（岩土工程专业论文）降雨条件下边坡渗流特性及稳定性研究.pdf

r e s e a r c ho i ls l o p es e e p a g ec h a r a c t e r s i t i c sa n ds t a b i l i t yu n d e r 1 一 r a i n f a l li n t l l t r a t o n b y z e n gl i n g b e ( c h a n g s h au n i v e r s i t yo fs c i e n c e t e c h n o l o g y ) 2 0 0 8 at h e s i ss u b m i t t e di np a r t i a ls a t i s f a c t i o no ft h e r e q u i r e m e n t sf o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro fs c i e n c e l n g e o t e c h n i c a le n g i n e e r i n g l n c h a n g s h au n i v e r s i t yo fs c i e n c e & t e c h n o l o g y s u p e r v i s o r p r o f e s s o rj i a n g z h o n g m i n g m a y , 2 0 l 1 长沙理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作者签名：嘧链日期：口，年j 。月才日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权长沙理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存 和汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本论文收录到 中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公众提供信息服务。 本学位论文属于 l 、保密口，在年解密后适用本授权。传。 2 、不保密囹。 ( 请在以上相应方框内打“ ) 作者签名： 曾够 日期：莎一lf 年- 月开日 刷帷辄亭 醐例吖吁日 摘要 降雨引起边坡破坏的主要诱因之一，据统计边坡的滑动多发生在强降雨或 久雨之后，这不难发现，边坡的滑动与降雨的入渗具有密切的关系。对降雨条 件下边坡的饱和非饱和渗流场进行计算，并分析在饱和非饱和渗流作用下稳定 性对降雨条件下边坡稳定性预测具有十分重要的指导意义。本文运用饱和非饱 和理论及降雨入渗理论对降雨条件下的边坡渗流场特性进行全面的分析，得出 了在降雨条件下孔隙水压力、体积含水率、暂态饱和区的形成及变化规律。在 此基础之上，将有限元与极限平衡相结合的方法对边坡的稳定性进行了动态研 究。本文重点研究的是降雨强度、降雨历时这两个因素对边坡稳定性的影响， 故主要从以下几个方面着手开展了研究。 ( 1 ) 饱和非饱和渗流计算的方法研究。基于能量守恒定律及达西定律，推 导了饱和非饱和渗流微分方程。并结合基本渗流理论研究了暂态饱和非饱和计 算的定解条件。在此基础上还根据实际算例建立了数值模拟计算模型。 ( 2 ) 岩体渗透参数研究。根据大量的研究可知，饱和渗透系数对降雨条件 下边坡稳定性具有十分密切的联系。本文通过现场压水试验的方法对饱和渗透 系数的取值进行了研究。通过多孔、多段次的试验，以此较准确地对饱和渗透 系数进行了确定。 ( 3 ) 降雨条件下边坡瞬态渗流场渗流特性分析。本文运用二维有限元软件 对不同降雨强度、不同降雨历时条件下的边坡瞬态渗流场进行了计算。以此研 究了降雨强度及降雨历时对边坡在降雨作用下的孔隙水压力、体积含水率、暂 态饱和区的变化规律。特别是对孔隙水压力及体积含水率随时间和空间的变化 进行了总结和归纳。研究结论认为：边坡体内孔隙水压力、体积含水率、暂态 饱和区的变化主要受到降雨强度、降雨历时的共同影响。对降雨条件下分析边 坡的稳定性具有非常重要的意义。 ( 4 ) 非饱和抗剪强度理论的阐述及边坡稳定性的计算。以边坡瞬态分析所 得渗流场为依据，对边坡在降雨条件下的稳定性进行分析。其中重点考虑了不 同降雨强度、不同降雨历时、不同渗透系数对边坡稳定性的影响及滑动面的变 化情况。得出了在降雨强度及降雨历时两种情况下的边坡安全系数和边坡潜在 滑动面的变化规律，以及在相同的降雨条件下渗透系数的大小对边坡稳定性的 影响。 本文系统的探讨了边坡在不同降雨强度、降雨历时影响下的边坡渗流场变 化，及渗流场变化对边坡稳定性的影响，对多雨地区边坡的治理及边坡失稳的 预测具有指导意义。 