降雨条件下坡面径流与饱和—非饱和渗流耦合计算模型研究

【摘要】： 滑坡是一种常见的自然灾害。大量滑坡实例表明,滑坡的发生常与降雨密切相关。弄清降雨条件下坡面径流与降雨入渗过程机理,准确模拟土壤水分运动规律,对于搞清降雨诱发滑坡的机制,提高滑坡预防预报与防治水平具有重要的理论及实际意义,对水土保持,农业灌溉也具有重要参考价值。 本文概述了坡面径流和非饱和渗流的基本理论及降雨条件下坡面径流及饱和-非饱和渗流研究的现状,并分析了目前存在的问题。在此基础上提出了全新的,在降雨条件下坡面径流与坡体饱和-非饱和渗流耦合计算的数学模型。本耦合计算模型实现了坡面径流与坡体渗流的统一求解,解决了传统解法存在的问题,为准确模拟降雨条件下坡面及坡体的水分运动提供了可能。 据所提出的耦合计算模型,本文导出了该模型的有限元计算格式;编制了在降雨条件下坡面径流与坡体饱和-非饱和渗流耦合计算的非线性有限元计算程序。计算程序考证结果表明,在降雨条件下坡面径流与饱和-非饱和渗流的耦合计算结果与实验及理论分析结果吻合良好。 同时本文成功地解决了土体容水度C的不连续问题以及数值计算中涉及到的其它相关技术问题。计算实例表明,本文所提出的处理方法计算效率较传统方法有较大的提高,计算稳定性好,迭代收敛速度快。 应用所提出的耦合计算模型及有限元计算程序,研究了降雨条件下土体初始体积含水量、降雨强度、坡角、坡面排水等因素对坡面径流的形成和坡体雨水入渗的影响。分析结果表明,耦合计算的结论在坡面径流、坡面入渗及坡体饱和-非饱和渗流等方面的规律均与理论分析计算结果一致。 此外,本文还编写了耦合计算的前后处理程序,实现了数据准备、计算、结果处理的一体化,大大提高了计算与分析的效率,为本方法的推广应用奠定了基础。