降雨条件下边坡非饱和渗流过程的气阻效应与变形规律研究

摘要

在各种地质灾害中，由降雨诱发的边坡失稳是最为常见的形式，降雨诱发滑坡的关键问题在于降雨坡体入渗由此引发的边坡稳定性的变化，因此对于边坡在降雨条件下的入渗过程的分析有助于了解造成边坡破坏的根本原因。现实状态的研究对象大多数是非饱和土，在这种情形下的入渗过程和通常研究的饱和渗流有许多区别，非饱和渗流的特点就是由于土的非饱和特性以及气阻效应产生的。针对这种情况，本文研究降雨条件下的非饱和渗流过程中的气阻效应以及边坡的变形特点并分析各种现象的相互影响，以此得到降雨条件下边坡的入渗过程及气阻效应对于边坡稳定性的影响，研究结果表明：　　1.工程实践中遇到的边坡一般处于非饱和状态，土体孔隙中气液相互作用影响降雨入渗、边坡稳定性及破坏形式等。因此将通常分析的单相流拓展到两相流，需要利用水土特征曲线（SWCC）和渗透系数特征曲线（HCF）来考虑非饱和土的基质吸力、含水量和渗透系数等有关性质。　　2.降雨条件下的入渗控制因数，应该考虑重力、基质吸力和气阻效应的共同影响，随着降雨持续将入渗过程分为三个阶段：基质吸力控制阶段、基质吸力+重力控制阶段和重力控制阶段。气阻的作用分为残余气泡和锋前气压两部分，残余气泡降低了渗流区的饱和度，锋前气压作用于湿润锋锋前。　　3.基于Mein-larson入渗模型，考虑3种入渗的控制因数，对Mein-larson入渗模型进行改进，其中渗透系数K???与残余气泡有关，锋前气压和渗流区水头的综合作用形成特征水头hf ，特征水头与降雨强度和饱和渗透系数的关系、土的进气值与进水值和土层深度等有关。　　4.采用模型试验和数值模拟研究一维土柱入渗：本文中由于降雨强度小于砂土的饱和渗透系数，因此随着深度导致释出通道逐渐减少气阻效应才逐渐显著，当湿润锋到达底部边界以后出现“回弹效应”，可见气阻效应的强弱的影响因素包括降雨强度与砂土饱和渗透系数的关系、渗流区深度Zn。通过数值可知在雨强越大气阻效应越早出现且越明显。　　5.采用模型试验研究边坡降雨入渗：通过观测并分析边坡降雨模型试验中湿润锋、含水量、基质吸力和孔隙压力，揭示边坡的入渗规律。其中孔隙压力曲线分为孔隙气压上升阶段、相对稳压阶段、回弹阶段和孔隙水压力消散等四个阶段。相较于土柱入渗，边坡模型试验由于几何形状（边坡厚度、坡度）、边坡尺寸和边界条件等不同，使得入渗过程在具备一维入渗规律的同时，具有独特的规律。　　6.降雨入渗时导致边坡变形的主要因素包括三个：收缩膜的产生、边坡固结和边坡沿基岩面的侧向滑动。边坡坡顶和坡中部的水平变形发展和竖直变形发展以特征时间点（湿润锋到达基岩面的时间）为界限都呈现出两阶段发展，变形量也是在湿润锋到达基岩面不久到达峰值。　　7.入渗和变形是相互影响。一方面，降雨过程中孔隙气压上升是湿润锋下移和固结变形导致的孔隙体积减小产生的。另一方面，边坡变形导致边坡的密度增加，密度改变对水土特征曲线有两方面的影响：密度增大土的渗透系数减小和土的进气值增大。　　对于降雨初期边坡的非饱和渗流过程，有利于对于边坡失稳的预测研究及提供在治理边坡时的新思路，总结入渗和变形的相互关系，可以考虑利用毛细阻碍作用和改良渗透系数等方法对入渗过程进行控制，通过减小有效入渗量的方式，减小降雨对边坡稳定性的影响。

目录

1 绪 论

1.1 研究背景及其意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 入渗过程的影响因素和水力特征的研究

1.2.2 非饱和土渗流分析理论

1.2.3 入渗过程的气阻效应

1.2.4 研究现状综述

1.3 研究内容

1.4 研究方法和技术路线

1.4.1 研究方法

1.4.2 技术路线

2 降雨入渗理论研究

2.1 非饱和土基本概念

2.1.1 非饱和土的特点

2.1.2 水土特征曲线

2.2 降雨入渗控制因素

2.2.1 常规因素

2.2.2 气阻因素

2.2.3 锐利峰假设

2.3 Mein-Larson模型及其拓展

2.3.1 Mein-Larson模型

2.3.2 考虑气阻效应的Mein-Larson模型

2.3.3 影响气阻的几何因素

2.4 考虑气阻的数值分析

2.5 本章小结

3 入渗模型试验设计

3.1 试验材料

3.2 模型实验装置

3.2.1 试验槽体

3.2.2 人工模拟降雨装置

3.2.3 监测仪器

3.2.4 数据采集测控系统

3.3 模型试验过程

3.3.1 一维入渗试验

3.3.2 边坡入渗实验

3.4 模型实验的变形监测及图像处理

3.4.1 模型实验的变形监测

3.4.2 图像处理方法

3.5 本章小结

4 一维土柱入渗分析

4.1 前言

4.2 入渗时间的解析解

4.3 模型试验

4.3.1 湿润锋发展规律

4.3.2 含水量变化规律

4.4 数值模拟

4.4.1 Air/W模块分析特点

4.4.2 建立土柱模型

4.4.3 数值模拟分析

4.5 本章小结

5 二维边坡入渗分析

5.1 前言

5.2 湿润锋发展

5.3 含水量与基质吸力

5.3.1 坡体含水量

5.3.2 基质吸力

5.3.3 含水量与基质吸力对比

5.4 孔隙压力

5.4.1 孔隙气压变化阶段

5.4.2 相对稳压阶段

5.4.3 孔隙水压上升阶段

5.4.4 孔隙水下降阶段

5.5 入渗解析解与试验结果对比

5.5.1 入渗时间对比

5.5.2 特征水头对比

5.6 本章小结

6 边坡变形与渗流的相互作用

6.1 前言

6.2 导致边坡变形因素分析

6.3 边坡变形分析

6.3.1 监测点和研究区的选取

6.3.2 坡顶变形

6.3.3 边坡中部变形

6.3.4 变形分析总结

6.4 边坡变形对于渗流过程的影响

6.4.1 边坡变形对气阻效应的影响

6.4.2 边坡变形对渗透系数的影响

6.5 气阻效应对边边坡稳定性的影响

6.5.1 边坡稳定性

6.5.2 边坡治理

6.6 本章小结

7 结论与展望

7.1 主要结论

7.1.1 降雨入渗理论

7.1.2 一维土柱入渗规律

7.1.3 二维边坡入渗规律

7.1.4 边坡变形

7.2 工作展望

7.2.1 模型实验方面

7.2.2 研究内容方面

参考文献

附录

A.学位论文数据集

B. 作者在攻读学位期间发表的论文目录

C. 作者在攻读学位期间参与的科研项目

D. 作者在攻读学位期间申请的专利

致谢

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