关键词：饱和一非饱和； 降雨入渗； 瞬态渗流场；边坡稳定性；数值模拟 a bs t r a c t 1 h er a i n f a l li so n eo ft h em a i nc a u s e so fs l i d i n gf a i l u r eo fs l o p a c c o r d i n gt os t a t i s t i c s ， t h es l i d i n go f s l o po c c u r r e da f t e rt h eh e a v yr a i n f a l lo rl o n gp e r i o do fr a i n o b v i o u s l y , t h e r ei sac l o s e r e l a t i o n s h i pb e t w e e ns l o ps l i d i n g a n dr a i ni n f i l t r a t i o n t h e s a t u r a t e d - u n s a t u r a t e ds e e p a g ef i e l do fs l o pi sc a l c u l a t e d m e a n w h i l e ，t h es t a b i l i t yo f s l o pi sa n a l y z e da n dt h er e s u l ti sv e r yi m p o r t a n tf o rp r e d i c t i n gt h es l i d i n gf a i l u r eo f s l o pu n d e rt h ec o n d i t i o n so fr a i n f a l l i nt h i sp a p e r , t h ec h a r a c t e r i s t i c so fs e e p a g e f i e l da r ea n a l y z e dc o m p r e h e n s i v e l yu n d e rt h ec o n d i t i o n so fr a i n f a l l ，a p p l y i n gt h e s a t u r a t e d - u n s a t u r a t e dt h e o r ya n dr a i ni n f i l t r a t i o nt h e o r y a n di ti sk n o w nt h a tt h e f o r m a t i o na n dv a r i a t i o no fp o r ew a t e rp r e s s u r e ，v o l u m e t r i cw a t e rc o n t e n t ，t r a n s i e n t s a t u r a t e dz o n eu n d e rt h ec o n d i t i o n so fr a i n f a l l o nt h i sb a s i s ，t h ed y n a m i cs t u d yo f t h es t a b i l i t yo fs l o pi sc a r r i e do u tw i t ht h em e t h o do fc o m b i n i n gt h ef i n i t ee l e m e n t a n dt h el i m i te q u i l i b r i u m t h i sp a p e rf o c u s e so nt h ec o n t r i b u t i o n so ft h er a i n f a l l i n t e n s i t ya n dr a i n f a l ld u r a t i o no ns l o ps t a b i l i t y s or e s e a r c he f f o r t sh a v eb e e nc a r r i e d o ni nt h ea s p e c t sa sf o l l o w s ： ( 1 ) t h es t u d yo fc o m p u t i n gm e t h o do fs a t u r a t e d u n s a t u r a t e di n f i l t r a t i o n b a s e d o nt h ee n e r g yc o n s e r v a t i o nl a wa n dd a r c y sl a w , t h es a t u r a t e d - u n s a t u r a t e ds e e p a g e e q u a t i o ni sd e r i v e d a tt h es a m et i m e ，t h et r a n s i e n ts a t u r a t e d u n s a t u r a t e db o u n d a r y c o n