考虑非饱和浸润区的改进Green-Ampt模型

经典Green-Ampt入渗模型计算简单,广泛应用于土壤入渗问题的研究,但在湿润锋处理上采用明显的干湿分离界面,存在一定的理论假设。鉴于此,基于饱和区−非饱和浸润区分层模型,结合达西定律,推导出入渗过程中饱和区厚度与非饱和浸润区厚度关系的理论公式,提出了水分剖面理论模型,消除了饱和区厚度和浸润区厚度的关系假设。在此基础上,建立了考虑土壤水分剖面形状和非饱和浸润区等效参数的改进Green-Ampt模型,并采用试验和有限元数值仿真对该模型进行了验证,结果表明：该模型有很高的精度,对不同类型的土有很好的适应性。同时该模型求解简单,参数物理意义明确,便于工程应用。     

基于改进Green-Ampt模型的花岗岩残积土边坡降雨入渗规律研究

花岗岩残积土广泛分布于我国南方地区,具有许多不良物理力学性质。该类型土边坡在降雨作用下极易发生变形破坏,因此,对花岗岩残积土边坡的降雨入渗规律进行深入研究具有重要意义。在Green-Ampt模型的基础上综合考虑了坡体的初始含水率、地下水位、非饱和特性,建立了一种适用于不同降雨工况的入渗模型,并采用数值模拟及前人经典模型计算结果对该模型进行了验证。运用该模型对赣南3种典型降雨工况下的花岗岩残积土边坡进行了分析,结果表明:在距离地下水位线较远时初始含水率对湿润锋的迁移速率影响不大,但在接近地下水位线附近时湿润锋的迁移速率逐渐增大,呈现出指数形式的变化趋势;相同降雨时间内、不考虑坡面冲刷的情况下,降雨强度略大于土体饱和渗透系数的工况下湿润锋迁移深度最大、边坡稳定性系数降低最多,在实际情况中尤其需要加强防范。     

压实黄土水分入渗规律及渗透性试验研究

为了研究压实黄土中的水分垂直入渗规律和非饱和渗透系数函数,在实验室内利用一维土柱垂直入渗模型试验装置,对两组压实黄土土柱试样分别进行了常水头入渗和降雨入渗试验。得到主要结论如下:（1）常水头入渗试验中,累积入渗量和湿润锋前进距离都随入渗时间呈幂函数形式增长,累积入渗量和湿润锋前进距离之间存在线性关系。入渗率在入渗初期最大,之后随入渗时间而快速降低,并在土柱试样底部出水以后达到稳定,且与湿润锋前进距离呈反比关系。（2）降雨入渗试验中,得到两组试样入渗过程中土-水特征曲线数据,分别用van Genuchten模型和Fredlund-Xing模型对两组试样进行了特征曲线拟合。并利用瞬时剖面法处理了入渗过程中水分和水势传感器的监测数据,得到两组试样的非饱和渗透系数,并拟合得到非饱和渗透系数与体积含水率之间的指数函数关系式。同时,采用van Genuchten和Fredlund等渗透系数模型分别对两组试样的非饱和渗透系数进行预测,通过对比模型预测结果和瞬时剖面法实测值,发现van Genuchten渗透系数模型预测结果更接近实测值。     

适用于斜坡降雨入渗分析的修正Green-Ampt模型

降雨入渗分析是预测降雨诱发滑坡的关键因素之一。Green-Ampt模型原理简单、使用方便,在浅层滑坡的降雨入渗分析中有很大的应用潜力,但该方法主要适用于初始含水率为均匀分布的情况。基于这一不足,推导了初始含水率为非均匀分布条件下降雨入渗深度和时间的关系,并给出了基于Runge-Kutta原理的数值解法。当初始含水率为均匀分布时,提出的方法可简化为文献中已有的Green-Ampt模型。当初始含水率为非均匀分布时, Richards方程预测所得的孔隙水压力分布图中土体饱和区和未受降雨影响的非饱和区之间存在一个较窄的过渡段,由新模型计算所得的湿润锋穿过这一过渡段,且靠近饱和部区的底部。总体而言,新方法计算所得的孔隙水压力分布与Richards方程求解结果类似。     

