降雨对路堤边坡影响的数值模拟研究

以云南某路堤边坡工程为依托,利用GEO Studio有限元软件进行数值模拟,采用渗流-应力耦合的方式,研究降雨强度、降雨时长、土体渗透系数对边坡孔隙水压力及稳定性影响。研究结果表明：降雨强度越强,边坡表层的孔隙水压力上升就越快,边坡达到暂态饱和的区域也会增大;降雨持时的增长会使边坡表层孔隙水压力呈现先快后慢的上升特点,且暂态饱和区会由坡脚逐渐上移;土体渗透系数影响雨水的入渗速率,当其小于降雨强度时,边坡表层孔隙水压力变化明显,反之则不明显。边坡稳定性随着降雨强度、降雨时长、土体渗透系数的增大而降低,拟合后边坡稳定性与降雨强度呈指数递减型关系,与降雨时间呈线性递减关系,与土体渗透系数呈指数递减型关系。     

降雨条件下双层土坡的模型实验研究

针对降雨入渗非均质土坡的稳定问题,建立双层边坡模型进行人工降雨实验,对坡体进行含水率和孔隙水压力监测,得到了非均质土坡在降雨条件下含水率和孔隙水压力更真实的变化。基于模型实验结果的分析,得出变化规律如下:①坡体渗流趋于稳定时,含水率、孔隙水压力不仅和深度有关系,而且也与土体物理性质有关。这与均质土坡的渗流状态明显不同;②坡体含水率、孔隙水压力在降雨过程中,响应时间随深度增大而增大。雨后过程中,下层土体含水率、孔隙水压力降低速度大于上层;③相同雨强条件下,坡体含水率和孔隙水压力随降雨历时而不断增大。降雨强度越大,坡体的孔隙水压力和含水率响应时间越早,但在坡体浅表层这种时间效应不明显;④对于降雨过程中能达到稳定渗流状态的土坡,前期降雨量主要影响降雨过程中含水率和孔隙水压力的变化。研究成果为降雨入渗条件下非均质非饱和土边坡的稳定分析提供了依据。     

降雨条件下临水岸坡失稳试验

为探究降雨条件下边坡坡度与坡体材料对临水岸坡失稳的影响,考虑不同边坡坡度和坡体材料2个变量,开展5组降雨条件下临水岸坡失稳模型试验,观察不同时刻岸坡变形特点并采用孔隙水压力计和土压力计监测坡体不同位置的孔隙水压力和土压力变化。试验结果表明:降雨对坡体表层结构稳定性影响显著,表层结构在降雨作用下迅速饱和,抗剪强度大幅降低,稳定性劣化,而内部结构因为水体较难渗入,影响较小;边坡坡度对边坡稳定影响较大,坡度越大降雨下渗越深入,下滑力增大,向下渗透力更强,对边坡稳定不利,即影响性坡度60°45°30°;坡体材料直接影响边坡稳定,不同材料的坡体渗透性能不同,当坡体含砂率为40%时渗透性能最好,坡体在5 min产生破坏且孔隙水压力响应较快,其发生失稳的概率更高;而坡体为纯黏土时渗透性最差,未产生明显破坏且坡内孔隙水压力响应较慢,降雨对边坡稳定性的影响有限。     

降雨模式对土质边坡稳定性的影响

降雨是诱发边坡失稳的重要因素。通过数值模拟分析降雨入渗规律,基于饱和-非饱和理论和边坡稳定性分析理论,在相同降雨量和相同历时的4种降雨模式(减弱型,增强型,集中型,平均型)下,运用Geo-studio软件模拟了土质边坡不同部位孔隙水压力随时间的变化规律和边坡稳定安全系数随时间的变化曲线,结果表明:降雨模式对土质边坡降雨入渗规律和稳定性有显著的影响,减弱型降雨模式对土质边坡内孔隙水压力的变化影响最大;在减弱型降雨模式下边坡稳定安全系数下降最快,集中型和平均型次之,增强型下降趋势平缓;坡脚的孔隙水压力变化较坡中部和坡顶的大,离边坡表面深度越大降雨对土体孔隙水压力影响越明显。     

