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工学硕士学位论文

强降雨下边坡地下水暂态渗流场
模拟途径研究

硕士研究生:黄满强

导师:凌贤长教授
申请学位:工学硕士
学科:岩土工程
所在单位:土木工程学院
答辩日期:2009 年 6 月
授予学位单位:哈尔滨工业大学
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Dissertation for the Master’s Degree in Engineering

GROUNDWATER TRANSIENT
SEEPAGE FIELD SIMULATION SUBJECTED TO
HEAVY RAINFALL

Candidate: Huang Manqiang
Supervisor: Prof. Ling Xianzhang
Academic Degree Applied for: Master of Engineering
Speciality: Geotechnical Engineering
Affiliation: School of Civil Engineering
Date of Defence: June, 2009
Degree-Conferring-Institution: Harbin Institute of Technology
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文
摘要
降雨诱发滑坡的机理,可根溯为降雨导致边坡体暂态渗流场的变化,进而引
起边坡系统基质吸力场、土体容重场及地下动水压力场的改变,从而影响边坡的
稳定性。对由降雨引起的边坡地下水暂态渗流场的模拟,在分析与评价边坡稳定
性及滑坡灾害的预测预防方面具有重要意义。目前,国内外对饱和-非饱和渗流
的相关理论和数值模拟的研究还不够深入,尤其在强降雨条件下,对水分的入渗
过程以及渗流场影响因素分析的研究还不够全面和系统。因此,开展强降雨下边
坡地下水暂态渗流场的数值模拟十分必要。
本文运用 Darcy 定律与质量守恒定律推导出饱和-非饱和渗流控制微分方程,
运用有限元法编程实现渗流场的数值解,从而建立起降雨条件下饱和-非饱和边
坡暂态渗流场的数值模拟途径。并模拟了强降雨下的水分入渗过程,对渗流场的
影响因素作了参数分析。主要内容如下:
(1) 利用 Fortran 语言在现有程序基础上修编出了饱和-非饱和渗流计算程序
SAT-UNSAT,通过典型的土柱模型和砂槽排水模型试验验证了程序的正确性、
可靠性;并利用自编程序优选土水特征曲线和渗透性函数参数,增强了模拟结果
的准确性;
(2) 运用 SAT-UNSAT 渗流程序,模拟了强降雨条件下的水分入渗过程,得出
雨水入渗的一般规律为:强降雨开始后,土表压力水头先增大并迅速增加到零,
地表出现暂态饱和区,随降雨时间的持续,饱和区不断扩大,湿润锋向土体下部
推移,当湿润锋达到地下水位时,雨水开始补给地下水位,使地下水位开始抬升,
且当地下水位较浅时,地下水位将溢出地表;
(3) 研究了降雨强度、降雨持时、渗透系数、地下水位、初始含水量、地表
积水和斜坡保护层入渗率七种典型因素对渗流场的影响,得出如下结论:降雨强
度、降雨持时、渗透系数是影响渗流场的三大因素,此三大因素越大,边坡体中
压力水头增加越大、入渗深度越深、含水量升高越高。地下水位越浅在雨后水位
越容易溢出地表。初始含水量越高和地表积水越深越利于雨水的入渗。斜坡保护
层能大大减低水分的入渗,保护层入渗率越低雨水入渗越弱。

关键词:暂态渗流场;饱和-非饱和;强降雨;土水特征曲线;渗透性函数;压
力水头

I
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文
Abstract
The mechanism of rainfall-induced landslides can be traced to the change of
the slope’s transient seepage field which caused by rainfall, it will effect the matric
suction field, soil bulk density field and underground dynamic water pressure field