含弱透水夹层边坡非饱和渗流数值模拟研究

夹层结构或互层结构是常见的坡体结构形式,软弱夹层或岩层通常具有较弱的透水性,对边坡地下水分布及渗透特性具有重要影响。基于水体质量守恒方程及V-G模型,采用PVI方法对含夹层边坡进行非饱和渗流模拟。通过实验对比,验证了该算法的可靠性。现场尺度的模拟结果表明,含低渗透性夹层的边坡易在夹层处表现出地下水分层的现象,且夹层的渗流特性和发育程度直接影响该区域地下水的分布情况:随着夹层非饱和参数α的增大(或n的减小),夹层与邻近岩土体渗透系数比的减小,夹层厚度与高度的增加,地下水分层现象更加显著。研究揭示了含夹层边坡地下水特殊分布模式,也对类似结构岩土体的非饱和水力参数确定有一定的参考价值。     

非稳定渗流作用下土石坝边坡稳定

在对库水位回落条件下土石坝非稳定饱和—非饱和渗流场进行有限元分析的基础上,考虑非饱和土强度、土体密度都随含水量变化的关系及渗透力作用,利用强度折减有限元技术研究了水位降落过程中边坡稳定性的变化规律及渗透系数对边坡稳定的影响。研究成果为土石坝的设计运行、除险加固提供了参考。     

强降雨条件下坝肩边坡抗滑稳定性分析

基于饱和-非饱和渗流理论和非饱和土强度理论,建立降雨条件下边坡稳定性分析有限元数值模拟模型,研究考虑强降雨条件下渗流场变化导致饱和区渗透力变化而影响边坡稳定性的强度折减分析法。将此方法应用于广东省乐昌峡左岸坝肩边坡,进行降雨过程边坡渗流变化情况及稳定性变化分析。分析结果表明：在强降雨条件下,地表水入渗将直接导致非饱和区范围缩小、压力水头升高及局部暂态饱和区出现;考虑饱和区渗透力变化的影响,降雨入渗时边坡稳定性将会下降,但由于边坡开挖使得坡角较为平坦,而且上层强风化层的渗透系数较低,故此时边坡仍然处于稳定状态。     

降雨入渗对微生物注浆加固边坡的稳定性影响研究

利用微生物注浆加固边坡,分析降雨入渗作用下微生物注浆加固土体的非饱和土-水特征参数,并采用Van Genuchten公式进行拟合,获得微生物注浆土体渗透函数的特征参数。利用MIDAS/GTS分析降雨入渗条件下,坡面加固边坡的非饱和土体,在流固耦合作用下的暂态孔隙水压力,并用于考虑基质吸力影响的边坡稳定性计算。根据设定的降雨情况,探讨了注浆边坡在不同降雨强度、不同降雨持时的稳定性。结果表明:微生物注浆加固可以有效减小降雨入渗对边坡的影响,对提高边坡的稳定性具有明显的促进作用;相同加固方案、相同降雨持时情况下,降雨强度越大,边坡的稳定性越差,其中当降雨强度达到30mm/d时,所有加固方案的边坡处在失稳状态;降雨持时相同,随着注浆加固厚度的增加,坡体孔隙水压力负值区减少,边坡的稳定性进一步增加。     

金沙江白鹤滩水电站左岸雾化区边坡稳定性分析

为研究泄洪雾化雨对白鹤滩水电站左岸边坡稳定性的影响,通过分析坝址区工程地质条件,确定了左岸雾化区边坡稳定性的计算条件,基于一次典型泄洪雾化降雨过程的三维饱和非饱和渗流有限元计算成果,考虑暂态饱和区的渗透荷载、非饱和区的负孔隙水压力及结构面遇水软化降低其抗剪强度等,采用FLAC3D软件对左岸边坡在不同时刻的横河向位移、应力、剪切应变率及塑性区进行计算.通过与天然状态比较分析可知,降雨入渗将显著抬高坡面浅部的压力水头,在坡脚处会出现大范围的暂态饱和区,坡体变形、应力、剪切应变率的量值均有显著提高,降雨入渗还可能诱发坡体深层滑动破坏,致使坡体局部稳定性恶化.     

