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降雨入渗边坡非饱和渗流过程及稳定性变化研究

林国财 谢兴华 阮怀宁 朱珍德 卢斌 徐晨城 路晓刚

林国财, 谢兴华, 阮怀宁, 朱珍德, 卢斌, 徐晨城, 路晓刚. 降雨入渗边坡非饱和渗流过程及稳定性变化研究[J]. 水利水运工程学报, 2019, (3): 95-102. doi: 10.16198/j.cnki.1009-640X.2019.03.012
引用本文: 林国财, 谢兴华, 阮怀宁, 朱珍德, 卢斌, 徐晨城, 路晓刚. 降雨入渗边坡非饱和渗流过程及稳定性变化研究[J]. 水利水运工程学报, 2019, (3): 95-102. doi: 10.16198/j.cnki.1009-640X.2019.03.012
LIN Guocai, XIE Xinghua, RUAN Huaining, ZHU Zhende, LU Bin, XU Chencheng, LU Xiaogang. Study on slope stability weakening process along with infiltration by rainfall[J]. Hydro-Science and Engineering, 2019, (3): 95-102. doi: 10.16198/j.cnki.1009-640X.2019.03.012
Citation: LIN Guocai, XIE Xinghua, RUAN Huaining, ZHU Zhende, LU Bin, XU Chencheng, LU Xiaogang. Study on slope stability weakening process along with infiltration by rainfall[J]. Hydro-Science and Engineering, 2019, (3): 95-102. doi: 10.16198/j.cnki.1009-640X.2019.03.012

降雨入渗边坡非饱和渗流过程及稳定性变化研究

doi: 10.16198/j.cnki.1009-640X.2019.03.012
基金项目: 

国家自然科学基金重点项目 51539006

国家重点研发计划资助项目 2016YFC0401704

国家自然科学基金雅砻江联合基金资助项目 U1765202

详细信息
    作者简介:

    林国财(1993—),男,福建漳州人,硕士研究生,主要从事边坡渗流研究。E-mail:354439494@qq.com

    通讯作者:

    谢兴华(E-mail: iamxiexh@163.com)

  • 中图分类号: TU457; P642.2

Study on slope stability weakening process along with infiltration by rainfall

  • 摘要: 天然降雨和高坝泄洪雾化雨入渗对大坝下游边坡有两方面影响,一是升高含水率使土体重度增加,导致其下滑力增加;二是升高土体含水率,降低土抗剪强度和阻滑力。因此,降雨入渗引起的滑坡时有发生。对此设计了室内人工降雨物理模型试验,分析研究砂土质边坡降雨入渗情况下,边坡内部水分扩散过程和规律以及暂态饱和区扩展过程,计算各入渗时刻边坡的安全系数,分析入渗发展对边坡稳定性变化过程及其特征的影响。试验分析结果表明:降雨入渗率先在边坡表面形成暂态饱和区,随着降雨持续,暂态饱和区逐渐扩大;雨强越大,降雨期间形成的暂态饱和区越大,边坡稳定安全系数的降幅就越大;试验得到了降雨入渗深度随降雨历时和强度变化的经验式。增大降雨强度会使试验砂土的含水率更接近于饱和含水率,但无法使砂土完全饱和。降雨入渗对边坡稳定性的影响不仅仅发生在降雨过程中,降雨停止后,水分入渗过程延续,边坡稳定性持续降低,水分入渗在一定的延后时间内继续威胁边坡安全。雨强为144 mm/h条件下边坡稳定安全系数在6 h时降到了最小值1.196,最大降幅达38.2%。
  • 图  1  边坡模型

    Figure  1.  Slope model

    图  2  观测断面示意(单位:cm)

    Figure  2.  Schematic of observation section (unit:cm)

    图  3  传感器布置示意(单位:cm)

    Figure  3.  Sensor layout diagram (unit:cm)

    图  4  工况1监测点含水率变化曲线

    Figure  4.  Water content curve of monitoring points in plan 1

    图  5  降雨强度为72 mm/h的边坡含水率等值线

    Figure  5.  Contour map of slope moisture content with rainfall intensity of 72 mm/h

    图  6  降雨3 h的边坡含水率等值线

    Figure  6.  Contour map of slope water cut after three hours

    图  7  监测点含水率变化曲线

    Figure  7.  Moisture content curve of monitoring points

    图  8  水分入渗深度-降雨历时曲线

    Figure  8.  Relationship between infiltration depth and duration

    图  9  边坡安全系数变化曲线

    Figure  9.  Slope safety factor change curve

    表  1  含水率升高响应时间

    Table  1.   Time of water content increasing

    工况 降雨强度/
    (mm·h-1)
    含水率升高响应时间/h
    埋深10 cm处 埋深70 cm处
    1 72 0.50 8
    2 108 0.50 5
    3 144 0.25 4
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    表  2  边坡极限含水率

    Table  2.   Extremum of water content

    工况 降雨强度/
    (mm·h-1)
    降雨阶段极限
    含水率/%
    试验27 h极限
    含水率/%
    1 72 27.5 12.8
    2 108 27.8 14.6
    3 144 28.3 17.8
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    表  3  边坡稳定安全系数计算参数

    Table  3.   Calculation parameters

    含水率/% 密度/(g·cm-3) 重度/(kN·m-3) Φ c/kPa
    0~6 1.596 5 15.965 32.88 32.58
    6~12 1.689 5 16.895 32.21 20.79
    12~18 1.782 5 17.825 33.74 13.24
    18~24 1.875 5 18.755 35.01 9.94
    24~30 1.968 5 19.685 33.54 10.89
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    表  4  试验过程边坡安全系数变化

    Table  4.   Slope safety factor change during test

    工况 降雨强度/(mm·h-1) 初始安全系数 3 h时安全系数 3 h时降幅/% 最小安全系数 最大降幅/% 最小安全系数时刻
    1 72 1.935 1.496 22.7 1.299 32.8 9 h
    2 108 1.935 1.453 24.9 1.211 37.4 6 h
    3 144 1.935 1.413 27.0 1.196 38.2 6 h
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出版历程
  • 收稿日期:  2018-11-06
  • 刊出日期:  2019-06-01

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