边坡降雨入渗问题中两种边界条件的处理及应用
发布时间：2021-07-23 11:42
基于饱和-非饱和渗流的Richards方程,以COMSOL Multiphysics有限元数值计算软件为平台,针对边坡降雨入渗问题中的入渗边界条件和渗流（溢出）边界条件,以孔隙水压力为控制条件,推导了二者的控制方程,并以二维土柱模型及已有文献中的实例模型为基础,探讨了控制方程中边界耦合长度尺度L的取值,结果发现L为0.001 m时较为合理。建立简单二维边坡模型,应用上述边界条件的控制方程,分析了不同降雨强度（长而弱、短而强）下,边坡降雨的入渗及渗流规律。结果表明:4 mm/h的降雨强度下,实际入渗率始终等于降雨强度,表层土体的体积含水率从0.29增至0.35,降雨75 h时坡脚处发生表面渗流,降雨200 h时研究区域总入渗量为39.068 m3;40 mm/h的降雨强度下,实际入渗率首先等于降雨强度,然后逐渐减小,表层土体的体积含水率从0.29增至0.415（饱和）,降雨4h时坡脚处发生表面渗流,降雨20h时研究区域总入渗量为26.908m3,降雨量相同但其值远小于前者。该结论与已有研究的边坡降雨入渗规律相符,进一步证明了上述边界条件控制方程...
【文章来源】：岩土力学. 2020,41(12)北大核心EICSCD
【文章页数】：11 页
【部分图文】：
积水入渗示意图Fig.1Diagramofpondinginfiltration
?=1，式（24）转变为式（21），表示压力边界阶段的入渗边界。由该控制方程可知，只需用该方程表示入渗边界的流速，并指定降雨强度、饱和渗透系数、积水深度等相关参数，即可在有限元数值计算过程中根据表层土体的孔隙水压力的计算结果控制入渗边界条件的转换。为了探讨耦合长度尺度L的合理取值，本文以一个长、高均为1m的二维土柱模型为研究对象，对L由大到小取值，通过数值计算，分析实际入渗率与L的关系。模型上边界为降雨入渗边界，左右边界为无流动边界，下边界为透水层边界，如图3所示。非饱和水力参数采用VanGenuchen模型计算，初始条件用压力水头表示，土体选择砂土，相关参数如表1所示。表1计算相关水力参数Table1Relevanthydraulicparametersforcalculation饱和体积含水率s残余体积含水率r饱和渗透系数Ks/(m·s1)初始条件Hp/mVanGenuchen常数降雨强度R/(m·s1)nl0.40.041×1060.42.52.10.54Ks图3二维土柱模型Fig.3Two-dimensionalsoilcolumnmodel采用不同的L值进行有限元数值计算，为了体现入渗边界条件的转换，降雨强度设为饱和渗透系数的4倍，计算得到入渗边界的实际入渗率随时间的变化规律如图4所示。由于Richards方程具有很大的非线性，所以数值计算初始阶段，会有一定的拟合过程，这段时间的计算结果可以忽略。从图中可以看出，从t=10min开始，计算结果反映了实10505100.00.20.40.60.81.0p/Pa（平滑）
sKpLgnu（28）式中：为平滑函数。将表示为孔隙水压力p的函数，其方程如下：=00=10pp≥（29）为了防止数值的突变导致数值计算结果不收敛，也需将函数设置一部分平滑段，其函数图像如图7所示。为了探讨耦合长度尺度L的合理取值，本文采用Wise等[19]文章中的一个二维土柱模型，该模型长、高均为10m，左右边界水头均为10m，上下边界均为无流动边界，然后在0时刻，将右边界水头瞬间降至3m，如图8所示。对L由大到小取值，通过数值计算，分析地下水位线的变化与L的关系。非饱和水力参数采用VanGenuchen模型计算，初始条件通过稳态计算求得，相关计算参数与Wise等[19]相同，如表3所示。图7函数与p的关系Fig.7Relationshipbetweenthefunctionandp图8二维土柱模型Fig.8Two-dimensionalsoilcolumnmodel表3计算相关水力参数Table3Relevanthydraulicparametersforcalculation饱和体积含水率s残余体积含水率r饱和渗透系数Ks/(m·s1)VanGenuchen常数nl0.460.015.9×1052.02.80.5本文首先对该模型进行稳态计算，以求得最终达到稳态时的地下水位线的位置，分别采取不同的L值进行有限元数值计算，其结果如图9所示。从图中可以看出，当L取值量级大于103m时，其稳态地下水位线的位置偏高，当L取值等于103m时，稳态地下水位线的位置与Wise等[19]的计算结果相同，且当L的量级继续变小（L=104m）时，稳态地下水位线的位置不再发生改变。由此可知?
