高邊坡巖土飽和非飽和滲流模型研究及其工程應用.pdf

1、飽和非飽和滲流問題的研究近年來成為現(xiàn)代巖土力學的一個重要分支，其原因是該領域的研究涉及到諸多工程應用，如水利水電工程、石油二次開采、核廢料處置等等。目前該領域在數(shù)學模型、室內外實驗、計算程序三個方面取得了一定的進展。就巖體介質而言，針對這幾個方面，存在以下幾個問題：一是飽和非飽和滲流力學參數(shù)很難確定，特別是裂隙巖體非飽和滲流機理還不明確，如何選擇合理的滲流數(shù)學模型也有待研究；二是非飽和巖土介質的力學參數(shù)的研究，目前主要是通過室內外試驗確

2、定，如何將多尺度力學實驗與宏觀力學性質相結合，還少有深入的分析；三是飽和非飽和滲流場與應力場耦合問題，將兩場耦合結果應用于工程實際還缺少深化。本文研究工作主要基于上述三個難點和科學問題，致力于巖土介質滲流機理與模型的構建，以及相關力學參數(shù)的研究，并將研究結果應用于降雨作用下的高邊坡穩(wěn)定性評價。 論文的主要研究成果和研究工作歸納如下： 1、對當前巖土飽和非飽和滲流數(shù)值模型、飽和非飽和力學參數(shù)，及其降雨入滲邊坡穩(wěn)定性的基礎理

3、論、已有成果和研究現(xiàn)狀進行綜述。特別是單裂隙滲流模型和影響單裂隙滲流的水力參數(shù)研究現(xiàn)狀，以及降雨影響下的非飽和高邊坡穩(wěn)定性研究狀況。在分析現(xiàn)有研究成果不足的基礎上，提出了一些待研究的問題。 2、根據(jù)巖體結構面的幾何參數(shù)和力學參數(shù)統(tǒng)計值，建立由平行四邊形描述的巖體三維裂隙網絡，在巖體結構宏觀分區(qū)的基礎上研究REV，借助于分形幾何方法，將分維數(shù)作為表征巖體REV的指標；運用逾滲理論，定量研究裂隙網絡連通性，推導了基于分形維數(shù)表達的裂

4、隙巖體滲透張量的理論公式；在此基礎上研究裂隙巖體滲透張量的等效條件和尺度效應，并提出基于分形維數(shù)的裂隙巖體滲透表征單元體的確定方法。 3、在巖體三維裂隙網絡以及分形維數(shù)計算的基礎上，基于毛細吸持理論和Sierpinski空間的假定，建立用分維數(shù)表示的，并考慮最小裂隙開度影響的裂隙巖體滲流毛細壓力一有效飽和度關系曲線，將該表達式與Brook-Corey非飽和模型對比。對裂隙開度和裂隙密度進行敏感性分析，研究不同范圍內，相對滲透率、

5、有效飽和度與裂隙開度的關系。 4、從非飽和巖土介質的受力機理出發(fā)，借助于非飽和巖土介質的微觀物理模型，推導由毛細吸力引起的基質吸力與附加有效應力的解析表達式，探討了非飽和土中水膜作用對總基質吸力的影響。分不同飽和度，分析了非飽和介質中總基質吸力組成。結合試驗資料，研究介質含水量、顆粒半徑對非飽和抗剪強度的影響，驗證了模型的合理性。 5、運用本文發(fā)展的巖體等效滲透張量，以及非飽和滲流本構模型，在飽和非飽和滲流理論基礎上，采

6、用商業(yè)軟件ABAOUS，對古水水電站壩前堆積體邊坡進行飽和非飽和非滲流實例計算，重點研究降雨入滲邊坡非飽和區(qū)形成的暫態(tài)水壓，水分運移過程，以及降雨強度和降雨持時等因素下影響下飽和非飽和滲流場的變化規(guī)律。 6、基于降雨作用下古水水電站壩前堆積體滲流場計算結果，采用考慮基質吸力作用的非飽和巖體抗剪強度理論，研究非飽和強度隨基質吸力的變化規(guī)律，建立了滲流場與應力場耦合的等效連續(xù)介質模型，應用非飽和流固耦合有限元方法進行降雨入滲影響的邊