岩质边坡降水入渗过程的数值模拟

志存高远责任为先岩质边坡降雨入渗过程的数值模拟岩质边坡降雨入渗过程的数值模拟主讲人：谢建敏学号：K437志存高远责任为先岩质边坡降雨入渗过程的数值模拟目录1234引言模拟岩质边坡降雨入渗的数学模型岩质边坡降雨入渗的规律研究结论志存高远责任为先岩质边坡降雨入渗过程的数值模拟一、引言基于天然岩坡和铁路公路露天矿等开挖边坡的滑坡以及岩体中地下硐室的塌方多发生在雨季的事实，近些年，人们研究认为：降雨入渗会导致边坡非饱和区水压力的暂时升高产生暂态的附加水荷载(暂态水压力)；同时，在非饱和区中出现暂态饱和区。暂态饱和区与暂态水压力虽然是暂时的，但对边坡稳定而言却是至关重要的。因为，暂态附加水荷载远比稳态水荷载增量大，常成为边坡失稳的控制因素而且裂隙发育的岩质边坡的渗流场受降雨影响往往比土坡更敏感。志存高远责任为先岩质边坡降雨入渗过程的数值模拟一、引言然而，目前对这种暂态水压力的升高尚无可应用的定量评价成果，仅是定性地认为它主要取决于裂隙网络的几何特征、裂隙的产状、风化程度和降雨强度。故已有的工程设计对这种暂态饱和区及暂态水压力均采用假定值。故对于高边坡工程，采用这一水压力分布使加固设计过于保守。例如五强溪水电站则采用类似Hoek建议图形但取值较小。三峡工程采用折减系数为0.3。志存高远责任为先岩质边坡降雨入渗过程的数值模拟一、引言不同方法采用的边坡暂态水压力分布彼此差别极大，且这些方法均缺少理论分析及实测数据。由此可见，如何恰当估计降雨在边坡体内的入渗及其所产生的影响，是边坡稳定性评价和加固治理的关键问题。事实上，降雨入渗首先使得边坡非饱和区的含水量增高、基质吸力降低，然后形成暂态饱和区，在暂态饱和区中出现暂态水压力。降雨入渗所产生的结果对边坡稳定性影响最大的应是非饱和区基质吸力的降低，其次是暂态水压力的升高。这里主要介绍研究岩质边坡降雨入渗的分析、模拟方法，并对岩质边坡在降雨入渗情况下非饱和区基质吸力的变化、暂态饱和区的形成、发展以及暂态水压力分布、变化情况进行分析、模拟。志存高远责任为先岩质边坡降雨入渗过程的数值模拟二、模拟岩质边坡降雨入渗的数学模型等效连续介质模型1离散裂隙网络模型2双重介质模型3离散介质-连续介质耦合模型4降雨渗入边坡岩体到达潜水面经历了一个非饱和-饱和渗流过程。目前已有求解裂隙岩体非饱和渗流场的数学模型归纳起来可划分为以下4种：志存高远责任为先岩质边坡降雨入渗过程的数值模拟二、模拟岩质边坡降雨入渗的数学模型模型1适用于裂隙发育的大区域准恒定流问题的数值模拟，模型2较适合于求解岩块致密裂隙稀疏的小区域的非饱和渗流问题，模型3具有较好的拟真性(相对于等效连续介质模型)和较好的可操作性(相对于离散裂隙网络模型)，模型4用离散裂隙网络模型描述主干裂隙中的水运动，用等效连续介质模型描述次要裂隙和孔隙中的水运动，但数学处理比较困难水交换量难以准确确定。故而，迄今为止，使用最广泛的是模型1，等效连续介质模型。志存高远责任为先岩质边坡降雨入渗过程的数值模拟二、模拟岩质边坡降雨入渗的数学模型2.1控制方程及其代数方程组裂隙发育的岩质边坡的降雨入渗问题可采用等效连续介质模型进行分析，其控制方程方程为：31313])([)]()([ijiijithShCRxhxhKxh采用有限单元法对降雨入渗过程进行数值模拟，首先采用Galerkin有限单元法将控制方程式离散为代数方程组志存高远责任为先岩质边坡降雨入渗过程的数值模拟二、模拟岩质边坡降雨入渗的数学模型2.1控制方程及其代数方程组kmNPmnmnmnnnkmNPmnmnmhFtADBQhFtA111]121[]121[h其中：NPmnmnmFtA1]121[表示系数矩阵；eiiGjemienijkenmedGxNxNhKA])([3131志存高远责任为先岩质边坡降雨入渗过程的数值模拟二、模拟岩质边坡降雨入渗的数学模型2.1控制方程及其代数方程组0])([eemenGekenmdGNNShCFehdsnhKhNxhKNQieijikekmemiijkeenn231313])(()([eiGienikenedGxNhKB])([313mnmneGennedGRND志存高远责任为先岩质边坡降雨入渗过程的数值模拟二、模拟岩质边坡降雨入渗的数学模型2.1非线性方程组求解方法讨论由于非饱和-饱和渗流有限元计算格式中的系数矩阵依赖于未知量（）而变化，即在非饱和区介质的渗透系数和容水度为介质的基质势的函数。考虑到原方程为一非线性方程，采用迭代法进行求解。在进行求解过程中，为减少求解工作量，可采用Picard迭代法进行求解。kmkmhh,1ijhK)()(hCh志存高远责任为先岩质边坡降雨入渗过程的数值模拟三、岩质边坡降雨入渗的规律研究3.1某露天矿岩质边坡降雨入渗的数值模拟某露天采矿边坡由花岗岩、变质岩和铁矿层组成。地下水埋深为60m左右，非饱和带位于强风化岩体内。)/(||1094.3047.12dmhK672.0||119.0)(hhC非饱和带渗透系数：饱和渗透系数)/(1094.32dmK容水度在饱和带中，花岗岩)/(1059.52dmK变质岩渗漏系数为渗漏系数为)/(1021.82dmK铁矿层渗漏系数为)/(1006.42dmK志存高远责任为先岩质边坡降雨入渗过程的数值模拟三、岩质边坡降雨入渗的规律研究3.1某露天矿岩质边坡降雨入渗的数值模拟依据所选参数及初始条件、边界条件，模拟某矿边坡在7d最大降雨为676.1mm的情况下，非饱和渗流场的变化情况。志存高远责任为先岩质边坡降雨入渗过程的数值模拟三、岩质边坡降雨入渗的规律研究3.2岩质边坡降雨入渗规律的研究模拟结果反映了边坡降雨入渗状态下非饱和-饱和渗流场的变化规律：（1）边坡非饱和区降雨历时1d以后，首先在饱和区逸出点以上附近出现暂态饱和区随降雨历时的增加，暂态饱和区范围沿坡面线附近区域不断扩展、延伸。至降雨历时4d后在整个坡面线附近区域形成了一个由暂态饱和区构成的“饱和壳”，并随着降雨过程的延续向边坡内部扩展影响范围逐渐扩大。（2）随着降雨不断入渗，暂态饱和区内出现正的水压力此即为通常所说的暂态水压力。暂态水压力在坡面线附近数值较小，在暂态饱和区下缘与非饱和区接触的地带为零。志存高远责任为先岩质边坡降雨入渗过程的数值模拟三、岩质边坡降雨入渗的规律研究3.2岩质边坡降雨入渗规律的研究（3）随着降雨入渗边坡，非饱和区上部的含水量逐渐增大，基质吸力逐渐降低。（4）在7d连续降雨过程中，暂态饱和区未延伸到潜水面，因而饱和区渗流场的变化不大，潜水面升高很小。志存高远责任为先岩质边坡降雨入渗过程的数值模拟三、岩质边坡降雨入渗的规律研究3.2岩质边坡降雨入渗规律的研究志存高远责任为先岩质边坡降雨入渗过程的数值模拟四、结论通过分析发现边坡降雨入渗过程的规律为：非饱和带基质吸力不断降低；暂态饱和区首先从饱和区逸出点以上附近及坡顶开始形成，再向边坡内部扩展影响范围逐渐扩大；在暂态饱和区中出现暂态水压力，其最大值出现在非饱和区中部偏上部分随降雨历时的增加而逐渐增大；而潜水面的升高幅度不大。志存高远责任为先岩质边坡降雨入渗过程的数值模拟敬请老师和同学批评指正！