【参考文献】：
期刊论文
[1]考虑多参数空间变异性的降雨入渗边坡失稳机理及可靠度分析[J]. 蒋水华,刘贤,黄发明,黄劲松. 岩土工程学报. 2020(05)
[2]岩体孔隙-裂隙双渗流数值模拟研究[J]. 邵建立,周斐,薛彦超,杜后谦. 煤矿安全. 2019(09)
[3]考虑非饱和渗流过程的岩体变形规律分析[J]. 任青文,张林飞,沈雷,陶梅. 岩石力学与工程学报. 2018(S2)
[4]降雨诱发边坡破坏数值模拟两个关键问题的解决方法[J]. 汪华斌,李建梅,金怡轩,周博,周宇. 岩土力学. 2019(02)
[5]岩体离散裂隙网络的非饱和渗流数值分析[J]. 叶祖洋,姜清辉,刘艳章,程爱平,胡少华,孙辅庭. 岩土力学. 2017(11)
[6]基于FLAC3D平台的边坡非饱和降雨入渗分析[J]. 蒋中明,熊小虎,曾铃. 岩土力学. 2014(03)
[7]降雨入渗条件下边坡岩体饱和非饱和渗流计算[J]. 荣冠,张伟,周创兵. 岩土力学. 2005(10)
[8]饱和-非饱和非稳定渗流的数值模拟[J]. 张培文,刘德富,黄达海,宋玉普. 岩土力学. 2003(06)
[9]考虑降雨入渗影响的非饱和土边坡瞬态安全系数研究[J]. 李兆平,张弥. 土木工程学报. 2001(05)
[10]雨水入渗对非饱和土坡稳定性影响的参数研究[J]. 吴宏伟,陈守义,庞宇威. 岩土力学. 1999(01)
本文编号：3299227
【文章来源】：岩土力学. 2020,41(12)北大核心EICSCD
【文章页数】：11 页
【部分图文】：
积水入渗示意图Fig.1Diagramofpondinginfiltration
?=1，式（24）转变为式（21），表示压力边界阶段的入渗边界。由该控制方程可知，只需用该方程表示入渗边界的流速，并指定降雨强度、饱和渗透系数、积水深度等相关参数，即可在有限元数值计算过程中根据表层土体的孔隙水压力的计算结果控制入渗边界条件的转换。为了探讨耦合长度尺度L的合理取值，本文以一个长、高均为1m的二维土柱模型为研究对象，对L由大到小取值，通过数值计算，分析实际入渗率与L的关系。模型上边界为降雨入渗边界，左右边界为无流动边界，下边界为透水层边界，如图3所示。非饱和水力参数采用VanGenuchen模型计算，初始条件用压力水头表示，土体选择砂土，相关参数如表1所示。表1计算相关水力参数Table1Relevanthydraulicparametersforcalculation饱和体积含水率s残余体积含水率r饱和渗透系数Ks/(m·s1)初始条件Hp/mVanGenuchen常数降雨强度R/(m·s1)nl0.40.041×1060.42.52.10.54Ks图3二维土柱模型Fig.3Two-dimensionalsoilcolumnmodel采用不同的L值进行有限元数值计算，为了体现入渗边界条件的转换，降雨强度设为饱和渗透系数的4倍，计算得到入渗边界的实际入渗率随时间的变化规律如图4所示。由于Richards方程具有很大的非线性，所以数值计算初始阶段，会有一定的拟合过程，这段时间的计算结果可以忽略。从图中可以看出，从t=10min开始，计算结果反映了实10505100.00.20.40.60.81.0p/Pa（平滑）
