文摘
土壤孔隙中的水和空气流对降雨入渗影响rainfall-induced滑坡的稳定性是一个重要的因素。本文的目的是调查的影响空气流动rainfall-induced滑坡的变形和稳定性基于耦合渗透和流体力学的模型。模型是由水和空气流动方程制定,机械平衡,孔隙度方程。介绍了降雨入渗通量边界,这是决定根据渗透能力和降雨强度的比较。数值模型和解决方案的方法是通过模拟Liakopoulos排水试验验证和降雨入渗实验令人满意的结果。)滑坡为例,水和空气流在降雨入渗对变形和稳定性研究及其影响。结果表明,孔隙的空气逐渐被困和压缩由于雨水的渗透。裹入气已经放缓影响降雨入渗和推出影响前面滑的身体,这是一个重要的驱动力的发展由于降雨入渗边坡变形和稳定性。
1。介绍
降雨是最重要的因素之一,引发滑坡灾害。根据以往的实验和数值研究1- - - - - -4),雨水渗透进土壤边坡可能增加地下水位和土壤重量和土壤力学性能恶化,导致边坡不稳定。然而,一些山体滑坡甚至都观察到的条件,只有一层薄薄的饱和层表面附近形成由于雨水渗透5]。变化的影响孔隙水和机械性能的退化是有限的。雨水渗透到毛孔在非饱和土被水和空气,空气的流动有重要影响的渗透水。随后的流体流动和土壤变形响应雨水渗透及其对边坡变形和稳定性的影响是复杂的过程,涉及耦合渗透和空气流和土壤变形复杂的初始和边界条件(6]。
降雨入渗是最重要的一个边界影响地下瞬态的水和空气流动。大部分的雨水渗透和径流模型集中在浅水流动边坡表面而忽略地下流体流动的影响(7- - - - - -9]。然而,仍然可以观察到很低的降雨径流强度(10]。降雨可能不渗透坡通过一些区域的表面。雨水的流动和渗透的再分配可能会改变水动力加载路径坡地和影响边坡变形和加速度的不稳定。
许多分析方法对非饱和土边坡降雨入渗考虑孔隙气压力等于零理查兹利用方程(11)模拟地下流体(12- - - - - -16]。这些模型忽略了耦合与气流在毛孔假定气流和水流相比更为自由。许多研究人员(17- - - - - -22)表明,气流在孔隙空间限制,并且可以影响雨水渗透和边坡稳定。一些结果表明,航空运输在土壤孔隙对雨水的运动有减速效果,也不利于边坡稳定(23]。近年来,数值模型耦合的水和空气气流的流动解决意义rainfall-induced山体滑坡已经获得了更多的声望。一些研究(24)视为一个耦合水气两相流模型结合极限平衡方法对边坡稳定性进行评估。其他的研究(25- - - - - -29日]应用耦合water-air-soil三相流动变形模型来模拟水和空气流对降雨和评估变形和稳定性演化考虑孔隙水压力和孔隙气的贡献。理论上,耦合方法产生的结果应该更现实。然而,评估如何减缓雨水渗透影响边坡稳定仍然悬而未决。
本文的目的是提高了解降雨渗透耦合的空气流的响应及其影响rainfall-induced滑坡的变形和稳定的发展。耦合渗透和空气流和土壤变形模型采用检查气流和降雨入渗的影响)滑坡的动态变形和稳定性。结果显示,裹入气由于降雨入渗边坡变形和稳定性的一个重要驱动力。
2。模型描述
2.1。控制方程
soil-water-air耦合系统的控制方程可分为四组:soil-water-air混合物的力学平衡方程(方程(1)),固相的质量守恒方程(方程(2)),水流方程(方程(3)),气流方程(方程(4))。 在哪里是总压力,水饱和,孔隙度,是身体力量,是内在的渗透性,重力加速度是矢量,是时候了。 , ,和是固体的密度、水和空气。和孔隙气压力和孔隙水,分别。和分别是水和空气的粘度。和分别是水和空气的相对渗透率。和分别是水和空气的来源。
2.2。本构关系
解决方案的耦合流动变形模型由方程(1)- (4)可以获得数值与相应的本构关系表中列出1。
2.3。安全系数
安全系数是一种广泛运用访问边坡稳定性指标。摘要主教采用积分法获得与给定滑动面安全系数。公式给出的比电阻部队沿滑动面滑动部队,写成 在哪里是凝聚力,是小说的角度,和剪切和滑动面法向应力,分别和和开始和结束点的滑动面,分别。
