汶川地震灾区松散土石混合体的降雨入渗的耦合作用和滞后效应研究

汶川地震震后灾区堆积了大量松散土石混合体。这类土石混合体是一类有别于岩体与土体的复杂地质介质，其分布范围广、危害大，直接威胁着灾后重建。基于震后灾区松散土石混合体的现场调查、室内试验，运用非饱和土力学等理论、采用解析和数值方法对土石混合体的降雨入渗的耦合效应与滞后性进行研究。该研究将有助于推动我国非饱和土力学以及环境地质灾害学的发展，也对震后灾区滑坡渗流及稳定分析具有理论意义与工程价值。在了解松散土石混合体基本特征的基础上，分析蒸发和降雨渗流特点以及水力滞后性质，研究降雨条件下土石混合体渗流-应力-变形的多场耦合作用。基于干湿循环的土水特征曲线试验，建立其滞后性的数学模型。采用解析和数值方法对降雨入渗的偏微分方程（组）求解，了解模型参数的影响，揭示耦合作用与滞后性对饱和-非饱和土石混合体中暂态孔隙水压力分布的作用规律。结合工程，将研究成果应用于灾区土石混合体边坡的稳定性分析和渗流评价。

对汶川灾区松散土石混合体的现场调查、室内试验和降雨模拟试验，运用非饱和土力学等理论、采用解析和数值方法对土石混合体的降雨入渗的耦合效应与滞后性进行研究。由流体质量守恒，Darcy 定律和非饱和土本构模型可获得非饱和土渗流-变形耦合方程。采用Gardner 的非饱和土的渗透系数公式，以及Boltzman 模型，将非线性的耦合方程转化为线性方程，然后基于Laplace变换和傅立叶积分变换得到耦合方程的解析解。建立了考虑水土特征曲线滞后特性的一维渗流控制方程。通过双层土边坡模型进行人工降雨实验，对坡体含水率和孔隙水压力进行监测。稳定渗流时坡体含水率不仅和深度有关系，而且也与土体物理性质有关。这与均质性的坡体的稳定渗流状态明显不同。瞬态孔隙水分布的解析解表明，渗流和变形耦合是具有时间效应的。与吸力变化相关的土的模量对成层土的孔隙水压力分布有明显影响。两层土的与吸力变化相关的土的模量差异越大，孔隙水压力消散得越慢，耦合效应越不显著。增大表层土与吸力变化相关的土的模量有利于降低耦合效应。耦合效应对非饱和土降雨入渗的影响是非常明显，尤其对于细粒非饱和土。q/ks（降雨强度与饱和时渗透系数的比值）对孔隙水压力分布产生重要的影响。降雨入渗过程中润湿区和干燥区的界面受到很多因素的影响，滞后性质是影响非饱和土孔隙水压力分布的一个非常重要的因素。同时对重力势对入渗开展了研究。该解不仅能考虑此类变流量的边界，还可以分析压力水头边界条件。对一维垂直和水平方向的瞬态渗流的分析表明：当地表为水头边界时，重力对非饱和渗流几乎没有影响。当地表被流量控制时，重力势减缓非饱和土的渗流。重力对非饱和土渗流的影响取决于边界条件。采用Flex PDE软件对该非饱和土的渗流-渗流耦合控制方程组进行求解分析。该方法突破了解析法对非饱和土导水系数函数的特殊限定，适用于任意的土-水特征曲线表达式；还可考虑到饱和时的渗透系数以及孔隙率是变量。分析表明，饱和状态时的渗透系数是变量，其变化对非饱和土降雨入渗产生影响，也影响到稳态流的分布。