降雨入渗条件下非饱和土边坡稳定性研究进展

降雨,特别是强度大、历时长的暴雨,是引起边坡失稳破坏的主要因素。降雨期间,雨水的大量入渗使边坡土体的饱和度增加,非饱和区基质吸力降低,土体抗剪强度下降。当降雨的强度和持续时间超过一定程度时,便可能导致边坡失稳。在讨论非饱和土强度理论和渗流理论的基础上,探讨了近年来关于非饱和土边坡稳定性研究的进展。     

崩落法开采塌陷区上覆黄土层降雨入渗机理研究

以程潮铁矿东区为工程背景,东部塌陷区上覆黄土层为典型的非饱和土,基于非饱和土中水的基本运动方程建立了降雨一维入渗数学模型,并编制了计算程序;对不同条件下的入渗过程进行了详细分析,并研究了开采强度对降雨入渗时间的影响规律,计算得到了不同条件下雨水渗透通过整个黄土层所需的时间.结果表明:黄土层的雨水入渗与降雨强度和土体初始体积含水率等有密切的关系,其中土体初始体积含水率影响程度较大,初始体积含水率越大,雨水入渗速度越快;入渗时间随开采强度的增加呈指数增长,表明崩落开采对上覆黄土层的雨水入渗有显著的影响.研究成果可为降雨情况下井下水量的变化规律提供理论依据,并为井下泥石流灾害预测预报提供重要参考.     

初始地下水对浅层边坡降雨入渗及稳定性影响

浙江省山地丘陵地区浅层边坡土层大多存在稳定的初始地下水,从而导致土体含水率分布复杂、降雨入渗和稳定性分析难度大。为此,根据土体非饱和特性确定考虑初始地下水影响的坡体含水率指数分布模型,根据雨强与土体饱和渗透系数的对比关系将降雨分为弱降雨和强降雨两类工况,基于Green-Ampt入渗模型及水量平衡原理推导考虑初始地下水影响的浅层边坡降雨入渗物理方程解析解;结合浅层无限边坡模型,分析考虑初始地下水影响的浅层边坡在降雨作用下的稳定性;当假定坡体含水率均匀分布时,改进模型可近似退化为传统模型;当坡体含水率呈指数分布时,通过数值模拟验证改进模型的有效性。结果表明：当浅层边坡基岩上部土层存在初始地下水时,降雨导致的失稳将发生在基岩面处,且失稳时间早于传统模型的预测结果;弱降雨工况下,雨强提高导致边坡触发失稳的时间呈近指数关系快速缩短;强降雨工况下,当不考虑坡面径流对入渗的促进作用时,雨强提高导致边坡触发失稳时间缩短,速度趋于平缓。     

降雨入渗对煤系膨胀土边坡瞬态稳定性影响分析

采用非饱和瞬态渗流有限元与极限平衡法相结合,对降雨入渗过程中煤系膨胀土边坡的渗流场与稳定场进行数值模拟,分析了土体渗透系数、降雨强度、降雨持时以及坡比等参数变化对煤系膨胀土边坡稳定性的影响。研究结果表明,土体渗透系数对边坡安全系数有较大影响,渗透系数较大的边坡在降雨48 h后,其安全系数出现陡降,最大降幅达到27. 82%。降雨强度越大,相同降雨持时的边坡安全系数越小,安全系数的降幅也越大。坡比对煤系膨胀土边坡的安全系数有显著影响,边坡安全系数随着坡比的减小而增大,在降雨强度为8. 33"10-7m/s的情况下,建议该类型土质边坡的坡比取值为1∶1. 5～1∶1. 75。     