降雨条件下边坡暂态饱和区形成条件与演化特征数值分析

为分析降雨入渗条件下边坡暂态饱和区形成条件与演化特征,开展不同坡度条件下边坡降雨入渗数值模拟计算,分析降雨条件下边坡暂态饱和区形成条件,研究降雨强度、饱和渗透系数、坡度等多因素对边坡暂态饱和区演化特征的影响。研究结果表明,降雨条件下边坡暂态饱和区的形成条件为：①降雨强度大于等于岩土体饱和渗透系数;②降雨入渗进入饱和状态土控制入渗阶段。降雨条件下,降雨入渗影响区、暂态饱和区均持续向下扩展;降雨停止后,地下水位线以上的岩土体孔隙水压力、体积含水气量持续降低,且地下水位线不断升高。降雨强度小于岩土体饱和渗透系数时,降雨入渗影响区扩展速率与降雨强度呈正相关;降雨强度大于等于岩土体饱和渗透系数时,降雨入渗影响区、暂态饱和区扩展速率受降雨强度影响较小。降雨期间,降雨入渗影响区、暂态饱和区扩展速率与饱和渗透系数随深度的变化率δ_kz呈正相关,孔隙水压力峰值与δ_kz呈负相关;降雨停止后,地下水位线、孔隙水压力峰值与δ_kz呈正相关。降雨初期,降雨入渗影响区面积、孔隙水压力峰值与坡度呈正相关;降雨后期及降雨停止后,降雨入渗影响区面积、暂态饱和区面积、地下水位线高度与坡度呈负相关。     

降雨对非饱和土质边坡含水率的影响分析

降雨对边坡的稳定性具有重要影响。在降雨作用下,土体含水率增加,抗剪强度降低。基于土 水特征曲线压力板仪试验系统并结合ＧｅｏＳｔｕｄｉｏ中的ＳＥＥＰ／Ｗ提供的典型土－水特征曲线建立非饱和渗 流模型,分析了不同降雨历时下,土体渗透系数对非饱和土质边坡含水率分布的影响。结果表明:当土 体渗透性较差时,入渗深度较浅,且在短期内入渗深度即保持稳定;但当土体渗透性较好时,入渗深度和 达到入渗深度稳定的降雨历时都随之增加。坡脚部位由于受坡体上部结构坡表径流及下渗水补给,土 体含水率最大,应保证该部位排水设施的通畅,防止坡脚部位下渗水导致土体含水率过大,影响边坡稳 定性。     

基于水气二相流的边坡降雨入渗有限元分析

为揭示边坡降雨入渗基本规律,基于水气二相流理论,以三峡库区大坪滑坡为例,采用有限单元法分析边坡降雨入渗水气运动规律。结果表明:根据水气流入、流出的方向不同,坡表可分为吸入区和溢出区,通常坡体上部为水、气吸入区,下部为水、气溢出区;水、气进出坡表的总速率受降雨特性、坡面产流情况、气温变化等外在因素的影响较小,具有相对稳定性;在坡表吸入区,当降雨强度大于水气入渗总速率时,入渗强度等于水气入渗总速率,吸入区产流;反之,入渗强度等于降雨强度,吸入区不产流。此外,坡表饱和区水压力可通过孔隙气传递到地下水面,增大地下水的压力水头,不利于坡体稳定。     

不同降雨条件下非饱和土边坡稳定性分析

针对广东某高速路堑边坡,研究不同降雨强度、历时以及不同坡面入渗量对边坡稳定性的影响。研究表明：当雨强越接近土体的饱和渗透系数时,边坡的安全系数越小;当雨强小于土体的饱和渗透系数时,长历时的降雨对边坡稳定性的影响小;等强型降雨条件下,非饱和土边坡在降雨结束后1～3ｄ安全系数达到最小。加固后的路堑边坡应强化并保持坡面阻水能力,否则可能出现非加固区浅表层滑塌。     

人工降雨入渗边坡破坏试验研究

建立室内人工边坡的降雨入渗模型,选取坡度为33.7°的细砂边坡,在300 mm/h降雨强度下进行试验.通过孔隙水压力传感器和自制含水率传感器监测试验中含水率、孔隙水压力的变化规律和分布情况及对边坡稳定的影响,分析边坡表层以下4 cm及14 cm深处的含水率、孔隙水压力变化和3个时刻坡体的含水率、孔隙水压力等值线图.分析结果表明,降雨入渗的整个过程中,下部的含水率、孔隙水压力都是最大的;边坡内部靠近底层的区域,其含水率和孔压的变化需考虑趾部及下部水分入渗的影响,因为这些影响会造成该区域的等值线密集.     

