饱与非饱与渗流作用下岩石高边坡降雨过程稳定性研究.pdfVIP

饱和非饱和渗流作用下 岩石高边坡降雨过程稳定性研究水 吴海真1，2顾冲时1张文捷1，2傅琼华2 (1．河海大学水利水电工程学院，江苏南京210098；2．江西省水利科学研究院，江西南昌330029) 摘要：在对降雨入渗及其引发边坡失稳机制的研究基础上，对影响边坡降雨入渗过程的条件进行了分析研究， 建立了降雨人渗条件下的三维非稳定饱和一非饱和渗流数学模型和有限元求解格式。运用延伸的摩尔库仑强度 理论，对某堆积体高边坡进行了降雨过程的饱和一非饱和渗流场计算和稳定分析。表明采用实际可能降雨特征 时，边坡的最小安全系数发生在雨后一定时间内，与多数自然边坡在雨后一段时问产生滑动失稳的实际情况相 吻合。研究指出了在模拟因降雨入渗引发边坡失稳过程时，应优先采用实际可能降雨强度和雨型，拓展了降雨 入渗时边坡稳定分析的范畴，可更合理地解释因降雨引发的边坡失稳问题。 关键词：岩石高边坡稳定分析饱和非饱和渗流 降雨入渗 降雨特征 1 概述 滑坡是我国的重要地质灾害之一。大量统计资料表明，我国大多数滑坡都是以地面因大量降雨下渗引起 地下水状态的变化为直接诱导因素fJ’2】。研究因降雨入渗引发滑坡的机制和规律具有重要意义，其主要途径 之一就是根据地表入渗引发滑坡的物理机制并建立定量的分析模型，然后利用这种分析模型进行边坡稳定性 研究，其中如何通过计算模型模拟降雨人渗条件下的边坡暂态渗流场是关键【31。以往常假设一不随时间变化 的降雨强度来分析边坡的降雨过程稳定性，而事实上对于特定的边坡而言，降雨特征(雨强、雨型和降雨持时) 对其稳定性的影响不容忽视。本文在对降雨入渗及其引发边坡失稳机制的研究基础上，对影响边坡降雨人渗 过程的条件及入渗参数进行分析研究，并基于饱和一非饱和渗流数学模型和边坡岩土体的雨水人渗时空分布特 征，在延伸摩尔库仑强度理论基础上对某堆积体高边坡进行了降雨过程的饱和一非饱和渗流计算和稳定分析， 较为合理地阐述了因降雨引发的边坡失稳问题。 2 降雨在岩石高边坡中的入渗过程分析 降雨入渗过程实质上是入渗水分在非饱和区运动的过程，即水在下渗过程中驱替空气的过程【4l。研究表 明，雨水渗入边坡岩土体的强度主要取决于降雨的方式和强度以及岩土体的渗水性能。如果岩土体渗水性能 较强，大于外界供水强度，则入渗强度主要决定于外界供水强度，在人渗过程中边坡表面含水率随人渗而逐 渐提高，直至达到一稳定值；如果降雨强度较大，超过了岩土体的渗水能力，入渗强度就决定于岩土体的人 渗性能，这样就会形成地表径流积水。这两种情况可能发生在入渗过程的不同阶段。 。 ： 岩土体的入渗速率随时问而变化。一般来说，开始入渗阶段，边坡岩土体表层的水势梯度较陡，所以入 渗速率较大，但随着雨水渗入岩土体中，岩土体的基质吸力下降，湿润层下移使基质吸力梯度减小，人渗速 率逐渐减小最后接近于一常量而达到稳定入渗阶段。 实际模拟计算中，降雨入渗边界虽然只是一个流量边界，但这个流量并不是不变的，在计算过程中需要 根据含水率的变化不断的调整入渗流量，从而实现对降雨入渗问题的数值模拟。 ， 据以上分析，可以确定降雨强度月(，)与实际入渗率‘(f)的关系。设入渗面的外法线方向为疗=(啊，n2，n3)， 则降雨在入渗面法向上的人渗分量为g。(f)=R(f)．n3，同时EhDarcy定律可以按式(1)计算入渗面各个方向上的 第一作者简介：吴海真，1977年生，男，工程师，博士研究生，主要研究方向为大坝安全监控及岩石高边坡工程。E．mail： 63．toni Wuhaizhen_77@1 ·122· 人渗能力：． “f)-嗡抛)㈥蝴时沁l23．川’2，3) (1) 由人渗面法向人渗能力g，(f)=∑％(f)·rli，可确定fr(r)与qr(f)及吼(f)的关系： f，(f)=min{g，(吐吼(，)} (2) 人渗过程中，累积人渗量、入渗率和岩土体含水率随时间的变化与地表处水的施加方式有关。为了求出 入渗过程中土壤含水率分布，以及人渗率等随时间变化的定量结果，可以在一定的初始含水率分布