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%。     

降雨入渗过程中土质边坡稳定性计算

在室内试验资料基础上,提出了土体抗剪强度与降雨入渗时间以及土体含水率的函数关系,修正了考虑土条间相互作用力的简化毕肖普方法,使之能够体现边坡土体含水率变化引起的土体强度降低现象。采用Fortran语言设计平台,开发了耦合饱和-非饱和渗流有限元计算与边坡稳定极限平衡方法(修正的简化Bishop方法)的计算程序,考虑边坡土体抗剪强度参数随着降雨入渗发展、含水率变化而变化,采用饱和-非饱和渗流计算降雨期间边坡土体含水量变化以及扩展过程。计算了物理试验模型在降雨条件下,土坡内部渗流发展过程,以及边坡安全度的变化情况。计算结果与试验结果吻合,与修正前简化Bishop方法计算得到的边坡安全系数相差35%左右。本文提出的计算方法为降雨诱发土质滑坡研究提供了一种新的可供参考的定量分析方法。     

降雨型滑坡浅层滑动对土体含水率变化的响应

降雨是滑坡的重要诱因,以往的研究通常以滑体含水率达到饱和作为滑坡发生的判别指标,实际上多数滑坡发生时仍处于非饱和状态。因此,有必要研究滑坡变形对含水率变化的响应,进一步揭示降雨型滑坡致灾机理。通过野外现场监测、现场模型试验和室内土柱入渗试验等多种手段深入研究土体含水率与降雨型滑坡的相关性。结果表明:①含水率变化速率是降雨型滑坡致灾的关键指标,降雨对滑坡的影响体现在降雨引起滑坡内部含水率增加速率达到峰值进而引起滑坡失稳破坏。②前期降雨过程是含水率变化速率的重要影响因素。久旱后发生高频降雨,易使土体含水率迅速增加。③强降雨是含水率变化速率增大的关键影响因素。在相同初始条件下,降雨强度越大,含水率变化速率越大,且含水率变化速率到达峰值速度越快。     

坡面降雨和坡脚浸泡对土坡影响的模型试验研究

降雨是诱发边坡失稳破坏的重要因素,为研究降雨条件下土质边坡的滑动破坏规律,为了便于制模和坡土位移的PIV观测,开展了无黏性土降雨滑坡的模型试验,利用体积含水率传感器测试了降雨条件下坡土不同位置处含水率的变化特征,利用PIV技术研究了边坡渐进变形破坏的发展过程,分析了变形场特征,并进一步研究了长时间降雨坡脚浸泡导致的破坏规律。结果表明:持续降雨入渗条件下坡土体积含水率依次可分为初始平稳期、上升期和最终稳定期三个阶段,坡脚土体的积水会导致边坡进一步滑移破坏。边坡破坏模式为渐进式滑移变形破坏;根据边坡速度场和位移场随厚度分布特征,可将坡土从下往上分为稳定层、剪切层和随动层。     

SWR水分监测系统在黄土高填方工程中的应用研究

黄土高填方工程的变形与稳定性受土体含水率的变化影响大。为了应用SWR水分监测系统对黄土高填方工程的土体含水率变化进行监测,研发了插针式SWR土壤水分传感器的探井埋设工艺,在采用烘干法获得实际体积含水率与对应输出电压数据的基础上,探讨了将SWR土壤水分传感器输出电压进行归一化处理后与体积含水率进行回归分析建立标定模型的方法。结果表明,探井埋设方法可将SWR土壤水分传感器准确可靠地安装就位,SWR土壤水分传感器经标定后,观测精度和个体间的互换性得到显著提高,能够准确反映土体中水分的动态变化规律。     

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。     

考虑吸力变化的膨胀土边坡破坏规律分析

膨胀土边坡中吸力降低会引起强度衰减,进而引起边坡变形破坏。采用热传导传感器监测干湿循环作用下膨胀土边坡模型坡顶和坡底的基质吸力,开展膨胀土边坡基质吸力随深度和时间变化规律的室内试验,并对模型破坏过程进行了分析。试验结果表明:膨胀土边坡因膨胀干缩的反复作用产生裂缝,为雨水入渗提供通道,裂缝区土体迅速吸水,吸力骤降;非裂缝区土体雨水难以入渗,吸力降低存在明显的滞后现象。降雨后一段时间内,裂缝区土体与非裂缝区土体强度差异明显。对于填方膨胀土边坡工程,建议填筑一部分后对其先进行晾晒,促使土体吸力增长并提高土体强度;施工过程中应避免降雨水入渗,并监测坡体含水率的变化和位移情况,及时采用有效处置措施,防止发生滑坡破坏。     

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%。     

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。     

江西省域范围持续性强降雨诱发层状土质边坡滑坡灾变机理研究

依托江西省信江八字嘴航电枢纽建设项目,以江西省层状土质边坡为研究对象,利用自行研发的滑坡模拟设备和可调式降雨装置,研究滑坡产生机理,并与Geostudio2018软件模拟相互印证。结果表明,持续性强降雨条件下,内部成层结构会影响土体稳定性,不同倾向的层状土质边坡安全系数变化规律有较大差异;顺倾边坡坡体和坡面受强降雨破坏更严重,更容易发生滑坡;坡顶及坡脚应为滑坡防治的重点部位;倾向、成层结构会影响雨水入渗;层状土质边坡降雨入渗过程十分复杂,导致滑坡灾变具有一定的滞后性;在物理模型试验中,砂土、粉土的十字板剪切强度与含水率之间在一定含水率区间内呈线性关系,超过区间范围则线性关系不复存在。     