降雨条件下某堆积体边坡稳定性分析

堆积体边坡稳定性受诸多因素的影响,以西南深切河谷地区某堆积体边坡建立地质概化模型,通过有限元数值分析法和极限平衡法,对降雨条件下"转折型"堆积体边坡的稳定性进行分析。数值模拟结果显示:"转折型"堆积体边坡最大孔隙水压力出现在坡体后缘中部为452 kPa;最大位移量出现在坡体后缘为43.20 mm;最小稳定性系数为1.188。边坡稳定性分析认为:"转折型"堆积体边坡孔隙水压力上升较降雨时间具有明显的滞后性;边坡产生位移变形稍迟于降雨初始时间;坡体中部和前缘位移量变化差异异常与地形坡度"转折"紧密相关;降雨过程结束后稳定性系数较天然状态有所降低,长期持续降雨可能导致土体累积损伤最终失稳成灾;该堆积体边坡目前稳定性良好,并对该边坡提出了合理的防治措施。     

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。     

红层缓倾岩质斜坡地下水作用机制及稳定性分析

强降雨条件下地下水作用对川东缓倾岩质滑坡大规模的爆发起到关键作用。以川东典型红层缓倾岩质斜坡为例,通过现场调查和数值模拟等方法分析地下水渗流规律,并从地下水的物理作用和力学作用两方面研究其变形破坏机制。研究结果表明:地下水在层状和块状岩体斜坡中主要是通过原生层面和节理裂隙运移,孔隙水压力主要集中在斜坡后缘,靠近前缘水压力逐渐降低。川东缓倾岩质滑坡是在地下水的静水压力和物理软化泥化共同作用的结果,降雨入渗形成的水平推力、扬压力及软弱结构面强度的降低导致滑坡的启动;其形成演化过程可分为:1结构面形成与贯通阶段;2泥岩夹层软化阶段;3强降雨启动破坏阶段。     

干湿循环下红黏土边坡响应的模型试验

针对降雨/干燥过程中边坡破坏问题,为了解干湿循环过程中红黏土边坡失稳机理以及内部响应过程,以贵州红黏土为研究对象,通过室内堆砌边坡模型,在模型内部不同位置埋设传感器进行了降雨/干燥试验,分析红黏土边坡在干湿循环过程中内部含水率、位移、孔隙水压力变化特征,并观察试验过程中边坡表面破坏发展,探讨红黏土边坡的失稳机理。试验过程中含水率、孔隙水压力皆随着降雨过程而增大,干燥期间逐渐减小,且随着边坡的深度增加,受外界气候变化影响越小,位移在循环过程中逐渐缓慢增加。边坡破坏形式分为降雨过程中面蚀、冲沟,干燥阶段裂缝发育。结果表明:边坡失稳主要是由于整体含水率的增加,导致孔隙水压力上升,土体有效应力下降,横向位移逐渐增加,最终导致滑坡发生,而降雨期边坡表面的破坏以及干燥期裂缝的发育更加剧了这一过程。     

