（地质工程专业论文）有地表入渗的土坡饱和—非饱和渗流及稳定性分析.pdf

河海大学硕士学位论文 摘要 摘要 非饱和土的研究将是二十一世纪岩土界研究的重点之一。本文在酊人理论研究的基础 上，利用地下水饱和一非饱和二维模拟软件，模拟计算有地表入渗条件下西南某水电站下游 岸坡渗流场；建立在渗流计算的基础上，编制了渗流计算结果到土坡非饱和稳定分析的数据 接口以及土坡非饱和稳定分析程序；将土坡的饱和非饱和渗流和土坡非饱和稳定分析进行整 合，编制了“有地表入渗的土坡饱和一非饱和渗流及稳定性分析的实时监控系统”。三个方 面的工作及主要及成果具体如下： 1 ) 饱和一非饱和渗流计算。详细分析了泄洪雾化、降雨入渗条件下岸坡非饱和区以及 垂向、法向和径向剖面的基质吸力变化情况，其中对泄洪雾化的范围根据已有资料作统计分 析，并对雾化入渗时饱和( 暂态饱和区) 范围进行分析，相对隔水层对渗流场影响作了详细 的说明。对不同入渗类型作了对比分析，表明降雨入渗和泄洪雾化入渗在入渗强度和坡面入 渗形式上有所不同。 2 ) 土坡非饱和稳定性分析。根据不同时刻点网格节点上的含水量和孔隙水压力值，计 算不同时刻点土坡的稳定系数。对最危险滑动面随时问的变化进行研究，回归暴雨期间边坡 稳定性系数一入渗时间方程式。将降雨强度和持雨时i 司对边坡稳定性的组合影响用降雨容量 的概念表述，定义稳定性降雨容量系数的概念。对典型计算滑动面计算不同降雨强度和持雨 时间组合下的稳定性，对其组合作二元线性回归分析得出稳定系数与降雨量、持雨时间的关 系式，计算得到稳定性降雨容量系数。提出土条自重的土水分离算法并加以分析，对空隙水 压力系数也进行了探讨并将其延伸到非饱和区。 3 ) 渗流及稳定分析的实时监控系统。在有地表入渗的饱和一非饱和渗流以及边坡非饱 和实时稳定性计算的基础上，编制“有地表入渗的土坡饱和一非饱和渗流及稳定性分析的实 时监控系统”程序。系统通过地下水模拟系统进行饱和一非饱和渗流模拟计算，通过自编的 程序完成边坡的实时稳定性计算，由计算统计的回归方程根据气象预报对地表入渗条件下土 坡的稳定性进行预测，反过来也可以对危险气象条件进行预报。 关键词：饱和一非饱和渗流；雾化；空隙水压力；稳定性；土水分离；降雨容量 河海大学硕士学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t t h er e s e a r c ho fu n s a t u r a t e ds o i lw i l lb eo n eo ft h ek e y s t o n e si ng e o t e c h n i c a le n g i n e e r i n g r a n g ei nt w e n t y 一矗r s tc e n t u r yo nt l l eb a s eo ft h ee x i s t e n tt h e o r i e s ，i nt h i sp a p e r ，m a k eu s eo ft h e p l a n a rs a t u r a t e d u n s a t u r a t e df l o wo fg r o u n d w a t e rs i m u l a t i o ns o f t w a r et os i m u l a t es e e p a g e0 ft h e w a t e re l e c t r i c i t ys t a t i o n sd o w n r i v e rs l o p ei ns o u t h w e s ti nc h i n au n d e rt l l ec o n d i t i o no fs u r f a c e i n 6 l t r a t i o n ；d e p e n d i n go ns e e p a g ec a l c u l a t i n g ，c o m p i l e dt h ep r o g r a mf i o mt h ed a t ao ff l o w i n g c a l c u l a t i o nt os t a b l ea n a l y 七i c a la 1 1 dt h ep r o g r a mo fu n s a t u r a t e ds t a b l ea n a l y z et os o i ls l o p e ；i nt h e a s s e m b l e do fs a t u r a t e d - u n s a t u r a t e ds e e p a g ea n du n s a t u r a t e ds t a b i l i t y a n a l y s i s t o c a r r y o n i n t e g r a t i o nw i t h ，d r e wu pt h ep r o g r a mo ft h ej n s t a n t a n e o u ss y s t e mf o rs o i ls l o p es a t u r a t e d u n s a t u r a t e ds e e p a g ea n dt h es t a