高边坡岩土饱和非饱和渗流模型研究及其工程应用

摘要

饱和非饱和渗流问题的研究近年来成为现代岩土力学的一个重要分支，其原因是该领域的研究涉及到诸多工程应用，如水利水电工程、石油二次开采、核废料处置等等。目前该领域在数学模型、室内外实验、计算程序三个方面取得了一定的进展。就岩体介质而言，针对这几个方面，存在以下几个问题：一是饱和非饱和渗流力学参数很难确定，特别是裂隙岩体非饱和渗流机理还不明确，如何选择合理的渗流数学模型也有待研究；二是非饱和岩土介质的力学参数的研究，目前主要是通过室内外试验确定，如何将多尺度力学实验与宏观力学性质相结合，还少有深入的分析；三是饱和非饱和渗流场与应力场耦合问题，将两场耦合结果应用于工程实际还缺少深化。本文研究工作主要基于上述三个难点和科学问题，致力于岩土介质渗流机理与模型的构建，以及相关力学参数的研究，并将研究结果应用于降雨作用下的高边坡稳定性评价。 论文的主要研究成果和研究工作归纳如下： 1、对当前岩土饱和非饱和渗流数值模型、饱和非饱和力学参数，及其降雨入渗边坡稳定性的基础理论、已有成果和研究现状进行综述。特别是单裂隙渗流模型和影响单裂隙渗流的水力参数研究现状，以及降雨影响下的非饱和高边坡稳定性研究状况。在分析现有研究成果不足的基础上，提出了一些待研究的问题。 2、根据岩体结构面的几何参数和力学参数统计值，建立由平行四边形描述的岩体三维裂隙网络，在岩体结构宏观分区的基础上研究REV，借助于分形几何方法，将分维数作为表征岩体REV的指标；运用逾渗理论，定量研究裂隙网络连通性，推导了基于分形维数表达的裂隙岩体渗透张量的理论公式；在此基础上研究裂隙岩体渗透张量的等效条件和尺度效应，并提出基于分形维数的裂隙岩体渗透表征单元体的确定方法。 3、在岩体三维裂隙网络以及分形维数计算的基础上，基于毛细吸持理论和Sierpinski空间的假定，建立用分维数表示的，并考虑最小裂隙开度影响的裂隙岩体渗流毛细压力一有效饱和度关系曲线，将该表达式与Brook-Corey非饱和模型对比。对裂隙开度和裂隙密度进行敏感性分析，研究不同范围内，相对渗透率、有效饱和度与裂隙开度的关系。 4、从非饱和岩土介质的受力机理出发，借助于非饱和岩土介质的微观物理模型，推导由毛细吸力引起的基质吸力与附加有效应力的解析表达式，探讨了非饱和土中水膜作用对总基质吸力的影响。分不同饱和度，分析了非饱和介质中总基质吸力组成。结合试验资料，研究介质含水量、颗粒半径对非饱和抗剪强度的影响，验证了模型的合理性。 5、运用本文发展的岩体等效渗透张量，以及非饱和渗流本构模型，在饱和非饱和渗流理论基础上，采用商业软件ABAOUS，对古水水电站坝前堆积体边坡进行饱和非饱和非渗流实例计算，重点研究降雨入渗边坡非饱和区形成的暂态水压，水分运移过程，以及降雨强度和降雨持时等因素下影响下饱和非饱和渗流场的变化规律。 6、基于降雨作用下古水水电站坝前堆积体渗流场计算结果，采用考虑基质吸力作用的非饱和岩体抗剪强度理论，研究非饱和强度随基质吸力的变化规律，建立了渗流场与应力场耦合的等效连续介质模型，应用非饱和流固耦合有限元方法进行降雨入渗影响的边坡稳定性评价。

目录

文摘

英文文摘

前言

论文说明：主要符号

声明

第1章绪论

1.1选题背景及研究意义

1.1.1 问题的提出

1.1.2 理论与工程价值

1.2相关理论回顾及研究现状

1.2.1 单裂隙渗流基本理论

1.2.2 裂隙岩体渗流的概念模型

1.2.3 裂隙岩体非饱和渗流研究进展

1.2.4 饱和非饱和边坡稳定性研究进展

1.3本文主要研究内容及技术路线

1.4本文技术路线

第2章岩体水力等效性能研究

2.1岩体三维裂隙网络模拟技术

2.1.1 裂隙网络随机模型

2.1.2 Monte-Carlo模拟方法

2.2基于分形几何方法的裂隙岩体REV的确定

2.2.1 裂隙面分形维数取值研究

2.2.2 实例分析

2.3裂隙岩体渗透张量的尺度效应研究

2.3.1 裂隙数量分布的分形规律

2.3.2 裂隙网络的逾渗研究方法

2.3.3 渗透张量的尺度效应

2.3.4 岩体等效渗透性参数的一般规律性

2.4本章小结

第3章裂隙岩体非饱和渗流本构模型

3.1非饱和渗流水力参数模型

3.1.1 毛细压力—有效饱和度关系

3.1.2 毛细压力—相对渗透率关系

3.1.3参数敏感性分析

3.2模型的验证

3.3算例验证

3.4本章小结

第4章非饱和岩土介质抗剪强度参数研究

4.1非饱和岩土介质强度及变形理论

4.1.1 非饱和介质中水分运移特征

4.1.2 非饱和岩土介质基质吸力

4.1.3 含水量与非饱和介质抗剪强度的关系

4.1.4 含水量与非饱和介质应变的关系

4.2非饱和岩土介质抗剪强度参数的试验研究

4.2.1 试验方法

4.2.2试验数据分析

4.3考虑附加有效应力的非饱和岩土抗剪强度理论

4.3.1 不同饱和度状态非饱和介质附加有效应力分析

4.3.2 饱和度对非饱和介质强度的影响

4.3.3 颗粒半径对非饱和介质强度的影响

4.4本章小结

第5章古水坝前堆积体饱和非饱和渗流数值模拟

5.1古水水电站坝前堆积体工程概况

5.1.1 地形地貌

5.1.2滑坡物质组成

5.1.3水文地质条件

5.1.4岩体风化卸荷

5.2古水坝前堆积体降雨入渗机理

5.3降雨入渗过程中渗流场数值模拟

5.3.1 饱和非饱和状态下的整体渗流方程

5.3.2 定解条件与处理方法

5.3.3 饱和非饱和渗流的微分方程有限元解法

5.4边坡饱和非饱和水力参数的确定

5.4.1饱和渗透系数

5.4.2 非饱和水力参数

5.5计算模型及初始条件

5.5.1 数值模型

5.5.2 初始条件

5.5.3渗流计算结果分析

5.5.4 结论

5.6本章小结

第6章降雨作用下古水坝前堆积体稳定性分析

6.1降雨对边坡稳定性的影响机理

6.2渗流场与应力场耦合的等效连续介质模型

6.2.1耦合计算程序

6.2.2 非饱和流固耦合控制方程

6.3基于饱和非饱和渗流场的边坡稳定性评价

6.4古水坝前堆积体稳定性分析计算模型

6.4.1参数取值

6.4.2计算模型

6.4.3计算边界条件

6.5渗流场影响下的古水坝前堆积体稳定性计算结果与分析

6.5.1 位移计算结果

6.5.2应力计算结果分析

6.5.3 安全系数计算结果

6.5.4 结论

6.6本章小结

第7章结论与展望

7.1全文结论

7.2未来工作展望

参考文献

个人简历及攻读博士学位期间发表的论文

攻读博士期间参加的科研项目

致谢