土体初始饱和度对降雨入渗的影响

基于水、气两相流理论,采用有限单元法计算了壤土在不同饱和度下的降雨入渗过程,以研究初始饱和度变化对降雨入渗的影响。数值模拟结果表明:降雨入渗初期孔隙气压会逐渐增大,入渗强度会因孔隙气的顶托作用逐渐减小并最终趋于稳定。稳定后的降雨入渗强度主要取决于土体基质吸力和渗透特性,与土体初始饱和度大小直接相关;入渗强度存在最大、最小值,最大值通常会出现在初始饱和度为0或1时,而最小值所对应的饱和度与土体非饱和特性有关;受土体基质吸力和水、气渗透性的双重影响,入渗强度会先随饱和度的增大而逐渐减小,当降至最小值后,入渗强度又会随饱和度的增大而增大。根据计算结果,提出了一个可计算相对稳定入渗强度的公式。     

考虑孔隙气压力影响的边坡稳定分析

降雨入渗过程中孔隙气压力变化是影响边坡稳定的重要因素,为了分析这种影响,提供一种考虑孔隙气压力影响的边坡稳定分析方法。首先基于水气两相流的理论与方法,计算降雨入渗下坡体的孔隙水压力、孔隙气压力和饱和度的分布,并获取降雨入渗过程中孔隙气压力引起的荷载变化量。而后,结合非饱和土抗剪强度理论及剩余推力法,将孔隙气压力引入到边坡稳定分析中,并以谭家河滑坡为例模拟分析考虑孔隙气压力对边坡稳定的影响。结果显示,降雨导致坡体表层趋于饱和,在坡表与滑带之间的孔隙气压变化较为敏感,而沿滑床向深层方向传递过程中孔隙气压发生衰减;坡体表层饱和区孔隙水压力通过孔隙气向坡脚传递,形成沿坡脚方向的孔隙气压力梯度,增大了滑体的下推力。结果表明,在相同的渗流条件下,考虑孔隙气压力的影响使同一滑动面上的安全系数降低,对边坡稳定分析不利。该方法在坡体濒临失稳时考虑孔隙气压力作用影响显著,对反映某些具体工程滑坡现象更加符合实际。     

土体非饱和渗透特性对降雨入渗的影响

降雨入渗影响下的土体非饱和渗透特性是一个非恒定非饱和的变化过程,探究土体非饱和渗透特性对降雨入渗的研究具有重要意义。基于水气二相流理论,采用有限单元法计算了不同非饱和渗透特性条件下的降雨入渗过程,探究了不同渗流特性与稳定入渗强度的关联性。结果表明:当饱和度较低时,通过改变参数所反映的基质吸力对土体的稳定入渗强度影响显著;当饱和度接近１时,土体的入渗强度影响几乎不受基质吸力的影响。土体稳定入渗强度极值点的位置主要由本征渗透性的决定,而极值点的位置则受土水特征关系、水相对渗透关系、土体本征渗透系数的共同影响。     

基于ABAQUS的边坡降雨入渗边界的开发及其验证

为了克服ABAQUS在进行降雨入渗模拟方面的局限性,采用Python语言对ABAQUS软件的降雨入渗边界进行二次开发,将降雨边界作为不定边界,采用迭代算法对降雨入渗边界进行处理,开发出基于ABAQUS软件的降雨模块。该模块可以根据降雨强度与土壤入渗能力之间的关系,即时改变降雨边界条件,从而准确的反映降雨过程中降雨边界的动态变化过程,这克服了ABAQUS软件中只能模拟降雨全部入渗,入渗率保持不变的单一情况,完善了ABAQUS软件的降雨入渗分析功能。结果表明:开发出的降雨模块是稳定可靠的,可以用于边坡降雨入渗的分析;同时,借助于ABAQUS的强大功能,该模块可以为以后进行更复杂的降雨相关问题的研究提供一个良好的研究平台。     