b i l i t ya n a l y s i su n d e rs u r f a c ei n n l t r a t i o n t h r e er e s e a r c h e sa n dt h em a i nr e s u l t sa sf b l l o w s ： 1 ) s i m u l a t i n gf o rs a t u r a t e d u n s a t u r a t e ds e e p a g e t h ec h a n g eo f m a t r i cs u c t i o na r ea n a l y z e di n d e t a i l i nt t l eu n s a t u r a t e da r e aa n do nt h es e c t i o no fm e i rv e c a l ，t h e i rn o m a l ，t h e i rr a d i a lo n d o w n s t r e 锄s l o p eu n d e r | 1 0 0 dd i s c h a 唱eo rr a i n f a l li n f n t r a t i o n ，m a k i n gs t a t i s t i c sa n a l y s i st o w a r d s n o o dd i s c h a 唱es c o p ea c c o r d i n gt ot h ee x i s t e n td a t aa n ds t u d y i n gt h es c o p eo fs a t u r a t e d ( t r a n s i e n t s a t u r a t e d ) a r e a ；t h ei n n u e n c eo ns e e p a g ef i e l db yt h er e l a t i v e l yi m p e r v i o u sl a y e r si ss t u d i e da l s o m a k i n gc o n t r a s ta n a l y s i sa m o n gt h ed i f r e r e n ti n f i l t r a t i o nt y p e s ，n o o dd i s c h a r g ea j l d r a i n f a l l i n f i l t r a t i o na r ed i 行e r e n to ni n f i l t r a t i o ni n t e n s i t ya n di n f i l t r a t j o nt y p e 2 ) s t a m l i t ya 1 1 a l y s i sf o ru n s a t u r a t e ds o i ls l o p e t h es t a b i l i t yf a c t o r sa r ea c c o u n t e da td i f f 色r e n t m o m e n tb yt h em o i s t u r ec o n t e n ta n dm a t r i cs u c t i o no ng r i dp o i n t s s t u d i e do nt h ec h a n g eo f s t a b i l i t yf k t o r sw “h t i m ea n dt h ee q u a t i o nb e t w e e ns t a m l i t ya n dt i m ei sl i n e a rr e g r e s s i o nf o r r a i n s t o r m t h ec o n c 印t i o no fr a i n 蹦lc 印a c i t ya 1 1 ds t a b i l i t yf a c t o r _ r a i n f a l lc 印a c i t ya r ed e f i n e d ， r a i n f a l lc a p a c i t ym e a i l st o g e t h e re 彘c tb yr a i ni n t e n s i t ya 1 1 dr a i nt i m e t 0t h et y p i c a lc r i t i c a ls l n g s u r f a c e ，t h es t a b i l i t yf k t o r sa r ec a l c u l a t e df o rd i f 诧r e n tr a i ni n t e n s i t ya n dr a i nt i m e ，m a k i n gb i n a r y l i n e a rr e g r e s s i o na i l dg e t t i n ge q u a t i o nb e t w e e ns t a b i l i t yf a c t o ra n dr a i ni n t e n s i t ya n dr a i nt i m e ，t h e n a c c o