d i t i o n sf o rc a l c u l a t i o ni ss t u d i e d ，c o m b i n i n gw i t ht h es e e p a g et h e o r y o nt h i s b a s i s ，a c c o r d i n g t ot h e p r a c t i c a le x a m p l e ，t h en u m e r i c a ls i m u l a t i o nm o d e li s e s t a b l i s h e d ( 2 ) t h es t u d yo fr o c ki n f i l t r a t i o nc o e f f i c i e n t al o to fr e s e a r c hs h o w st h a tt h e s a t u r a t e di n f i l t r a t i o nc o e 佑c i e n ti sv e r yc l o s e l yl i n k e dw i t ht h es l o p es t a b i l i t yu n d e r r a i n f a l l t h r o u g ho n s i t ew a t e rp r e s s u r et e s t ，t h ev a l u e so ft h es a t u r a t e di n f i l t r a t i o n c o e f f i c i e n tw e r es t u d i e d t h r o u g ht h ep o r o u sa n dm u l t i s t a g et e s t s ，t h es a t u r a t e d i n f i l t r a t i o nc o e f f i c i e n ti sc a l c u l a t e da c c u r a t e l y ( 3 ) t h ea n a l y s i so ft h ei n f i l t r a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so ft h et r a n s i e n ts e e p a g eo f s l o pu n d e rr a i n f a l l i nt h i sp a p e r , t h ed i f f e r e n tt r a n s i e n ts e e p a g e so fs l o pa r e c a l c u l a t e du n d e rt h ed i f f e r e n tr a i n f a l l i n t e n s i t ya n dd if f e r e n td u r a t i o n ，a p p l y i n g t w o - d i m e n s i o n a lf i n i t ee l e m e n ts o f t w a r e a n dt h er e s u l ti su s e dt os t u d yt h ev a r i a t i o n o fp o r ew a t e r p r e s s u r e ，v o l u m e t r i cw a t e rc o n t e n t ，t r a n s i e n ts a t u r a t e dz o n eu n d e rt h e s a m ec o n d i t i o n e s p e c i a l l yt h ec h a n g e so fp o r ew a t e r p r e s s u r ea n dv o l u m e t r i cw a t e r c o n t e n tw i t ht h et i m ea n ds p a c ea r es u m m a r i z e da n dc l a s s i f i e d i ti s v e r yi m p o r t a n t f o rt h ea n a l y s i so ft h es l o ps t a b i l i t yu n d e rr a i n f a l l ( 4 ) t h ee x p o s i t i o no fu n s a t u r a t e ds h e a rs t r e n g t ht h e o r ya n ds l o p es t a b i l i t y c a l c u l a t i o n s a c c o r d i n gt ot h ec o n c l u s i o n so ft h et r a n s i e n ta n a l y s i so fs l o p ，t