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基于ABAQUS的降雨条件下鄂东南崩岗侵蚀分析

马鹏飞 夏栋 许文年 杨威 罗婷

马鹏飞,夏栋,许文年,等. 基于ABAQUS的降雨条件下鄂东南崩岗侵蚀分析[J]. 水利水运工程学报,2020(2):46-57 doi:  10.12170/20181228004
引用本文: 马鹏飞,夏栋,许文年,等. 基于ABAQUS的降雨条件下鄂东南崩岗侵蚀分析[J]. 水利水运工程学报,2020(2):46-57 doi:  10.12170/20181228004
(MA Pengfei, XIA Dong, XU Wennian, et al. Analysis of collapsing gully erosion mechanism in southeast Hubei under rainfall conditions based on ABAQUS software[J]. Hydro-Science and Engineering, 2020(2): 46-57. (in Chinese)) doi:  10.12170/20181228004
Citation: (MA Pengfei, XIA Dong, XU Wennian, et al. Analysis of collapsing gully erosion mechanism in southeast Hubei under rainfall conditions based on ABAQUS software[J]. Hydro-Science and Engineering, 2020(2): 46-57. (in Chinese)) doi:  10.12170/20181228004

基于ABAQUS的降雨条件下鄂东南崩岗侵蚀分析

doi: 10.12170/20181228004
基金项目: 国家自然科学基金青年基金资助项目(41601287);长江科学院开放研究基金项目(CKWV2016387/KY)
详细信息
    作者简介:

    马鹏飞(1993-),男,山东菏泽人,硕士研究生,主要从事岩土体稳定性评价、渗流数值计算研究。E-mail: 3146063332@qq.com

    通讯作者:

    夏 栋 (E-mail:xiadong2015@ctgu.edu.cn)

  • 中图分类号: P642

Analysis of collapsing gully erosion mechanism in southeast Hubei under rainfall conditions based on ABAQUS software

  • 摘要: 以研究崩壁在地下水抬升与不同类型降雨联合作用下的失稳模式与渗流场特性为目标,基于野外勘查和相关物理分析获取的鄂东南崩岗区典型风化岩土体剖面各层次基本指标数据,尝试从崩壁渗流场与应力场两场耦合的角度,运用数值试验探讨单次降雨诱发下水力因素影响崩岗侵蚀的过程与机理。结果发现:长期小雨环境下,崩壁破坏方式属于崩壁中下部土层局部被淘空与砂土层上覆土体整体滑移相结合;短时强雨环境下则表现为坡面浅层(分层)流滑破坏。但无论何种降雨类型都存在一个促使崩壁砂土层被水蚀并退去后形成凹腔(龛)的降雨前期阶段,直到龛深达到一极限值,龛体积不再扩大,转为历时较短的崩壁失稳前的降雨后期阶段。强降雨入渗产生的渗流区域主要分布在崩壁浅层地表,引起浅层土体持续软化,剪应力明显增大。伴随降雨历时的延长,坡面浅土层出现暂态饱和区且湿润峰(零压面)逐渐向崩壁深处推移,地下水位线逐渐抬升并以出露泉方式对砂土层下部造成机械潜蚀。分析结果与野外观测现象较为一致。
  • 图  1  典型崩岗侵蚀地貌(降雨刚刚停止)

    Figure  1.  Typical collapsing gully erosion landform after rainfall

    图  2  采样点处崩壁地质纵剖面概化示意

    Figure  2.  Generalization of geological longitudinal profile of collapse wall at sampling points

    图  3  土层的土-水特征曲线[15]

    Figure  3.  Soil-water characteristic curves (SWCC)[15]

    图  4  渗透性函数曲线

    Figure  4.  Permeability functions curves

    图  5  导入软件的计算幅值曲线

    Figure  5.  Rainfall amplitude curve of imported software

    图  6  崩壁真三维整体模型及二维有限元网格剖分

    Figure  6.  True three-dimensional global model and 2D FE grid partition for collapse wall

    图  7  降雨不同时刻崩壁域内塑性应变区等值云图的动态演变(事件1)

    Figure  7.  Equivalent nephogram evolution of plastic strains zone of collapse wall for different time durations of rainfall (event 1)

