[发明专利]一种基于降雨入渗的边坡稳定性数值模拟方法

权利要求书

1.一种基于降雨入渗的边坡稳定性数值模拟方法，其特征在于，包括步骤：

步骤1，确定边坡岩土体的土水特征曲线、渗透系数曲线以及有效抗剪强度参数c’，和所述土水特征曲线、渗透系数曲线提供给步骤2；所述有效抗剪强度参数提供给步骤5；

步骤2，利用Geo-Studio软件中的SEEP/W模块搭建边坡模型，并对边坡模型进行网格划分；提供给步骤3；

步骤3，在SEEP/W模块中对边坡模型进行初始水力边界条件赋值并运行，获得边坡的初始稳态渗流场；提供给步骤4；

步骤4，基于SEEP/W模块的计算结果，获取边坡模型的初始稳态渗流场，并在SEEP/W模块中搭建瞬态渗流边坡模型；提供给步骤5；

步骤5，修改瞬态渗流边坡模型边界条件，在边坡模型表面施加降雨并运行，获取边坡不同降雨时刻的瞬态渗流场；提供给步骤6；

步骤6，将不同降雨时刻的瞬态渗流场耦合至SLOPE/W模块，计算不同降雨时刻的边坡安全系数，评价降雨条件下边坡稳定性。

2.根据权利要求1所述的一种基于降雨入渗的边坡稳定性数值模拟方法，其特征在于，步骤1中，所述的土水特征曲线采用Fredlund-Xing体积含水率函数拟合所得，Fredlund-Xing体积含水率函数表达式为：

其中，θ_w为体积含水率；θ_s为饱和含水率；为修正系数；ψ为基质吸力；a、n和m为拟合参数，a为进气值函数的土性参数，主要取决于孔隙的尺寸，土颗粒粒径和孔隙尺寸越大，则a值越小；n为当基质吸力超过土的进气值时，土中流出率函数的土性参数，与土体的孔径分布相关，n值越小，反映土体的孔径分布越均匀；m为残余含水量函数的土性参数，与土水特征曲线的整体对称性相关；e为自然对数；为土体基质吸力；为残余含水率所对应的基质吸力。

3.根据权利要求1所述的一种基于降雨入渗的边坡稳定性数值模拟方法，其特征在于，步骤1中，所述的渗透系数曲线是基于Fredlund渗透系数模型估算所得，Fredlund渗透系数函数模型控制方程为：

其中，k_w为负的孔隙水压力对应的渗透系数，k_s为饱和渗透系数，y代表虚拟变量，i为j到N之间的数值间距，j为最小负孔隙水压力，N为最大负孔隙水压力，对应于第j步的负孔隙水压力，θ₀为方程的起始值。

4.根据权利要求1所述的一种基于降雨入渗的边坡稳定性数值模拟方法，其特征在于，步骤1中，所述的有效抗剪强度参数采用Fredlund等提出的非饱和土的抗剪强度公式拟合所得，其表达式为：

其中，τ为非饱和土体抗剪强度；c’为非饱和土体有效粘聚力；为非饱和土体有效内摩擦角；σ_n-σ_a为静法向应力；σ_n为总的法向应力；u_a-u_w为基质吸力；u_a为孔隙气压力；u_w为孔隙水压力；为基质吸力对抗剪强度的贡献所对应的摩擦角，通常会随着基质吸力的增大而减小。

5.根据权利要求1所述的一种基于降雨入渗的边坡稳定性数值模拟方法，其特征在于，步骤2中的有限元边坡模型坡面以下5m内的网格尺寸为0.5m，其余部分网格尺寸为1.0m。

6.根据权利要求1所述的一种基于降雨入渗的边坡稳定性数值模拟方法，其特征在于，步骤3中的非饱和土质边坡二维瞬态渗流控制性方程为：

式中：m_w²为土-水特征曲线的斜率；γ_m为水的重度；h_w为总水头；t为降雨时间；k_wx、k_wy为x和y方向的渗透系数；Q为施加的边界流量。

7.根据权利要求1所述的一种基于降雨入渗的边坡稳定性数值模拟方法，其特征在于，步骤3中的有限元边坡模型坡面处的边界条件赋为允许最大负孔压边界，其孔压值为-25kPa。