u n t i n gm ec o e 箭c i e n to fr a i n f a l lc a p a c i t y t h em e t h o do fd i v i d e dw a t e rf r o ms o i l f o r a c c o u n t i n gs o i ls t r i p sg r a v i t yi sp u tf o r w a r da j l ds t u d i e d ，p o r ep r e s s u r ec o e m c i e n t i sd i s c u s s e da l s o a 1 1 df l l i sd e f i n i t i o ni se x t e n d e du n s a t u m t e dr e g i o n 3 ) i n s t a n t a i l e o u ss y s t e mf o rs o i is l o p es a t u r a t e d u n s a t u r a t e ds e e p a g ea n d t h es t a b i l i t ya n a l y s i s o nt h eb a s eo fs a t u r a t e d u n s a t u r a t e ds e e p a g eu n d e rs u r 髓c ej n f i l t r a t i o na n ds t a b i l i t ya n a l y s i sf o r u n s a t u r a t e ds o i l s l o p e ，d r e wu p t h ep r o g m mo ft h e i n s t a n t a n e o u s s y s t c m f o rs o i l s l o p e s a t u r a t e d u n s a t u r a t e ds e e p a g ea n dt h es t a b i l i t ya n a l y s i su n d e rs u r f a c ei n f i l t r a t i o n t h i ss y s t e mc a n s i m u l a t es a t u r a t e d - u n s a t u r a t e ds e e p a g e ，g e ts t a b i l j t yf a c t o r so fs o i ls l o p eb yo w np r o g r a m ，p r e d i c t s l o p es t a b i l i t yb yr e g r e s s i o ne q u a t i o na n dw e a t h e rf o r e c a s t ，p r e d i c th a z a r dw e a t h e r i nr e v e r s e k e y w o r d ：s a t u r a t e d u n s 乱u r a t e ds e e p a g e ； i n n l t r a t i o n ； p o r ep r e s s u r e ； s t a b i l i t y ；d i v i d e dw a t e rf r o ms o i l ：r a i n f a uc a p a c i t y ； 学位论文独创性声明： 本人所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同事对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。如不实，本人负全部责任。 论文作者( 签名) ： 学位论文使用授权说明 _ j 扯一 2 0 0 6 年6 月3 日 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期刊( 光盘 版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或电子文档，可以采用 影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容 相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅。论文全部或部 分内容的公布( 包括刊登) 授权河海大学研究生院办理。 论文作者( 签名) ： ! 虱宝 2 0 0 6 年6 月3 日 河海大学硕士学位论文第一章绪论 1 1 问题的提出与意义 第一章绪论 随着经济的发展，人们开发水利能源的需要以及进行基础建设必将对天然条件下稳定的 土坡造成破坏，大型规模的土坝、尾矿坝以及深基坑开挖也形成新的土质坡、墙”。对于 土体渗流和土坡的稳定性分析，经典的土体渗流和稳定性分析都是建立在饱和土体基础之上 的【4 j 。天然的土体可以是饱和的，也可以是含有空气的非饱和土。然而，随着研究的不断深 入，人们愈加认识到必须将注意力转移到非饱和土体的研究中。