    图  8  降雨环境下不同时刻的总位移矢量(事件1,单位: m)

    Figure  8.  Vectors chart of total displacement and deformation for different time durations of rainfall (event 1, unit: m)

    图  9  隐藏龛所在单元后崩壁的总位移等值云图( 事件1,单位: m)

    Figure  9.  Equivalent nephogram of total displacement of caved wall after hidden concave (hollowed) cavity (event 1, unit: m)

    图  10  各土层监控点水平位移 U1变化规律(以向右为正)

    Figure  10.  Variation curves of U1 of monitoring points of soil layers versus continuous rainfall duration (event 1)

    图  11  事件1降雨停止时刻崩壁流速矢量( T =164.00 h)

    Figure  11.  Current velocity vectors of collapse wall at rainfall stop point in event 1 ( T =164.00 h)

    图  12  事件2降雨不同时刻的总位移云图(单位: m)

    Figure  12.  Total displacement contours for different time durations of rainfall in event 2 (unit: m)

    图  13  事件2不同时刻崩壁的总位移矢量(单位: m)

    Figure  13.  Total displacement vectors of collapse wall for different time durations of rainfall in event 2 (unit: m)

    图  14  降雨事件2雨停0.77 h后的流速矢量

    Figure  14.  Vectors of the current velocity of collapse wall after rainfall stop 0.77 h (event 2)

    图  15  天然状态下崩壁剖面的稳定孔隙水压力分布与浸润面(单位: kPa)

    Figure  15.  Steady pore water pressure distribution and phreatic line of collapse wall profile under natural condition (unit: kPa)

    图  16  极端降雨天气下浸润面变化(单位: kPa)

    Figure  16.  Changes of saturated surface during extreme rainfall process (unit: kPa)

    图  17  极端降雨环境下应力等值分布云(ABAQUS默认应力以拉为正,单位: kPa)

    Figure  17.  Stress equivalent distribution nephogram of collapsing gully wall in extreme rainfall environment (unit: kPa)

    图  18  极端强暴雨停止半小时后的塑性形变及位移

    Figure  18.  Plastic deformation and total displacement vectors half an hour after extreme rainstorm stopped

    表  1  崩壁各岩土层初始物理力学参数

    Table  1.   Basic physico-mechanical parameters of soil masses of collapse wall

    土层编号土壤质地Hs/mKws/
    $\left( {{\rm{mm\cdot h}}^{ - 1}} \right)$
    cs/kPan/%${\omega _*}$/%$\gamma /$
    $\left( {{\rm{kN\cdot}}{{\rm{m}}^{ - 3}}} \right)$
    es${\;\rho _{\rm{d}}}/$
    $\left( {{\rm{g\cdot c}}{{\rm{m}}^{ - 3}}} \right)$
    ds/
    $\left( {{\rm{g\cdot c}}{{\rm{m}}^{ - 3}}} \right)$
    Es/MPa$\nu $$\varphi /{\rm{^\circ }} $
    ①表土层黏壤土7.054.60018.6247.723.9516.1130.9121.302.486 9.30.3425.7
    ②红土层1黏壤土3.413.37135.3646.022.1017.2160.8521.412.61118.50.3527.1
    ③红土层2砂质
    黏壤土
    2.3 9.30673.1945.520.4216.7380.8351.392.55020.80.3129.9
    ④砂土层砂质壤土011.66514.0548.121.2516.2480.9271.342.58221.20.3029.3
    ⑤碎屑层壤质砂土24.35340.1049.024.9818.0000.9611.442.82455.50.2836.0
     注:Hs为土层底面高程;Kws为饱和渗透系数;cs为有效黏聚力;ds为土颗粒相对密度;${\omega _*}$为天然含水率;$\gamma $为天然重度;$n$为孔隙率;es为孔隙比;${\rho_{\rm d}}$为干密度;Es为杨氏模量;$\nu $为泊松比;$ \varphi$为有效内摩擦角。
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出版历程
  • 收稿日期:  2018-12-28
  • 网络出版日期:  2020-04-24
  • 刊出日期:  2020-04-01

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