h es l o p s t a b i l i t yi sa n a l y z e du n d e rr a i n f a l l i nt h es e c t i o n ，i tf o c u so nt h ei n f l u e n c eo ft h e s l o ps t a b i l i t ya n dt h ec h a n g e so fs l i d i n gs u r f a c eu n d e rt h ec o n d i t i o n so fd i f f e r e n t 1 i i r a i n f a l l ，d i f f e r e n tr a i n f a l ld u r a t i o n ，d i f f e r e n ti n f i l t r a t i o nc o e f f i c i e n t s k e yw o r d s ：s a t u r a t e d u n s a t u r a t e d ；r a i n f a l li n f i l t r a t i o n ；t r a n s i e n ts e e p a g e ；s l o p e s t a b i l i t y ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n i v 目录 摘要i a b s t r a c t i i i 第一章绪论 1 1研究背景及研究意义1 1 2国内外研究现状2 1 3主要研究内容及技术路线6 第二章降雨入渗基本理论分析 2 1 引言7 2 2 饱和非饱和渗流基本理论7 2 3降雨入渗基本理论17 第三章岩体渗透参数研究 3 1 压水试验基本原理及设备介绍一2 l 3 2 压水试验结果整理方法2 2 3 3 压水试验结果分析2 2 第四章降雨入渗条件下边坡渗流特性分析 4 1引言2 8 4 2 计算模型建立2 8 4 3 边坡降雨入渗对孔隙水压力的影响3 4 4 4 边坡降雨入渗对体积含水率的影响4 1 4 5 边坡降雨入渗暂态饱和区变化规律研究4 6 4 6 本章小结5 0 第五章降雨条件下边坡稳定性分析 5 1引言5 2 5 2 基于非饱和抗剪强度理论的边坡稳定性分析5 2 5 3 边坡模型的建立与计算方案确定5 5 5 4降雨强度对边坡稳定性的影响5 6 5 5降雨历时对边坡稳定性的影响5 8 5 6 饱和渗透系数大小对边坡稳定性影响5 9 5 7 本章小结6 0 结论与展望6 2 参考文献6 4 致谢6 9 附录a ( 攻读学位期间发表论文目录) 7 0 附录b ( 攻读学位期间参与课题目录) 7 1 第一章绪论 1 1 研究背景及研究意义 随着经济和社会的不断发展，我国的公路特别是高速公路得到了迅速的发展。 由此而产生的高速公路边坡的数量在近些年来猛增，但由于工程质量、地质条件、 自然天气原因引起的边坡失稳的数量有增无减。边坡失稳是山区常见的自然灾害， 我国南方地区地质构造较为复杂，多为山地。所以滑坡灾害的发生数量和分布的 广泛程度在世界上少有【l 】。 诱发滑坡产生的因素很多，主要有人类的工程活动、降雨、地震等。边坡在 降雨条件下孔隙水压力的增大及体积含水率的增加是导致边坡发生滑动破坏的最 主要的原因之一【2 】。在我过南方地区，经常经历历时长、强度大、分布广的暴雨， 这是边坡失稳的常见的诱导因素i 孓5 1 。滑坡、泥石流等地质灾害与降雨水具有密切 的联系已经是不争的事实 6 】，前人已经做过广泛的调查。但这种密切联系的认识仍 然显得不够准确和充分。一般的，为了计算和分析简便，人们将边坡雨水的入渗 假设为稳定渗流模型，对非饱和区雨水的非饱和入渗进行了忽略的处理。在地下 水位线离地表较近时，非饱和区的面积较小的边坡运用这样一种假设计算，结果 相差不大。但对于地下水位埋藏较深，非饱和区面积较大的边坡，如不考虑非饱 和区的影响就显得不太合理。广大学者在近些年来也认识到了这一缺陷的存在， 特别对降雨对边坡稳定性的影响因素做了归纳总结，但是降雨类型、降阿强度、 土体渗透性等方面对边坡稳定性的影响还需要做大量的工作。边坡降雨入渗导致 边坡稳定性降低的主要原因【”，可以简单的归纳为孔隙水压力增加，基质吸力降低， 边坡土体抗剪强度降低，最终边坡失稳。这一结论已经得到了广大学者的广泛认 可。于是，如何确定降雨条件下边坡孔隙水压力的大小就显得尤为重要。 在非饱和区，土体中由于存在毛细管吸力，在该区域上体并不是完全干燥的， 非饱和区的抗剪强度与土体含水率具有较大的关系。而含水率是随着降雨强度与 降雨持时不停的发生变化的。所以我们通过研究降雨入渗引起的边坡内渗流场的 变化规律来研究边坡抗剪强度的变化【g l 。在经典土力学理论中e 9 】，对边坡稳定性的 计算是基于饱和士体而言的，并没有考虑非饱和区基质吸力的影响。这对于非饱 和区域面积较大的边坡稳定性计算而言，存在较大的误差【l o 。1 1 。