[发明专利]基于斜坡径流与渗流耦合的雾化雨边坡入渗模拟方法

说明书

本发明为基于斜坡径流与渗流耦合的雾化雨边坡入渗模拟方法，属于水利工程渗流领域，包括以下步骤：1)从试验方法得到斜坡上对应于高程的雾化雨雨强连续分布形态；2)采用一维运动波模型作为斜坡径流方程构建描述雾化雨作用于边坡的坡面径流，利用Manning‑Strickler公式表述斜坡径流流速；3)采用饱和—非饱和渗流方程描述雾化雨入渗斜坡内地下水渗流；4)对斜坡上水流流速、水头采用统一边界条件耦合斜坡上径流场和斜坡内渗流场；5)采用Galerkin有限元法实现数值求解模拟雾化雨影响岸坡时的边坡渗流和坡面径流过程。本发明的有益效果在于：1)提出了一种新的入渗模拟方法；2)该方法可以模拟斜坡径流与渗流耦合的雾化雨变坡入渗过程。

技术领域

本发明涉及一种雾化雨边坡入渗模拟方法，具体而言是一种基于斜坡径流与渗流耦合的雾化雨边坡入渗模拟方法，属于水利工程防护领域。

背景技术

近年来，随着我国能源战略的实施，水利事业得以巨大发展，我国建立了一大批高坝和超高坝，随之挑流泄洪所伴随的雾化现象，得到广泛的关注。其中泄洪雾化雨边坡稳定问题较为突出，由于降雨强度及其影响范围相当大，与常规的自然降雨相比对水利枢纽附属建筑物与下游岸坡所造成的威胁与破坏要大得多，因此，泄洪雾化作为环境问题也开始受到来自社会方面的极大关注。

泄洪雾化雨具有雨强大、历时长、冲刷能力及渗流能力强等特点。

泄洪雾化形成的强降雨，一方面直接冲蚀下游岸坡，另一方面侵入岩体，增加岩体的滑动力，诱发滑坡。雾化雨的水流冲刷和入渗形成的渗流是影响边坡稳定性导致边坡失稳的最主要和最普遍的环境因素。雾化雨入渗使得边坡地下水位和孔隙水压力升高，在边坡体内形成暂态饱和区及暂态水压力，降低岩石或土体的抗剪强度，其实质是导致边坡非饱和区基质吸力降低，进而导致边坡稳定性的降低。目前关于泄洪雾化区渗流机制的研究还有待进一步深入，需深入掌握岩土体非饱和区渗流场的定量变化规律，对包含不同强度雾化雨及其随机变化的入渗过程的饱和非饱和渗流计算进行了深入研究。

目前主要是建立在雾化雨水流地表水疏排、雾化雨入渗下饱和非饱和渗流计算及直观观察经验基础上的防排水设计和施工，需要对泄洪雾化特征下地下水贮存、渗流与边坡工程的相互影响及雾化区雨雾入渗在边坡工程结构中渗流规律进行深入研究，以满足科学合理地进行泄洪雾化区边坡防排水(特别是坡面坡脚结构内部防排水)设计和地下水地表水联合影响下边坡稳定评价及保护设计的要求。

综上所述，现有的雾化雨入渗研究存在以下问题:

(1)雾化雨雨强分布非连续性分布，与工程实践存在偏差，如概化大强度则对边坡防护设计费时费财，而概化强度小，则偏于不安全。

(2)雾化雨强度大，斜坡径流冲刷影响大，且对入渗有较大影响，只考虑径流或只考虑雾化雨入渗渗流都存在与实际不符，还存在不安全因素。

因此，解决斜坡径流冲刷和坡内渗流反映实际雾化雨对岸坡影响机制难题，研发基于斜坡径流与渗流耦合的雾化雨岸坡入渗研究方法对于泄洪雾化雨对岸坡稳定的影响与防护具有重要意义和价值。

发明内容

本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种基于斜坡径流与渗流耦合的雾化雨边坡入渗模拟方法。为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

1)从试验方法得到斜坡上对应于高程的雾化雨雨强连续分布形态；2)采用一维运动波模型作为斜坡径流方程构建描述雾化雨作用于边坡的坡面径流，利用Manning-Strickler公式表述斜坡径流流速；3)采用饱和—非饱和渗流方程描述雾化雨入渗斜坡内地下水渗流；4)对斜坡上水流流速、水头采用统一边界条件耦合斜坡上径流场和斜坡内渗流场；5)采用Galerkin有限元法实现数值求解模拟雾化雨影响岸坡时的边坡渗流和坡面径流过程。

上述的：1)从试验方法得到斜坡上对应于高程的雾化雨雨强连续分布形态是指：采用降雨测量装置测得研究区域对应高程的雾化雨雨强，并建立雨强与高程之间的关系；