2.4。数值实现
2.4.1。降雨入渗边界
雨水径流计算基于假设地表径流等于降雨强度之间的差异和渗透能力在一个特定的时间和空间,屈服 在哪里是雨水径流速度,是降雨强度,是最大的流入(流出是负的)。在降雨入渗边界,渗透水流可以获得
最大的渗透速率从地下获得空气混合物的流速 ,作为
2.4.2。有限元法(FEM)配方
提高求解耦合方程的收敛性和稳定性的水和空气流动,空气混合物的流动方程是通过添加方程(3)和(4)和删除条目 。
含水饱和度和孔隙气压力设置为基本变量和方程的解决方案(3)和(4)所取代,方程(9)和(4)。解决两相流方程的迭代法是证明有良好的收敛性能和数值稳定性(33]。
Galerkin-type耦合流动变形方程的空间离散的有限元方法。流的离散形式、平衡和孔隙度方程可以表示为
系数矩阵的表达式C和K和向量f提出了在附录一个。
时间基于有限差分法进行离散化。在每个时间步,基本变量的变化被认为是线性的。 在哪里 , ,和 , 。衍生品的时间表达如下:
2.4.3。迭代过程在离散级别
displacement-saturation-pressure-porosity系统的迭代过程进行顺序耦合方案,算法所示1。选择这个顺序迭代的主要原因是弹性模量和渗透率的差异,这可能由几个数量级的范围内。迭代过程将继续,直到位移向量的值,孔隙气压力、含水饱和度和孔隙度变化在一个给定的时间步长。然后将更新变量作为输入数据在下一次的迭代步骤。
3所示。验证
3.1。Liakopoulos排水试验
数值模型是根据实验结果从Liakopoulos排水试验进行验证34在Del Monte沙子。测试采用的标准验证流动变形问题19,35,36]。测试可以简化为轴对称问题,如图1(一)。土壤与63年40列被离散成网格节点。获得的初始和边界条件和材料参数从胡锦涛et al。27]。初始时间步长是十年代,大小是根据计算的收敛自动更新。公差是指定为 , , ,和 。
(一)配置图
(b)水外流率
(c)水的压力
(d)垂直位移
模拟水外流率与实验数据相比,如图1 (b)。它可以观察到,渗透速率同意与实验结果。孔隙水压力监测的模拟和绘制在图1 (c)。图显示了孔隙水压力的计算数值模拟减少一点超过了10分钟,早期实验数据和预测实验结果有很好的一致性。120分钟的沉降变形如图1.58毫米1 (d),这与以前的研究结果一致(28]。良好的协议的可行性和适用性的数值模型模拟耦合流动变形行为。
3.2。实验室测试复制雨水渗透到土壤柱
实验室测试执行复制耦合引起的空气流动过程降雨渗透在本节(图2(一个))。实验结果被用来调查数值配方的性能。土柱高度是0.9米 在横截面,如图2 (b)。雨水渗透进入土壤列从顶部,径流收集和重量来计算水的渗透。6个压力传感器和四个土壤湿度传感器布局沿深度。底部的砾石被观察水的流出,和一个压力传感器用于监视出口压力。
(一)降雨渗透测试系统
(b)的布局
(c)有限元网格
(d)累积渗透
(e)水饱和度
雨水渗透进入土壤柱可以简化为平面问题,有限元网格如图2 (c)。40%的初始饱和度和孔隙度0.36之前测量测试。胎侧的密封水和空气流和固定正常位移为零。降雨入渗和大气压力被应用在顶部表面。底部的压力等于测量出口压力。土壤样品从三峡地区壤质砂土。模型参数可以通过实验校准测试土壤样本,给出 , ,和 。
图2 (d)显示了雨水渗透进入土壤列与时间。可以看出模拟累计入渗同意与实验结果,和渗透速率下降到一个低价值在最初的几分钟。图2 (e)情节的比较模拟含水饱和度与实验结果。良好的协议说明耦合模型可以描述地下流的整体行为在降雨入渗过程。饱和区形成顶部和底部缓慢移动不饱和区。降雨入渗过程大大推迟,因为侧和底部表面密封,防止空气和水流动。湿润锋到达的深度20厘米80 h后很长一段时间。雨水渗透展品“捕获”影响气流增加孔隙气压力。被困空气湿润锋的传播延迟。
