[發(fā)明專(zhuān)利]一種降雨入滲下非飽和黃土邊坡滲流控制方程計(jì)算方法

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202011404492.2
• 申請(qǐng)日: 2020-12-04
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN112685874A
• 公開(kāi)（公告）日: 2021-04-20
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 韓佳明;董照;蘇三慶;任建喜;劉明明;金超
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 西安科技大學(xué)
• 主分類(lèi)號(hào): G06F30/20
• 分類(lèi)號(hào): G06F30/20;G06F17/11;G06F17/13;G06F17/15;G06F111/10;G06F119/14
• 代理公司: 成都九鼎天元知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 51214
• 代理人: 封浪

本發(fā)明公開(kāi)了一種降雨入滲下非飽和黃土邊坡滲流控制方程計(jì)算方法，包括：1、根據(jù)黃土邊坡在降雨入滲條件下破壞影響因素，通過(guò)合理假設(shè)，建立了水平坡面和傾斜坡面黃土邊坡滲流場(chǎng)分析模型，通過(guò)多孔介質(zhì)理論和水力學(xué)理論得到了二維非飽和黃土滲流的控制方程。2、將豎向降雨方向和水平方向的坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換為沿斜坡坡面方向和垂直于坡面方向，得到經(jīng)過(guò)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換和簡(jiǎn)化后的非飽和黃土滲流控制方程。3、依據(jù)土水特征曲線、滲透系數(shù)方程和達(dá)西定律，推導(dǎo)出了在降雨過(guò)程中黃土邊坡內(nèi)部瞬態(tài)含水率的解析解，確定了雨水入滲深度及飽和入滲深度。本發(fā)明的效果是解決了雨水入滲邊坡的滲流場(chǎng)解析計(jì)算困難和非飽和土的計(jì)算參數(shù)不準(zhǔn)確。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及黃土學(xué)及土木工程學(xué)領(lǐng)域，尤其是一種降雨入滲下非飽和黃土邊坡滲流控制方程計(jì)算方法。

背景技術(shù)

我國(guó)是世界上邊坡破壞最嚴(yán)重的地區(qū)之一，尤其以西部等省區(qū)更為突出，我國(guó)黃土覆蓋面積高達(dá)6.3×105km3。黃土是具有濕陷性、大孔隙、浸水后力學(xué)強(qiáng)度變低等特點(diǎn)的特殊土質(zhì)，因此黃土邊坡破壞時(shí)常發(fā)生。它分布廣、數(shù)量多，以六盤(pán)山地區(qū)和中部黃土高原最為發(fā)育，滑坡規(guī)模以100萬(wàn)立方米體積以下的小型和中型為主。降雨，尤其是暴雨，成為黃土邊坡破壞最重要的誘因，天然和人工黃土邊坡的失穩(wěn)多發(fā)生在雨季，既造成了財(cái)產(chǎn)損失和人員傷亡，又影響了社會(huì)穩(wěn)定和建設(shè)。因此，降雨入滲黃土邊坡破壞機(jī)理研究變得尤為迫切。

隨著降雨入滲的進(jìn)行，邊坡土體表面處的入滲率、滲透系數(shù)、孔隙壓力水頭、孔隙水壓力、基質(zhì)吸力、含水量、浸潤(rùn)深度和飽和層厚度不斷變化。若能準(zhǔn)確得到降雨過(guò)程中邊坡土體內(nèi)的飽和-非飽和瞬態(tài)滲流場(chǎng)，而要得到較為準(zhǔn)確的瞬態(tài)滲流場(chǎng)就得建立合適的數(shù)學(xué)模型和可靠的非飽和滲流水力特性參數(shù)。目前在滲流場(chǎng)分析中常用Richards滲流控制方程，但這一關(guān)于位置和時(shí)間的偏微分方程無(wú)法求得解析解，前人一般采用有限元和有限差分等數(shù)值方法來(lái)近似模擬。

在降雨入滲條件下研究邊坡滲流場(chǎng)問(wèn)題，降雨條件是經(jīng)過(guò)理想化處理的，并非為實(shí)際情況。不同的降雨強(qiáng)度、降雨歷時(shí)會(huì)導(dǎo)致邊坡土體的瞬態(tài)含水率和瞬態(tài)孔隙水壓力發(fā)生變化。在前人的研究中，描述土水特征曲線方程VanGenuchten函數(shù)、描述非飽和土的滲透系數(shù)方程的Gardner函數(shù)和非飽和土有效應(yīng)力原理表達(dá)中的相關(guān)參數(shù)，對(duì)于不同的土質(zhì)的計(jì)算是有差異的，因此應(yīng)采用確定的土體特性相關(guān)計(jì)算參數(shù)。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的發(fā)明目的在于：針對(duì)上述存在的問(wèn)題，提供一種降雨入滲下非飽和黃土邊坡滲流控制方程計(jì)算方法，依據(jù)多孔介質(zhì)理論和水力學(xué)理論對(duì)雨水入滲黃土邊坡土體隨降雨強(qiáng)度、降雨歷時(shí)和位置深度的變化規(guī)律。解決了目前雨水入滲邊坡的滲流場(chǎng)解析計(jì)算困難和降雨入滲非飽和土的計(jì)算參數(shù)不準(zhǔn)確的問(wèn)題。

本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：

一種降雨入滲下非飽和黃土邊坡滲流控制方程計(jì)算方法，包括：

建立水平和傾斜兩種黃土邊坡滲流場(chǎng)分析模型，構(gòu)建二維非飽和黃土滲流控制方程；

求解所述二維非飽和黃土滲流控制方程，計(jì)算出降雨過(guò)程中非飽和黃土邊坡水平坡面和斜坡面瞬態(tài)含水率分布情況，以及非飽和黃土水平坡面和斜坡面滲水深度與降雨強(qiáng)度、降雨歷時(shí)的關(guān)系。

進(jìn)一步的，所述建立水平和傾斜兩種黃土邊坡滲流場(chǎng)分析模型，構(gòu)建二維非飽和黃土滲流控制方程，包括：

建立水平和傾斜兩種黃土邊坡滲流場(chǎng)分析模型，在非飽和黃土土體中任意選取微小六面體，依據(jù)多孔介質(zhì)理論、水力學(xué)理論和達(dá)西定律，得出二維非飽和黃土滲流的控制方程：

其中，k為水的滲透系數(shù)，h_w為邊坡黃土中一點(diǎn)處的水頭，θ為雨水入滲后表層黃土的體積含水率，z為水平黃土邊坡滲水深度，t為降雨歷時(shí)。

進(jìn)一步的，所述求解所述二維非飽和黃土滲流控制方程，計(jì)算出降雨過(guò)程中非飽和黃土邊坡水平坡面和斜坡面瞬態(tài)含水率分布情況，包括：