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作为中国乃至世界范围内分布最广泛、影响最严重的地质灾害之一,严重威胁着人类的生命及财产安全并对自然环境具有极大的破坏力。滑坡灾害的发生是诸多诱发因素综合作用的结果,而在众多因素中最重要的就是降雨入渗的影响。雨水的进入导致土体的含水量增加,土体容重增大,边坡的下滑力增大,非饱和土体的基质吸力随降雨的进行快速降低,进而导致非饱和土体的抗剪强度减小,破坏了原来的应力平衡状态,最终导致滑坡灾害的发生。因此,十分必要对降雨入渗条件下土壤水分的运移及雨水对滑坡的影响进行深入的研究,为降雨滑坡的预警预防提供理论基础和应用价值。为此,本文在前人研究的基础上,基于土体的水力特性对非饱和土的水分运移进行研究,然后结合极限平衡分析方法分析降雨入渗过程中浅层边坡稳定性的动态变化。主要研究内容及研究成果如下:
首先,基于hydrus-1D软件对不同质地土壤在积水和降雨入渗条件下的水分运移过程进行模拟,分析了不同质地土壤湿润区剖面体积含水量的分布,发现无论是积水还是降雨的情况,湿润区剖面体积含水量并不是完全饱和状态,尤其对黏土、粉土而言,湿润区剖面含水量沿深度方向连续变化。
其次,考虑土体的非饱和水力特性,引入流量-饱和度函数F(θ)和湿润区基质吸力线性简化分别推导了两种适用于不同质地土壤的积水入渗模型。并与实测数据、hydrus-1D模拟结果及传统的Green-Ampt积水入渗模型计算结果进行了对比。
然后,基于降雨入渗的全过程,考虑了降雨强度大于或小于土体饱和渗透系数的降雨情形,对传统的Mein-Larson模型进行了改进,推导了两种适用于不同质地土壤的降雨入渗模型。并与hydrus-1D模拟结果及传统的Mein-Larson降雨入渗模型计算结果的进行了对比。
最后,考虑倾角对降雨入渗的影响,分别推导了基于降雨全过程的一维斜坡降雨入渗近似解及基于基质吸力线性简化的斜坡降雨入渗模型。采用GeoStduio软件中Seep/W模块对假设边坡案例进行非饱和渗流模拟,通过与数值解及传统的Mein-Larson降雨模型进行对比,验证了本文斜坡降雨入渗模型的合理性与正确性。在斜坡降雨入渗模型的基础上,以湿润锋处为潜在滑面,推导了降雨入渗条件下浅层边坡的时变稳定性计算方法。在Seep/W模块渗流模拟的基础上,采用Solpe/W模块对假设边坡案例的稳定性进行数值计算,通过与数值解及传统的Mein-Larson模型计算的稳定性系数变化规律进行比较,证明了本文降雨入渗条件下浅层边坡稳定性分析方法的可行性。
首先,基于hydrus-1D软件对不同质地土壤在积水和降雨入渗条件下的水分运移过程进行模拟,分析了不同质地土壤湿润区剖面体积含水量的分布,发现无论是积水还是降雨的情况,湿润区剖面体积含水量并不是完全饱和状态,尤其对黏土、粉土而言,湿润区剖面含水量沿深度方向连续变化。
其次,考虑土体的非饱和水力特性,引入流量-饱和度函数F(θ)和湿润区基质吸力线性简化分别推导了两种适用于不同质地土壤的积水入渗模型。并与实测数据、hydrus-1D模拟结果及传统的Green-Ampt积水入渗模型计算结果进行了对比。
然后,基于降雨入渗的全过程,考虑了降雨强度大于或小于土体饱和渗透系数的降雨情形,对传统的Mein-Larson模型进行了改进,推导了两种适用于不同质地土壤的降雨入渗模型。并与hydrus-1D模拟结果及传统的Mein-Larson降雨入渗模型计算结果的进行了对比。
最后,考虑倾角对降雨入渗的影响,分别推导了基于降雨全过程的一维斜坡降雨入渗近似解及基于基质吸力线性简化的斜坡降雨入渗模型。采用GeoStduio软件中Seep/W模块对假设边坡案例进行非饱和渗流模拟,通过与数值解及传统的Mein-Larson降雨模型进行对比,验证了本文斜坡降雨入渗模型的合理性与正确性。在斜坡降雨入渗模型的基础上,以湿润锋处为潜在滑面,推导了降雨入渗条件下浅层边坡的时变稳定性计算方法。在Seep/W模块渗流模拟的基础上,采用Solpe/W模块对假设边坡案例的稳定性进行数值计算,通过与数值解及传统的Mein-Larson模型计算的稳定性系数变化规律进行比较,证明了本文降雨入渗条件下浅层边坡稳定性分析方法的可行性。