陕西王东沟小流域野外土壤入渗试验研究

以野外土壤入渗试验为依据，利用时域反射仪进行了土壤水分动态变化的观测，并分析了积水入渗过程中土壤水分的动态变化规津及停渗后土壤水分再分布规律。结果表明：野外土壤积水入渗过程中，土体内任—埋深处士壤含水率的变化一般经历稳定不变、缓慢上升、急剧上升和再稳定4个阶段，不同土地利用类型的土壤每一阶段听经历的时间长短不同；积水深度越大，土壤剖面含水率、入渗量变化越明显，湿润锋的推移也越快；停渗后土壤水分再分布规律表现为表层0～10cm土壤含水率急剧减小，10～70cm土壤含水率开始呈增大趋势，然后再逐渐减小，70cm以下的土壤含水率略有变化。     

金坪子滑坡Ⅱ区千枚岩碎屑土滑带土工程特性研究

通过对金坪子滑坡Ⅱ区千枚岩碎屑土滑带土的室内试验,分析含水率对滑带土剪切强度的影响规律。这对研究滑带土的工程特性,分析滑坡及滑动带的强度具有重要意义。研究表明:该滑带土伊利石含量较高,强度受水影响较大;三轴剪切破坏后没有明显的剪切面;应力应变曲线总体上表现为硬化型,且呈现出明显的非线性;滑带土粘聚力c和内摩擦角φ与含水率均成线性关系,随着含水率的增大,粘聚力c和内摩擦角φ都是是线性减小的,并通过线性回归计算得出了抗剪强度随含水率的线性关系式。     

降雨诱发全-强风化岩边坡浅层失稳模型试验研究

以珠江－西江经济带先行试验区典型降雨诱发型滑坡为研究对象,引入流体力学相似原理以韦伯准则作为降雨相似标准,开展了3组降雨诱发滑坡全过程物理模型试验。分析了边坡对降雨入渗的响应规律、入渗过程对边坡变形的影响、边坡破坏过程与破坏模式,初步获得华南强烈风化地区降雨诱发滑坡形成机理与成灾降雨特征:①浅层岩土体风化强烈造成的高孔隙率是试验区降雨诱发滑坡的物质基础,非饱和岩土基质吸力消散是试验区降雨诱发滑坡的本质原因,降雨入渗后特定的基质势(含水率)分布是降雨诱发滑坡的条件。②降雨诱发全风化花岗岩滑坡灾害所需累积降雨量比强风化碎屑岩小,强风化碎屑岩滑坡滑动影响范围比全风化花岗岩大。③强暴雨诱发滑坡灾害所需累积降雨量比间歇性降雨小,强暴雨更易诱发滑坡,且诱发的滑坡规模更大。     

基于贯入阻力与含水率联测的黄土填方压实度检测方法

利用普氏贯入仪检测填土压实度时,填土的含水率变化会使测量结果产生较大误差。为消除含水率对普氏贯入仪压实度检测结果的影响,提出了普氏贯入仪、土壤水分传感器联合测试、数据融合建模的压实度检测方法。建立测试土模型时,采用普氏贯入仪、土壤水分传感器分别测定试样的贯入阻力和土壤水分传感器输出电压,同时采用灌砂法、烘干法测定试样的干密度和含水率,根据试验结果分析了含水率、干密度对贯入阻力的影响规律,构建了干密度、贯入阻力、土壤水分传感器输出电压三者的数学模型。试验结果表明:采取双传感器联合测试、融合建模,可使测试结果受含水率的影响明显减小,精度显著提高。研究成果可为开发集贯入阻力、含水率测试功能为一体的压实度检测设备提供参考。     

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.     

竖向压力作用下重塑黄土土柱压缩湿陷及渗水试验研究

为了探讨竖向压力对兰州非饱和重塑黄土土柱压缩湿陷特性、入渗过程及土-水特征的影响,利用一维土柱渗透仪开展了不同竖向压力作用下非饱和重塑黄土土柱的常水头渗水试验,得到其压缩湿陷曲线,浸润峰、入渗量、体积含水量时程曲线与监测截面土-水特征曲线。研究结果表明:(1)土柱压缩性与湿陷性在试验压力下与常规试验皆有差异;尺寸效应不影响试验黄土结构强度,对其湿陷起始压力影响不大;(2)土柱增湿时浸润峰的前行速率随竖向压力的增大而逐渐减小;增湿过程中土柱在力与水作用下入渗能力变化导致入渗速率曲线有交叉现象,且竖向压力越大入渗速率变化范围越小;(3)竖向压力作用改变了渗水路径,从而影响了监测点体积含水率的变化;(4)竖向压力作用对土-水特征曲线的三个阶段均有影响,压力作用时土柱饱和度皆大于无压力作用,且随着压力增大饱和度逐步增大,当吸力趋于0时,土样未完全饱和。最后利用经典Van Genuchten模型对不同竖向压力下土-水特征曲线进行拟合,模型拟合效果较好。通过试验及分析,为兰州新区建设提供相关参考依据。     

干热河谷干季土壤水分动态研究

 为了开展植被恢复试验，对干热河谷土壤水分的动态变化规律进行初步研究。结果表明随海拔高度增加，干热河谷干季土壤水分呈逐渐增加趋势。干季相同海拔高度不同土地类型土壤含水量均较低，土壤含水量都低于 8% 。层间变化由于受降雨入渗分布与土壤水分向上蒸发的综合作用基本表现为增长型。利用变异系数对土壤水分的层间变化进行了分析和层次划分。