sKpLgnu（28）式中：为平滑函数。将表示为孔隙水压力p的函数，其方程如下：=00=10pp≥（29）为了防止数值的突变导致数值计算结果不收敛，也需将函数设置一部分平滑段，其函数图像如图7所示。为了探讨耦合长度尺度L的合理取值，本文采用Wise等[19]文章中的一个二维土柱模型，该模型长、高均为10m，左右边界水头均为10m，上下边界均为无流动边界，然后在0时刻，将右边界水头瞬间降至3m，如图8所示。对L由大到小取值，通过数值计算，分析地下水位线的变化与L的关系。非饱和水力参数采用VanGenuchen模型计算，初始条件通过稳态计算求得，相关计算参数与Wise等[19]相同，如表3所示。图7函数与p的关系Fig.7Relationshipbetweenthefunctionandp图8二维土柱模型Fig.8Two-dimensionalsoilcolumnmodel表3计算相关水力参数Table3Relevanthydraulicparametersforcalculation饱和体积含水率s残余体积含水率r饱和渗透系数Ks/(m·s1)VanGenuchen常数nl0.460.015.9×1052.02.80.5本文首先对该模型进行稳态计算，以求得最终达到稳态时的地下水位线的位置，分别采取不同的L值进行有限元数值计算，其结果如图9所示。从图中可以看出，当L取值量级大于103m时，其稳态地下水位线的位置偏高，当L取值等于103m时，稳态地下水位线的位置与Wise等[19]的计算结果相同，且当L的量级继续变小（L=104m）时，稳态地下水位线的位置不再发生改变。由此可知?
【参考文献】：
期刊论文
[1]考虑多参数空间变异性的降雨入渗边坡失稳机理及可靠度分析[J]. 蒋水华,刘贤,黄发明,黄劲松. 岩土工程学报. 2020(05)
[2]岩体孔隙-裂隙双渗流数值模拟研究[J]. 邵建立,周斐,薛彦超,杜后谦. 煤矿安全. 2019(09)
[3]考虑非饱和渗流过程的岩体变形规律分析[J]. 任青文,张林飞,沈雷,陶梅. 岩石力学与工程学报. 2018(S2)
[4]降雨诱发边坡破坏数值模拟两个关键问题的解决方法[J]. 汪华斌,李建梅,金怡轩,周博,周宇. 岩土力学. 2019(02)
[5]岩体离散裂隙网络的非饱和渗流数值分析[J]. 叶祖洋,姜清辉,刘艳章,程爱平,胡少华,孙辅庭. 岩土力学. 2017(11)
[6]基于FLAC3D平台的边坡非饱和降雨入渗分析[J]. 蒋中明,熊小虎,曾铃. 岩土力学. 2014(03)
[7]降雨入渗条件下边坡岩体饱和非饱和渗流计算[J]. 荣冠,张伟,周创兵. 岩土力学. 2005(10)
[8]饱和-非饱和非稳定渗流的数值模拟[J]. 张培文,刘德富,黄达海,宋玉普. 岩土力学. 2003(06)
[9]考虑降雨入渗影响的非饱和土边坡瞬态安全系数研究[J]. 李兆平,张弥. 土木工程学报. 2001(05)
[10]雨水入渗对非饱和土坡稳定性影响的参数研究[J]. 吴宏伟,陈守义,庞宇威. 岩土力学. 1999(01)
本文编号：3299227
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