饱和土和非饱和土在性质和 工程性状上存在着根本差异，非饱和土具有多于两种的介质组成，其孔隙水压力相对于孔隙 气压力是负值。人工土坡、土坝和基坑开挖中经常遇到非饱和土体渗流问题和稳定性问题， 特别是在有地表入渗的情况下研究非饱和土体对边坡、大坝和基坑的稳定性极为重要。 天然土坡在环境改变后稳定性将发生变化。工程师需要确定目前土坡的稳定性，全部或 部分潜在滑动面出现在具有负的孔隙水压力的非饱和区。对此提出以下需要解决的问题 【5 】【1 3 】： 几何尺寸改变对孔隙水压力的影响? 长时间的地表入渗会产生怎样的孔隙水压力变化以及如何模拟孔隙水压力值? 潜在滑动面是否会因为降雨而发生变化? 长时间降雨是否会引起地面塌陷或土坡的缓慢蠕动? 修建地基基础或铺设管道时需要竖直或接近垂直开挖，特别是城市建筑，天然土坡出现 临空面，其内部孔隙压力发生变化，无降雨条件下土体抗剪强度增加，随时间的增加，孔隙 压力又逐渐增加，强度减小，特别是在降雨条件下。对此提出以下问题： 开挖边坡保持自稳的时间? 如何对开挖边坡进行稳定性分析? 土坝在建设过程中孔隙水压力随每次填土发生变化，大坝在蓄水过程中，孔隙水压力发 生变化同时形成瞬态流；运营期间，孔隙水压力趋向稳定。对大坝就非饱和的性状提出以下 问题： 建设中孔隙水压力的变化及其重要意义? 孔隙压力发生变化产生的变形? 蓄水过程中孔隙水、气压力如何随时间变化，达到稳定状态的总变形? 运营中土坝的稳定安全系数是多少? 库水位变化时土坝的渗流场影响? 另外在降雨条件下大坝类似于土坡，该如何处理? 非饱和渗流问题还涉及到农业领域，主要发生在非饱和区的改良盐碱土壤而淋洗盐碱而 河海大学硕士学位论文 第一章绪论 引起地下水位上升1 6 】：蒸发与入渗条件下农田灌溉和排水问题只有充分考虑到非饱和区域的 水分运动才能得到正确解【7 j 。 在环境保护方面，化肥、农药、重金属等污染物将随雨水一起运动，经非饱和带进入地 下水 8 1 【9 l 【1 0 1 。 另外在地下水资源评价中，研究大气、地下水和地表水之间的相互转化时，非饱和带的 地下水运动也十分重要”。 非饱和渗流是非常复杂的问题，从物理角度上考虑是多因素耦合的结果【l “。对于非饱和 土坡的稳定性研究的重点是非饱和土体的抗剪强度的研究。水对土坡的影响很大，以前国内 的研究大多停留在水产生的饱和区的影响，在降雨入渗的处理中，用调整孔隙水压力系数或 对土体的抗剪强度进行折减的方法，可以看出这完全是基于饱和土的研究。随着研究的不断 深入，采用了非饱和土体的抗剪强度理论来解决非饱和土坡的稳定性问题，实践证明这与实 际比较接近。同时还要注意到，非饱和土的研究还停留在经验阶段，理论成果还比较少，大 多采用经验公式的方式给出。进行非饱和渗流数值模拟计算不仅需要坚实的理论基础，还需 要准确确定的多孔介质的水文地质参数，只有两者同时发展才能真正掌握非饱和渗流的客观 规律。 土坡和基坑在降雨、土坝在水位反复变化的条件下将改变渗流场，非饱和区范围和孔隙 水压力随之改变，都会影响到其稳定性。而且在此期间土坡的稳定性以及潜在滑动面是变化 的。目前不少国内外专家学者对八渗条件下引起土坡稳定性的变化作了较为深入的研究 【1 5 l 【6 1 。就土质边坡而言，如何把从降雨入渗引起边坡土体的含水量发生变化，以致孔隙 水压力、土体抗剪强度等发生变化，导致土质边坡的潜在滑动面以及稳定性发生变化。将这 个过程以图形和数据的形式输出，对于工程施工及运营过程中起到重要的指导作用。这么一 个实时监控系统以及降雨入渗条件稳定性、危险气象条件的预测预报显得意义重大。 1 2 研究现状 1 2 1 饱和一非饱和渗流的研究历史及成果 常规的地下水渗流分析，主要考虑饱和区内水的流动。1 9 3 7 年c a s a g r a n d e 发表题为“通 过坝体的渗流”论文，之后一些岩土中的渗流问题可以通过绘制流网进行求解，但该方法只 能求解边界条件、土体状况简单的饱和稳定渗流【1 7 】。随着计算机技术的不断发展，地下水渗 流问题开始使用数值模拟的方法，一开始考虑的仍然只是饱和区内的渗流。所考虑的问题也 比较简单，在求解有自由面的饱和渗流的问题中，作为渗流域边界的自由面位置是待定的， 在计算每个时段都要求解自由水面边界，过程比较繁琐，而且没有考虑非饱和区域的孔隙水 压力状况，因而不能全面真实地反映地下水渗流动态。为此，国外从7 0 年代开始考虑非饱 和区域的流动，即把饱和区和非饱和区耦合在一起进行整体分析l l 。压力水头在饱和区为正， 在非饱和区为负，零压力面就是自由水面，即饱和区与非饱和区的分界面。由于计算区域内 河海大学硕士学位论文 第一章绪论 不在有自由水面边界，使得计算简化。 1 9 6 2 年，m i l i e r 提出非饱和介质的渗透系数是含水量或压力水头的函数l j 卅，这就为达西 定律应用于非饱和区提供了理论基础。此后，国内外的学者致力于综合考虑饱和一非饱和渗 流的有限元方法。多孔介质中以自由面为分界的饱和一非饱和渗流整体计算是一个较难计算 的问题，主要难点在于控制方程本身的非线性以及非饱和渗流系数的高阶非线性。1 9 7 3 年， n e u m a n 首先提出了用有限元求解土坝饱和一非饱和渗流的数值方法口。赤井浩一采用了 n e u m a l l 的数值模型和有限元法进行了试验与数值分析计算【z l j 。