岩土二元介质水分运动与转化特征试验研究

利用自行设计的大型渗透仪,对2种不同风化岩体所构成的裂隙率已知的扰动组合岩土体,在天然降雨条件下的水量转化特征进行了试验研究。结果表明:(1)当降雨入渗到岩体风化层后,水分主要在裂隙网络中储存与运动,因此在进行风化岩体非饱和渗流计算时,应充分考虑岩块与裂隙填充物的不同,并按照两者的体积含水率和体积大小分别计算其水分含量。(2)裂隙岩体的风化程度对岩体渗流具有重要影响,强风化岩体的渗流最大洪峰流量与渗流总量均高于弱风化岩体,而渗流对降雨的响应慢,同时持续时间相对也短,说明在强风化的裂隙岩体中,水分不仅在裂隙网络中储存与运动,同时岩块的风化表层中也存在一定量的水分运动。(3)在岩土前期含水率较高的情况下,发生193.75mm的降雨,地下径流系数达到30%左右,高出地表径流系数10%左右,这说明地下径流是太行山区对山前平原补水的主要途径,因此加强太行山区降雨对地下水补给过程的研究对缓解华北平原地下水位的下降具有重要意义。     

非饱和黄土水分蒸发温度效应试验研究

为进一步掌握西北干旱地区非饱和黄土水分蒸发规律,进行不同环境温度下非饱和黄土水分室内模拟蒸发试验,探讨蒸发过程中土体含水率变化、温度对蒸发速率及累计蒸发量的影响。结果表明:随蒸发时间的延长,土体含水率日改变率逐渐减小;环境温度对土体含水率的影响与土体深度范围、蒸发时段均有关,相同的升温值导致土体含水率的变化量是不相等的,不同的温度范围内土体含水率敏感变化深度不同;环境温度与室温接近时,土体每天的蒸发速率随时间延长没有明显变化,但当环境温度高于室温一定值时,土体每天蒸发速率随时间呈递减状态;环境温度一定时,气候模拟箱自身的冷凝作用使得非饱和土体累计蒸发量随蒸发时长呈波动增加趋势。     

考虑水流温度影响的三维岩体裂隙网络非稳定渗流场数值分析

水流温度对裂隙岩体中渗流场分布规律的影响是岩体水力学研究的热点问题。在分析水流温度对裂隙水流影响机理的基础上,建立了考虑水流温度影响的岩体裂隙渗流场数学模型,采用有限元法对其进行数值求解。研究结果表明：考虑水流温度影响较不考虑水流温度影响的渗流场水头值普遍偏高;水流温度对渗透系数的影响在水流温度影响渗流场分布的过程中起主导作用;裂隙宽度越大,水流温度对裂隙渗流场的影响越明显。     

裂隙参数对岩体水流-传热温度影响的数值模拟分析

在岩体多场耦合中,裂隙岩体的温度场一直是国内外学者研究的热点问题。基于裂隙岩体概念模型,应用3DEC程序计算不同裂隙参数下岩体的温度场、裂隙出水口水温的变化特征。结果表明:裂隙相同进水温度对岩体温度场影响微弱,进水温度高的裂隙主导岩体温度场,裂隙进水温度对模型达到稳态所需要的时间影响较小;裂隙水流速度越大和开度越大,则岩体相同高度处温度越高;端裂隙水流速度的减小和开度的减小延长了模型达到稳态所需要的时间;由于两条端裂隙的边际效应,使其参数对岩体温度场起主导作用;裂隙水温、流速、开度对岩体温度场影响的大小排序为水温流速开度。     

