基于水气两相流理论的强降雨时道路黄土边坡稳定性研究

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我国幅员辽阔地质情况复杂,中西部地区大多为高原、山岭、丘陵地带,在道路修建过程中必然涉及道路边坡工程。边坡的稳定与否直接决定了道路能否安全运营,因此道路边坡的稳定性研究是十分重要的课题。降雨是导致道路边坡失稳的重要因素,众多研究者聚焦于此,探讨降雨与边坡稳定性的关系。目前相关研究已经有很多,但是大多忽略了孔隙气体的影响。当降雨强度较大时,忽略气体影响可能会高估入渗到边坡内部的雨水总量,进而低估边坡的稳定性不利于后续的边坡治理,造成人力、物力、财力的浪费。考虑孔隙气对于入渗的影响,能够更加准确的分析边坡入渗情况,更好的与实际情况贴近。基于入渗结果计算出的边坡安全系数也更加准确,为边坡治理提供可靠信息。此论文以水气两相流理论为基础,Geostudio软件为研究手段,通过对比分析单相模型和双相模型的黄土边坡入渗及稳定性情况评价孔隙气影响。首先明确了强降雨的定义,其次对孔隙气开始影响入渗所对应的时刻进行探讨,之后对比分析了不同降雨强度下单相模型和双相模型中黄土边坡稳定性的变化情况。接着研究了孔隙气影响下土壤水力特性参数变化对边坡稳定性的影响。最后选取西北地区一道路黄土边坡,对比分析了该边坡在强降雨工况下的稳定性。主要工作及结论如下:
  (1)明确了强降雨的定义。将大于及等于土体饱和度0.9所对应渗透系数的降雨强度定义为强降雨。当降雨强度符合强降雨这一定义时,必须考虑孔隙气体对入渗的影响。此外在强降雨条件下,孔隙气的阻渗作用并非随着降雨的开始而开始,而是当黄土边坡表层达到较高饱和度时才开始体现。研究发现土体降雨强度越大、初始饱和度越高,孔隙气的阻渗作用体现的越早。
  (2)对比分析了不同强降雨条件下黄土边坡稳定性变化。单相模型中,随着降雨强度的增加,边坡安全系数的下降幅度随之增加。双相模型中,随着降雨强度的增加,边坡安全系数的下降幅度明显小于单相模型。这是由于孔隙气的阻渗作用削弱了降雨强度对稳定性的影响所致。
  (3)研究了孔隙气影响下进气值α、饱和体积含水量θs、残余体积含水量θr、饱和渗透系数Ks取值变化时的黄土边坡入渗及稳定性变化情况。结果表明单相模型中随着α、θr、Ks取值的增加,θs取值的减小,雨水入渗深度越深,边坡稳定性下降幅度越大。在双相模型中也呈现相同规律,但下降幅度明显小于单相模型。这主要是由于孔隙气对雨水的阻渗作用导致。
  (4)以西北地区一黄土道路边坡为例,对比分析了单相和双相模型在极端降雨工况下的边坡稳定性。在孔隙气体的影响下,降雨结束后双相模型中边坡安全系数明显大于单相模型,表明在强降雨条件下孔隙气有利于边坡稳定性。
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