降雨入渗条件下边坡的稳定性分析

把降雨入渗条件下的边坡稳定性问题转化为图论中的最短路问题,基于饱和-非饱和渗流有限元计算得到的应力场和渗流场来计算边坡的最危险滑动面及其安全系数,在降雨入渗过程中,考虑基质吸力对滑动面抗剪强度的影响,采用修改的Mohr-Coulomb破坏准则来计算非饱和边坡的抗剪强度。降雨入渗过程及其对边坡力学行为的影响采用一个二维的有限元渗流-应力耦合程序进行分析,研究降雨入渗过程对边坡的孔隙水压力、位移以及安全系数的影响,计算结果表明,在降雨入渗过程中,边坡的安全系数在不断减小,降雨停止之后,边坡的安全系数还会持续减小一段时间,随着排水的不断进行,边坡的安全系数又会逐渐增大。     

不同雨强和坡比条件下黄土边坡降雨入渗研究

降雨诱发滑坡是我国黄土地区的主要地质灾害之一,为了给黄土边坡防护设计提供参考,采用室内边坡降雨模型箱,开展了2种降雨强度(中雨7.00 mm/d、大雨10.75 mm/d)和2种坡比(1∶0.5、1∶1)条件下的模型边坡降雨试验,实测边坡土体含水率、基质吸力及边坡形态变化情况,比较了不同降雨强度和坡比条件下降雨入渗的差异。结果表明:黄土边坡降雨入渗深度坡脚最大、坡顶次之、坡中最小,降雨入渗速率坡顶最高、坡脚次之、坡中最低,雨水的入渗能力随着入渗深度增加而减弱;降雨结束后边坡湿润锋深度坡脚最大、坡顶次之、坡中最小,即降雨入渗深度坡脚最大、坡顶次之、坡中最小,降雨强度越大边坡湿润锋深度越大,坡比越大边坡坡中降雨入渗深度越小;不同降雨强度和坡比条件下,边坡不同位置处基质吸力稳定值坡中最大、坡顶次之、坡脚最小,降雨强度越大基质吸力稳定值越小、相应的含水率越低、降雨入渗速率越高,坡比越小边坡坡中降雨入渗速率越高、入渗深度越大;降雨初期坡面未产生径流,随着降雨历时的延长,表土逐渐饱和、坡面产生径流现象,降雨强度和坡比越大边坡表层土体剥落越严重、坡面径流深越大。     

降雨强度对土壤水再分布的影响

为了研究降雨强度对降雨入渗土壤后的水量分布规律,对不同降雨强度下坡耕地0～100 cm土壤含水量消退过程进行了分析。结果表明:降雨入渗后表层土壤含水量急剧增加,土层越深,变化幅度越小;随着停渗时间的延长,上层土壤含水量明显减小,下层土壤含水量稳定增加;降雨强度越大,转化成土壤水的水量越多,停渗后表层水分损失就较少;土壤水变化幅度越小,土壤水消耗过程越短,土壤水再分布影响的土层越深。     

考虑多层非饱和土降雨入渗的边坡稳定性分析

降雨是诱发滑坡的最主要因素之一,降雨入渗将显著降低非饱和土的基质吸力,从而降低边坡土体抗滑力。本文提出了考虑降雨入渗的多层非饱和土边坡稳定性分析方法。首先改进Green-Ampt入渗模型,提出适合多层非饱和土边坡降雨入渗的计算方法;然后得到各层土体在入渗各阶段的强度参数值;最后,采用强度折减法计算整个边坡在入渗条件下的安全系数。将本方法应用于广州大夫山滑坡案例发现滑动面和实际情况接近,为短期强降雨诱发的浅层滑坡。分析了不同降雨强度和历时对滑坡稳定性的影响,结果表明:降雨入渗导致边坡潜在最危险滑面的位置主要在浸润锋处或土体与基岩交界处。低强度长历时的降雨过程中,雨水入渗深度较大,易发生深层滑动;在高强度短历时的降雨过程中,雨水入渗深度较小,更易发生浅层滑动;随着降雨强度和降雨时间的增加,入渗深度增加,进而降低边坡的稳定性。     

