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本文主要对鄂西恩施地区典型降水条件下的非饱和土坡入渗规律进行研究,在总结渗流理论、分析鄂西恩施地区滑坡工程地质条件和降雨特征的基础上,通过自行设计的室内人工降雨土坡非饱和入渗试验和数值模拟试验两种手段,研究不同降雨条件、边坡初始渗流场分布、边坡坡度等因素对降雨入渗速度、入渗深度和入渗量的影响,为研究降雨条件下边坡的稳定性和滑坡治理提供依据,本文的主要研究内容和成果包括:
1、总结了降雨和非饱和渗流相关基本理论,阐述Darcy定律以及区分饱和土水势和非饱和土水势的不同。对比前人总结的各种土-水特征曲线的特点,并对渗透性函数的形式进行概括总结。推导了非饱和渗流连续性方程、饱和-非饱和渗流基本微分方程极其定解条件。
2、收集恩施地区滑坡地质灾害资料和降雨资料,在详细分析恩施地区滑坡工程地质特征和降雨特征基础上,选取典型条件,设计了室内人工降雨土柱非饱和入渗试验,通过分析测试数据,揭示降雨入渗的变化过程及相关规律,分析了主要因子对入渗量的影响。试验结果表明:①暴雨情况下,降雨强度对入渗影响区的体积含水率影响较大,而降雨持时主要影响暴雨后雨水的入渗深度。对于暴雨后边坡内渗流场的整体变化而言,降雨持时对入渗的影响要明显大于降雨强度的影响。②降雨入渗对完整土体内非饱和渗流场的主要影响区域一般在2米深度范围内。③暴雨过后十柱内降雨入渗影响区的体积含水率变化过程大致可以分为地表暂态饱和区进气快速失水阶段、地表入渗影响区进一步失水阶段、地表入渗影响区缓慢失水阶段和土体渗流平衡阶段4个阶段,四个阶段的界限分别是进气值、雨后特征含水率和残余含水率。
3、通过对前述试验建立数值模型进行计算模拟,以实测结果作为判断数值模拟试验成果合理性的依据,调试数值模拟相关参数和软件设置,建立两种试验方法之间的联系,为通过数值模拟方法研究其它条件对降雨入渗影响的规律奠定基础。同时模拟结果表明:数值模拟的入渗过程与实测数据基本吻合,主要差异在于数值模拟的入渗过程土柱内孔隙水消散过程较实测值快,其原因在于土体在吸湿与脱湿两个过程中遵循不同的土-水特征曲线,而数值模拟计算过程没有区分吸湿与脱湿两个过程土-水特征曲线的差异。
4、在对室内人工降雨土柱非饱和入渗试验过程进行数值模拟积累的经验的基础上,通过建立不同降雨条件、初始渗流场条件和边坡坡度的计算模型进行数值模拟,对比相应条件下的渗流场变化过程,分析相关条件对降雨入渗的影响的规律。数值模拟试验结果表明:①一般而言,雨后边坡内部坡脚处体积含水率最大,雨水入渗影响深度最深。在暴雨前期有长时间的小雨量降雨的雨况条件,对边坡内渗流场的影响要大丁暴雨后再降小雨的降水过程。②土体初始含水率高有利于雨水入渗,干燥土体中暴雨后容易形成明显的“悬挂饱和区”现象,干燥土体内降雨渗入孔隙水消散最缓慢。③由于坡面的“雨强分散”现象,暴雨情况下的坡面入渗受到降雨强度、坡面角度和土体入渗能力的综合影响,在边坡坡长一定,坡角在0°~70°变化范围内变化的情况下,雨水的入渗率随着坡角的增大而增加,且大于一定角度后增幅十分明显。