增湿重塑非饱和黄土时水-热运移规律研究

为研究非饱和黄土中水蒸气的吸附与运移规律,采用水蒸气对非饱和黄土进行增湿,分析蒸汽压梯度、温度梯度和含水率梯度共同作用下非饱和黄土中水-热运移规律。研究结果表明:在非饱和黄土中,水蒸气和温度的扩散范围近似于一个椭球体。水蒸气在土体中运移时,蒸汽压力沿径向逐渐消散,蒸汽运移速率减缓,土体含水率和温度也逐步降低;当蒸汽气压为0.1 MPa,温度为145 ℃,通气6.5 h后,水蒸气最大增湿半径为80 cm,横向、纵向有效增湿半径分别为60和70 cm;在以通气点为圆心,横向40 cm,纵向50 cm的椭球体内,含水率在12%~17%间变化,接近土体的最优含水率17.08%,增湿效果较好;延长通气时间,增湿范围和增湿程度均将增大;水蒸气增湿时,液态水和气态水迁移共存,但在有效增湿范围内以气态水迁移为主。受到土颗粒的阻碍,沿径向水分运移速率逐渐减小,但温度传导系数在两阶段内接近一个定值。水蒸气增湿法作为土体增湿的新技术与新方法,具有诸多优点,在对土体增湿的工程实践和试验中有着广泛的应用前景。     

黄土中降雨入渗规律的现场监测研究

已有许多人工降雨试验确定的黄土入渗深度有限,一般很少超过4 m,由此认为降雨难以通过正常渗流途径到达地下水位,而是通过裂隙、落水洞等通道灌入深部补给地下水的。然而调查发现,这种入水通道仅在黄土塬边的卸荷区常见,塬的中部很少。为了了解黄土地区地表水是以何种方式补给地下水的,在甘肃正宁县建立了一个监测站,通过在一深度为10 m的探井井壁上埋设土壤水分计,对天然降雨入渗条件下不同深度黄土层的体积含水率变化情况进行了为期一年的连续监测,同时采用雨量计记录其间的日降雨量。结果表明:2 m以内的浅部土层,土壤水分具有周年的背景变化趋势,该趋势和蒸发量的变化趋势吻合。当日降雨量小于18 mm/d时,水分仅在表层循环,对地表以下(20 cm)的含水率几乎没有影响。当日降雨量大于18 mm/d时,才会引起土壤含水率骤增,降雨量越大,土壤含水率增幅越大,影响深度越大,随着深度增加,增幅减小,时间上渐有滞后。观测点黄土的浸润带约为2 m,2 m以下的非饱和黄土中,水分以非饱和渗流或水汽形式迁移,水汽迁移量很小,但不可忽视,当遇到透水性差的古土壤层时,会在其顶部富集,长期作用则可能形成软弱带,诱发黄土滑坡。     

地下岩体裂隙蠕变渗流耦合分析

震后断层区岩体裂隙的愈合对于地震水力响应研究具有重要的作用.为研究裂隙岩体愈合对深部断层区渗透率时空演化规律的影响,在离散裂隙网络耦合模型基础上加入裂隙蠕变效应,建立裂隙岩体流固耦合时空演化模型,并利用COMSOL Multiphysics对建立的耦合方程进行求解.结果表明:封堵之前,常规的耦合渗流达到稳定状态,由于具有完整的通道,任意时刻的流固耦合并不能改变流体的压力;随着封堵发生,在蠕变效应下,裂隙开度减小,单元体渗透率降低,流体压力增大.该研究成果为震后破裂带岩体的愈合机理及渗透率演化分析提供了理论依据.     

单轴压缩下不同裂隙张开度岩石破坏数值模拟

为了研究不同张开度裂隙岩体单轴压缩过程中的力学特性,以裂隙试样室内试验结果标定岩体细观参数,采用改进刚体弹簧元法对不同张开度裂隙试样压缩破坏过程进行数值模拟。结果表明:试件峰值强度随着裂隙张开度的增大表现出先增大后减小,最后维持稳定的规律;根据微裂纹起裂位置,将不同张开度裂隙岩体破坏模式总结为3类,并得出最终失稳破坏本质上都是由张拉所致的结论;随轴向应变增加,试件内部微裂纹的发育速度逐渐提高,但剪切裂纹数量远小于张拉裂纹;最后通过位移场演化规律从细观层面揭示了微裂纹开裂的力学机理。     