含缓倾软弱夹层矿山高边坡降雨渗流特性研究

为探究缓倾软弱夹层对矿山高边坡降雨渗流特性的影响,以西南地区典型的石灰石矿山高边坡为例,结合现场实际的工程地质与水文地质条件,建立了含缓倾软弱夹层矿山高边坡的降雨渗流模型。基于饱和-非饱和渗流理论,模拟了边坡在最大降雨量条件下降雨和雨后两个时间段雨水的浸润过程,揭示了边坡孔隙水压力的动态变化规律。研究结果表明:软弱夹层作为一种隔水层,改变了雨水浸润曲线的形态及降雨的渗流路径,浸润曲线呈现V字型结构,渗流路径由垂直入渗改为沿软弱夹层上表面渗流;在降雨和雨后两个时间段,上部裂隙风化岩体的孔隙水压力先增后减,但始终为负值;软弱夹层上表面会产生雨水积聚,孔隙水压力先增大到正值随后逐渐减小,孔压减小的时间相对于降雨时长具有滞后性,即孔压在雨停后一段时间才开始降低;坡脚处的孔隙水压力在降雨和雨后两个时间段始终呈增大之势;由于软弱夹层良好的隔水性,软弱夹层内部及边坡底部灰岩的孔隙水压力并无太大变化。研究结果可为揭示类似地质条件下边坡的降雨渗流规律提供有益参考。     

降雨入渗条件下兰溪市某防洪古城墙稳定性分析

基于ABAQUS有限元软件,建立了兰溪市某防洪古城墙渗流边坡稳定分析模型,采用渗流应力耦合计算方法模拟了在降雨入渗条件下古城墙边坡孔隙水压力变化过程,并比较分析了有防渗设施、有排水设施和无排水设施对墙后土体渗流特性和古城墙稳定性的影响。结果表明:在降雨入渗条件下,有防渗设施和无排水设施的古城墙边坡土体的孔隙水压力不断增大,倾覆力矩也不断增大,不利于古城墙的稳定;有排水设施的古城墙边坡土体的孔隙水压力通过排水通道得到了大幅度的降低,倾覆力矩也随之减小,更有利于古城墙的稳定。     

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。     

连续降雨下黄土陡坡开裂及稳定性评价

连续降雨导致边坡失稳破坏是黄土边坡常见的地质灾害之一。为了深入研究连续降雨对黄土陡坡渗流场、变形场及稳定性的影响,利用具有侧向隔渗和纵向减阻作用的隔离槽技术对黄土陡坡的两侧降雨边界进行处理,在此基础上开展黄土陡坡现场连续降雨（6 d）试验并进行数值模拟分析,描述了黄土陡坡开裂过程和特征,分析了坡体含水率和孔压响应,并探讨了裂缝对陡坡稳定性的影响。结果表明:边界隔离会导致连续降雨陡坡坡顶形成近乎横向贯通的裂缝,基本消除了局部降雨以外土体的边界约束效应;连续降雨后期陡坡开裂对坡体含水率及孔压分布产生较大影响,最大含水率及孔压中心以裂缝为竖向对称轴下移,并造成降雨结束4 d后水分总下渗深度为降雨期间的1.3倍;连续降雨导致陡坡的安全系数降低了58%,而降雨结束4 d后陡坡的安全系数提升了9%,降雨期间边坡开裂极易引发陡坡上半部滑坡。研究结果可为黄土地区边坡的降雨灾害防治提供参考。     

降雨入渗边坡非饱和渗流过程及稳定性变化研究

天然降雨和高坝泄洪雾化雨入渗对大坝下游边坡有两方面影响,一是升高含水率使土体重度增加,导致其下滑力增加;二是升高土体含水率,降低土抗剪强度和阻滑力。因此,降雨入渗引起的滑坡时有发生。对此设计了室内人工降雨物理模型试验,分析研究砂土质边坡降雨入渗情况下,边坡内部水分扩散过程和规律以及暂态饱和区扩展过程,计算各入渗时刻边坡的安全系数,分析入渗发展对边坡稳定性变化过程及其特征的影响。试验分析结果表明:降雨入渗率先在边坡表面形成暂态饱和区,随着降雨持续,暂态饱和区逐渐扩大;雨强越大,降雨期间形成的暂态饱和区越大,边坡稳定安全系数的降幅就越大;试验得到了降雨入渗深度随降雨历时和强度变化的经验式。增大降雨强度会使试验砂土的含水率更接近于饱和含水率,但无法使砂土完全饱和。降雨入渗对边坡稳定性的影响不仅仅发生在降雨过程中,降雨停止后,水分入渗过程延续,边坡稳定性持续降低,水分入渗在一定的延后时间内继续威胁边坡安全。雨强为144 mm/h条件下边坡稳定安全系数在6 h时降到了最小值1.196,最大降幅达38.2%。