降雨作用下土质边坡的渗流数值模拟

VIP免费
3.0 侯斌 2024-11-19 4 4 2.78MB 95 页 15积分
侵权投诉
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
目 录
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
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]。
上海理工大学硕士学位论文
2
图1.1 72 小时降雨后产生的边坡失稳
Fig1.1 After 72 hours of rainfall resulting slope instability
无论是道路交通工程，还是国防工程、大型水利水电工程、露天矿山开采工程以及各
种民用工程，在这些工程建设中绝大多数都面临着一个重大的亟待解决的技术问题—在爆
破荷载作用以及降雨入渗作用下边坡稳定性的分析与评价问题。边坡失稳产生的滑坡，根
据滑坡土质也有比较显著的不同，比如由黄土组成的土质边坡产生的滑坡，又或者是含有
砾石沙土还有粘性土组成的边坡滑坡。第一类所指的黄土滑坡主要广泛分布于黄土高原[3]，
这种滑坡大多数规模都比较大。第二类所指的滑坡，滑动速度一般开始都比较慢，而且普
遍来看，这类滑坡也从规模上来看是比较小型的。
使得土质边坡发生失稳破坏的因素有很多种[4]，例如
1. 人为因素，在历史的不断前行中，人类文明的进步，加快了大自然的老化，也产生
了很多破坏大自然的行为，例如在人类进行各种工程建设中，建设各类居民小区房屋建筑，
修筑各类交通公路，修建铁路；人类社会在不断地进步发展中，对自然资源的不断取用，
挖掘矿井采集煤炭、石油、以及天然气等自然资源。在此类工程建设中，由于空间地理位
置等环境因素、当前技术发展以及资金投入等历史因素和工程所在地区地层地质条件的限
制，都不可避免的需要进行爆破作业。
2. 自然因素，降雨、降雪等渗透入边坡，尤其在多降雨地区，非常容易造成非人为的
滑坡自然灾害，根据凤凰网有关于降雨滑坡灾害的新闻报道，在 2015 年2月在南半球秘鲁
亚马逊地区发生了强降雨，其中在秘鲁北部的圣马丁省 2月1号晚，强降雨引发的山体滑
坡，掩埋卡车，造成了 1人死亡 3人受伤；
第一章 绪论
3
依据人地系统统计数据库中有关中国自然灾害自然资源数据库有关降雨引发的灾害数
据统计[5]。
表1.1 西北地区 1981~1994 部分大型降雨自然灾害统计表
Table 1.1 Statistics from 1981 to 1994 some large rainfall Northwest Natural Disaster
大区域名称
年份
地区
雨涝描述
西北
1981
陕
夏季，粤、桂、黑、辽、陕、新等省
区部分地区多暴雨，出现洪涝灾害；
1986
内蒙古
1987
内蒙古、陕
1988
陕西，甘肃
陕西省 220 万亩农作物受灾，损失粮
食约 8000 万公斤，冲走牲蓄 1700 余头。
甘肃省有近百万亩农作物受灾。
1990
陕西
陕西，7月上旬降大雨或暴雨，陕南
100 多万亩农田被淹。宝鸡、汉中受灾农
田300 多木，成灾 200 万亩，冲毁 40 多
万亩。
1992
内蒙古
8月1～2日，内蒙古中部和东部的部
分地区降了大至暴雨，黄河支流黑河流域
发生建国以来较大洪水，小黑河有 5处决
口，造成 14 个村庄进水，呼包铁路被冲
毁6处。
1992
甘肃
8～9日，甘肃庆阳地区出现暴雨至大
暴雨，全区 8各县市的 300 多个村庄遭受
暴雨洪涝灾害，受灾农田 2万多公顷，倒
塌房屋 5000 多间
1992
西南部
宁夏南部山区也受到大至暴雨的影
响，暴雨引起山洪爆发，3各水库、4个
