径流条件下散粒体斜坡的颗粒冲刷启动机理

为研究地表径流对散粒体斜坡的冲刷侵蚀效应,根据斜坡坡面径流和坡内渗流特征建立散粒体斜坡径流-渗流耦合模型。该模型利用Navier-Stokes方程描述淹没区坡面径流,利用Brinkman-extended Darcy方程描述散粒体斜坡坡内渗流。径流区和渗流区的流体运动均满足连续性方程,且在交界面处的流体满足Neal和Nader提出的流速相等和剪应力连续双边界条件。采用Navier-Stokes方程和Brinkman-extended Darcy方程分别联立连续性方程推求出径流区和渗流区的流速分布。分析流速理论表达式可知,影响斜坡表部径流流速和坡体内部渗流流速的主要因素有斜坡坡度、径流水深、斜坡散粒体的孔隙率和渗透率,且流速随其增大而增大。为探究在径流条件下散粒体斜坡坡面颗粒的冲刷启动机理,引入Newton内摩擦定律求得径流区和渗流区交界面上的切应力,并对颗粒发生滑动和滚动两种情况分别进行受力分析,给出颗粒滑动和滚动两种运动方式相应的失稳判据。分析两种判据可知:1)颗粒发生滑动时,其抗滑稳定安全系数主要受散粒体斜坡坡度、颗粒的内摩擦角、颗粒半径、径流水深、散粒体斜坡孔隙率和渗透率的影响,随颗粒的内摩擦角、颗粒半径、散粒体斜坡孔隙率和渗透率的增大而增大,随散粒体斜坡坡度和径流水深的增大而减小;2)颗粒发生滚动与否主要取决于散粒体斜坡坡度、径流水深、颗粒半径、散粒体斜坡孔隙率和渗透率,且其值越大,颗粒越容易失稳。

考虑地表径流拖曳力效应多层边坡稳定性分析

为研究地表径流拖曳力对多层边坡稳定性的影响,建立了多层边坡渗流-径流耦合模型。采用NavierStokes方程描述地表径流,用Brinkman-extended Darcy方程描述土层渗流,径流区和渗流区的流体运动均满足连续性方程,且在交界面处的流体满足流速相等和切应力连续双边界条件。根据上述条件推求出径流区和渗流区的流速分布,并引入Newton内摩擦定律求出坡面径流拖曳力。利用刚体极限平衡理论对径流状态下多层边坡的稳定性进行分析,得出每层土的稳定系数。并结合工程实例讨论径流水深、边坡坡度和上下部土层厚度分别对上下部土层稳定系数的影响。结果表明,考虑地表径流拖曳力效应时,上部土体的安全系数下降了9.95%,下部土体的安全系数下降了4.99%。因此,在进行多层边坡稳定性分析与计算中,应考虑地表径流拖曳力作用。

含贯通裂缝的软弱夹层受水力冲刷破坏的水深研究

为研究水流对含贯通裂缝软弱夹层的冲刷效应,对含贯通裂缝的软弱夹层建立了无限延伸的径流-渗流耦合水力冲刷模型。该模型用Navier-Stokes方程描述裂缝通道中的裂缝水流,用Brinkman-extended Darcy方程描述软弱夹层中岩土体渗流,然后根据不同介质交界面处流速相等及剪应力连续的边界条件来推求各个介质中的流速分布。根据土颗粒起动破坏时的流速与土颗粒受力的数学关系,推导出裂缝底部土颗粒起动时的临界起动速度;考虑底部土颗粒受水流冲刷时的摩阻效应,结合径流-渗流耦合水力冲刷模型,得出裂缝通道底部的土颗粒受水流冲刷破坏时的临界水深。分析表明,临界水深随着颗粒的重度和颗粒间的黏聚力的增大而增大,随着裂缝通道的坡度、岩土体的孔隙率和渗透率的增大而减小。