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。     

降雨诱发浅层滑坡稳定性的计算模型研究

我国是一个滑坡灾害频发的国家,众多事实表明：降雨是影响边坡稳定性,导致边坡失稳的最主要和最普遍的环境因素,是浅层滑坡的触发因素。为了更好地对降雨诱发浅层滑坡进行研究,采用非饱和土VG模型与改进的Green-Ampt入渗模型对Mein-Larson降雨入渗模型进行改进,并结合无限边坡提出了一个降雨诱发浅层滑坡的简化计算模型。与以往提出的简化计算模型相比,该模型既考虑了坡面倾斜的影响,又考虑了非饱和土的特性,并可用于两种降雨形式下的边坡浅层稳定性估算,具有更广的应用范围。通过与有限元得到的结果进行比较可得：在不同降雨条件下,该计算模型得到的各项结果与数值解是接近的,安全系数计算结果是偏于安全的,因此,可将该计算模型用于降雨诱发浅层滑坡的近似估算;该计算模型公式简单,便于计算,计算效率较高。     

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。     

基于降雨作用下滑面抗剪强度动态变化的层状边坡稳定性评价

降雨入渗对边坡稳定性具有重要影响。鉴于层状边坡在自然情况中广泛存在,因此,开展在降雨情况下的多层状边坡入渗模型及其稳定性研究具有重要意义。考虑各层土体的渗透性能差异,利用约束函数求得各层土体的有效渗透系数,并基于Green-Ampt模型建立层状边坡入渗模型。结合非饱和土强度经验公式,推导了考虑滑面抗剪强度动态变化的层状边坡稳定性方程。最后,对深圳某边坡在不同降雨强度和降雨历时下的稳定性系数进行了计算并对结果进行了分析。结果表明,当湿润锋未达到滑面处时,边坡稳定性系数与降雨历时和降雨强度呈线性关系。考虑边坡入渗能力,提出了降雨入渗临界时间概念。在任意降雨强度下,当降雨历时小于该时间时,边坡均不会失稳。本研究可以用于指导降雨情况下层状边坡的稳定性评价。     

降雨条件下考虑饱和渗透系数变异性的边坡可靠度分析

土体饱和渗透系数表现为天然的变异性,为此基于Green-Ampt模型建立了考虑饱和渗透系数变异性的降雨入渗物理模型,并藉此模型确定了坡体湿润锋深度和含水率分布。然后结合无限长非饱和土边坡稳定模型得到解析形式的反映边坡稳定性的极限状态函数。采用Monte Carlo法对饱和渗透系数进行随机抽样并最终建立降雨条件下考虑饱和渗透系数变异性的边坡概率分析框架。针对一假想边坡,探讨了饱和渗透系数的变异系数、降雨持时和降雨强度对边坡破坏概率以及破坏发生时间概率分布的影响,结果表明：在降雨初期,边坡的破坏概率随饱和渗透系数变异性的增强而逐渐增加,但随着降雨的持续,破坏概率开始随变异性的增强而显著降低;滑坡最可能发生时间的大小并不受饱和渗透系数变异性的影响,而是直接取决于降雨强度;滑坡最可能发生时间所对应的概率却随变异性的增强而逐渐减小。     

降雨干湿循环作用下的渣土边坡稳定性

降雨作用下边坡不同深度岩土体所经受的劣化作用强度差异显著,从而影响边坡的稳定性。以深圳典型渣土边坡为例,基于改进的Green-Ampt模型计算降雨作用下的浸润锋深度,通过干湿循环与直剪试验,获得了浸润锋内渣土抗剪强度参数的劣化规律,结合劣化规律并采用双强度折减法研究了不同降雨工况下渣土边坡的稳定性。研究结果表明:随着干湿循环次数的增加,渣土的黏聚力及内摩擦角均减小,且前期减小得快,后期缓慢,4次干湿循环后趋于稳定,符合指数函数的变化趋势,保持稳定不再衰减的渣土黏聚力为9.5kPa,内摩擦角为19°;综合降雨入渗的干湿循环以及双强度折减法得到的渣土边坡的稳定性系数较仅采用传统强度折减法得到的稳定性系数有大幅度的降低,最大减小了44.5%。该方法可以用于准确评价降雨作用下边坡稳定性。     