然而，随着科学 的进步，非饱和土力学的发展填补了这一空缺，为研究降雨条件下边坡体内渗流 场的变化引起边坡稳定性的变化提供了理论基础【1 2 m 】。 此外，由于渗流计算的准确性取决于参数的准确设定，往往在工程中通过现 场及室内试验很难得到计算参数的准确值。所以对降雨入渗条件下的边坡渗流场 及稳定性分析的准确性很大程度上取决于参数的选取。我们应该在以后的研究中 更加予以重视。 由此可见，对于降雨条件下的边坡稳定性分析问题还有许多重要工作值得开 展。例如如何真实有效的对边坡入渗饱和非饱和渗流场进行模拟及如何将饱和 非饱和渗流场的计算结果结合非饱和抗剪强度理论进行实际运用，这两个方面都 是需要进一步深入研究的。这将为降雨入渗影响下边坡稳定性计算提供一种新的 成熟可靠的方法。运用该方法所得的计算结果在工程应用上具有较强的指导意义。 1 2 国内外研究现状 1 2 1饱和一非饱和渗流研究现状 在早期进行的渗流场的研究中，学者们主要将研究内容局限于饱和渗流场的 研究，但这对于非饱和渗流的应用具有局限性。l8 世纪d a r c y 1 4 l 用过试验得出了 线性渗流理论，这对后续渗流理论的发展奠定了峰实的理论基础。在接下来的一 段时间内，国内外广大学者在d a r c y 的研究基础之上进行了更加深入的研究。1 9 31 年，r i c h a r d s t ”】将达两的的线性流理论扩展到饱和非饱和渗流理论的研究中，建 立了r i c h a r d s 渗流控制方程，且在工程实践及其设计计算中得到了广泛的应用。 从上世纪7 0 年代计算机开始广泛运用开始，在渗流方法的理论研究及分析方 法上取得了很大的进步。以往的渗流计算主要集中于饱和渗流计算，以自由水面 为边界，这种方法的缺点在于每次计算部必须要试算自由水面，以此作为下一步 计算的条件，所以在计算上不具有连续性。以该种方法计算所得的结果由于没有 考虑非饱和区基质吸力的影响，因此并不能完全准确的反应土体内渗流场的特征。 从上世纪7 0 年代开始，广大学者开始考虑如何将饱和区与非饱和区联合进行考虑， 研究结果认为在饱和区的压力水头为正值，在非饱和区取负压力水头，而饱和区 与非饱和区的分界面取0 压力水头。 f r e d l u n d 和l a m 【1 6 】推导了饱和非饱和渗流微分控制方程，运用了二维有限 元计算方法对瞬态渗流稳定进行了数值计算，计算结果验证了推导结果的准确性。 这一结果的推导是基于非饱和固结理论与土壤水动力学理论得出的。 近些年来国内的广大学者也在饱和非饱和理论方面做了大量的研究工作。彭 2 华【l 7 】对修正容水度及加速迭代收敛进行了进一步的研究消除了非饱和渗流计算中 存在的一些不确定的因素，对有限元渗流计算的分析方法进行了推进。作者通过 算例证明了计算结果的准确性，并以此证明该理论的准确性。 牛文明【1 8 l 等人总结了近些年来国内外关于饱和非饱和土的研究理论，阐述了 固结理论在非饱和土和饱和土中的联系和区别，并认为在非饱和土中，固结理论 与非饱和土中的固结理论存在着比较大的差别，需要特别的予以重视。 刘礼领【l9 】通过多大量的降雨资料与滑坡资料的总结认为降雨与滑坡存在很大 的关系，根据不同的降雨量大小与实际滑坡状况可以拟合出近似的引起滑坡的临 界降雨量，如果实际降雨量大于了这个值，那么就很大程度上将引起滑坡。同时， 他认为降雨过程中，雨水会通过裂隙进入到边坡体内，并运用数值模拟的方法对 有裂隙和没有裂隙两种情况下雨水的入渗进行了对比。 谭新【2 0 】分析了降雨入渗过程，运用数值模拟的方法计算了在饱和非饱和状态 下的渗流场，由计算结果可知，降雨入渗受到初始含水率的影响较大。在久雨和 强降雨作用下入渗规律不一致。 吴梦喜、高莲士【2 i 】运用新的方法来计算了非稳定渗流场，在方法中重点考虑 了计算中经常出现的弥散现象，同时，对溢出面的处理提出了一种新方法。并将 新方法运用计算实例进行了验证。 刘小文【2 2 】等人运用不同的方法对土体中的基质吸力进行了量测，得出了基质 吸力与含水量之间的关系，分析结果可知：渗透系数受基质吸力的影响较大，基 质吸力的大小决定了渗透系数的敏感性大小。运用这一结论结合饱和非饱和抗剪 强度理论认为饱和非饱和土的性质与基质吸力具有很大的关系。 张卓【2 3 】等人编制了有限元计算程序软件，将岩石的裂隙模拟为等效的连续介 质，运用饱和非饱和渗流分析方法对降雨入渗进行了模拟，得出了在不同雨型、 历时、降雨强度作用下的饱和区的形成、发展、消散的过程。 戚国庆【2 4 】等人运用数学方法，推导了饱和一非饱和渗流模型中的线性方程组及 其解法，得出了典型方程的求解方法与过程，并运用该方法对降雨入渗进行了计 算。模拟了岩质边坡降雨入渗过程中基质吸力的变化、暂态饱和区的形成等。并 用上述方法模拟计算了实际算例降雨入渗的全过程。 1 2 2 降雨入渗边坡稳定性理论研究现状 降雨作用是诱发滑坡的主要因素，降雨入渗将导致土体自重增加、含水量变 大，从而使滑移面的剪应力增大。同时降雨也改变滑坡的力学性能，使岩土体抗 3 剪强度降低，国内外学者在边坡降雨入渗机理及稳定性研究方面做了大量工作， 取得了十分重要的研究结果。 