不同雨强下非饱和砂性坡体破坏形式的含水特性研究

为了研究不同降雨强度下非饱和砂土边坡内部含水特性,探究破坏含水率与破坏形式的关系及坡体破坏的水土作用机理,通过室内模型试验研究了在不同降雨强度下粗砂和细砂2种坡体内部含水率的变化规律及前期降雨对坡体破坏的影响,并基于土水特征曲线分析降雨诱发坡体破坏的内部机理。试验结果表明：在降雨过程中,含水率变化存在3个阶段：Ⅰ阶段,含水率变化近似呈线性增长;Ⅱ阶段,含水率增长趋于平缓;Ⅲ阶段,在高雨强下,坡体破坏前含水率快速增长。不同降雨强度下坡体破坏形式不同,破坏含水率亦不同：当坡体发生坡脚流失时,破坏含水率为12%左右;当坡体发生分层滑动时,破坏含水率为13%～18%;当坡体发生整体流滑时,破坏含水率为20%左右。但无论发生何种破坏,在破坏时,坡体均未达到饱和状态。不同初始含水率也会影响坡体破坏形式和破坏时间,初始含水率越高,坡体破坏规模越大,发生破坏所需的时间越少。随着坡体含水率的增加,坡体的基质吸力减少,抗剪强度降低,下滑力大于抗滑力,坡体最终发生破坏。     

降雨条件下土质边坡的稳定性分析

结合工程实例,运用非饱和渗流理论,研究了降雨条件下边坡土体内地下水位变化和孔隙水压力的分布规律,采用强度折减法对非饱和渗流影响下边坡的稳定性进行了分析。结果表明,随着降雨时间的持续,降雨强度越大,滑坡坡面的浸润线变化越明显。降雨入渗使地下水位抬高,从而孔隙水压力升高,在地下水位以上区域出现暂态饱和区,相应出现暂态孔隙水压力升高和非饱和区基质吸力下降的情况,使得边坡稳定性降低。不考虑基质吸力的影响时,降雨强度从94.7 mm/24 h升至94.7 mm/2 h,边坡的安全系数从1.100降到1.002;考虑基质吸力的影响时,降雨强度从94.7 mm/24 h升至94.7 mm/2 h,边坡的安全系数从1.205降到1.005。     

考虑地下水与降雨影响的细粒土路基湿度场

为掌握地下水与降雨综合作用下的路基湿度场分布情况,基于饱和-非饱和渗流理论,提出一种降雨入渗边界切换方程,建立非饱和细粒土路基渗流分析模型,并验证其可靠性。分析受地下水影响的粉质黏土路基湿度场分布,结果表明,基质吸力分布与现有设计规范计算结果相同,但基于土水特征曲线得到的饱和度分布要大于规范提供的参考值;选取5种典型降雨强度,计算高压实度粉质黏土路基降雨入渗规律,结果表明当降雨强度小于土体饱和渗透系数时,入渗边坡不会产生暂态饱和区,当降雨强度大于土体饱和渗透系数时,土体入渗区域为暂态饱和区;分析降雨结束20 d后的路基湿度场分布规律,结果表明,暂态饱和区消散后的入渗深度随降雨强度增大而增加,降雨强度为120 mm/d时,路床底部、上路堤底部两层位坡面饱和度分别为91.6%～95.0%、92.0%～96.7%,硬路肩范围的路床区饱和度近似呈线性分布,约2 m的入渗范围内饱和度提高22%,下路堤底部层位的入渗仅在坡面范围,并未入渗到硬路肩范围。     

降雨诱发黄土边坡失稳室内试验研究

为研究降雨诱发滑坡失稳破坏机理和演化特征,开展了人工降雨条件下黄土滑坡室内研究,通过对土体的体积含水率、基质吸力及坡体变形破坏监测,分析降雨入渗对黄土边坡稳定性的影响.结果表明:在一定的降雨强度范围内,降雨强度越大,降雨入渗速度越快,越易发生滑坡;边坡坡度越缓,坡面降雨入渗速度越快;湿润锋移动在坡脚和坡顶较坡面更快,对滑坡的发生发展有较大影响;试验滑坡为多级后退式破坏模式.     

持续小强度降雨入渗对非饱和土边坡稳定性的动态影响

以含水量作为土体抗剪强度的主要控制参量,分析了边坡含水量和抗剪强度随降雨时间的变化特性,建立了持续小强度降雨入渗条件下非饱和边坡土的总凝聚力和内摩擦角与时间的关系。随着降雨持续进行,边坡降雨影响区域扩大。通过FLAC3D进行强度折减,得到了持续降雨过程不同时间段的边坡动态安全系数和边坡失稳前的持续时间。工程计算结果表明,持续小强度降雨条件下边坡临界滑动面仍处在非饱和状态。     

