降雨条件下土坡水分运动数值模拟.pdfVIP

第六届全国岩土力学数值分析与解析方法讨论会，中国，广州 1998年8月4～6日 降雨条件下士坡水分运放麴僮摸鞑 陈善雄 陈守义 (中国科学院武泣岩土力学研究所武祝450071) 捷薹本文简要介绍了描述非饱和土水分运动的基本方程及求解二维非饱和水分运动问题的积分有限差分方法井墒翻 了计算程序。模拟分析了降雨条件下土坡在存在相对隔水层、稳定地下水位及连续或间断降雨等情况下水分人豢及■森音 水率分布的规律。 ^／ 关键词非饱和土涮f^渗，瞬态古水率分布 rt／I；。 t 1前 言 I—f易’f、Z 广泛存在于我国南方以及中南、西南部分地区的膨胀土、残积土等粘性土的力学性状极易受到天气变 化的影响，浅层土尤甚。晴天，在太阳辐射、气温、湿度和风速气象因索的影响下，产生土面蒸发，近地表浅 层土脱水形成非饱和土；在降雨条件下，雨水人渗使土体饱和度增加，吸力锐减并引起抗剪强度大幅下降。 持续降雨还可引起地下水位上升或在相对隔水层以上出现暂时性地下水。所以当持续降雨的历时和强度 超过某种限度时，则可导致土坡失稳。 本文第二作者在文献”1中建议了一个降雨条件下土坡稳定性的预测预报方法。该方法基本思路就是： 运用非饱和土壤水分运动的研究方法，求解给定人渗和蒸发边界条件的斜坡土体的瞬态含水率分布i并霞 定非饱和土抗剪强度与饱和度之间存在一定的函数关系，据此，将瞬态含水率分布换算成斜坡土体瞬态抗 剪强度参数分布，在此基础使用常规土坡稳定性分析方法计算土坡瞬态安全因素。根据这种模型，即可对 具体边坡的稳定性进行预测。 在上述的预测预报模型中一个基本问题就是土坡瞬态含水率的分布。这就需要运用土壤水运动的研 究方法来解决问题。 2非饱和土壤水分运动模型 根据非饱和土水分流动的达西定律和质量守恒原理可导出描述土壤水分运动的基本方程。当不考虑 土骨架的变形并把水壤水视为不可压缩流体时，以体积含水率为变量的基本方程01为 署=V．[D㈣V妇一百dk(O)罢 (1) 式中可·为散度算符；V为梯度算符；2为竖向坐标，向下为正；疗为体积含水率}D(口)为非饱和土壤水分 扩散率(cm2／rain)；K(8)为非饱和土的导水率(era／rain)。 当斜坡几何形状及土层埋藏条体可简化为二维阀题时，基本方程式变成 署一未[D(∞鬈]+嘉[D(∞蓦]一百dk(8)霎 (2) 边界条件及土壤水分运动参数见文献[1]。 502 降雨条件下土坡水分运动数值模拟 陈善雄|睐守义 3积分有限差分方法 将控制方程(1)改写为积分形式 j。罢du=f。LV·(肪V0)一V-(K—Vz)]du 运用散度定理，式(3)可改写为 』，cD，审一，·；ar—f，．K，V7·：ar—f。要at， (4) 式中u一控制体容积；r—u的边界面；n—r的单位法向量。 将计算区域离散：使节点i与其相邻节点的连线垂直于两子 域的分界面。如图1。 当子域q足够小。搴可用u上的平均值代袁．并可用差商代 替微商。可得如下差分格式。 △鼠=iA_Z[三x。。(以一日，)+∑W“(z。一Zi)](5) 式中k一蠢牟‰； ％一老筹麓 只一研～，靠一扫挈-，可得完全隐 图1区域离散 式(5)中取△馥一峁+1一研 式差分格式 卯“一锣[善k(盯。∥1)+善Ⅳ一zm一趵=印 本文采用矩形单元离散计算区域，编制了求解非饱和土水分流动二维问题的计算程序MFUS2。 4土坡水分运动数值模拟 为考察降雨条件下土坡水分人渗的情况，选取图2所示截面士坡进行模拟计算。假设该土坡为一均 30