降雨作用下非饱和土边坡水力耦合过程分析

基于渗流理论、弹性理论及VG土-水特征曲线模型,建立了二维非饱和土渗流-变形耦合控制方程组。该控制方程突破了饱和时渗透系数是常数的局限,适用于任意初始条件和降雨条件的土坡稳定性分析。有限元软件COMSOL Multiphysics能根据已建好的非饱和土坡渗流-变形耦合模型开展分析。通过算例分析了非饱和土降雨入渗过程中渗流-变形的耦合效应,并探讨了考虑饱和渗透系数为变量情况以及不同的初始条件对渗流场和应力场的影响。结果表明:在非饱和土坡降雨入渗过程中渗流-变形的耦合效应是非常显著的,且与时间有关。对于湿陷性土,考虑耦合效应的压力水头变化总是慢于非耦合情况。饱和状态时渗透系数是应变的函数,其值的变化对非饱和土边坡渗流场有一定的影响,但对非饱和土边坡变形影响微弱。初始条件对渗流和变形的影响是非常大的。     

基于无单元Galerkin法的饱和—非饱和土石坝渗流正演模拟

在土石坝渗流正演模拟中,仅研究饱和区域的渗流场并不能全面真实地反映出土石坝地下渗流状态,非饱和渗流区域的研究同样至关重要,利用无单元Galerkin法对饱和-非饱和渗流域进行求解。首先从达西定律出发,推导了渗流方程及边界条件,其中详细推导了无单元Galerkin法——通过滑动最小二乘法构造形函数,同时利用罚函数的方法计算边界条件。然后,通过与GeoStudio软件计算出的仅饱和渗流场以及饱和-非饱和渗流场进行比较,证明了该方法的准确性及有效性。最后,通过不同的均质和非均质模型,研究了坝体中零压力线、水头值、孔隙压力、含水率的分布。无单元Galerkin法只需要通过节点来实现对全域渗流场的精确逼近,解决了对网格单元的依赖问题,与其他数值方法相比,其具有前期处理数据简单和精度高的优点,更适合稳定饱和-非饱和渗流场这种复杂情况的正演模拟。     

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。     

边坡渗流与坡面径流联合求解三维有限元模型

强降雨特别是暴雨常常诱发边坡失稳。边坡渗流场的模拟是准确评价边坡稳定性的前提,然而强降雨条件下的渗流场与坡面径流相互影响,十分复杂。为准确模拟此时边坡水分的运移过程,建立边坡渗流与坡面径流联合求解三维有限元模型。模型采用Richards方程描述边坡饱和-非饱和渗流过程,采用运动波方程描述坡面径流过程;分别采用有限元和特征有限元建立渗流和径流控制方程的有限元格式;以边坡渗流场和坡面径流场之间的交换流量为联系(但不计算流量),将2组有限元方程相加而消去交换流量,从而构建边坡渗流与坡面径流联合求解模型;若坡面产流,则根据坡面径流场修正入渗边界流量。对简单边坡降雨入渗进行数值模拟,对比了该方法与Geo-Seep所得结果,表明当上段边坡渗透性相对下段边坡较小,且上段边坡产流而下段边坡未产流时,该方法所得的累积入渗量更加符合实际情况。     

土壤水分特征曲线模型对数值模拟非饱和渗流的影响

土壤水分特征曲线直接影响非饱和渗流场压力水头和含水率的预测结果。Brooks-Corey模型和van Genuchten模型是目前运用最广泛的土壤水分特征曲线模型。本文给定三种不同质地土壤(粘土、砂土和砾石)的BC模型参数,根据Morel提出的BC模型与VG模型等价的参数关系计算出VG模型参数。采用上述两模型分别对这三种土壤进行了均质土柱的入渗过程模拟。两种模型的计算结果有一定差别。三种土壤土柱的VG模型湿润锋推进速度都比BC模型大。由于粘土的初始含水率接近饱和,BC模型和VG模型的渗流场差距最大。粘土土柱上表面压力水头的变化幅度BC模型小于VG模型,而含水率的变化幅度BC模型大于VG模型。砂土和砾石土柱上表面压力水头和含水率的变化幅度都为BC模型大于VG模型。砂土土柱BC模型和VG模型的渗流场差距随入渗时间的持续而加剧。     

考虑非饱和区影响的土石坝渗流有限元计算

传统的有限元饱和渗流计算往往把渗透系数取作定值,而实际上非饱和土渗透系数呈非线性函数关系,与体积含水率、孔隙水压力密切相关.基于饱和-非饱和土渗流计算模型与原理,本文考虑渗流场非饱和区对堤坝渗流的影响,对某土石坝进行了渗流有限元计算与分析.算例结果表明,应用该思想与方法计算土石坝渗流,可以获得较为准确合理的渗流场计算结果.     

