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降雨条件下饱和—非饱和土径流渗流耦合数值模拟研究

张培文  
【摘要】: 滑坡的稳定性由内在因素和外在因素所决定,内在因素是边坡本身所固有的,外界因素主要包括地震、降雨、开挖等。进年来,由于降雨导致的边坡的失稳越来越频繁。因此对于降雨条件下坡面水运动的研究无论在理论上还是在工程应用上,都具有十分重要的意义。 阐述了非饱和土中水流动的基本规律和土水特征曲线。由于土水特征曲线具有滞后的特点,提出了根据初始含水量来确定数值模拟初始时步非饱和土的渗透系数。 编制了基于Richards控制方程的饱和-非饱和渗流有限元分析程序,一些算例证明了本程序的正确性。改进了传统流量的计算方法,使得计算精度明显提高。 分析了降雨条件下地表水入渗的过程,提出了降雨条件下非饱和渗流的二维数学模型及边界条件。一些计算算例说明降雨条件下非饱和渗流的基本规律。 编制了基于Saint-venant控制方程的坡面径流的有限元分析程序,利用解析解和试验数据证明了程序的正确性。 根据非饱和土上水的转化机理,编制了降雨条件下地表水入渗和产流耦合的计算程序,并根据土-水特征曲线,提出了判断地表饱和的条件,根据此条件,加速了收敛速度,节省了CPU的时间。给出了降雨条件下水的入渗的实际过程。 利用降雨条件下地表水入渗和产流耦合的计算程序,分析了降雨强度、初始含水量、饱和渗透系数、孔隙率以及饱和渗透系数比对非饱和土入渗和产流过程的影响,进一步证明了传统理论的正确性。 利用降雨条件下地表水入渗和产流耦合的计算程序,模拟了小降雨强度和大雨强度对地下水位变化的影响,并用数值计算给出了地表排水沟对地下水变化的影响不是很显著的结论。


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