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。     

降雨条件下边坡渗流和地表径流的耦合分析

降雨常常会诱发滑坡,建立降雨入渗模型是分析边坡稳定性较为常用的研究方法,但往往没有考虑入渗和产流的耦合过程。目前模拟地表径流与地下渗流的耦合效应多采用有限元法,计算程序相对复杂。为更好地研究降雨入渗过程,首先利用水量守恒原理建立地表径流和地下渗流的耦合方程,然后在此基础上推导了径流与渗流的差分求解格式,并以算例模拟分析径流与渗流影响,表明了该方法的正确性与有效性。     

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。     

黄土边坡失稳的降雨入渗预警阈值

选取陕西省延安市宝塔山地区作为主要研究对象,结合实测数据,利用非饱和土力学有限元计算方法对宝塔山西部边坡进行数值模拟,初步得出宝塔山西部滑体可以诱发坡体滑坡的降雨入渗阈值为24 h累计雨量100 mm。本研究为开展饱和-非饱和黄土边坡在降雨入渗影响下的稳定性分析提供一定的参考。     

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。     

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。     

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。     

Geostudio软件模拟降雨入渗过程中边界条件的探讨

在Geostudio软件中研究边坡稳定性问题,常需要考虑降雨入渗的影响。软件有多种入渗边界条件的设置,如选择不当则会造成模拟的失真。文章通过建立假设模型,讨论了不同降雨强度条件下降雨入渗边界设置的问题,发现降雨入渗边界的设置与降雨强度和土体的饱和渗透系数关系密切;当降雨强度小于饱和渗透系数时,入渗边界应设置为流量边界,即降雨全部渗入土体中;当降雨强度大于饱和渗透系数时,入渗边界应设置为水头边界。     

库水位变化和降雨作用下三门洞滑坡流固耦合分析

目前对三门洞滑坡的已有研究都重点关注稳定系数和变形特征,缺乏对孔隙水压力及应力演化特征的系统性研究。采用Abaqus建立滑坡的三维计算模型,推导库水位变化和降雨入渗的耦合边界条件,提出基于莫尔-库伦和最大拉应力准则相结合的复合准则,模拟滑坡在库水位变化和降雨共同作用下的变形演化过程。系统探讨了滑坡的孔隙水压力分布、位移场、应力场和塑性区分布特征,并综合数值模拟结果分析了库水位变化和降雨入渗条件下的边坡稳定性问题。结果表明:在强降雨和库水位缓慢下降综合作用下,三门洞滑坡在滑坡中后部和前缘分别出现局部的张拉和剪切破坏,滑体内渗流场发生较大变化,导致滑体内孔隙水压力、应力、位移和等效塑性应变整体增大,但并未出现塑性破坏区,边坡整体处于稳定状态。     

三峡库区黄土坡滑带空隙结构与渗流特性

黄土坡滑坡的稳定性对三峡工程的安全运行具有重要影响,一直受到广泛关注,但滑带的空隙及渗透特性对滑坡稳定性的影响机制尚不清楚。从地下水渗流对滑带土作用的角度,利用中国地质大学(武汉)巴东野外综合试验场,结合室内试验的方法开展滑带土空隙结构与渗流特性研究。结果表明:①滑带碎石磨圆度、碎石分布形态、碎石表面擦痕、滑带土层理结构以及基岩面擦痕等特征明显,表明滑坡证据显著;②滑带土致密,层理结构明显,且层理间空隙尚未形成优先导水通道,而滑带土上、下盘接触面均存在贯穿性空隙或裂隙带,说明滑带空隙具有明显的空间分布特征;③滑带土饱和渗透系数低于上覆松散滑坡堆积体地层和强风化基岩地层2~3个数量级,导致降雨在滑带上盘集中排泄,基岩裂隙水在滑带下盘集中渗流,且在基质吸力作用下,上、下盘水分同时缓慢入渗滑带土,说明滑带土对滑坡体降雨入渗以及基岩地下水渗流具有显著的控制作用;④滑带土渗透破坏比降超过16,滑带土在自然水头作用下难以发生渗透破坏,具有很强的抗渗透破坏能力,说明地下水对滑带土影响主要体现在增加滑带土含水量,降低其力学指标,而渗透破坏作用有限。该成果对地下水作用下的滑坡形成机理研究具有重要意义。     

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。     

暴雨情形下含裂隙土质边坡的瞬态稳定性

以山西省安太堡露天煤矿某地质剖面为例,采用Slide软件对暴雨情形下含裂隙土质边坡的稳定性进行分析,确定边坡潜在滑动面的位置,合理布置促使边坡发生推移式滑坡和牵引式滑坡的裂隙,应用MIDAS/GTS软件模拟分析降雨条件下的坡体应变规律和边坡稳定情况。结果表明:随着降雨入渗,边坡塑性区自坡脚向上部不断发展,直至形成贯通的塑性区;在持续降雨1.5 d时,边坡的稳定性最差,存在表层滑动可能;所提出的边坡裂隙布置方式更能反映含裂隙土质边坡在暴雨情形下的实际情况。     