降雨入渗下非饱和土边坡临界稳定性分析

运用分形模型预测非饱和土的土水特征曲线与导水系数曲线,结合孔隙气体流动分析,模拟降雨入渗条件下的一维非饱和渗透过程。根据非饱和土抗剪强度的分形模型,导出降雨入渗下非饱和土边坡临界深度公式,并分析了影响边坡稳定性的因素。非饱和土的分维与进气值影响土体的水理性质。分维影响降雨的入渗速度与入渗深度,而进气值影响降雨入渗下土体吸力的变化曲线形态。非饱和土的饱和导水系数与降雨强度对边坡稳定性影响较大,在降雨强度远大于非饱和土的饱和导水系数时,孔隙气体在降雨入渗过程中将产生气压,对吸力产生影响。     

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。     

基于Richards方程切换的土壤水流及溶质运移数值模拟

根据每个节点的土壤水分状态来选择合适的Richards方程形式,并用隐式迭代算法求解,得到一种用于模拟土壤水盐运移过程的通用方程切换方法。该方法能自由切换任意节点的控制方程,从而充分利用水头型和含水量型Richards方程的优势,适用于所有主流的迭代求解算法。成功将该方法应用于非均质土壤饱和-非饱和的溶质运移过程模拟。通过室内及数值试验,证明其在干燥砂土淋盐及干湿交替上边界的土壤积盐等普遍难题中,相比传统数值算法能大幅度提高计算效率和精度。本文方法对大区域饱和-非饱和水流运动及溶质运移数值模拟具有显著优势及应用前景。     

推求Gardner-Russo持水曲线模型参数的简单入渗法

本文基于水平一维非饱和土壤水分运动规律，推求了Gardner-Russo持水曲线模型参数，获得了水平一维非饱和土壤水分运动中累积入渗量、入渗率、湿润峰、入渗时间之间的理论关系。用模拟的结果进行拟合，其决定系数为 0.9969～0.9997。当获得土壤饱和体积含水率、初始体积含水率、残余体积含水率和土壤饱和导水率，基于这些理论关系实现了Gardner-Russo模型曲线特征参数的求解。利用数值模拟数据和实验数据检验该方法，将用此方法估计的参数值与理论值进行比较，并进行了模型中参数的敏感性分析，结果表明本研究所求得的参数有较高的精度，为土壤水分运动参数求解提供了一种简单的土壤水分瞬时入渗法。     

基于非饱和－饱和渗流的降雨入渗边坡稳定性分析

对于雨水入渗导致的土质边坡稳定性问题,基于土质边坡非饱和－饱和渗流和ＤＰ５本构模型,引入非饱和土的基质吸力分量、抗剪强度方程和渗流方程,进行了非饱和－饱和渗流场与应力场耦合的边坡稳定性数值分析。结果表明:降雨入渗后,在土体历经由非饱和状态向饱和状态转变的过程中,土体的重度增加导致附加应力增加,饱和度增大致使基质吸力减小,渗流与应力的耦合作用增大了边坡的不稳定性;边坡滑移破坏开始在饱和的表层区域出现,滑移破坏从浅层渐近向深层发展;塑性破坏在坡脚部分最先出现,由坡脚逐渐向坡顶延伸,最后塑性区域贯通并扩大,造成边坡失稳。研究结果可为工程实践提供有效实用的依据和方法。     

基于SEEP/W的衬砌渠道非饱和渗流模拟

基于有限元软件SEEP/W建立了二维渠道模型,用以观察通过渠道底部和侧面下方土壤的渗流变化。本文通过观测土体孔隙水压力(PWP)的变化,间接地研究了土体的渗流变化。比较了有衬砌和无衬砌渠道在不同水头下的渗流损失。研究表明:PWP随土壤含水量的变化而变化,饱和土的PWP为正值,而非饱和土的PWP为负值;水头对压水压力的变化影响较大;同时,在渠道表面应用防渗层可以减少渗漏损失,高负压水压也证实了这一点。     

非饱和土一维广义固结的数值计算

非饱和土广义固结问题所具有的内含远比饱和土固结问题丰富、复杂。本文用守恒型差分格式离散和求解非饱和土一维广义团结非线性方程组。通过3个算例分析,论证了所建立的非饱和土一维广义固结数学模型,不但能正确揭示非饱和土一维广义固结的过程,又可求解饱和土固结、非饱和土渗流等特殊问题。     