a k a i 于1 9 7 9 年提出了三维 饱和一非饱和渗流的有限元方法 2 2 】。l a m 和f r e d l i l l l d 对饱和非饱和土渗流问题作了较完整 的论述，认为土体中水的流动是受压力水头梯度总和控制，并将非饱和土壤水运动理论与非 饱和土固结理论相结合，得到了符合岩土工程师使用习惯的饱和一非饱和渗流控制方程1 2 3 。， 并运用二维有限元法对复杂地下水流动系统的几个暂态渗流实例问题进行了数值模拟【2 。 w 锄g 和n a r a s i m h 肌 2 5 】对裂缝性多孔介质非饱和渗流进行了研究。d o u g h t y 【2 6 】，e v a l l s 和 n i c h o l s o n 【2 ”，h e n r yda 1 1 2 引， p r u e s se ta 1 【2 9 1 等对多种背景下的岩土或土体中的饱和一非饱 和渗流进行了研究或总结。w s c h u b e r t 和s s e m p r i c h 通过室内试验研究了降雨入渗下的饱和 一非饱和水气两相流运动【j u j 。 相对于国外，国内这方面的研究较晚，也开展了大量的研究工作。主要集中在数值计算 方法和相应的计算新技术上，取得较大的成果。 在饱和一非饱和渗流的数值模拟计算方法方面，周庆科、金峰等基于时步显式迭代的方 法，提出了离散单元法的饱和一非饱和渗流模型，使裂隙岩体中的渗透效应直接参与离散单 元法的显式平衡迭代，而无需求解大规模的渗透方程组1 3 “。 郭仁东、吴吴等在对理查兹( a l r i c h a r d s ) 渗透方程提出的近似精确解基础上，研究 了菲利普( j r p h i l i p ) 以粘土为例的渗透速度计算公式，并对非饱和土壤中长时间渗透时出 现的误差及原解的缺陷加以修正，提出了更简捷合理的无时间差分变量计算模型。与常用的 时间差分方法比较，该法得出的土壤渗透湿度深度曲线是正确的，且计算时间显著减少，消 除了时间迭代误差【3 2 】。吴良骥等提出了饱和一非饱和区中渗流问题的有限差分积分法的数值 模型，利用辛普生数值积分提高了质量平衡精度1 3 ”。 李信等应用伽辽金有限元法对三维饱和一非饱和土渗流问题进行计算研究，介绍了数值 方法和主要计算公式，给出了典型算例的计算结果，并用前人的试验资料进行对比口。该研 究成果表明，在进行渗流分析时，该方法只是在饱和区内进行饱和渗流分析更接近实际。另 外，将饱和区与非饱和区耦合在一起分析可以避开难以处理的自由水面边界问题，因而使水 位升降、降雨和蒸发等引起的饱和一非饱和渗流问题得到较好的解决。任理将j r c h e n 等提 出的有限解析法推广到非饱和土壤水分运动，具有较高的精度1 3 ”。刘洁等在堤坝的饱和一非 饱和的有限元计算分析中引入了p i c a r d 迭代法，并比较了饱和、非饱和渗流计算的异同p ”。 吴梦喜、高莲士对饱和一非饱和土体非稳定渗流作了分析，对一般的非饱和渗流有限元计算 方法加以改进，以消除非饱和渗流计算存在的数值弥散现象【”】。同时还提出了一种简便有效 河海大学硕士学位论文第一章绪论 的溢出面处理新方法，并给出了非饱和稳定渗流的计算实例。彭华等对饱和非饱和渗流有限 元分析方法加以改进，提出了加速迭代收敛技术的新方法，提高了迭代收敛速度【3 。 在解决饱和一非饱和渗流问题新技术方面，邵龙潭、王助贫等采用孔隙介质力学分析方 法，把骨架、孔隙水和孔隙气体分别作为独立的研究对象，结合孔隙水和孔隙气在气液交界 面上满足的力学条件建立耦合方程，求解非饱和土中孔隙水的入渗和孑l 隙气的排除过程，并 对标准砂进行了一维有压入渗流的试验和计算p 。朱岳明、龚道勇等用饱和一非饱和达西渗 流理论对降雨入渗的复杂渗流场问题用有限单元法进行三维求解。提出了降雨入渗边界条件 及非饱和逸出面边界条件在渗流场求解中的正确处理方法，提出和定义了描述土体渗流特性 的极限含水率和蒸逸系数的两个新概念。提出在这种边界非线性渗流场迭代求解过程中，应 根据中间解通过边界条件类型的转化来准确地甄别这一分界线，完整地获得精细处理饱和及 非饱和渗流逸出面边界条件的思路与方法。 另外也有不少学者将饱和一非饱和渗流与温度场等进行耦合，将饱和一非饱和渗流与物 质运移等相联系。韦立德等在探索多场耦合理论基础上，研制出了一个考虑饱和一非饱和渗 流场和温度场对应力场作用的三维弹塑性有限元程序【4 ”，该程序不考虑力学过程和渗流过程 对温度场产生的影响，而只考虑变温对力学过程产生的影响；不考虑力学过程和温度场对渗 流场产生的影响，而只考虑渗流场对力学过程产生的影响。经与弹性力学解析解对比，验证 了该程序计算结果是合理的。梁冰等基于多孔介质渗流力学一热力学理论，建立了非等温条 件下土壤中水一热耦合迁移的数学模型，并运用分离变量法和拉普拉斯( l a p i a c e ) 变换对模 型进行解析求解：通过算例分析，表明温度对非饱和土壤中水分迁移的影响j 。所得结果及 结论，对于农田水利保护和地下水资源的利用具有重要的实际应用价值和理论意义。杜广林 引入了水气两相渗流的思想来分析饱和一非饱和渗流，进行了这方面的探索性研究m j 。 对于入渗条件下饱和一非饱和渗流的研究前人已做了大量的工作。特别是降雨入渗，到 目前为止已经提出了很多入渗公式，如h o l t o n 公式，k o s i a i ( o v 公式，p l l l i p 土壤入渗方程等 【4 i 。