降雨作用下土质边坡的渗流数值模拟

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3.0 侯斌 2024-11-19 4 4 2.78MB 95 页 15积分

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摘要

随着我国工程建设的发展，边坡稳定性问题一直是岩土工程学界十分重要的研究课题

之一，边坡工程中的地质滑坡灾害严重影响着人类的生命和财产安全。而降雨入渗引起的

边坡失稳性问题则是主要诱发因素之一。因此，在降雨入渗土体边坡的情况下，边坡稳定

性的分析研究就显得尤为重要，同时对于工程上边坡开挖、大坝建设具有重要的理论意义

与实际的应用价值。本文的主要研究内容如下：

1. 针对国内外研究的现状，对边坡稳定性分析的主要方法进行了总结简述。经过理论的

学习总结，剖析了非饱和-饱和土体的渗透特征，非饱和土的渗透系数与其含水量与边坡土

体的基质吸力有关；土水特征曲线以及渗透系数方程的实验测值较为复杂，但可以通过模

型的计算可以得出，其中 VG 模型的参数适用性较为广泛。

2. 对降雨入渗的基本理论进行了总结简述，之后利用文献中的实验数据，对降雨入渗的

Mei-lasen 模型进行了理论解与实验解的对比分析，验证了此降雨入渗模型的可行性。而且

分别对理论解以及数值解进行比较剖析，得出数值解的更好的拟合度。

3. 利用有限元软件 Geo-studio 中seep/w 模块，并且应用文献中 VG 模型的参数，参数，

n、r、s、Ks。建立了单层均质土体边坡有限元模型。对五个工况下，不同 VG 模型参数的

均质边坡土体进行有限元模拟分析，得到孔隙水压力以及含水量的分布云图。分析结果表

明：r对VG 模型曲线仅在高吸力阶段比较显著，而参数 n的影响最为显著，扰动曲线在

饱和含水率处于基准线相交。与 n对孔隙水压力的分布有明显影响，s则有着较大影响，

随着 s的降低，孔隙水压力的消散变缓。

4. 按照修正的 Moore 入渗模型，能够将层状土体边坡的降雨入渗共划分为四个阶段。阶

段一：湿润峰发展深度还未到达下层土体表面。阶段二：下层土体表面发生积水之前。阶

段三：表层土上表面发生积水前。阶段四：表层土体表面开始发生积水。

5. 对于表层边坡土体渗透系数较小与下层边坡土体时，水利梯度在两层土体交界面突然

急剧下降到接近于单位梯度的大小程度。下层边坡土体始终处于非饱和状态，所以降雨的

累积入渗量由表层土体的渗透率决定。上细下粗型边坡的稳定性较为高一些。

关键词：渗流，数值模拟，模型参数

ABSTRACT

With the development of engineering construction, slope stability problems of geotechnical

engineering community has been one of very important research topic, the slope engineering

geology landslide disaster seriously affect human life and property safety. And slope instability

problems caused by rainfall infiltration is the main predisposing factor. Thus, in the case of rainfall

infiltration of slope soil, slope stability analysis is particularly important, but also has important

theoretical and practical value for slope excavation, construction on the dam project. The main

contents are as follows:

1. For research status, the main slope stability analysis methods are summarized briefly. After

learning summary theory, analyzes the unsaturated - saturated soil infiltration characteristics,

unsaturated soil matric suction moisture permeability coefficient of slope soil-related; SWCC and

experimentally measured values of permeability coefficient equation more complex, but it can be

obtained by calculation model, in which the applicability of VG model parameters are more

extensive.

2. The basic theory of rainfall infiltration is summarized briefly, after which the experimental data

in the literature on the Mei-lasen rainfall infiltration model were compared with experimental data

analysis theory solution, verify that this rainfall infiltration model the feasibility. And are theoretical

solution and numerical solution were compared to analyze, draw better fit numerical solutions.

3. The thesis use finite element software Geo-studio in seep / w modules and application literature

VG model parameters, parameters α, n, θr, θs, Ks. The establishment of a single homogeneous soil

slope finite element model. Five conditions for homogeneous soil slope VG model parameters

different finite element simulation analysis, the distribution of pore water pressure, and cloud water

content. The results show that: α, θr of VG model curve more significant only at high suction stage,

and the impact of the most significant parameters n, perturbation curve in a saturated water content

at the reference lines intersect. α and n had a significant effect on the pore water pressure

distribution, θs it has a greater impact, with the lower θs, the pore water pressure dissipation slow.