塘坝决口，1000 多间房屋倒塌，死亡 8
人，部分农田受灾。
1993
陕、晋
10～11 日，河南新乡，开封、安阳、
商丘等地市的部分地区将暴雨或特大暴
雨，20 多万公顷农作物受灾。倒塌房屋 1
万多间，死亡 19 人。11～13 日，陕、晋
上海理工大学硕士学位论文
4
及豫西的部分地区降了大至暴雨，陕西省
有30 万人，20 多万公顷农作物受灾，死
亡71 人，直接经济损失 2亿元左右。
1994
内蒙古
1994
内蒙古、陕、
甘、宁、青、
新
北方大部分地区提前进入雨季，华
北、东北部分地区暴雨成灾。特别是受
9406、9407 号两个热带风暴减弱成的低气
压和高空槽的共同影响，中旬初，自华北
平原西部至河北东北部到东北一带相互
出现了暴雨，局部雨量多达 400 毫米，江
河水位猛涨，泛滥成灾。据不完全统计，
豫、鲁、京、辽、吉、黑、内蒙古、陕、
甘、宁、青、新等省（区、市），受灾农
作物 7900 多万亩，死亡 459 人，倒房 66
万间，损坏 70 多万间，直接经济损失 165
亿元。其中 7月12～13 日暴雨，承德、
邢台等地农田成灾 600 多万亩，北京农田
受灾 84.6 万亩，蔬菜受灾 16.9 万亩，鱼
塘漫溢垮坝塘 3.03 万亩，果树受灾 9.26
万亩。
1994
甘、宁、内蒙
古
8月上旬，湖南南部、广西中部降雨
200～250 毫米，广东沿海达 300～500 毫
米，均比常年同期偏多 2～6倍；其中云
桂部分地区偏多 5～9倍。雨量最多在辽
宁中部和南部、两广及湖南部分地区，多
达100～230 毫米。由于降雨强度大，造
成山洪爆发，农作物遭受不同程度灾害。
8月上中旬辽宁、吉林部分地区遭受洪涝，
两省直接经济损失 76 亿多元。
由图表中数据可以看出，在绝大部分降雨引起的自然灾害中，滑坡所占的比例十分的
高。降雨引起的边坡失稳也就成为了非常严峻亟待解决的问题。
第一章 绪论
5
表1.2[6] 部分近代降雨造成的滑坡损失情况表
Table 1.2 Table for the landslide incident due to rainfall precipitation in modern times
时间
地点
降雨情况
1935.07.13
新滩柳林
连续 7 日暴雨
1955.08.18
宝鸡卧龙寺
大雨之后
1956,1961
宝成线小楚坝
1961 年降雨超
过1956 年，1981 年
又遇大暴雨
1965.11.22
云南省禄功
暴雨
1981 年夏
四川
连续暴雨
1981 年
宝成线
特大暴雨
1981.08.26
甘肃徽县
连续降雨 8 天
1982.07.28
四川鸡扒子
特大暴雨
1983.08.10
汉江黄龙滩
连续降雨 52 天
1984.07.29
四川雅安
日降雨量超过
300mm
1985.06.12
新滩
连续中至小雨
1989.07
四川华蓥山
700 年一遇的
暴雨
1990.08.07
云南保山
大雨
1990.08.11
甘肃天水
暴雨
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...

展开>> 收起<<
降雨作用下土质边坡的渗流数值模拟.pdf

共95页,预览10页

还剩页未读， 继续阅读

相关推荐

更多
立即下载
作者：侯斌 分类：高等教育资料 价格：15积分 属性：95 页 大小：2.78MB 格式：PDF 时间：2024-11-19

开通VIP享超值会员特权

  • 多端同步记录
  • 高速下载文档
  • 免费文档工具
  • 分享文档赚钱
  • 每日登录抽奖
  • 优质衍生服务

作者详情

相关内容

更多

推荐作者

热门标签

/ 95
评分 收藏
分享
立即下载 VIP免费下载
客服
关注