降雨条件下边坡渗流及稳定有限元分析

简要分析了多孔介质饱和-非饱和渗流数学模型,探讨了非稳定时间插分格式、计算参数和降雨入渗边界处理等相关问题;基于非饱和土抗剪强度理论和延展的Mohr-Coulomb屈服准则,将有限元强度折减法推广到非饱和土边坡稳定分析中。以某边坡为例,模拟了降雨入渗引起的边坡体内暂态渗流场,并采用推广的有限元强度折减法进行了降雨条件下边坡的稳定性分析。     

间歇性降雨条件下非饱和土边坡降雨入渗的变化规律

本文收集了南宁市2020-2022年5-7月份的详细降雨气象数据，采用Geo-Studio软件中的SEEP/W模块分析不同间隙性降雨条件下，非饱和边坡内部土体含水量的变化情况，总结非饱和土体降雨入渗的规律，结果表明，边坡内部土体含水量变化曲线基本与降雨强度分布相一致，距离地表越近的土体，受降雨影响变化越明显，越往边坡土体深处，受降雨影响程度越小，在地表以下同一深度内，斜坡土体体积含水量大于坡顶和坡脚土体。     

南江县浅层土质滑坡降雨人渗规律与成因机理

为揭示土质滑坡中降雨入渗规律和滑坡成因机理,通过对四川南江县100多个滑坡进行现场调查、统计,选取二潢坪滑坡深入剖析典型滑坡成因机理,对降雨量、GPS累积位移、土体孔隙水压力、土体含水率等综合因素分析后,采用有限元数值法对滑坡的降雨人渗过程进行模拟.结果表明:浅层土质滑坡中孔隙水压力及含水率变化有明显滞后现象,降雨初期以垂直坡面入渗为主,一段时间后则以坡向渗流为主;斜坡中前缘孔隙水压力变化比后缘对降雨更敏感,其原因为前缘黏性堆积体、侧壁陡崖及基岩面共同构成斜坡储水边界;因滑体结构的各向异性,降雨过程中土体中局部孔隙水压力及渗流力瞬时剧增,土体饱水使得软黏土层发生软化,最终导致斜坡整体失稳.     

南江县浅层土质滑坡降雨入渗规律与成因机理

为揭示土质滑坡中降雨入渗规律和滑坡成因机理,通过对四川南江县100多个滑坡进行现场调查、统计,选取二潢坪滑坡深入剖析典型滑坡成因机理,对降雨量、GPS累积位移、土体孔隙水压力、土体含水率等综合因素分析后,采用有限元数值法对滑坡的降雨入渗过程进行模拟。结果表明:浅层土质滑坡中孔隙水压力及含水率变化有明显滞后现象,降雨初期以垂直坡面入渗为主,一段时间后则以坡向渗流为主;斜坡中前缘孔隙水压力变化比后缘对降雨更敏感,其原因为前缘黏性堆积体、侧壁陡崖及基岩面共同构成斜坡储水边界;因滑体结构的各向异性,降雨过程中土体中局部孔隙水压力及渗流力瞬时剧增,土体饱水使得软黏土层发生软化,最终导致斜坡整体失稳。     

降雨入渗过程的水-气二相流模型研究

本文根据多孔介质中水、气的质量守恒定律，结合多相流理论，建立了求解饱和-非饱和渗流的水-气二相流数学模型，并采用积分形式的有限差分法和NewtonRaphson迭代方法进行数值求解，提出了各种边界条件，包括水相、气相和降雨入渗边界的数学处理方法。利用上述模型对土柱试验进行模拟，将计算结果与试验数据比较，验证了模型的正确性；然后对土质边坡降雨入渗过程进行计算，得到孔隙水压力、孔隙气压力和毛细压力的变化过程，其变化规律符合实际，实现了降雨入渗的水-气二相渗流过程，为定量研究空气阻力对入渗水流的影响提供有效途径。     

流动沙丘降雨入渗和再分配过程

本文通过野外监测和模拟降雨试验对流动沙丘降雨入渗补给、再分配过程和蒸发消耗几个方面作了定量研究。结果表明：科尔沁沙地流动沙丘0～200cm深度土壤层特性具有明显的垂直变化，0～20cm为表层干沙层；20～140cm为降雨影响变化层；140cm以下为深部稳定层。土壤入渗速率受降雨强度的控制，强度大，入渗也大，入渗深度与降雨量和降雨强度之间存在线性关系。湿润锋迁移速率在降雨开始较小，而后逐渐增大，达到峰值之后，又随时间而降低，最后趋于稳定。13.4mm的降雨是无效降水和补给地下水的分界点；≥20mm的降雨可使蒸发层土壤在再分配结束后达到最小持水量；≥50mm的降雨通过土壤水分的再分配可以使120cm深度土壤水分达到饱和持水量，进而下层进行饱和排水入渗。     