融雪条件下碎裂松动岩体边坡渗流及稳定分析

采用饱和-非饱和渗流理论,在考虑裂隙及融雪条件下,针对某电站碎裂松动岩体边坡进行不同融雪补给强度及时间下渗流的稳定分析,重点考察不同融雪强度及融雪时间对边坡饱和区影响规律,进而对边坡进行稳定分析。计算结果表明:①表层裂隙能明显增加融雪入渗效果,对边坡稳定不利;②入渗初期,碎裂岩体边坡中下部首先出现暂态饱和区,且随着入渗继续,饱和区不断扩大,上部尤为明显;③融雪入渗0～60 h整个过程中,边坡稳定安全系数呈先减小后增加的变化规律,最危险工况发生在第48 h,最小稳定安全系数为1.312,对应的融雪强度为100 mm/d;④融雪强度越大,水分入渗越多,坡内饱和区出现的时间越早,饱和区范围越大,对边坡稳定影响越大。研究成果较为合理地反映了融雪过程中及融雪停止后一段时间内碎裂岩体边坡渗流场变化规律,并定量评价了该过程碎裂岩体边坡稳定性,对碎裂岩体边坡治理对策具有一定参考价值。     

岩体单裂隙流固热化学耦合作用数值模拟研究

为全面研究渗流、应力、化学、温度影响下岩体裂隙的变化,建立了岩体单裂隙的流-固-热-化四场全耦合数学模型,并以Comsol Multiphysics软件为基础,将该数学模型转化为一个统一的偏微分方程组,实现了四场全耦合数值求解。该模型给出了更接近真实物理过程的数值解答,避免用松散耦合法求解多场耦合问题带来的误差。同时通过对两个实例的计算模拟,分析了在渗流、压应力、水化学溶蚀和温度等多因素耦合作用下,岩体单裂隙渗透特性的变化规律,得出了裂隙岩体渗透特性的影响机理和关键影响因素。     

浅层包气带土壤水昼夜分布变化规律模拟研究

西北干旱半干旱地区,浅层包气带含水率与地温等地下水文要素的分布特征对保护旱区表生生态环境起到至关重要的作用。以鄂尔多斯风沙滩地区原位土柱试验为基础,采用HYDRUS-1 D对一维入渗过程的水蒸汽变化、含水率和温度分布进行数值模拟并通过实测值进行验证。结果表明:温度梯度对浅层包气带土壤含水率昼夜变化及水蒸汽通量分布起到主控作用;日尺度剖面水蒸汽运动过程可分为3个阶段:阶段1(1:00-7:00),阶段2(8:00-16:00)及阶段3(17:00-23:00);当温度梯度方向向上,水蒸汽通量向上运动时,含水率变小,反之,含水率变大。利用HYDRUS模型分析水蒸汽的运动规律,揭示了土壤温度对土壤水分布的影响机制,为旱区蒸发过程及生态环境保护提供科学依据。     

溧水河乌刹桥段一次雨雾的数值模拟研究

应用WRF数值天气预报模式对溧水河乌刹桥段一次雨雾进行数值模拟,模拟时间为北京时间2007年12月05日20∶00至2007年12月06日20∶00,采用4层嵌套结构,最内层水平分辨率为1 km×1 km。模拟并分析了溧水河乌刹桥段的第二层嵌套范围的海平面气压场、风场、液态水含量、相对湿度等分布情况,并将溧水河乌刹桥位置的10m风速模拟值和能见度计算值分别与气象站实测值进行了对比分析。研究结果表明,应用WRF数值天气预报模式对这次溧水河乌刹桥段雨雾的风场、相对湿度、能见度等模拟效果较好,此次溧水河乌刹桥段雨雾的成因为处于低压槽及均压区,有利于水汽聚集,水汽易达到饱和;相对湿度大,在85%以上;微风,风速为2-4 m/s,有利于雾天气形成和维持。     

