雨水非正交入渗条件下非饱和土边坡渗流分析

摘要

边坡稳定性分析一直是土木工程方向研究的重点和热点，相应的边坡稳定问题得到了广泛而且全面的研究，边坡失稳的实例更是非常常见。降雨主要通过影响土体的水分分布对土体稳定性起作用，众多边坡失稳问题都和降雨有着非常紧密的联系，因此，边坡的渗流场分析就显得十分的重要。传统的正交入渗理论存在着一些不足，不能很好地与实际的入渗量达到比较好的契合，而传统的商业软件大多都是按照正交入渗进行编写，使用者很难很好地对入渗量进行把握。 本文介绍了边坡渗流问题的国内外研究现状、渗流基本理论、基本方程和非饱和土的基本概念，以此作为本文的理论基础。本文运用饱和-非饱和土渗流理论，对二维非稳态渗流场进行分析，通过编制有限元程序对雨水非正交入渗条件下的边坡渗流场进行了研究，分析了渗流场中孔隙水压力分布，从而得到雨水入渗的规律。 本文参照大量资料提出了与以往不同的符合雨水入渗规律的非正交入渗方法，并且通过FORTRAN语言编制程序USNIR(Unsaturated SoilSeepagewithNonorthogonal Infiltration of Rainfall)使之得到应用。本文根据USNIR计算所得基质吸力，对入渗量进行了调整。通过实例的数值分析，研究降雨强度、渗透系数、降雨持续时间、坡度、土水特征曲线等因素对饱和-非饱和渗流场的作用以及规律。本文在数值计算中做了一些有益的尝试，与以往不同，本文不采用定比例时间步，时间步长可以根据计算所得的结果进行调整。通过一些对比的案例对非饱和土体的渗流场进行了比较细致的分析。本程序可以考虑一定深度的积水，最特殊的一种情况就是土体表面不积水；提出了新的非正交入渗方案，根据计算所得基质吸力和返回值，可以对入渗速率进行动态地取值。 通过分析可以得出如下结论: 1.雨水入渗的初期，降雨对土体的影响范围很浅，在降雨的过程中，随着时间的增加，入渗的深度逐渐增加；在降雨结束以后，随着时间的增加，土体表面的含水率降低，入渗的影响范围增加。 2.当降雨强度远大于土体的饱和渗透系数时，土体表面会处于饱和状态；当降雨强度接近土体的饱和渗透系数时，土体表面处于接近饱和的状态；当降雨强度小于饱和渗透系数时，土体的表面处于基质吸力比较大的稳定状态。 3.在降雨强度远远大于饱和渗透系数的情况下，坡度在30°到60°之间时，降雨入渗的深度随着坡度的增加而增大。 本文的研究成果对降雨条件下雨水非正交入渗饱和-非饱和土边坡的渗流场分析具有一定的指导意义。

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