边坡降雨入渗与坡面径流影响因素敏感性分析

影响边坡降雨入渗的因素很多,如雨强、土体渗透性、土体初始含水率、坡度、坡面糙率等。以非饱和降雨入渗与坡面径流有限元耦合模型为计算方法,应用正交试验设计数值试验,从坡面产流时间tp、坡脚径流水深h、坡体入渗量Q和入渗量与降雨量之比C的角度,对上述五种影响因素进行敏感性分析。结果表明,影响tp的主要因素是雨强、土体渗透性;影响h的主要因素依次是雨强、坡面糙率、土体渗透性;对Q影响较大的因素依次是土体渗透性、雨强、初始含水率;对C有较大影响的依次是土体渗透性、雨强、初始体积含水率。     

阶地型降雨滑坡的发育特征及成因机制分析——以大仁烟村滑坡为例

为探索降雨因素—河流阶地孕育滑坡的相关性,更深入地认识这类河流岸坡的变形破坏过程,在广泛分析大仁烟村滑坡地质结构的基础上,研究阶地型滑坡的失稳控制边界以及变形失稳机制模型。结合滑坡地质调查,利用有限元数值软件对降雨条件下的斜坡稳定性进行了模拟分析,进一步对降雨条件下斜坡的应力场、应变场和位移场进行了综合分析。研究结果表明:(1)中陡的地形、结构松散且易软化的阶地堆积体物质,以及陡倾的控制性结构面为该滑坡的形成创造了地质条件,而强降雨是主要触发因素;(2)滑坡剪出口位置位于坡脚施工开挖区域,滑坡的滑带位置位于强、弱风化基岩接触部位,岩土体的失稳高度达到200 m;(3)通过降雨条件下的应力、应变、位移场变化,推断其形成机制属于降雨作用下的推移式滑坡,滑体造成坡脚的桥墩瞬间被剪断。这些分析对阶地型降雨滑坡失稳机制的研究及稳定性评价具有一定的意义。     

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%。     

某多次开挖边坡治理失效机制分析

朝天中学滑坡位于朝天区朝天中学后山斜坡中下部,为一牵引式开挖型滑坡。2010年-2012年该滑坡由于两次开挖和极端降雨因素的影响,出现了多次失稳变形迹象。正确认识滑坡变形机制及演化过程是预防及治理滑坡地质灾害的重要前提,基于现场详细的调查和滑坡资料,并结合数值模拟方法,对朝天中学滑坡发生多次的变形失稳机制及其演化过程进行了分析,研究成果表明:首次切坡条件下,边坡沿原生结构中最"活跃"的基覆界面发生了牵引式堆积层滑坡失稳;在第二次切坡和部分加固手段实施后,由于坡体临空条件和自身结构的改变,促使坡内应力向深部转移,边坡也因此转为沿强-中风化接触面发生失稳的牵引式滑坡;鉴于前两次边坡失稳对坡体自身完整性的破坏,又逢区域性极端降雨,大量地表水的入渗致使坡体抗滑力和下滑力的此消彼长再次造成了边坡整体严重失稳。     

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。     

卡基娃水电站导流洞进口边坡滑坡机制分析

卡基娃水电站导流洞进口边坡在施工过程中受降雨影响发生了滑塌,形成了高达130 m的危险土石混合高边坡。在对边坡及滑体进行工程地质调查的基础上,着重分析了滑体及滑床的物质结构组成,确定了滑动模式,并计算了坡体三种工况下的安全系数。最后,综合各种因素得出了该边坡的滑动机制。     

考虑降雨入渗条件的植被边坡稳定性评价

为了研究降雨对植被边坡稳定性的影响,利用改进的Green-Ampt模型,在考虑植被水力作用和饱和区径流基础上,推导出了降雨入渗条件下植被边坡的湿润锋深度计算公式,并采用极限平衡法计算出了植被边坡不同潜在滑动面上的抗滑稳定安全系数,对多层非饱和土植被边坡稳定性进行分析评价。结果表明:考虑植被水力影响和饱和区径流的多层非饱和土植被边坡的入渗模型,更加实用,可更加准确地对降雨作用下植被边坡进行稳定性评价;湿润锋深度随着降雨的持续时间增加而增大,浸润锋经过土层交界处时出现突变现象,根系粉质砂土层的湿润锋深度增幅小于粉质砂土层的湿润锋深度增幅的1.5%~11.8%;4个潜在滑动面处的抗滑稳定安全系数在降雨早期随着降雨持续时间的增加而逐渐减小;粉质砂根土复合层的抗滑稳定安全系数比粉质砂土层的抗滑稳定安全系数提高了12.3%~35.5%;根土层与土层交界面处不易发生失稳破坏,而土层与土层交界面处的抗滑稳定安全系数会出现急剧变化,易发生失稳破坏。