降雨条件下岩体边坡稳定性数值模拟与分析

根据某高速公路岩体边坡的实际情况和基本资料,选定典型边坡,建立降雨入渗条件下该边坡非稳定饱和一非饱和渗流分析的有限元模型,分析在汛期暴雨和平均降雨两种工况下边坡内的地下水渗流场及其变化规律,确定地下水荷载。进一步模拟边坡分级开挖、支护过程,计算分析各阶段边坡应力变形规律和位移变化,以及在2种工况下的边坡稳定性。结果表明,降雨后的最小安全系数比降雨前有所减小,局部安全系数小于1．0,有滑坡危险;锚索支护后降雨的最小安全系数比支护前要大,较小安全系数的分布范围有一定的减小,安全系数提高幅度较大,能满足稳定性要求。该结果不仅可以为工程施工提供科学的理论依据,而且对边坡加固措施以及滑坡的预测预报也具有重要的指导作用。     

长期干旱条件下不同坡度松散堆积体的降雨影响研究

针对近年来我国西南出现的大范围长期干旱-强降雨的现象,考虑长期干旱造成的松散堆积体表层裂缝发育,基于饱和-非饱和渗流理论,通过有限元方法,利用Geo-studio软件中的seep/w模块对降雨入渗过程进行模拟,然后基于暂态渗流场利用slope/w模块进行边坡稳定性分析,研究了坡体在一定表层裂缝发育情况、降雨强度等因素下不同边坡坡比(1∶1、1∶1.2、1∶1.4)对松散堆积体边坡稳定性的影响。结果表明:边坡坡比越大,降雨对其稳定性影响越大,对其稳定性越不利,其计算过程中及最终最小安全系数降幅均越小。针对长期干旱-强降雨条件下的松散堆积体边坡,提出了相应的应对措施,可为此类条件下的边坡设计提供参考。     

非稳定渗流下非饱和土体水力梯度的时变分析

为了研究非稳定渗流对坝体非饱和土体水力梯度的动态变化影响,考虑土体基质吸力与体积含水量的变化关系,建立了非饱和土体的渗流运动微分方程.采用SEEP/W软件对均质土坝在水位降落和上升等工况下的瞬时渗流场进行数值模拟,分析坝体上游侧、下游侧等不同深度的水力梯度变化值,以探寻坝体不同部位水力梯度在整个渗流历时内的动态变化规律及其可能发生渗透破坏的主要时间段.数值模拟结果表明:上游侧坝体底部水力梯度会在骤降历时的60%~70%时间段内出现高出稳定渗流期36.4倍的峰值,是最易引发渗流破坏的时间段;坝体上游侧水位变动区土体的水力梯度在上升历时的25%~50%时间段内增加较慢,在50%时间段后迅速增加,增加幅度达30~50倍,水位上升历时的50%时间段之后是其发生水力渗透破坏的主要时间段;水位升降对坝体下游侧土体水力梯度的影响甚微.计算结果可为大坝的调洪运行管理提供可参考的决策依据.     

基于ABAQUS土坡降雨入渗应力应变及稳定性研究

降雨会影响土体的力学参数,通过ABAQUS对雨水入渗的瞬态渗流对土坡应力、应变的影响进行研究,以一理想边坡作为案例进行建模与计算,不考虑降雨积水的影响,认为静水压力随深度线性增加,建立CPE4P网格进行计算.后处理中,对其渗透率、孔压、横纵向位移、偏应力、塑性应变以及应力路径等作了分析,得出一系列降雨入渗作用下应力、应变及稳定性的相关结论.     

考虑降雨特征的浅层边坡稳定性分析

由降雨诱发的残积土滑坡在亚热带和热带地区非常普遍,产生此类滑坡的主要原因是雨水入渗使斜坡内非饱和区材料抗剪强参数和基质吸力降低导致了土体抗剪强度的减小.基于Mein-Larson模型,用一种近似的显式方法模拟入渗过程,得出了实际入渗率和湿润锋深度随时间变化规律,在此基础上,采用考虑基质吸力的极限平衡方法进行了边坡稳定性分析.计算结果表明实际入渗率在积水之前为降雨强度,之后逐渐减小;湿润锋深度随时间成近似线性变化;边坡安全系数随降雨的入渗而显著下降.     