1 9 1 1 年g r e n n a m p t 提出了基于毛管理论的入渗模型【4 】= 1 9 7 3 年m e i n l a r s o n 将这种模 型应用于降雨入渗过程的求解，建立了m e i n - l a r s 彻降雨入渗模型4 ”。以上入渗模型，均 忽略了气相对入渗水流的影响。而唐海行等人通过大量的实验资料和野外观测指出：包气带 中空气对水流入渗过程有明显的影响，并建议采用折减饱和渗水系数的方法，考虑气压势的 作用【4 6 1 。孙讷正给出了描述饱和一非饱和渗流的统一连续性方程【4 7 】；张有天，刘中【4 8 】i4 9 1 ， 张有天，周维垣【5 0 j 在研究降雨入渗条件下的岩体饱和一非饱和渗流时，给出了描述非饱和渗 透系数凰和含水饱和度s 与孔隙负压p 的关系。胡云进等在研究岩体饱和一非饱和渗流有 限元计算时，用“类比拟定方法”给出了非饱和带的相对渗透率曲线及毛管压力曲线睁“。 1 2 2 地表入渗条件下土坡稳定性的研究成果 ( 1 ) 非饱和土体抗剪强度理论的研究进展 沈珠江院士( 1 9 9 6 ) 曾把非饱和土的发展历史划分成三个阶段，即探索期( 7 0 年代以前) 河癌大学硕士学位论文 第一章绪论 成熟期( 7 0 年代到9 0 年代中) 及完成期( 9 0 年代中到2 i 世纪2 0 一3 0 年代) 。第一阶段的成 就以b i s h o p 提出的非饱和土有效应力公式为代表。第二阶段以f r e d l u n d 提出的双变量理论 为开端，直至9 0 年代初以a l o n s o 为首的西欧学派发展了非饱和土的弹塑性模型和中国学者 杨代泉，沈珠江发展了非饱和土的固结理论。1 9 9 3 年f r e d l u n d 和r a l a r d i 合著的非饱和土 土力学是这一领域的第一本专著，也是非饱和土近3 0 年来研究成果的总结。他们建立了 一套非饱和土理论体系，将非饱和土力学研究推向了一个高潮。 2 0 世纪中期由于太沙基的有效应力公式在描述饱和土形态方面取得的巨大成果，使人们 把非饱和土的有效应力公式作为研究目标，几十年来提出的一些非饱和土的有效应力公式【5 2 中，如阿拉姆和斯里哈伦公式和最著名的b i s h o p 公式口”。与饱和土有效应力公式有所不同 的是，b i s h o p 的有效应力公式分别考虑了孔隙水压力和孔隙气压力对抗剪强度的影响。 b i s h o p 在文献中给出用三维试验结果确定有效应力参数x 的方法，并于1 9 6 3 年给出了根据4 种不同的压实粘土样品剪切试验得到的参数z 与饱和度的关系刚。之后，d o n a l d 和b l i 曲t 分别用无粘性粉土和击实土对b i s h o p 公式的正确性进行试验以验证口”。b i s h o p 的非饱和土 的有效应力公式以及抗剪强度理论公式提出后，相继有许多学者从理论和试验两个方面研究 不同类型土的有效应力参数x 的确定，研究表明参数z 与非饱和土的结构、应力历史、饱和 度及问题性质( 是变形问题还是强度问题) 等因素有关。 1 9 7 7 年，m o 理e n s t e m 和f r e d l u l l d 提出了建立在多相连续介质力学基础上的非饱和土应 力分析【5 ”，建议用两个独立的应力状态变量建立有效应力表达式，并采用“零位”试验验证 了该论点的可行性。在此基础上，f r e d l u n d 建立了基于双应力变量的非饱和土的表达式，将 莫尔一库仑准则推广到三维空间1 5 j 。 f r e d l u n d 非饱和土抗剪强度理论提出后，其本人和他所领导的研究小组通过试验对这一 理论公式进行验证，大量试验结果表明非饱和土抗剪强度与基质吸力不成线性正比关系，对 统一土体与基质吸力相关的摩擦系数不是常数而是随之变化的【5 ”，当土中的饱和吸力很小 时，该摩擦系数值接近于饱和土的摩擦系数，但当土样的饱和度降低基质吸力增大时数值逐 渐减小。非饱和土试验表明非饱和土的抗剪强度与非饱和土的土一水特征曲线有关。f r e d l u n d 和x i n g ( 1 9 9 4 ) 在研究b r o o k 和c o r e y 、m c k e e 和b u m b 给出土一水特征曲线的基础上酬， 得到了适合于整个吸力范围( 0 1 ，o o o ，o o o k p a ) 的土一水特征曲线方程。f r c d l u n d 等( 1 9 9 5 ) 利用非饱和土的土一水特征曲线方程确定非饱和土的抗剪强度随基质吸力变化的非线性规 律，得到了新的非饱和土抗剪强度公式1 5 ”。 国内对于非饱和土的研究始于9 0 年代初，代表人物有沈珠江、杨代泉、蒋彭年等】i ”j 。 沈珠江( 1 9 9 6 ) 首推了广义吸力的概念，把一切增加颗粒之间抗阻滑力的因素都称为广义吸力， 在此基础上把饱和土的有效应力原理推广为广义有效应力原理【6 引。陈正汉等从1 9 9 4 年来着 重对非饱和土进行大量的试验研究，并研制出国内第一台直剪仪和固结仪【6 3 j 。汤连生、王思 敬提出并阐述了湿吸力的概念，分析了非饱和土的孔隙水压力与由于表面张力而产生的土颗 粒之间的湿吸力的定量关系及其根本区别，探讨了湿吸力的变化规律及其主要的影响因素， 河海大学硕士学位论文第一章绪论 分析了现有非饱和土有效应力原理存在的问题。