4. In accordance with Moore infiltration model modification, can be layered soil slope rainfall

infiltration is divided into four stages. Phase One: moist peak development has not yet reached a

depth deeper soil surface. Phase II: the subsoil occurs before the water surface. Stage Three: the

topsoil surface before the occurrence of water. Phase IV: the surface topsoil beginning of

hydrocephalus.

5. For surface soil permeability coefficient smaller slope and lower slope the soil, the water

conservancy gradient interface between two layers of soil sudden sharp decline in the size of the

extent of the gradient close to unity. The lower slope of the soil has always been a non-saturated, so

the cumulative amount of rainfall infiltration is determined by the permeability of the surface layer

of the soil. Stability on the fine-coarse type of slope is more higher.

Keywords: seepage flow, numerical simulation, model parameters

摘要

ABSTRACT

第一章绪论 .............................................................................................................................................. 1

1.1 问题的提出及研究意义 ............................................................................................................... 1

1.2 人为因素作用下边坡稳定性分析研究现状 ............................................................................ 6

1.2.1 拟静力法 ................................................................................................................................. 6

1.2.2 动力有限元方法 .................................................................................................................... 7

1.2.3 Newmark 滑块分析法 ........................................................................................................... 7

1.3 降雨入渗作用下边坡稳定性分析研究现状 ............................................................................ 8

1.3.1 国外研究现状 ........................................................................................................................ 8

1.3.2 国内研究现状 ...................................................................................................................... 11

1.4 本文主要的研究内容及创新点 ............................................................................................... 11

第二章典型边坡稳定性分析方法 .................................................................................................... 13

2.1 边坡稳定性分析研究现状 ....................................................................................................... 13

2.2 极限平衡法 ................................................................................................................................. 13

2.2.1 极限平衡法 .......................................................................................................................... 13

2.2.2 二维极限平衡法 ................................................................................................................. 14

2.2.3 三维极限平衡法 ................................................................................................................. 16

2.3 极限分析法 .................................................................................................................................. 19

2.3.1 Janbu 法简述 ........................................................................................................................ 20

2.3.2 条间力矩的 B-样条插值计算 ........................................................................................... 22

2.4 有限元法 ...................................................................................................................................... 26

2.5 矢量和法 ...................................................................................................................................... 27

2.6 本章小结 ..................................................................................................................................... 28

第三章降雨入渗作用下的饱和-非饱和渗流分析 ......................................................................... 29

3.1 渗流基本理论 ............................................................................................................................. 29

3.2 饱和-非饱和土体渗流理论 ...................................................................................................... 32

3.2.1 引言 ...................................................................................................................................... 32

3.3 降雨入渗计算模型分析 ........................................................................................................... 35

3.3.1 降雨入渗特征分析 ............................................................................................................. 35

3.3.2 模型分析 .............................................................................................................................. 36

3.3.3 入渗率 i(t)与累积入渗量 I(t) ........................................................................................... 37

3.4 本章小结 ..................................................................................................................................... 38

第四章降雨作用下均质边坡土体的渗流分析 .............................................................................. 40

4. 1 降雨入渗作用下边坡的渗流的理论分析 ............................................................................. 40

4.1.1 引言 ....................................................................................................................................... 40

4.1.2 Green-Ampt、Mein-Larson 入渗模型的实验解与理论解 .......................................... 40

4.2 降雨入渗作用下单层均质土边坡的渗流的数值分析 ........................................................ 49

4.2.1 引言 ....................................................................................................................................... 49

4.2.2 计算模型的建立 ................................................................................................................. 49

4.2.3 边界条件、初始条件 ......................................................................................................... 51

4.2.4 计算模型方案设计 ............................................................................................................. 51

4.3 数值模拟与结果分析 ................................................................................................................. 52

4.3.1 土壤水分特征曲线和渗透系数曲线 ............................................................................... 52

