呈反向复曲线形态,当边坡开始软化时曲线上出现拐点。边坡稳定性计算结果与实际情况基本相符,表明思路与方法具有一定正确性,可为软岩边坡治理方案设计提供理论依据。