基于湿吸力概念，分析并给出了有效应力公 式。建议了非饱和土的状态分类及有效应力原理州】。徐永福等提出非饱和土结构强度的概念， 从膨胀土的结构模型导出结构强度公式，分析其成立条件，并把公式推广到所有符合公式条 件的其他类型的非饱和土1 6 5 l 。张引科等从非饱和土中孔隙分布规律出发，推导出了非饱和土 结构强度与基质吸力的关系惭 。 我国分布有大面积的非饱和黄土和膨胀土，它们所特有的工程水文地质状况吸引众多学 者的注意。近年来对非饱和黄土的研究愈加深入：膨胀土是一种特殊的非饱和土，经典的土 力学理论在膨胀土问题中已显得无能为力【6 ”。对于它们的研究，已经从单纯的土壤特性的研 究过渡到对土体抗剪强度、入渗蒸发条件下非饱和土的渗流和稳定性分析。党进谦等给出黄 土强度和黄土结构强度的概念，给出了非饱和黄土抗剪强度的计算公式1 6 ”。杨庆等以确定膨 胀土的膨胀力与吸附强度是否有一定的关系【6 7 l 。通过对黑山土和梅山土的重塑试样试验得到 的试验数据分析，认为膨胀力和含水量之间存在良好指数关系；粘聚力的对数和内摩擦角均 随含水量的增大线性减小；非饱和膨胀土的吸附强度与膨胀力之间存在较好的线性关系，并 在此基础上优化了非饱和膨胀土抗剪强度公式。熊承仁等根据2 3 组不同水分状态和密度状 态的u u 三轴压缩试验结果，讨论了重塑非饱和粘性土抗剪强度参数与饱和度的关系【6 9 j ，数 据分析表明：粘聚力与水分状态相关的饱和度的关系是强非线性的，与密度状态相关的饱和 度的关系是准线性的；内摩擦角与水分状态相关的饱和度关系是强非线性的，与密度状态相 关的饱和度的关系是弱非线性的。 非饱和渗流特性和非饱和抗剪强度的非饱和土的重要工程性质，已经成为至2 0 世纪9 0 年代以来国际岩土工程界研究的热点，国内外众多学者力求理论的发展与工程中遇到的问题 紧密联系，使研究工作更有实际意义。 ( 2 ) 有地表入渗的边坡稳定性研究进展 非饱和土坡的稳定性分析是继b i s h o p 的有效应力公式提出以后发展起来的。 y 0 n g r a y m 伽d n 等在1 9 8 2 年发表了非饱和土坡稳定性分析的论文1 7 ，同一年 y 0 n g r a y m o n d n 、f r c d l u n d 等人对中国香港的非饱和土坡的土体基质吸力及其稳定性进行研 究1 7 ”。随着饱和一非饱和渗流和非饱和土抗剪强度理论的不断成熟，对于有地表入渗的非饱 和士坡的稳定性研究也愈加广泛。f r e d l u n d 一直是非饱和土研究的领军人物，另外l e o n g e c 、 r a l l a r d o h 、心a i l n _ j 等人在有入渗的非饱和土质边坡方面也有较为深入的研究2 j 1 7 ”。 国内，姚海林、郑少河等对非饱和膨胀土边坡在考虑暂态饱和一非饱和渗流的情况下进 行了参数研究，研究了持雨时间与边坡稳定性的关系【7 4 1 。史弘鹤等将土水一气三相耦合， 提出了一种确定降雨入渗后的暂态渗流场的模型。结合工程实例分析了降雨入渗后渗流场的 变化对土坡稳定性的影响1 7 5 1 。朱文彬、刘宝琛等利用饱和一非饱和土的渗流理论，并运用有 限元和有限差分法对公路边坡在降雨过程中的渗流规律作了一个实例分析，模拟了雨水在土 坡中的渗流过程 7 酊。杨有海、夏琼对黄土地区的边坡失稳与雨水入渗关系进行了研究，利用 边界条件的转换来模拟雨水入渗，用差分法分析了降雨强度、降雨持时和土体的渗透系数与 6 河海大学硕士学位论文 第一章绪论 边坡稳定性的关系【7 7 】。通过对这些参数的数值分析研究，得出的结论可为边坡的失稳预防提 供理论依据。汪自力等在饱和一非饱和渗流不动网格有限元计算的基础上，寻求土体单元所 受的渗透力代替周边的水压力，以达到利用渗流计算时的剖分网格和计算结果，直接连续进 行渗流作用下边坡稳定性分析的目的，但在对非饱和土土骨架进行受力分析时，仍沿用了饱 和土的概念f 7 8 】。 1 3 本文的研究内容和方法 1 3 1 本文的主要工作 本文根据饱和非饱和渗流理论和非饱和土体抗剪强度理论，应用地下水模拟软件计算在 降雨条件下土质边坡的瞬态稳定性。结合实际工程计算土质边坡在不同降雨时段孔隙水压力 分布特征、潜在最危险滑动面变化等，并最终计算土坡的瞬态稳定系数，提出稳定系数降雨 容量的概念，回归稳定系数降雨容量方程并计算稳定性降雨容量系数。具体研究内容包括下 列几个方面。 ( 1 ) 系统的论述了非饱和土体天然状况和降雨条件下的土壤特性，非饱和土体的饱和 一非饱和渗流理论；系统的论述了非饱和土体的抗剪强度理论，对降雨条件下非饱和土体的 气压势进行假设，提出几种降雨条件下非饱和垂直渗流气体流模型；推导非饱和土体抗剪强 度理论下边坡稳定性的计算公式； ( 2 ) 应用地下水模拟软件计算在不同降雨时段边坡土体的土水特征，包括土体的含水 量、孔隙水压力等： ( 3 ) 将渗流模拟软件计算出的结果利用必要的变换与编写的边坡稳定性计算程序进行 搭接；编写非饱和土体抗剪强度理论下边坡稳定性系数计算程序，本文采用较为稳定的j a n b u 法，其中提出条块自重的土水分离算法以及条间孔隙水压力的离散计算方法并加以探讨，同 时将空隙水压力系数延伸到非饱和区； ( 4 ) 利用边坡稳定性计算程序计算不同降雨时段下边坡的瞬态稳定性，预测边坡在降 雨或雨后的稳定特征；提出稳定系数降雨容量概念，回归稳定系数一降雨容量方程，得出稳 定系数降雨容量系数； ( 5 ) 用v b 6 0 编制“有地表入渗的土坡饱和一非饱和渗流及稳定性分析实时监控系统”， 对边坡稳定性以及危险气象条件进行预测预报； ( 6 ) 总结工作成果，并提出了还需要进一步需要解决的问题。 