考虑岩体与裂隙水流热量交换作用的温度场有限元数值分析

裂隙岩体的温度场是岩体多场耦合中重要的研究内容之一,也是国内外研究的热点和难点问题之一。基于热传导方程的基础上,建立考虑岩体与裂隙水流热量交换作用的温度场数学模型,采用有限单元法进行了数值求解。研究结果表明:当岩块温度与水流温度存在温度差值时,二者之间会有一定的热量传递,并最终稳定于二者之间的某一温度。所建立的裂隙岩体温度场数学模型为裂隙岩体多场耦合分析奠定了一定的基础。     

基于示踪试验的多重裂隙网分级与渗透参数确定

裂隙岩体渗漏已经成为危害水库坝体和地下厂房的重要问题,由于裂隙岩体中存在不同规模的裂隙,因此研究裂隙网络中地下水流运动规律有助于解决地下工程的防渗问题。以某抽水蓄能电站为例,在上水库和地下厂房之间进行了现场示踪试验,根据试验结果对裂隙网络进行了多重分级,并计算了各分级裂隙网络的渗透参数。结果表明:各渗透参数基本随着裂隙网络级数的增加而减小,且各分级网络的渗漏量与导水系数成正比,同时室内试验结果也验证了这一规律的正确性。因此,多重裂隙网络的分级有助于确定裂隙岩体渗漏通道的规模,为裂隙岩体渗流的计算提供可靠的渗透参数,从而为地下工程的防渗提供依据。     

华北平原典型区域土壤凝结水观测及其影响因素研究

为查明华北平原典型区凝结水发生情况,采用称重法进行了土壤凝结水的初步观测,结果显示:每日14时至次日10时均可观测到凝结水的生成,研究区凝结水大部分来自于大气中的水分,极小部分来源于下层土壤,其主要凝结集中在表层0～5cm范围内,共占观测深度总凝结水量的50%左右。根据土壤凝结水形成的影响因素分析结果,较低的温度、较高的相对湿度和无风的条件有利于凝结水的生成。     

细土平原区包气带水分运移及与潜水转化关系的研究

以试验模拟剖面在不同潜水埋深条件下的负压观测资料为依据 ,用土壤水能量的观点 ,探讨了天山北麓细土平原区包气带水分的运移规律及其与潜水的转化关系。试验研究成果对农业生态环境、水盐运移、三水转化及区域水循环等均有重要意义。同时 ,对其它内陆干旱平原区包气带的研究也具有一定意义和参考价值     

考虑非饱和渗流的谷幅变形对高拱坝影响分析

蓄水初期谷幅变形对拱坝当前工作性态和长期安全状况的影响是坝工界和学术界面临的新课题。针对我国锦屏一级拱坝蓄水期间出现的谷幅收缩问题,基于非饱和渗流分析理论,采用非线性有限元数值分析方法,通过对裂隙岩体吸湿曲线进行敏感性分析,研究了非饱和渗流过程中的谷幅变形规律,并分析了谷幅变形对大坝位移和应力的影响。结果表明:在非饱和渗流场作用下,两岸边坡向河谷中心变形,且上游比下游的谷幅变形值大。随着水位的升高,谷幅变形值不断增大,当渗流场达到饱和时谷幅收缩值最大。在非饱和渗流过程中坝体位移和应力的分布规律基本保持不变,但随水位的升高坝体最大顺河向位移和最大主压应力略有减小,最大主拉应力略有增加。谷幅收缩对坝体产生挤压作用,导致坝体最大顺河向位移减小,最大主拉应力由坝踵向坝肩上游侧转移,下游面高压应力区向拱冠梁中部扩展,且饱和渗流场对拱坝位移和应力的影响比非饱和渗流场明显,但渗流场作用的谷幅变形对坝体位移和应力的改变有限,不会影响坝体的整体稳定性。