不同降雨工况下红黏土边坡持水响应规律与稳定性分析

以江西区域内典型红黏土边坡为研究对象,基于岩土非饱和渗流理论,建立红黏土边坡有限元计算模型,对4种典型降雨工况下红黏土边坡稳定性进行分析。结果表明,降雨强度、降雨持续时间均是影响红黏土边坡稳定性的重要因素;前期为常态时,边坡各参数指标均维持在初始稳定状态;降雨开始后,边坡安全系数呈减小态势,岩土体强度和稳定性降低,边坡中土体的孔隙水压力变大,体积含水量升高;越接近地表的土体降雨入渗响应越强烈,边坡不同位置处土体的降雨入渗影响程度依次为:坡肩>坡顶>坡面>坡脚>坡底;降雨入渗和互渗过程具有明显的滞后性,越靠近地表,孔隙水压力短期内变化越明显;土体干湿循环对边坡稳定性整体表现为负作用,且作用效果不可逆。     

考虑径流补给的滑坡渗流三维有限元模拟

现有数值模拟方法在模拟边坡降雨入渗时通常不能考虑径流流量补给对滑体渗流的影响,当滑床和滑带的渗透性相对于滑体极低时,会出现低估降雨入渗量、高估滑坡稳定性的现象。以Richards方程、运动波方程和有限元法为基础,提出了一种降雨时滑坡渗流数值模拟方法。该方法忽略滑床和滑带的渗流而只考虑滑体渗流过程,从而减小计算规模,也避免了因滑体与滑床(滑带)渗透性差异过大引起的数值计算困难;依据地形和滑体降雨入渗边界饱和情况,修正降雨入渗边界类型和流量,实现了考虑径流流量补给的滑坡降雨入渗简化数值模拟。对简单土质边坡降雨入渗进行数值模拟,从水量平衡与边坡渗流场两个角度,对比了考虑和不考虑径流流量补给的区别;结果表明,考虑径流流量补给时才能保证计算结果水量平衡,正确反映降雨入渗对基质吸力大幅降低的作用。     

边坡降雨入渗与坡面径流影响因素敏感性分析

影响边坡降雨入渗的因素很多,如雨强、土体渗透性、土体初始含水率、坡度、坡面糙率等。以非饱和降雨入渗与坡面径流有限元耦合模型为计算方法,应用正交试验设计数值试验,从坡面产流时间tp、坡脚径流水深h、坡体入渗量Q和入渗量与降雨量之比C的角度,对上述五种影响因素进行敏感性分析。结果表明,影响tp的主要因素是雨强、土体渗透性;影响h的主要因素依次是雨强、坡面糙率、土体渗透性;对Q影响较大的因素依次是土体渗透性、雨强、初始含水率;对C有较大影响的依次是土体渗透性、雨强、初始体积含水率。     

基于降雨入渗全过程的非饱和湿润峰模型

对降雨入渗过程进行研究有助于充分发挥土壤的蓄水能力,减缓城市管网的泄洪压力。为更真实地反映入渗过程中土壤的含水率分布情况,将降雨入渗过程进行分段,确定各阶段土壤含水率分布函数,提出了修正的非饱和湿润峰模型。同时,结合达西定律,引入土体非饱和参数,得到均匀土体在不同降雨强度下,土壤含水率、浸润深度和累计入渗量随时间变化的曲线。结果显示,入渗过程中土壤表层含水率和浸润深度随时间呈非线性变化。对于高强度降雨,当表层土壤饱和后,开始出现积水。累计入渗量最终取决于土壤的饱和渗透性质,降雨强度对其影响有限。分别将4种土质土体的计算结果与有限元法得到的结果进行对比,两者相对偏差均小于5%。