4所示。案例研究
4.1。地质和工程背景
)滑坡位于右岸的三峡水库扎西的河流。它是距三峡大坝约43公里。图3显示的布局)压倒性的胜利。滑坡几乎是西方向。双方滑坡的沟壑,位于脚下的基石,前面是一个高崖深谷,扎西河。图4显示部分的地质构成一”。整体坡度角大约是27°。主要地层上侏罗纪Penglaizhen形成(J3p),运行几乎平行于表面的斜率。上层是第四纪沉积,由残积土平均约20米的深度。三个位移监测边坡表面的点被称为ZG332时,ZG331和ZG333分别。
4.2。计算模型
二维有限元网格用于1885年的滑坡是由元素和1804个节点。土壤的主要参数和基础表中列出2。土壤的凝聚力和摩擦角得到从实验室测试(图5)和安装的饱和度的函数,表示为
(一)凝聚力
(b)摩擦角
图6显示了数值模拟的边界条件。上和右边界受水库水和指定为狄利克雷边界 和 水位以下 在水位之上。监测降雨强度的降雨入渗是应用于上表面。底部边界被认为是刚性和密封水和空气流动。左和右边界是固定的正常位移为零。初始水饱和度的分布和孔隙气压力得到了通过模拟水和空气流在前两年边界从完全饱和。初始地应力是由应用重力加载和流体压力基于力学平衡的方法。
4.3。结果
4.3.1。雨水渗透
图7(一)说明了典型流矢量的空气混合物在2008年2月。边坡表面宏观上可以分为两个部分,流入区和背面流出区在前面,根据空气混合物的流动方向。图7 (b)显示变化的雨水流入和流出通量。随着上表面附近的含水饱和度增加,流入和流出通量减少。在雨季(2007年4月~ 7月,4月~ 2008年10月,和3月~ 2008年5月),减少速度变得慢得多,甚至轻微的增加。流入和流出通量取决于降雨强度和初始水分布在坡面附近。
(一)
(b)
4.3.2。水和空气流
图8之前和之后显示水饱和度资料和深度三个雨季。在流入孔V1区,一层薄薄的高饱和度发生由于雨水浸润和湿润锋延伸向下的动作,表明孔隙的空气逐渐被困和压缩,和逃避是有限的。大型低饱和区生成和维护在这样一个时间。湿润锋的移动更慢作为低饱和的区域变得越来越小,表明孔隙空气被困在湿润锋运动的减速效果。2008年4月后,高饱和区形成滑动面附近。在洞口V2流出区域空气混合物流动外,更深的水饱和度较大的位置。
(一)洞V1
(b)洞V2
图9比较了孔隙气压力演进洞在不同深度V1和V2。坡面附近的孔隙气压力约为零。压力随着深度增加而增加。在流入孔V1区,10米深处的孔隙气压力和增加22米在第一和第二个雨季,和孔隙气压力的峰值发生在大约40 d晚于雨季的结束。这表明孔隙气压力与降雨量的增加,湿润锋的动作非常缓慢和持续扩展即使在雨季的结束。土壤的空气孔在逃避困难的表面流入区。在流出孔V2区,孔隙气压力的值几乎是同步与降雨强度。几乎没有延迟效果观察。
(一)洞V1
(b)洞V2
4.3.3。变形和稳定性
图10显示地面位移的变化和比较在监测监控数据点ZG331 ZG332, ZG333。模拟结果与监测数据同意接受的差异。斜坡下面流出的裹入气边坡表面的中心,饱和度高的地方。裹入的空气直接推出影响边坡体的中心,最大位移的观测(ZG331),大约60毫米级的。)滑坡的变形的变化与降水变化密切相关,和加速度阶段的变形发生在2007年和2008年的雨季。滑动的一个重要原因可能是身体是饱和孔隙主要在第一个雨季,空气压缩和增加孔隙气压力小。
图11情节的发展安全系数和相应的降雨强度在三年内。可以看出安全系数上升初略雨季由于增加斜率体重由于雨水流入。连续降雨渗透到斜率,孔隙气压力增加在第一个雨季,在安全系数显著降低。孔隙气压力发生第二次增长,安全系数降低快结束后的一场大雨月第二个雨季。安全系数的变化是相对稳定的,和孔隙气压力礼物没有进一步增加第三个雨季。它说明了流动变形过程考虑孔隙气流持续更长的时间,和孔隙气压力的增加不利于rainfall-induced滑坡的稳定性。
5。讨论
5.1。水和空气流对降雨入渗的回应