一维土壤水分运动模型的有限体积法求解及其影响因素分析

基于对Richards控制方程的离散化分析,利用有限体积法对非饱和土壤一维水分入渗运动的一维运动进行数值模拟。通过将模拟结果和已知文献中试验数据进行对比,发现数值吻合较好,证明该模型的程序计算可靠,可将其作为预测一维土壤水分运动的有效工具。并在验证过后从空间角度对影响入渗模型的因素进行了更进一步的分析。     

饱和砂土吸力基础沉贯过程中渗流场分布

针对不同长径比的传统吸力基础及裙式吸力基础,采用有限元数值模拟的方法,研究其在饱和砂土内吸力沉贯过程中的土体渗流场分布规律。研究结果表明:传统吸力基础在沉贯过程中,土中渗流场均呈现层状分布,水头等值线密集分布于主桶内部土体,相对比较平缓;而主桶外部水头等值线变化较小且分布比较稀疏。裙式吸力基础渗流场主要存在于主桶内部和裙结构内部,并向外扩散至部分土体。吸力沉贯过程中土体的水头损失主要集中在主桶内部和裙结构内部,土体中的孔压分布和传统吸力基础规律一致,即成层状分布并未出现泡状的孔压分布形式。研究成果对揭示吸力基础沉贯机理有理论指导意义。     

基于饱和度分布的渗流计算

该文以多孔介质的饱和度和渗流场总水头为变量建立了统一的饱和一非饱和渗流模型.该模型将渗流场概化为饱和区与非饱和区两部分,使得模型的非线性抛物型方程在这两个区域分别退化为Poisson方程和对流方程.用有限元方法联立迭代求解这两个方程可以求得渗流场的总水头分布与饱和度分布,从而求得渗流自由面.分别利用双介质土柱恒定渗流解析解和吉林二道江电厂储灰坝电模拟实验对该方法可靠性和有效性进行了验证,取得了很好的效果.     

非饱和土稳态二维渗流的边界元法研究

近年来,非饱和土渗流问题,成为了岩土工程的热门研究课题。本文采用边界元法处理非饱和土稳态渗流问题。应用边界元法求解非饱和土渗流水头,推导了二维非饱和土稳态渗流问题的边界积分方程。非饱和土二维边界积分方程,是由线性和非线性方程组成的方程组。对于线性方程组,通过线性方法可以直接求得,对于非线性方程组,却无法求得。本文提出采用了matlab自带的fsolve函数求解边界积分方程中的非线性方程组。计算结果具有良好的稳定性。选取了非饱和单层和双层土渗流问题作为验证算例,检验了边界元方法的正确性。     

恒定水头井入渗Green-Ampt 模型的改进与验证

在假定恒定水头井入渗近似为以井内积水表面积为入渗面的一维入渗基础上,用湿润体内平均体积含水率增量代替Green-Ampt活塞模型中的饱和含水率与初始含水率差值。用入渗率和累积入渗量倒数的线性关系间接推求Green-Ampt模型中的参数,用湿润锋平均基质吸力和土壤饱和导水率。从而建立了适用于恒定水头井入渗的Green-Ampt模型。同时根据体积等效原理,定义了三维入渗中难以直接测定的概化湿润锋深度。经3种类型土壤的室内试验检验,表明该模型具有较好的精度,能精确地计算不同累积入渗量时的湿润体体积。     

三维饱和-非饱和降雨入渗渗流场分析

用饱和-非饱和达西渗流理论对降雨入渗的复杂渗流场问题用有限单元法求解，在理论上进行了深入的研究。文中特别提出了降雨入渗边界条件及非饱和逸出面边界条件(包括降雨中间停雨时期边界条件)在渗流场求解中的正确处理方法，提出和定义了描述土体渗流特性的极限含水率和蒸逸系数的两个新概念。两个算例的数值试验也进一步表明，文中所用的降雨入渗渗流场分析方法结果合理，实用性强。     

考虑降雨入渗及饱和-非饱和渗流作用下的土石坝边坡稳定性研究

在采用土体孔隙水压力描述非饱和土渗透特性的基础上,对某土坝模型进行了饱和—非饱和渗流计算,并应用于降雨入渗条件下的边坡稳定分析.计算成果表明,对于地下水位较深或可能出现浅层滑坡的情况,采用非饱和土强度理论得出的计算成果更为符合工程实际.