1 3 2 研究方法 ( 1 ) 文献阅读。通过大量阅读国内外有关岩土工程、土壤灌溉工程、地下水渗流中多 孔介质渗流特性、土体入渗渗流理论及技术、非饱和土抗剪强度理论、边坡稳定性的极限平 衡方法等方面的文献，掌握本文主要研究主要内容现有的研究水平，为开展本文的研究工作 河海大学硕士学位论文第一章绪论 大好基础和把握方向。 ( 2 ) 理论分析。理论分析是本文重要的研究方法，本文主要应用现有渗流数学模型、 饱和一非饱和渗流特性规律、非饱和土的土性特征、非饱和土抗剪强度理论等对本文的研究 内容开展研究工作。 ( 3 ) 数值模拟。数值模拟无疑是本论文最有力也是应用最广泛的研究方法，应用有限 元数值模拟软件的方法，本文对土质边坡饱和一非饱和降雨入渗下渗流进行了数值模拟并根 据当地的降雨规律结合边坡稳定性分析程序对该边坡在降雨条件下的稳定性进行预测。 ( 4 ) 编写程序。科学研究中为了使用方便需要独立编写方便使用的程序，地下水渗流 有限元软件得到的结果是渗流分析计算的基质吸力、饱和度等，这些数据是分散的点需要进 行处理才能转换到指定坐标点的数据，同时需要搭建接口，即渗流计算成果数据到边坡稳定 性计算的接口。本文编写了非饱和土质边坡稳定性系数计算的f o r t r a n 源程序，该程序同 时也具备很好的移植性。用v b 6 0 编制“有地表入渗的土坡饱和一非饱和渗流及稳定性分析 实时监控系统”。 ( 5 ) 分析总结。将分散的内容以及研究成果进行汇总并进行分析是科学研究中的重要 一步。本文在理论分析和数值计算的基础上进行总结分析，意在强调研究的成果和研究内容 的重要意义，同时也找出本文研究上的不足。 1 4 本章小结 作为本文的绪论部分，本章首先提出非饱和土研究中可能存在的问题，选取其中的一个 问题，说明了入渗条件下土质边坡的非饱和渗流和土坡稳定性研究的重要意义。回顾和总结 了饱和非饱和渗流的研究历史、现状及非饱和土坡的稳定性研究成果。最后按内容组织顺序 列举了本文研究的主要内容以及采用的研究方法。 河海大学硕士学位论文第二章饱和非饱和渗流及土坡非饱和稳定分析理论 第二章饱和一非饱和渗流及土坡非饱和稳定分析理论 2 1 非饱和土的基本理论 2 1 1 土壤水势“ 土壤中不同部位水的能量相对水平比较，常以土水势表示。土水势是一种衡量土壤水 能量的指标，是在土壤和水的平衡系统中，单位数量的水在恒温条件下，移动到参照状况 的纯自由水体所能做的功。参照状况一般使用标准状态，即在大气压下，与土壤水具有相 同温度的情况下( 或某一特定温度下) ，以及在某一固定高度的假想的纯自由水体。在饱和 土壤中，土水势大于参照状态的水势；在非饱和土壤中，土水势低于参照状态的水势。土 水势各分势组成，因此，土水势可以用下面的式子表达： h = z + + + ” ( 2 1 ) 式中： 日一土水势，即土壤的总水势： z 一重力势； 一基质势，或称为基膜势； 一气压势； ”一溶质势( 渗透压势) 。 ( 1 ) 重力势 物体从基准面移至某一高于基准面的位置时，需要克服由于地球引力而产生的重力作 用，因而必须对物体做功，这种功以重力势能的形式存储于物体中。单位重量的土壤水势 包含的重力势能具有长度单位，一般称为水头。重力水头又称位置水头，它仅与计算点和 参照基准面的相对位置有关，与土质条件无关。 ( 2 ) 压力势 相对于大气压力所存在的势能差为压力势，包括基质势和气压势。在地下水面处，土 壤水的压力势为零，地下水面以下饱和区的静水压力压力为正值；地下水面以上非饱和区 土壤水的压力势为负值，称为“毛管势”或“基质势”。这是由于土壤基膜引起的毛管力和 吸附力造成的。这种力将水吸引和束缚在土壤中，使土壤水的势能低于自由水。另外，还 有一种压力势为气压势。它是由于邻近空气的气压变化而引起的。在一般情况下，大气中 压力的变化较小，气压势较小。 ( 3 ) 溶质势 溶质势的产生是由于可溶性物质溶解于土壤溶液中，降低了土壤溶液的势能所致。当土 一水系统中存在半透膜时，水将通过半透膜扩散到溶液中去，这种溶液与纯水之间势能差 河海大学硕士学位论文第二章饱和一非饱和洛流及土坡非饱和稳定分析理论 为溶质势，也常称为渗透压势。当不存在半透膜时并不明显影响土壤水的流动，一般可以 不考虑。但在植物根系吸水时，水分吸入根内要通过半透性的根膜，土壤溶液的势能必须 高于溶液的势能，否则植物根系不能吸水，甚至根茎内水分被土壤吸取。所以，土壤中含 盐量较大时，即使土壤湿度较高，植物根系无法从土壤中吸水，该水势相当于永久凋萎水 势。 除以上各种势能形态外，还存在温度势。它是由土壤中各点温度与热力学确定的标准参 照状态的温度之差所决定的。目前在分析土壤水分运动时，温度势常被忽略。 上述各种土壤水势中，研究液态水在土壤中的运动时，溶质势和温度势一般可不考虑， 主要考虑压