考虑消落带土体强度弱化的库区涉水边坡稳定性研究

三峡库区涉水土质边坡在长期的库水位涨落条件下,消落带土体长期处于周期性的饱和-干燥-饱和过程,对边坡的稳定性不利。以某滑坡消落带土体为研究对象,以干湿循环作用过程模拟消落带土体环境,对完成干湿循环作用后的试样进行直剪试验,得到试样参数在水作用下的弱化程度,在此基础上采用Geo-slope软件对滑坡的稳定性进行分析。试验结果表明,土体的黏聚力c和摩擦角φ随着干湿循环作用次数n的增加均呈指数型降低趋势,拟合度达0.99以上;土体弱化程度随干湿循环作用次数n的增加非线性增大;周期性干湿循环作用主要通过水分的渗入与渗出造成土体强度的弱化。将滑坡岩土体分为自然条件影响区域、干湿循环作用区域及浸泡饱和区域,依据试验结果对干湿循环作用区域土体强度参数进行折减,并进行数值计算,结果表明,滑坡体安全系数F随着干湿循环作用次数n的增加呈指数型降低趋势,滑坡体由基本稳定状态向欠稳定状态发展,直至边坡失稳。     

泛函原理在边坡稳定及区间敏感性分析中的应用

为研究泛函理论在边坡稳定工程中的应用,介绍了泛函变分原理在渗流有限元中的体现及连续映射原理在区间敏感性分析中的表达,并以此为基础,利用著名岩土软件Geostudio对三峡库区某边坡进行了渗流有限元计算及区间敏感性分析,得到了各个参数的敏感性大小,计算结果表明:泛函原理是边坡稳定工程计算中的基础理论,其重要性不言而喻;区间敏感性理论在边坡稳定工程中应用良好,为定量化研究边坡稳定及边坡支护,防止边坡灾害的发生提供了一定的参考。     

基于四参数随机生长法重构土体的渗流细观数值模拟

基于四参数随机生长法(QSGS),根据土体孔隙率,重构土体微观结构.通过格子Boltzmann方法,左右采用不透水边界,上下边界采用非平衡外推格式,颗粒之间的碰撞采用标准反弹格式,建立饱和土体渗流模型,并让恒定流速的水渗入模型.结合算例,推导了宏观物理单位与格子单位之间的转换关系,编制相关Matlab程序,并且进行运算分析,探讨在计算机模拟情况下的微观土体结构中水的渗流变化规律.结果表明:根据QSGS方法所重构的土体生成过程与自然环境下多孔介质的生成过程类似,重构土体性状各异,连通性和结构与实际土体类似;在连通性良好的前提下,土体中水的渗流速度与孔隙率大小有关;同一土体中渗流通道越小的位置水的渗流速度越小,渗流通道越大的位置渗流速度越大;在相同孔隙率条件下,大颗粒土的平均渗流速度比小颗粒土的平均渗流速度大,而小颗粒土的渗流更为稳定.     

基于随机场理论的水电工程渣料场边坡稳定性分析

渣料抗剪强度参数的空间变异性对渣料场边坡稳定性的影响非常显著。利用随机场理论开展抗剪强度参数空间变异性对水电工程渣料场边坡稳定性影响的分析,首先采用自相关函数构建抗剪强度参数随机场,然后利用改进的乔列斯基分解法离散抗剪强度参数随机场,最后利用非侵入式随机有限元方法进行边坡稳定性分析。算例结果表明岩土体抗剪强度参数的空间变异性对边坡安全稳定性有较大影响,边坡滑动面与抗剪强度参数的空间分布有关。工程实例计算结果表明,对于水电工程渣料场这一典型的非均质边坡,单一的安全系数不足以评价渣料场边坡的稳定性,应考虑渣体抗剪强度参数的空间变异性,并结合工程实际进行稳定性及滑动面的综合分析和评价。     

降雨入渗下非饱和土质边坡稳定性的最小势能法研究

研究一种可以考虑基质吸力时空分布和渗流作用的非饱和土质边坡稳定性分析方法具有重要意义。将边坡视为一个整体,不假定滑面形状,建立考虑非饱和渗流作用的系统势能函数。同时基于最小势能原理,结合Fredlund非饱和土抗剪强度理论,提出最小势能法的安全系数表达式。与传统极限平衡法的不同在于,最小势能法不需要划分条块,不对条间力作假定,满足平衡微分方程和力的边界条件,适用于任意滑面的边坡破坏模式。算例表明,该方法计算结果与其他常用方法基本一致,验证了该方法的有效性,而且计算过程简单,具有较好的实用价值。     