降雨条件下坡积土边坡暂态饱和区形成机理及分布规律

降雨是引起坡积土边坡失稳的最常见外部因素之一。雨水的入渗在引起土体抗剪强度参数降低的同时,还将导致土体重度的增加、基质吸力的降低,最终造成边坡的失稳。开展雨水在边坡内部的渗流过程研究已成为分析边坡在降雨条件下稳定性的前提。基于有限元数值模拟方法,进行了雨水在土体中渗流过程的模拟,着眼于降雨条件下边坡暂态饱和区的形成、分布及消散特征,描述了该过程中边坡内部含水率、基质吸力、水力梯度的变化规律。结果表明：暂态饱和区形成的主要原因是土体中向湿润锋下方渗出的雨水量小于降雨入渗补给量,从而使得土体中的含水率累积升高;暂态饱和区的形成与降雨强度、降雨时间具有十分密切的关系,暂态饱和区形成时间、雨水入渗深度、土体表面体积含水率大小分别与降雨强度存在函数关系;清晰描述了暂态饱和区形成发展消散地下水位升高的全过程,从该过程看,边坡排水措施的设计值得思考。     

双层结构土质边坡降雨入渗过程及稳定性分析

针对天然土质边坡由于地质和人为因素的作用,通常呈现一定层状结构这一问题,基于Moore水质量分数模型,结合降雨强度,将双层土边坡的降雨入渗过程划分为不同阶段.以一基岩型土质边坡为例,利用渗流有限元程序SEEP/W分析双层土边坡降雨入渗全过程.分析结果验证了双层土边坡降雨入渗过程的不同阶段：当降雨强度<表层土体的渗透系数时,初始降雨入渗率=降雨强度;当表面发生积水后降雨入渗率急剧下降,最终等于基岩的渗透率;降雨强度越大,表面发生积水的时间越短;当考虑平行边坡的渗流时,边坡的稳定安全系数在湿润锋到达基岩接触面时发生突变,湿润锋到达接触面时引起接触面的孔隙水压力上升是滑坡破坏的主要原因.得到降雨强度、降雨持续时间与湿润锋深度的相关曲线.研究成果揭示了降雨入渗对双层土边坡的破坏机制.     

双层结构边坡降雨入渗与坡面径流耦合分析

天然土质边坡在地质和人为因素的作用下,通常呈现一定层状结构,在强降雨作用下会产生入渗和坡面径流。研究降雨条件下坡面径流与地表入渗相互影响过程,对山地洪水和滑坡灾害防治具有重要意义,然而,目前为止对层状土边坡地表与地下渗流的相互作用机制的研究理解还极为有限。本文针对上粗下细型层状土边坡降雨入渗研究中忽略坡面径流影响导致入渗分析不符合实际这一问题,基于Moore双层入渗和坡面径流控制方程建立耦合模型,并通过Python编制相应的计算程序分析耦合条件下双层结构边坡降雨产流及停雨后雨水重分布全过程。数值分析结果表明边坡土体降雨入渗过程与坡面径流深度有关;降雨初期降雨强度<坡面入渗能力,入渗速率等于降雨强度,坡面产流后入渗速率随降雨持时逐渐减小趋于稳定;当湿润锋跨过土层交界面时入渗速率急剧减小,最终等于次层土的渗透率,意味着上粗下细型层状土入渗速率主要由次层土控制同时降雨停止后径流快速衰退,已入渗的雨水在重力和湿润锋下方土体基质吸力的作用下继续向下推移,湿润锋入渗深度随雨水重分布历时趋于平缓。算例表明,该计算模型与计算方法可行,能够较好地反映实际层状土边坡的降雨入渗过程,为类似的层状土边坡研究提供计算依据。     

基于PFC-Geostudio耦合的边坡降雨变形破坏研究

为研究降雨条件下边坡的变形破坏情况,建立典型边坡模型,通过有限元软件Geostudio进行渗流分析,将不同降雨强度下的边坡土体的含水量情况导入至颗粒流方法中,根据颗粒位置修改其重度、及接触参数,并对渗流区域施加渗流力,当降雨强度大于边坡入渗速度时,增加考虑坡面径流对颗粒的拖曳作用,分析了不同降雨强度下边坡变形情况以及滑坡破坏过程。研究表明,发生降雨时,边坡变形主要为沉降,最大变形产生在坡顶位置;当降雨强度较大时,坡脚颗粒会由于冲刷作用发生滑动,并诱发后部边坡土体发生渐进式牵引式滑坡。     