降雨入渗过程中,边坡表面水和空气流入和流出的主要地区。根据空气混合物的流动方向,坡面可分为流入区位于上部的斜率和外流区位于下方。流入流出的过渡区移动不同降雨条件或不同的孔隙流体瞬态。水和空气的混合物浸润到斜坡流入区内,和水和空气的组件依赖于降雨强度和渗透能力。外流区、外流混合物的内容主要是由瞬态不饱和状态。只有水流在饱和外流区空气外流的主要成分混合物为不饱和的条件。少水气混合物的流入和流出速度是影响径流水压力在降雨入渗过程中,它可以用于确定是否降雨入渗产生径流。
边界条件影响降雨量的气流在毛孔和渗透。形成一层的高饱和区附近的边坡表面在雨水的渗透。孔隙的空气很难逃离边坡表面由于低的孔隙空气渗透系数高饱和区。孔隙的空气被压缩,裹入湿润区和延迟的进步湿润锋的运动,导致孔隙气压力的增加。孔隙的截留空气是路径依赖过程取决于边坡表面的空气密封的形成。的变化实时降雨条件和非饱和土的水力特性可以提供不同的水力路径斜率和产生多样性的雨水渗透和孔隙气压力的增加。
5.2。气流对边坡稳定性的影响
压缩空气孔迅速使孔隙水压力应用中间顶部和前坡通过增加孔隙气压力。孔隙气压力面前的斜率接近顶部的孔隙水压力减少压力损失,因为空气的粘度比水要少得多。增加的孔隙气压力提供和维护一个推出力在前面滑身体长期时间表,不利于边坡稳定的,如图12。虽然空气压力小只有数百帕斯卡,孔隙气压力直接推动的方向滑动体,孔隙气压力的累积力量是重要和不可忽视的行为大表面积有超过数万平方米。气流的加载效应依赖于孔隙的压缩空气,可能在一些浅层滑坡长期占主导地位的降雨。
边坡稳定的瞬态增加的降雨可能是由于体重略有增加的斜率和低孔隙气压力尚未上升。雨水渗透形成一个薄瞬态高饱和表面附近的斜率。饱和区域的斜率,雨水将形成静态孔隙水压力和作用于固体颗粒渗流体积力的形式框架。静态渗透力的影响在高饱和区边坡稳定性取决于孔隙水压力的大小,也就是一般的小环境。
孔隙水流动形成滑动面附近的高饱和区随着时间的积累,尤其是对沉积斜坡滑动床的渗透率远小于滑动的身体。土壤饱和度越高,越小矩阵吸入和剪切强度越低。滑动体的材料性能的退化可能导致边坡应力再分配和引发边坡变形和不稳定。降雨入渗可能通常作为广义加载和材料性能的退化因素边坡变形和稳定性。
这项研究提供了一个理解的宏观行为孔隙流体流动在降雨入渗和一个洞察气流影响边坡稳定的动态行为。应该注意的是,失败的降雨引起的边坡可能由于许多因素,如异质性和不确定性在土壤属性(37,38,表面侵蚀39,优先流(40,41]。进一步研究的建模和影响这些因素可以提高执行的理解rainfall-induced山体滑坡。
6。结论
摘要滑坡的变形和稳定性的进化为了应对降雨入渗研究使用数值模型的耦合渗透和流体力学的过程。结果表明,边坡表面宏观上可以分为流入区和背面流出区在前面根据空气混合物的流动方向。通过流入雨水浸润到宏观上斜坡区和毛孔内的压缩空气。然后孔隙气压力增加的湿润锋推进。裹入气降低渗透速率,并提供对滑动体推出力。中间,前面的滑动体的直接部分轴承的空气压力增加,和变形孔隙气压力的增加而增加。在降雨入渗的过程,安全系数迅速降低甚至雨季结束后,说明耦合水和空气流和土壤变形响应是一个非常缓慢的过程,可能会影响降雨入渗rainfall-induced滑坡的稳定演化的时间尺度。
附录
答:公式的系数矩阵和和向量
(1)总流体流动方程 (2)气流的方程 (3)的平衡方程 在哪里是几何矩阵。(4)孔隙度方程
数据可用性
使用的数据来支持本研究的结果包括在本文中。
的利益冲突
作者宣称没有利益冲突。
确认
这项工作是由中国国家自然科学基金(批准号51939004),中国国家重点研究和发展计划(批准号2017 yfc1501100),重点实验室开放基金的三峡库区地质灾害,教育部,中国三峡大学(批准号2020 kdz11),湖北省重点实验室开放基金的防灾减灾(中国三峡大学)(批准号2020 kjz05),和中国地质调查局项目(批准号0001212020 cc60002)。