【摘 要】
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降雨入渗是边坡失稳破坏的常遇诱导因素,强降雨过程中,高边坡山体接受入渗补给,边坡体中地下水瞬态运动和水压分布将会严重恶化边坡的稳定状况。目前的边坡渗流及稳定性研究中一
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降雨入渗是边坡失稳破坏的常遇诱导因素,强降雨过程中,高边坡山体接受入渗补给,边坡体中地下水瞬态运动和水压分布将会严重恶化边坡的稳定状况。目前的边坡渗流及稳定性研究中一般只考虑非饱和带内水相的流动而忽视了气相的作用,实际上气相的存在对水相的运动会产生较大的影响。一方面,当空气不能自由排出时,以气泡的形式存在于水中,气体被压缩后压力增大,增加了水的流动阻力;另一方面,空气在水的驱动下,水气同时流动,由此产生了对水流的阻滞作用。为了克服上述只考虑单相渗流研究的不足,更为准确地模拟降雨条件下水相的入渗过程和评价边坡的稳定性,本文基于水气两相饱和-非饱和渗流理论,围绕上述问题开展了研究。
完成的主要工作如下:
(1)将石油工程中多相渗流的流动方程和运动方程引入岩土工程中,建立了水气两相渗流方程,并利用伽辽金(Galerkin)有限元法将其离散化,推导了相应的有限元计算格式。
(2)在岩土单相渗流理论基础上,引入水气两相渗流理论,编制了三维饱和—非饱和两相流有限元程序(TwoPhase)。水气两相渗流分析的有限元法在具体的程序实现上,存在一定的难度,主要体现在四个方程(包括两个连续性方程、饱和度约束方程、毛管压力方程)和四个未知数,需要联立进行方程组求解。本文从实现方法、数据存储格式、方程求解等方面开展了研究,较好地解决了这些问题。
(3)通过算例的验证与分析,比较了水-气两相渗流与单相渗流计算结果的差别及原因。结果表明,采用水气两相流模拟降雨入渗过程更符合实际,气相的动力粘滞系数和渗流速度对于水相的入渗过程有较明显的影响。
(4)运用所编制的三维饱和-非饱和两相流程序(TwoPhase)模拟了不同降雨条件下某一非饱和边坡渗流场的变化情况,在此基础上,分析了该边坡的稳定性及其应力场和位移场随降雨时间和降雨强度的变化关系。
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