黄土坡面退水及其氮污染试验研究

坡面退水及其污染物负荷是研究坡地水文过程和污染物迁移机理的重要组成部分.通过室内模拟降雨试验,分析了黄土坡面退水情况及降雨因素、地形地貌和农业管理措施对退水的影响,同时从降雨-径流-土壤相互作用角度探讨了退水矿质氮的浓度和负荷量.结果表明:①黄土坡面退水以地表径流为主,退水时间、退水量和退水强度远小于降雨期地表产流;②降雨强度、地表覆盖(牧草和秸秆覆盖)和地形地貌(坡度和坡长)对坡面退水影响较大,降雨期和退水期的产流强度均与雨强呈对数增加趋势;③降雨停止后,坡面径流的流速减小,与土壤相互作用时间较长,致使退水矿质氮浓度普遍高于降雨结束时径流矿质氮浓度,坡长越长越明显;④坡面退水矿质氮流失以NO3--N为主,NH4 -N流失量较低.     

考虑降雨影响的路堑高边坡变形监测点优化布置研究

为了研究降雨对边坡变形和监测点布置的影响,运用有限差分-强度折减法计算边坡在不同折减系数及降雨强度下的变形,通过灰色理论分析获得边坡拟监测点变形与折减系数的关联度,实现边坡变形监测布置优化,并结合实际工程制订监测点优化布置方案。结果表明:降雨作用更易导致边坡发生浅层破坏;灰色关联度应用于工程中监测点的布设,避开了不必要的监测点,使得监测数据更有利于指导预警工作。     

用有效降雨量监测黄土边坡稳定性的研究

由于降雨很容易引起黄土边坡破坏,而监测边坡破坏的费用较高,受外界条件的影响较大,在实际应用时非常不便.通过监测降雨强度引起黄土边坡土体含水率的变化来分析降雨对边坡稳定性的影响,预先对某边坡土体不同饱和度下的稳定情况进行计算,得出不同饱和度的安全系数,然后通过对某一地区降雨量及降雨历时的统计,计算出边坡土体的饱和度和边坡含水率,再将两者比较即可评价边坡的稳定情况,为黄土边坡稳定评价提供了一种新方法.     

降雨条件下花岗岩残坡积土路堑边坡稳定性研究

基于多孔介质饱和—非饱和渗流理论和非饱和土抗剪强度理论,采用极限平衡法与降雨渗流有限元相结合的方法,选取大庆—广州高速公路江西里仁—龙南段某典型高路堑边坡,利用岩土仿真软件GeoStudio建立模型,研究降雨条件下花岗岩残坡积土路堑边坡失稳破环的形态和机理。结果表明:随着降雨的进行,边坡中地下水位从坡脚处开始抬升,边坡坡脚处容易产生“小弧”滑动破坏; 土体体积含水量的增加使得基质吸力下降,从而降低土体强度和边坡的安全系数,且基质吸力与安全系数的下降幅度基本同步; 降雨强度对边坡的安全系数有较大影响,小雨阶段,安全系数降幅较缓,而暴雨阶段,安全系数降幅加剧,降幅达24.4%; 在强降雨条件下,滑面基质吸力大部分丧失,失稳边坡发生了从整体失稳向局部失稳、从深层失稳向浅层失稳的转变,即强降雨是浅层滑坡的主要外在因素。     

黄土路基边坡降雨响应的试验研究

为了研究降雨入渗对黄土路基边坡孔隙水压力（吸力）、含水量、变形等的影响,选取甘肃平-定高速公路上某段9 m高的填方路基边坡进行了4场人工降雨模拟试验并持续现场监测一个月。监测结果表明：人工降雨模拟引起浅层土体（1m以上）吸力明显下降和含水量增大,致使土体有效应力减小,抗剪强度降低;另外雨水冲刷引起坡面冲沟发育,导致雨水入渗增大和土体强度的进一步衰减。压实度最小的坡脚处降雨引起的湿陷变形最大。在持续降雨的条件下,湿陷变形的发展会导致坡底的沉陷,最后发展为滑坍破坏。从减少雨水入渗,减小土体的强度损失以及控制湿陷变形等方面综合考虑,提高黄土路基边坡的压实度对防止降雨导致的边坡失稳具有重要意义。