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。     

强降雨下基于Green-Ampt模型的边坡稳定性分析

降雨入渗分析方法直接影响降雨型滑坡的预测与防范。Green-Ampt（GA）模型物理意义明确、参数较少,在降雨型滑坡分析中逐渐得到了重视,但该方法忽略了湿润层非饱和层的存在以及饱和层渗流而影响计算精度。针对以上不足,基于GA模型,建立了适用于边坡并且能综合考虑湿润层土体含水率分布情况与饱和层内平行于坡面渗流作用的降雨入渗分析（LSGA）模型,并提出了该模型下边坡稳定性系数表达式。结果表明：对于不考虑分层的无限长边坡,LSGA模型可简化为GA模型,说明GA模型是LSGA模型的一个特例;与LSGA模型相比,GA模型在失稳深度和时间上有较大延缓;饱和层渗流作用对湿润层特性影响较小,对边坡稳定性影响较大;相反,坡体长度方向尺寸效应则对湿润层特性影响明显,而对边坡稳定性影响较小;利用LSGA模型和稳定性评价方法得到的结果与模型试验揭示的现象基本吻合,证明了该方法有较好的精确性和可靠性。     

强降雨条件下气压对滑坡延时效应研究

在强降雨入渗条件下,浅层边坡土体中的气体可能被封闭,孔隙气压力在封闭条件下随着雨水的入渗不断增加。结合湿润峰面受力分析对封闭气体压力的物理意义进行了说明,通过考虑简化的气阻入渗模型,对比经典的Green-Ampt入渗模型,研究了气压对入渗率和下移的湿润峰的影响。应用该入渗模型,对下部为基岩的大面积浅层边坡雨水入渗过程以及边坡稳定性进行分析。研究表明,封闭气压显著降低了边坡体内雨水的入渗率,对安全系数的降低具有明显的延时性,这进一步揭示了部分地区雨后滑坡频繁发生的重要原因。因此,考虑封闭气压对大面积边坡降雨安全预报具有重要意义     

Dump slope stability analysis – A case study

In opencast mining operation, the stability of waste materials stands at high priority from the safety and economic perspective. Poor management of overburden (OB) dump results the instability of slope in an opencast mine. The present paper deals with the stability analysis of dump material of an opencast coal mine at Talcher coal field, Angul district, Odisha, by means of different geotechnical parameters and mineralogical composition affecting the dump slope. The prolonged rainfall in the mining area causes dump failure and loss of valuable life and property. A recent dump failure that occurred in 2013 at Basundhara mines of Mahanadi Coalfields Limited (MCL), Odisha, took 14 lives, and created problems for the mining industry. Most of the dump failure that occurs in the study area are mainly due to increase in pore water pressure as a result of rainfall infiltration. The stability of the waste dump was investigated using the limit equilibrium analysis to suggest an economical, sustainable and safe disposal of the dump in the study area.     

降雨入渗影响下边坡中的非饱和渗流特性

为了分析降雨入渗影响下非饱和土坡渗流特性,利用自制降雨模拟系统和实时监测系统,对降雨诱发非饱和土坡失稳过程进行全方位、多参量的实时监测,研究不同降雨条件下,不同坡度、不同压实度边坡坡体不同位置雨水入渗率和湿润峰的实变规律.结果表明:降雨入渗条件下,陡坡和高压实度土体不利于雨水入渗,而缓坡和低密实度土体入渗率变化快;实际土体吸力和含水量实时变化规律不同步,提出试验湿润峰概念,含水率（吸力）湿润峰点可按含水率（吸力）实时曲线的过渡区和雨后残余含水率（吸力）的线性交叉点确定;考虑单向吸湿或脱湿路径下土体含水率和吸力具有唯一对应关系,含水率湿润峰点与吸力湿润峰点的绝对值时差即为形成湿润峰所需时间;对比湿润峰实测值与Lumb半经验值散点分布规律,基于Lumb湿润峰深度计算公式提出非线性修正表达式.      

Mapping method of rainfall-induced landslide hazards by infiltration and slope stability analysis

Landslides - By utilizing the Green-Ampt infiltration equation and the infinite slope stability model, a method for analyzing shallow slope failures caused by rainfall is developed. With rainfall...     

非饱和渗流基质吸力对边坡稳定性的影响

降雨入渗是致使边坡岩土体稳定性下降并最终导致崩滑地质灾害发生最为常见的环境因素。通常对边坡中地下水的影响分析采用的是经典的静水压力假定 ,并考虑适当的折减系数。本文研究了非饱和土强度随基质吸力变化的规律 ,对基质吸力影响边坡稳定性的机制进行探讨 ,并提出了相应的分析方法。运用上述方法分析了某露天矿边坡实例。结果表明 ,该方法十分有效。