f r e d l u n d t 2 5 之6 】在非饱和土的研究方面做了较多的工作。运用数值模拟的方法对 渗流过程，且进行了参数的敏感性分析。在对降雨入渗进行模拟的过程中重点考 虑了降雨强度q 、降雨持续时间和岩土体的类型。研究结果表面，降雨的强度将对 边坡的安全系数产生较大的影响，但是渗透系数的大小对边坡稳定性的影响又相 对较小。基质吸力的变化也是在分析过程中不容忽视的。由此可知，在降雨作用 下由于基质吸力降低，边坡体抗剪强度下降，有可能导致边坡发生破坏【z 7 】。 美国学者v a ng e n u c h t e n 5 1 墩授于1 9 8 0 年提出v g 模型，用以描述土壤水分 特征，随着计算机的发展，大量饱和非饱和渗流计算软件都运用v g 模型对非饱 和土水特征进行拟合，经过验证，v g 模型具有广泛的正确性和适用性。 s u n 2 7 】等人则认为在对降雨入渗的分析过程中，大气压力对降雨入渗的影响， 将应力与双向流理论结合起来，以此来分析土坡在降雨过程中的破坏模式。在运 用该方法对实际算例进行计算后得出，大气压力的影响不容忽视，它将使雨水往 边坡深部的入渗较慢，使表层很快的饱和。特别是在坡脚处容易形成剪出面。并 认为在计算中不引入大气压力，将使雨水向边坡内部迅速的汇集，这会对边坡的 整体稳定性产生较大的影响。 s u n 2 7 l 等人的实例研究结果表明，不考虑空气压力的分析结果与实际情况相比 存在较大的误差。 由于香港地区经常受到台风等极端天气的影响。经常伴随着暴雨的发生，强 降雨导致香港境内时常出现边坡垮塌等严重的工程事故。故香港学者在降雨引起 边坡稳定性发生变化这方面也做了大量的研究。 n 9 1 2 s 】等人认为香港地区的非饱和典型土坡运用数值计算的方法进行了降雨 入渗计算，将渗流计算结论运用到了边坡稳定性计算中。这一结合主要是运用了 饱和非饱和抗剪强度理论达到的。但文中并没有提到关于土体入渗能力与入渗量 的关系，而是简单的按照相关规则来折减了降雨量的大小。这样一种降雨量的折 减方法对边坡渗流计算降雨强度的取值准确性难以保证。 a l o n s o 2 9 】针对香港地区的实际情况进行了边坡二维非饱和渗流和极限平衡法 的联合分析，渗流分析中采用了考虑空气压力的变化。主要考虑的降雨入渗影响 因素包括土的类型、降雨持时、降雨强度、土水特征曲线的性状和土的渗透性。 但很明显的发现在降雨影响因素中没有考虑降雨雨型、降雨峰值等因素，这对于 全面了解边坡入渗受降雨的影响还是具有一定局限性。 4 c h a r l e sw w n g 3 0 1 等人以香港地区的实际情况为依据，基于数值模拟对影响 边坡入渗及稳定性的各因素都进行了考虑，分析结论可知，降雨引起边坡稳定性 的变化主要受到降雨持续时间、降雨强度、土体的初始状态及其前期降雨等因素 的影响。 王忠科【3 l 】对植被盖度及地面坡度影响降雨入渗过程进行了实验研究，实验结 果表明，坡体的覆盖层厚度将引起入渗量的增大，这将减小边坡地表径流量。而 边坡坡度的变化也对入渗量与渗流的相对量产生影响。从研究结果的规律性来看， 具有可参考价值，但是定量研究仍然需要进一步的完善。 刘俊新【3 2 】等人运用有限元软件f l a c 模拟了降雨入渗及地表径流的产流。对 比了考虑降雨作用与非降雨过程对边坡稳定性的影响。 袁建平【3 3 】对降雨装置进行了研究，对原有的试验装置进行了优化，研制了一 套适用于野外坡地土壤入渗产流的试验装置，该装置是模拟研究野外坡降阿入渗 产流较好的装置。 另外，近些年来吴长富【3 4 1 ，胡立雄【3 5 1 ，荣冠【3 6 1 ，刘新喜3 7 1 ，陈建余【3 8 1 等人 在降雨条件下的土质边坡、岩质边坡的稳定性分析方面都做了大量研究，得出了 许多可以值得借鉴的结论。并在结合工程实际的基础上充分考虑了能够影响边坡 稳定性的各种因素。对边坡入渗引起边坡稳定性的变化的理论研究作出了巨大的 贡献。 当前，对于降雨条件下的稳定性研究，国内外学者在许多方面都做了大量的 研究。其主要集中在：( 一) 在降雨作用下边坡体内的雨水的入渗机理及入渗量的 大小的理论和试验研究。( 二) 在数值计算及现场试验数据的基础上较准确确定边 坡渗流场，以此考虑基质吸力、含水量等因素对边坡稳定性的影响。 根据大量的研究结果可知，现有研究成果在许多方面都还存在比较多的缺陷， 如如何确定描述土体基质吸力、含水率的土水特征曲线以及饱和渗透系数的取值 等都有待进一步的研究。如将上述问题解决之后，又如何将渗流场的计算结果与 非饱和抗剪强度理论相结合来共同求解边坡稳定性安全系数这一问题都是需要我 们做大量的研究工作的。 鉴于理论研究与实际应用上都还存在大量的不可靠性，本文运用有限元理论 与饱和非饱和理论研究了降雨条件下边坡饱和非饱和渗流场，并设计了不同的降 雨方案，以此来总结归纳降雨条件对边坡渗流场的影响。