基于Copula 函数的边坡可靠度高效分析方法

将Copula函数与高效蒙特卡洛方法结合,提出了含相关随机变量的边坡可靠度高效分析方法。以两个岩质边坡稳定性问题为例验证了所提方法的有效性。结果表明,该方法相比于直接蒙特卡洛方法在保证边坡失效概率的准确性的同时计算效率更高。Copula函数可以构造出具有不同相关结构的岩土体参数的联合概率分布,与高效蒙特卡洛方法(即蒙特卡洛重要抽样方法和子集模拟)结合能高效地处理含多种相关随机变量的边坡可靠度计算问题,相比于现行的Nataf变换方法结果更能体现岩土边坡真实稳定性。此外,该方法也能高效地计算含有复杂的隐式功能函数的边坡可靠度,研究成果拓展了高效蒙特卡洛方法在边坡可靠度分析中的应用。     

黄土中渗流水潜蚀特征研究

通过室内渗流槽模拟黄土渗流入渗试验,结合现代黄土自然堆积状态下非饱和均质特征,以黄土结构性参数和几何分形维数D为指标,研究了黄土中渗流水的潜蚀作用。结果表明,地表水渗流改造后,黄土结构性参数和几何分形维数随着渗流锋推移深度的增加而逐渐增大;渗流湿润锋几何分形维数变化越快,土体结构受到的破坏、瓦解、重塑作用就越强烈;渗流曲线与地下水浸润曲线靠近时,存在明显的尖点接触现象,进而产生潜蚀破坏,形成黄土暗穴。     

水工边坡模糊可靠性分析

在水工建筑物稳定分析中，岩土体介质的力学参数是非常重要的。目前，工程人员所采用的参数大部分是根据室内或现场试验取得的样本参数，对样本数据进行处理后，根据工程经验所确定的，对工程边坡稳定性分析带来了相当大的不确定性。利用概率理论和模糊理论来具体定量分析这一系列参数的不确定性，推导了统一的可以考虑加固等处理措施的统一功能函数，并将各种荷载作用体现在模糊随机变量系数中。并对西南某电站导流洞出口边坡进行了计算分析，计算结果表明该方法是正确且可行的。     

考虑地表径流拖曳力效应多层边坡稳定性分析

为研究地表径流拖曳力对多层边坡稳定性的影响,建立了多层边坡渗流-径流耦合模型。采用NavierStokes方程描述地表径流,用Brinkman-extended Darcy方程描述土层渗流,径流区和渗流区的流体运动均满足连续性方程,且在交界面处的流体满足流速相等和切应力连续双边界条件。根据上述条件推求出径流区和渗流区的流速分布,并引入Newton内摩擦定律求出坡面径流拖曳力。利用刚体极限平衡理论对径流状态下多层边坡的稳定性进行分析,得出每层土的稳定系数。并结合工程实例讨论径流水深、边坡坡度和上下部土层厚度分别对上下部土层稳定系数的影响。结果表明,考虑地表径流拖曳力效应时,上部土体的安全系数下降了9.95%,下部土体的安全系数下降了4.99%。因此,在进行多层边坡稳定性分析与计算中,应考虑地表径流拖曳力作用。     

三维饱和-非饱和瞬态渗流的ANSYS模拟

利用ANSYS热分析模块进行三维饱和-非饱和瞬态渗流分析.提出了适用于ANSYS非饱和瞬态渗流的迭代算法和动边界处理技术,在初始迭代步中,将逸出面作未知边界处理,而在后续迭代步中通过计算边界流通量修改边界条件.给出了容水度计算的修正公式,根据每次迭代的渗流场结果不断修正介质相对透水率和容水度,并自动调整时间步长.采用ANSYS二次开发平台APDL语言编制三维饱和非饱和非稳定渗流程序,公开了程序的部分代码.最后通过算例分析验证了程序的正确性.