斜坡降雨入渗在Flac中模拟_刘俊新.pdf

2009 年 9 月第 29 卷第 3 期 四川地质学报 Vol.29 No.3 Sep，2009 斜坡降雨入渗在 Flac 中模拟 1 1 2 刘俊新 ，刘育田 ，甘建军 (1.西南科技大学土木与建筑学院，绵阳 621010；2. 成都理工大学，成都 610059) 摘要：为了简化分析，在模拟斜坡降雨入渗暂态渗流时，通常没有考虑入渗和产流的耦合过程，通过施加 流量边界或零水头边界进行地下水渗流计算，通过在 FALC 中利用内嵌的 fish 语言，考虑地表径流和地下渗流 的耦合以及雨向影响下斜坡降雨入渗过程，并通过算例分析了考虑和不考虑耦合、对斜坡孔隙水压力分布以及 考虑各种雨向作用下对坡面积水深度的影响。 关键词：地表径流；暂态渗流；降雨入渗；产流；孔隙水压力 中图分类号：TU43 文献标识码：A 文章编号：1006-0995（2009）03-0316-04 天然坡地降雨产生地表径流主要有两种基本形式[1] ：一是降雨强度超过地表入渗能力，形成所谓的超 渗地表径流，为“超渗”产流模式；另外一种是在久雨之后，斜坡表层非饱和带达到饱和形成所谓的饱 和地表径流，为“蓄满”产流模式。岩土工程问题中遇到超渗地表径流的情况较多。降雨在边坡中的入 渗过程一般来说分为两个阶段，一是完全入渗；另一个是地表产流形成后的有压入渗。在进行斜坡降雨 入渗分析时，通常对地表径流做简化处理，即假定地表产流瞬间完全排走，地表积水深度为零[2~3] ，可通 过简化边界条件，考虑降雨对边坡入渗的影响。显然，上述分析方法没能较全面反映降雨入渗和产流过 程。准确地估计地表径流量，并考虑积水深度对入渗的影响，将有助于准确估算入渗量和边坡内孔隙水 压力场的变化，从而正确分析边坡稳定性、指导边坡防护。 1 地表径流与地下渗流耦合作用模型 1.1 地表水流动模型 1871 年，圣维南提出著名的明渠非恒定流基本方程，该方程适用于坡度很缓的河道和渠道等，但忽 视了 SaintVenant 方程仅适用于缓坡(一般3°)的条件。Kenlegan(1944), Ven (1970)和 Emmelt 等人考虑了降 雨动能对坡面流(动量方程)的影响，但因形式复杂和其它缺陷，没有得到更多的应用。吴长文（1994)推导 出了既适合缓坡，又适合于陡坡，既适合于裸地，又适合于有植被坡面流的基本方程式(1)： 式中，α 、β 、I 为坡角、雨向（与竖直方向的夹角，逆时为正）和降雨雨强； C(t) 、f (x.t) 为植 被截留降雨强度和土壤入渗率，其它符号同前。 C(t) 可近似表示为： C （t ）= （C -C ）exp （-kt ）……（2） m n 其中 Cm 、 C0 、k 分别为截流容量、初始持水量和衰减系数。 为了考虑坡度、雨向对坡面径流的 影响，采用如下坡面微分方程（3）式： 对于动量方程工程上可以采用谢才公式或者曼宁公式[4]代替，由坡面上单宽流量 g u × h ，则 坡面流的控制方程可用下述运动波模型描述： 收稿日期：2009-07-02 基金项目：西南科技大学博士基金(08zx7103) 作者简介：刘俊新（1976-），男，江西安福人，副教授，主要从事路堤边坡稳定性分析 316 斜坡降雨入渗在 Flac 中模拟 式中 n [5]为坡面粗糙度系数；其它符号同前。 1.2 地下水渗流模型 饱和-非饱和地下水渗流可以用 Richards 控制方程[6]来描述，以总水头 H 为变量的二维 Richards 控