最后在计算所得饱和非 饱和渗流场的基础之上结合非饱和抗剪强度理论来对降雨对边坡稳定性的影响进 行了分析，得出了设计方案下的安全系数的变化，并利用极限平衡方法【3 9 1 求出了 5 边坡滑动面的变化情况。 1 3 主要研究内容及技术路线 本文从研究现状存在的若干问题出发，有针对性的对以下几个方面的问题进 行了研究： ( 1 ) 基于能量守恒定律及达西定律，推导了饱和非饱和渗流微分方程。并 结合基本渗流理论研究了暂态饱和非饱和计算的定解条件。 ( 2 ) 为了保证渗流计算参数的准确性，通过现场压水试验的方法对饱和渗透 系数的取值进行了研究。用过多孔、多次的试验，比较准确的对饱和渗透系数进 行了确定。 ( 3 ) 运用有限元软件g e o s t u d i o ( s e e p ) ，结合实际气象资料，对算例进行了 饱和非饱和渗流计算。考虑了不同的降雨历时、降雨强度对边坡渗流场的影响。 对边坡孔隙水压力、体积含水率、暂态饱和区的变化进行了分析。 ( 4 ) 对降雨条件下边坡稳定性进行了计算分析。将有限元渗流计算的结果与 极限平衡分析进行结合，考虑有基质吸力作用下的边坡稳定性。设计了计算方案 来对降雨强度大小、降雨历时的长短、渗透系数的变化对边坡稳定性的影响进行 了分析。 本文研究的技术路线如下图1 1 所示。 降雨条件f 边坡渗流特征及稳定性研究 理论ii 和理论l l 剪强度理论 现场实验 降雨入渗渗li 降雨入渗 流场分析ii 定性分析 降雨条件下边坡渗流特征及稳定性研究结论 图1 1 研究技术路线 6 第二章降雨入渗基本理论分析 2 1 引言 按照水在土体中的流动方式，工程上主要将其分为饱和渗流与非饱和渗流， 饱和渗流指的是水在流动过程中，任意一点的水头及渗透系数不随时间的改变， 渗透系数的大小为饱和渗透系数，水头大小则为该点的位置水头与压力水头之和。 而非饱和土体中的水的流动过程中，土体中任意一点的水头大小、渗透系数、体 积含水量等都是随渗流时间而改变的。特别是在降雨条件下雨水的入渗，导致表 面土体变为渗透边界，出现暂态饱和区，因此研究用于描述在此情况下的渗流状 态的饱和非饱和理论显得非常重要。 2 2 饱和一非饱和渗流基本理论 研究降雨入渗对边坡稳定有着十分蓖要的意义。对于岩土质边坡，降雨会降 低岩土体的抗剪强度，这主要是由于考虑了岩石软化的作用。短时间的降雨并不 会对边坡稳定性产生较大的影响，而长时间高强度降雨会使得稳定地下水位以上 区域出现暂态饱和区，则相应区域会出现暂态孔隙水压力升高的情况。往往滑坡 的产生都出现在降雨停止之后，这时候降雨的入渗可能导致土体的容重大大增加， 地下水位也相应上升，所以降雨所导致的滑坡暂态水荷载势是不可忽视的。 2 2 1 饱和一非饱和渗流达西定律 水在土体中沿着空隙流动的现象称之为渗流，早在一百多年之前达西通过研 究砂层的渗透试验时得到了线性渗透定律，即得出了通量q 或说渗透速率v 和水 力梯度成正比的达西定律4 0 1 ，用来表达饱和土中水的流动： k ：一k 。拿 ( 2 - 1 ) e , y 式中：拿为水力梯度；k 为饱和渗透系数：为水流速度。 u y 对于二维空间非恒定流或非均质土壤，达西定律可写成： q = 一k v 日 ( 2 2 ) 达西定律也适用于非饱和土中水的流动，r i c h a r d s ( 1 9 3 1 ) 4 1 1 在达西定律引入非 7 饱和土壤水的流动中，非饱和土流动的达西定律可表示为： q = 一k ( h ) v h ( 2 - 3 ) 尽管式( 2 2 ) 和( 2 3 ) 在达西定律的表达式形式相同，但水势和渗透系数却有不 同的含义和特点。现将水势及渗透系数的不同点总结如下： l 、任何含水量的土体中水的流动都是由于各个位置之间存在水势差，以饱和 土与非饱和土为例，两者水势的引起因素是完全不一致的。在饱和土中，水的水 势由该点的位置势和压力势决定，而非饱和土中水的水势主要由位置势和基质吸 力组成。也就是说在饱和土体中由于不存在基质吸力所引起的负压力，所以由正 的水压力和位置势来共同引起水的运动，而在非饱和土中，由于基质吸力的存在， 土体中存在负压力，这时候土体中的水的流动则是由位置势与基质负吸力来引起 的。 2 、土壤中水流动的另一重要影响因素为渗透系数。当土体中的空隙全部被水 充满时，土体达到了饱和状态，这时候的渗透系数为饱和渗透系数，取定值。而 在地下水以上的非饱和土中的空隙则是部分被气体所占据，水不能形成连续的流 动面，故渗透系数将小于饱和渗透系数。非饱和土体的渗透系数是体积含水率( 或 者是基质吸力) 的函数，随着体积含水量的增大( 基质吸力的减小) 而增大的，当土 体空隙中部充满水的时候，所具有的含水率为饱和含水率。 2 2 2 渗流基本微分方程 在降雨条件下边坡渗流场分析中，由于降雨入渗可能形成的暂态饱和区内水 体流动和地下水位的流动问题一般可概化为剖面二维【4 2 1 流动。在非饱和土体中选 取一个无穷小的出，咖，出单元体见图2 1 ，假设水的流动只沿着x ，y 两个方向流动， 且土体在水的流动作用下形状保持不变，则这种状态下的渗流满足非饱和土体达 西定律【4 3 1 。 