浅论高边坡岩土饱和非饱和渗流模型研究及其工程应用

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1、河海大学博士学位论文高边坡岩土饱和非饱和渗流模型研究及其工程应用姓名：任强申请学位级别：博士专业：岩土工程指导教师：徐卫亚20080501摘要饱和非饱和渗流问题的研究近年来成为现代岩土力学的一个重要分支，其原因是该领域的研究涉及到诸多工程应用，如水利水电工程、石油二次开采、核废料处置等等。目前该领域在数学模型、室内外实验、计算程序三个方面取得了一定的进展。就岩体介质而言，针对这几个方面，存在以下几个问题：一是饱和非饱和渗流力学参数很难确定，特别是裂隙岩体非饱和渗流机理还不明确，如何选择合理的渗流数学模型也有待研究；二是非饱和岩土介质

2、的力学参数的研究，目前主要是通过室内外试验确定，如何将多尺度力学实验与宏观力学性质相结合，还少有深入的分析；三是饱和非饱和渗流场与应力场耦合问题，将两场耦合结果应用于工程实际还缺少深化。本文研究工作主要基于上述三个难点和科学问题，致力于岩土介质渗流机理与模型的构建，以及相关力学参数的研究，并将研究结果应用于降雨作用下的高边坡稳定性评价。论文的主要研究成果和研究工作归纳如下：1、对当前岩土饱和非饱和渗流数值模型、饱和非饱和力学参数，及其降雨入渗边坡稳定性的基础理论、已有成果和研究现状进行综述。特别是单裂隙渗流模型和影响单裂隙渗流的水力

3、参数研究现状，以及降雨影响下的非饱和高边坡稳定性研究状况。在分析现有研究成果不足的基础上，提出了一些待研究的问题。2、根据岩体结构面的几何参数和力学参数统计值，建立由平行四边形描述的岩体三维裂隙网络，在岩体结构宏观分区的基础上研究REV，借助于分形几何方法，将分维数作为表征岩体REV的指标；运用逾渗理论，定量研究裂隙网络连通性，推导了基于分形维数表达的裂隙岩体渗透张量的理论公式；在此基础上研究裂隙岩体渗透张量的等效条件和尺度效应，并提出基于分形维数的裂隙岩体渗透表征单元体的确定方法。3、在岩体三维裂隙网络以及分形维数计算的基础上，基

4、于毛细吸持理论和Sie印ins虹空间的假定，建立用分维数表示的，并考虑最小裂隙开度影响的裂隙岩体渗流毛细压力一有效饱和度关系曲线，将该表达式与Brook．Corey非饱和模型对比。对裂隙开度和裂隙密度进行敏感性分析，研究不同范围内，相对渗透率、有效饱和度与裂隙开度的关系。4、从非饱和岩土介质的受力机理出发，借助于非饱和岩土介质的微观物理模型，推导由毛细吸力引起的基质吸力与附加有效应力的解析表达式，探讨了非饱和土中水膜作用对总基质吸力的影响。分不同饱和度，分析了非摘要饱和介质中总基质吸力组成。结合试验资料，研究介质含水量、颗粒半径对非

5、饱和抗剪强度的影响，验证了模型的合理性。5、运用本文发展的岩体等效渗透张量，以及非饱和渗流本构模型，在饱和非饱和渗流理论基础上，采用商业软件ABAQUS，对古水水电站坝前堆积体边坡进行饱和非饱和非渗流实例计算，重点研究降雨入渗边坡非饱和区形成的暂态水压，水分运移过程，以及降雨强度和降雨持时等因素下影响下饱和非饱和渗流场的变化规律。6、基于降雨作用下古水水电站坝前堆积体渗流场计算结果，采用考虑基质吸力作用的非饱和岩体抗剪强度理论，研究非饱和强度随基质吸力的变化规律，建立了渗流场与应力场耦合的等效连续介质模型，应用非饱和流固耦合有限元方

6、法进行降雨入渗影响的边坡稳定性评价。关键词：饱和非饱和渗流；岩体水力等效；渗透张量；非饱和抗剪强度；附加有效应力；高边坡工程AbstractTheseepageinsaturated-unsaturatedgeotechnicalmediaisa11imponalltscientificissue，whichconcemedmaIlyproject印plications．UptonoW，certainadvaIlcehasbeenmadeonmathematicmodel，insituexperimentandcomputercod

7、e．However，accordingtogeotechnicalmedia，mreeproblemsstillneedproceed：(1)thesatuI．ated—unsaturatedseepagemechallicalpar锄eterSaredi伍culttodetemlined，andtheseepagemechallisminf}acturerockmassisstilluncenain，sohowtochoosethesuitablemathematicalmodelshouldberesearched；(2)the

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