4.3.2 孔隙水压力分布 ................................................................................................................. 55

4.3.3 压力水头分布 ...................................................................................................................... 58

4.3.4 含水量分布 .......................................................................................................................... 60

4.4 本章小结 ...................................................................................................................................... 60

第五章降雨入渗作用下层状土体的稳定性分析 .......................................................................... 62

5.1 引言 ............................................................................................................................................... 62

5.2 双层土边坡降雨入渗模型 ........................................................................................................ 62

5.2.1 Moore 入渗模型 .................................................................................................................. 62

5.3 降雨入渗作用下双层均质土边坡的渗流的数值分析 ........................................................ 66

5.3.1 计算模型的边界条件、初始条件 ................................................................................... 66

5.3.2 计算模型方案设计 ............................................................................................................. 67

5.3 数值模拟与结果分析 ................................................................................................................. 68

5.3.1 土壤水分特征曲线和渗透系数曲线 ............................................................................... 68

5.3.2 孔隙水压力分布 ................................................................................................................. 73

5.4 本章小结 ...................................................................................................................................... 77

第六章结论与展望 ............................................................................................................................ 79

6.1 结论 .............................................................................................................................................. 79

6.2 展望 .............................................................................................................................................. 79

参考文献 ................................................................................................................................................. 81

在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 ............................................................... 91

致谢 .......................................................................................................................................................... 92

第一章绪论

1.1 问题的提出及研究意义

我国正在进行大量的城市建设，而在各类审批工程在施工建设过程中，不可避免的因

素中第一个就是人为因素-爆破的影响，爆破开挖施工过程中产生的振动波，既会对开挖产

生的边坡造成扰动，又会对已存在的自然边坡产生影响；第二个就是自然现象的影响，那

就是-降雨。降雨入渗对边坡产生的影响可谓是惊人的，不仅对环境造成了破坏，同时也对

人类的生命财产形成了巨大的隐患。边坡裸露在自然环境中，如图 1.1 所示，因为没有很

好的对边坡进行治理以及防护，导致在连续 72 小时的降雨作用影响之下，边坡发生了失稳，

并且产生了灾害滑坡。

天然坡体指在自然界风、水等外力作用下形成的具有倾斜面的土体或者岩体；而人工

坡体则是指通过人工开挖、堆积等作用形成的土体或岩体。随着人们能源需求的不断增加，

生活范围的不断扩展，物质生活要求的不断提高，越来越多的工程边坡不断涌现。如修建

水坝、防洪堤等大型水利水电工程、高速公路、高速铁路等道路交通工程、露天煤矿、铁

矿等矿山开采、国防工程以及各种民用工程等与人类活动有关的工程建设中都不可避免的

涉及到边坡稳定性分析与评价问题。

到2012 年底，我国已建成水电站的装机容量已经达到 2.17×108kW，水电总装机容量

已经跃居世界第一[1]机容量巨大，成果喜人，但是到目前，我国的水能资源开发潜力依然

十分巨大，水能资源开发率仅为 31.5%。相较于我国水能资源开发的长远规划而言，仅仅

开发了一半，在将来水能资源开发率应当翻一翻，达到 60% 左右。所以国家《西部大开

发“十二五”规划》明确提出加快建设的大型水利枢纽工程多达六项，积极筹备和推进前期

准备工作的水利工程更是 12 项之多[2]。

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摘要：

摘要随着我国工程建设的发展，边坡稳定性问题一直是岩土工程学界十分重要的研究课题之一，边坡工程中的地质滑坡灾害严重影响着人类的生命和财产安全。而降雨入渗引起的边坡失稳性问题则是主要诱发因素之一。因此，在降雨入渗土体边坡的情况下，边坡稳定性的分析研究就显得尤为重要，同时对于工程上边坡开挖、大坝建设具有重要的理论意义与实际的应用价值。本文的主要研究内容如下：1.针对国内外研究的现状，对边坡稳定性分析的主要方法进行了总结简述。经过理论的学习总结，剖析了非饱和-饱和土体的渗透特征，非饱和土的渗透系数与其含水量与边坡土体的基质吸力有关；土水特征曲线以及渗透系数方程的实验测值较为复杂，但可以通过模型的计算可...

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