图2 1非饱和土二维渗流微分单元 8 在单位时间( i t 内，进入和流出微分单兀体的体积差： 一n + 等咖1 砒+ ( y 。+ 警出飞) 纰卜 亿4 ， 对上式进行整理得： 一陪+ 警 一 亿5 ， 在所选择的单元体内部，含水量的变化率为： 一坠如d z d t ( 2 - 6 ) 在二维非稳定流条件下，流出单元体的水与流进单元体的水体积是不相等的， 它等于该单元体内随时间的变化率。由能量守恒原理可得出土体内非饱和状态下 水分的运动连续方程： 一丝= | 笠+ 监i ( 2 - 7 ) 现l 融呶j 将达西定律的表达式：2 1 式代入即得到非饱和上渗流微分方程： 鲁= 丢 k 帆) 警 + 号 帆) 等 c 2 剐 假设磐：研。，由于r i c h a r d s 控制方程可以表示为以总水头为变量的表达式： 朋舶鲁= 旦 k 针舡割 协9 ， 上式中：吼为土体中单位体积的含水率；p 。为土体中渗流物质的密度；j l l 。为 某位置的总水头，其大小为位置水头与压力水头之和；“，为孔隙水压力；k 懈，k w 为土体的渗透系数。 在二维计算中，人们多假设渗流方向为各向p - 性的，在这一假设条件下，则 有七。皖) = 七w 帆) = 后，帆) ，式2 - 9 可改写为： 所以g 鲁= 射丸警 + 号卜等 c 2 舶， 于是，便很容易的得出了在饱和状态下及非饱和状态下的渗流微分方程： 饱和黼舡讣孙刳= 。 仫 9 非饱和渗流：旦 k 警 + 昙卜参卜m 。风g 鲁 c 2 m ， 2 2 3定解条件 二维渗流计算以二维偏微分方程作为控制方程，方程主要是通过数学方法反 应的渗流过程，以进入单元体的体积与流出单元体的体积之差做为理论基础求解。 但要想对一个具体问题进行求解，还需要对计算边界条件、约束条件、初始条件 进行确定【4 3 1 。 2 2 3 1 初始条件 ( 1 ) 约束条件 方程的推导遵照质量守恒原理与达西定律； 具体进行边坡数值模拟时，根据具体情况进行适当假设与简化。 ( 2 ) 初始条件 非稳定渗流的解是基于稳定渗流的基础之上的，可以将其看为是不同时间步 若干个稳定渗流相叠加的计算结果。初始条件就相当于是若干个稳定渗流场中的 第一个。那么这个初始条件就包含了在计算模型区域的初始含水率、水压力状况， 可用下式表示： h ( x ，y ，0 ) = h o ( 石，y ，t o ) ( x ，y ) ( q ) ( 2 1 3 ) 2 2 3 2 边界条件 研究边坡的渗流一直是一个难以做出定性解答的问题，其中最t 要的原因是 因为计算参数的难以确定，也就是由于这个原因的存在，无数学者都在从事着准 确确定参数的工作。一般的，我们将渗流计算边界分为透水边界和不透水边界， 也有学者按照物理学观点将其分为土与气、土与土、以及土与水三种边界等等， 其中应用最为广泛的是数学边界，其中包括狄利克雷边界r d ( 给定水头) 、纽曼边 界f ( 给定流量) 、柯西边界r c ( 混合边界条件) 以及不能预先确定的边界匕。现 将这几种数学边界做重点介绍【4 4 1 。 ( 1 ) n c u m a n n 边界条件r 在这种类型的边界上，垂直于边界上各节点的单位流量q 是一定的。 在r 上：- - 1 j k v h = g “y ，乙t ) ( 2 - 1 4 ) ( 2 ) c a u c h y 边界条件r c 1 0 这种类型的渗流边界存在于多孔介质渗流区与地表水体有联系的地方，但有 比较薄弱透水层将这两个区域隔开。 在f c 上：一( k v h + k v y ) = 吼y ，t ) ( 2 - 1 5 ) ( 3 ) d i r i c h l e t 边界条件r d 在数值计算中，对于这样一种边界来说，在边界上的所有点水头( 压力水头、 位置水头) 是一定的，这种边界出现在渗流区与地表水体的交界处。在d i r i c h l e t 上： h ( x ，y ，0 ) = h d ( x ，y ，f ) ( 2 1 6 ) ( 4 ) 不具有确定性的边界k 在理论上，一般把降雨过程与降雨停止分开进行处理，其代表方程如下所示： 降雨入渗过程：一k v h = q m “y ，) ( 2 1 7 ) 降雨停止后入渗过程：一n t k v h = q 材( 工，y ，f ) ( 2 - 1 8 ) 上述各式中的、q 、q c 、q 村、q 肘 分别定义为狄克雷利函数值、纽依曼通量、柯西通量、降雨量、最大蒸发量， n i 为外法向余弦值。 2 2 4 土水势理论 一般情况下，自然界中的土都被看做一个整体的土水体系，存在能量的转换 过程。在物理学中，能量包括动能和势能。土中水的势能【4 0 1 是用来衡量土中水的 能量大小的，在土和水的平衡系统之中，单位数量的水在恒温条件下移动到参照 状态下水体所做的功。参照状态一般选取一个大气压来定义，即认为在一个标准 大气压下，与土壤水具有相同温度的条件下，及在某一特定高度的假想的自由水 体。在饱和土壤中，土水势比参照状态大。而在非饱和土壤中，土水势比参照状 态的水势低。从热力