高邊坡巖土飽和非飽和滲流模型研究及其工程應(yīng)用.pdf

1、飽和非飽和滲流問(wèn)題的研究近年來(lái)成為現(xiàn)代巖土力學(xué)的一個(gè)重要分支，其原因是該領(lǐng)域的研究涉及到諸多工程應(yīng)用，如水利水電工程、石油二次開(kāi)采、核廢料處置等等。目前該領(lǐng)域在數(shù)學(xué)模型、室內(nèi)外實(shí)驗(yàn)、計(jì)算程序三個(gè)方面取得了一定的進(jìn)展。就巖體介質(zhì)而言，針對(duì)這幾個(gè)方面，存在以下幾個(gè)問(wèn)題：一是飽和非飽和滲流力學(xué)參數(shù)很難確定，特別是裂隙巖體非飽和滲流機(jī)理還不明確，如何選擇合理的滲流數(shù)學(xué)模型也有待研究；二是非飽和巖土介質(zhì)的力學(xué)參數(shù)的研究，目前主要是通過(guò)室內(nèi)外試驗(yàn)確

2、定，如何將多尺度力學(xué)實(shí)驗(yàn)與宏觀力學(xué)性質(zhì)相結(jié)合，還少有深入的分析；三是飽和非飽和滲流場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)耦合問(wèn)題，將兩場(chǎng)耦合結(jié)果應(yīng)用于工程實(shí)際還缺少深化。本文研究工作主要基于上述三個(gè)難點(diǎn)和科學(xué)問(wèn)題，致力于巖土介質(zhì)滲流機(jī)理與模型的構(gòu)建，以及相關(guān)力學(xué)參數(shù)的研究，并將研究結(jié)果應(yīng)用于降雨作用下的高邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)。 論文的主要研究成果和研究工作歸納如下： 1、對(duì)當(dāng)前巖土飽和非飽和滲流數(shù)值模型、飽和非飽和力學(xué)參數(shù)，及其降雨入滲邊坡穩(wěn)定性的基礎(chǔ)理

3、論、已有成果和研究現(xiàn)狀進(jìn)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(chǔ)上，提出了一些待研究的問(wèn)題。 2、根據(jù)巖體結(jié)構(gòu)面的幾何參數(shù)和力學(xué)參數(shù)統(tǒng)計(jì)值，建立由平行四邊形描述的巖體三維裂隙網(wǎng)絡(luò)，在巖體結(jié)構(gòu)宏觀分區(qū)的基礎(chǔ)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(biāo)；運(yùn)用逾滲理論，定量研究裂隙網(wǎng)絡(luò)連通性，推導(dǎo)了基于分形維數(shù)表達(dá)的裂

4、隙巖體滲透張量的理論公式；在此基礎(chǔ)上研究裂隙巖體滲透張量的等效條件和尺度效應(yīng)，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(wǎng)絡(luò)以及分形維數(shù)計(jì)算的基礎(chǔ)上，基于毛細(xì)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(kāi)度影響的裂隙巖體滲流毛細(xì)壓力一有效飽和度關(guān)系曲線，將該表達(dá)式與Brook-Corey非飽和模型對(duì)比。對(duì)裂隙開(kāi)度和裂隙密度進(jìn)行敏感性分析，研究不同范圍內(nèi)，相對(duì)滲透率、

5、有效飽和度與裂隙開(kāi)度的關(guān)系。 4、從非飽和巖土介質(zhì)的受力機(jī)理出發(fā)，借助于非飽和巖土介質(zhì)的微觀物理模型，推導(dǎo)由毛細(xì)吸力引起的基質(zhì)吸力與附加有效應(yīng)力的解析表達(dá)式，探討了非飽和土中水膜作用對(duì)總基質(zhì)吸力的影響。分不同飽和度，分析了非飽和介質(zhì)中總基質(zhì)吸力組成。結(jié)合試驗(yàn)資料，研究介質(zhì)含水量、顆粒半徑對(duì)非飽和抗剪強(qiáng)度的影響，驗(yàn)證了模型的合理性。 5、運(yùn)用本文發(fā)展的巖體等效滲透張量，以及非飽和滲流本構(gòu)模型，在飽和非飽和滲流理論基礎(chǔ)上，采

6、用商業(yè)軟件ABAOUS，對(duì)古水水電站壩前堆積體邊坡進(jìn)行飽和非飽和非滲流實(shí)例計(jì)算，重點(diǎn)研究降雨入滲邊坡非飽和區(qū)形成的暫態(tài)水壓，水分運(yùn)移過(guò)程，以及降雨強(qiáng)度和降雨持時(shí)等因素下影響下飽和非飽和滲流場(chǎng)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(chǎng)計(jì)算結(jié)果，采用考慮基質(zhì)吸力作用的非飽和巖體抗剪強(qiáng)度理論，研究非飽和強(qiáng)度隨基質(zhì)吸力的變化規(guī)律，建立了滲流場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)耦合的等效連續(xù)介質(zhì)模型，應(yīng)用非飽和流固耦合有限元方法進(jìn)行降雨入滲影響的邊