基于多相流及多场耦合的降雨诱发滑坡机理研究

Landslide hazards frequently occur in many places of China .Many geologic hazards of landslide show rainfall is one of the main factors which induce landslide and debris flow. Based on multiphase flow and coupled thermo-hydro-mechanical theories and methods, this research focuses on the processes of rainfall infiltration and deformation of landslides in Three Gorges region. This proposal aims to get some regulars of rainfall infiltration and deformation of landslides when coupled thermo-hydro-mechanical processes and multiphase flow are simultaneously considered, and further reveal the mechanism of landslides induced by rainfall through experiments and numerical simulations. A new coupled thermo-hydro-mechanical model and its numerical solution method will be developed for simulating the process of rainfall infiltration, runoff and deformation of landslides. The project is expected to be of assistance in theory and methodology of landslide prevention. The results of the research will have an important theoretical impact on multiphase flow and thermo-hydro-mechanical processes, and will consequently play an important role in the engineering of landslide prevention.

我国是滑坡地质灾害多发的国家，大量的滑坡实例表明，降雨是触发滑坡、泥石流等地质灾害的主要诱因。本项目基于多相（固相、液相、气相）流及多场(应力场、渗流场、温度场)耦合的理论和方法，以三峡库区降雨诱发型滑坡为研究对象，以降雨入渗及滑坡体变形失稳过程为研究主线，通过进行降雨入渗及坡体失稳演化过程的理论、试验和数值模拟研究，揭示三相（土骨架、液态水、气）联合作用下的降雨入渗规律以及考虑三场（应力、渗流、温度）耦合效应的坡体变形失稳规律，进而探讨降雨诱发滑坡的物理力学机理，提出描述坡面径流、坡体渗流及边坡变形失稳过程的多场耦合数学模型及其数值求解方法，为降雨型滑坡的防治提供理论和分析方法支撑，研究成果具有重要的理论意义和广阔的工程应用前景。

降雨是触发滑坡、泥石流等地质灾害的主要诱因。本课题基于多相流及多场耦合理论和方法，通过理论推导、试验研究及数值分析等手段对降雨触发滑坡机理展开了研究，主要内容包括：①边坡降雨入渗及应力变形分析的理论模型及其数值求解方法。研究坡面径流的方程描述方法，构建了基于多相流的坡面径流与坡体非饱和渗流耦合的降雨入渗数学模型；推导建立了包含应力、渗流、温度耦合的滑坡应力变形分析的控制微分方程；研究坡面径流与坡体水气两相流耦合的数值求解策略；基于有限单元法，发展、改进了适于多相、多场耦合问题求解的非线性偏微分方程数值求解技术及方法。②土体非饱和渗透特性及力学特性研究。以三峡库区滑坡常见的红壤土为研究对象，通过试验测试的方法研究温度、密实度、饱和度等与土体水、气相对渗透性和基质吸力的相关关系，进而结合理论推导和数值回归方法，建立了包含温度、孔隙率及饱和度等多因素在内的土水特征关系模型；通过非饱和三轴剪切试验，研究了土体饱和度、孔隙率对其抗剪强度、变形特性的影响规律。③降雨入渗规律及其诱发滑坡的力学机理研究。通过室内和野外降雨入渗试验，研究了坡面产流条件、降雨入渗规律和坡体内孔隙水气压的变化规律；采用基于水气两相流的有限元分析方法，研究了初始含水量、气温变化、边界条件、降雨强度等因素对降雨入渗强度和坡体水气流动的影响，剖析降雨入渗过程中的水气耦合作用机理；结合三峡库区降雨型滑坡，进行了多相多场耦合的降雨诱发滑坡应力变形数值模型分析，研究了气温变化、初始及边界条件、降雨特征及水气耦合效应等因素在降雨触发滑坡中的作用；剖析了水、气、热等因素在降雨触发滑坡中的耦合作用机理，发现了降雨入渗过程中的水气耦合传力机制。本研究的相关成果，可为降雨型滑坡的防治提供理论和方法支撑。