降雨条件下一维土柱垂直入渗模型试验研究及其渗透系数求解

 为研究降雨条件下一维土柱的入渗规律及求解非饱和土体的渗透系数,开发一套模拟降雨条件下一维土柱垂直入渗模型试验装置,对非饱和重塑黄土土柱做了4组不同降雨强度下的一维垂直入渗试验,得到不同降雨强度下垂直土柱的入渗率时程曲线、浸润峰深度时程曲线及监测点体积含水率的变化规律;提出计算非饱和土体渗透系数的新方法,并结合试验结果,得到试验土样非饱和渗透系数与基质吸力的关系曲线。结果表明：(1) 降雨强度对垂直土柱的入渗影响较大,当降雨强度小于土柱最小入渗能力时,入渗率等于降雨强度;当降雨强度大于土柱最小入渗能力时,入渗率时程曲线呈无压入渗、有压入渗和饱和入渗3阶段变化。(2) 不同降雨强度下,土柱出现积水点和饱和点的历时不同,降雨强度越大出现积水点和饱和点的时间越短,有压入渗阶段越长。(3) 在同一降雨强度下,监测点距土柱上表面越远,其体积含水率时程曲线越密集;而同一监测点,降雨强度越大,其体积含水率时程曲线越稀疏。(4) 非饱和重塑黄土渗透系数随基质吸力的增大而减小,且渗透系数的对数与基质吸力呈线性变化。     

砂质黏性紫色土渗透特性试验研究

土的渗透特性反映土体透水能力,是土壤水蚀模型的重要参数和评估水土流失效应的重要指标。利用多功能三轴仪对重庆地区典型砂质黏性紫色土进行模拟自然界下不同降雨强度和不同覆土深度处的渗透试验,分别研究了渗透压、围压及覆土压力等因素对土体渗透特性的影响规律。结果表明:试验范围内的不同渗透压下砂质黏性紫色土的渗透系数处于相同数量级;围压对土体的渗透系数有显著的影响,但随着围压逐渐增大,土体渗水能力的降低梯度逐渐减小;覆土压力增加,土体的渗透系数减少,相同状态下围压越小,覆土压力对土体渗透系数的影响效果越明显;随着覆土深度的增加,砂质黏性紫色土的渗透系数迅速降低。研究可为地基处理、滑坡机理分析及水土流失防治设计等提供参考。     

基于Mein-aLarson模型的非饱和锐利浸润锋模型

降雨入渗模型在渗流理论、地质灾害评价等方面具有重要的理论意义及工程应用价值。基于饱和入渗的Mein-Larson模型及李宁等学者提出的非饱和入渗模型,利用非饱和土的Van Genuchten水土特性及渗透系数模型,提出了简化的非饱和锐利浸润锋模型,用以分析均匀含水率土体及含水率随深度变化的土体,其含水率、浸润深度、吸力等随雨强、降雨持时的变化。通过3种模型在不同工况下与有限元模拟结果进行对比,验证了本文提出的模型能更好的描述黄土中的非饱和水分迁移。     

基于Mein–Larson模型的非饱和锐利浸润锋模型

降雨入渗模型在渗流理论、地质灾害评价等方面具有重要的理论意义及工程应用价值。基于饱和入渗的Mein–Larson模型及李宁等学者提出的非饱和入渗模型,利用非饱和土的Van Genuchten水土特性及渗透系数模型,提出了简化的非饱和锐利浸润锋模型,用以分析均匀含水率土体及含水率随深度变化的土体,其含水率、浸润深度、吸力等随雨强、降雨持时的变化。通过3种模型在不同工况下与有限元模拟结果进行对比,验证了本文提出的模型能更好的描述黄土中的非饱和水分迁移。     

考虑土体非饱和特性的无限长斜坡降雨入渗解析解

由降雨诱发的残积土滑坡在亚热带和热带地区非常普遍,产生此类滑坡的主要原因是雨水入渗使斜坡内非饱和土体的负孔隙水压力降低导致了土体抗剪强度的减小。基于二维非饱和渗流控制方程,采用指数函数描述非饱和土体的土水特征曲线及其渗透系数随含水率(或负孔隙水压力)的变化,建立了降雨入渗条件下无限长斜坡内水分运移模型,在合理简化的基础上给出了模型的解析解。通过与成熟的有限元数值模拟软件计算结果的比较与分析,证明该解析解稳定可靠。由该解析解获得的负孔隙水压力剖面可用于评估降雨入渗对非饱和土斜坡稳定性的影响。     

降雨强度对黄土边坡入渗性能影响的研究

降雨入渗使得非饱和土边坡内含水量增大,进而令土的抗剪强度降低,这是降雨诱发浅层边坡失稳的重要原因之一。通过有限元方法计算三种不同降雨强度下边坡内瞬态渗流场分析降雨入渗性能,数值计算结果表明：在历时3 h降雨以内,大于或等于土体饱和渗透性能的雨强条件下湿润锋深度相差不大,但饱和度明显不同;雨强越大,边界瞬时入渗量越大,稳定入渗量越大;在降雨期间,雨水不会以饱和入渗速度入渗,而是随时间呈非线性变化。     

考虑地表变流量的非饱和土渗流耦合的解析分析

基于含水率和渗透系数是孔隙水压力的指数函数假设,通过 Fourier 积分变换,获取了降雨入渗过程中一维非饱和土渗流–变形耦合的解析解,该解能考虑地表降雨强度的变化。当降雨强度小于土体的入渗能力时,地表边界受流量控制;降雨强度逐渐增加,超过土体的入渗能力,地表边界为孔隙水压力。该解不仅能考虑地表变流量的边界,还可以分析压力边界条件,另外适用于任意的初始条件。算例计算结果表明,耦合对渗流产生影响;当渗流达到稳定时,非饱和土变形–渗流的耦合效应消失。     

考虑潜蚀影响的降雨入渗边坡稳定性分析

在降雨入渗作用下土坡内细颗粒会随渗流发生运移产生潜蚀作用。通过联立颗粒运移方程与非饱和土渗流方程,结合非饱和土水力特性方程和土体潜蚀本构关系,建立了渗流潜蚀耦合的边坡稳定性分析模型。采用有限元方法模拟了降雨入渗作用下潜蚀和入渗的相互作用,分析了初始饱和渗透系数、进气值参数对入渗和边坡稳定性的影响。结果表明：潜蚀主要发生在湿润锋范围内浅层土体,潜蚀加速了湿润锋下行速度,进一步降低边坡稳定性;饱和渗透系数、进气值是影响渗流潜蚀作用的主要因素;当降雨入渗强度大于饱和渗透系数时,饱和渗透系数越大,潜蚀对入渗和边坡稳定性的影响越显著;进气值越小,潜蚀作用对入渗和边坡稳定性的影响越显著。     

水-力耦合作用下干燥和湿润砂质黄土渗透特性试验研究

为探讨干燥和湿润砂质黄土在水-力耦合作用下的非饱和渗透特性,研制考虑水-力耦合效应的非饱和土渗透系数测量试验装置.针对不同初始含水率的干燥土柱和湿润土柱,采用湿润锋前进法开展一系列一维土柱渗流试验,得到水-力耦合作用下湿润锋、渗透系数与竖向变形的变化规律,并结合扫描电镜试验,揭示其微观机理.结果表明:①随入渗时间增大,...     

非饱和黏土的一维电渗排水解析理论

采用饱和土的电渗固结理论通常会高估非饱和状态下土体的电渗排水能力。基于流体质量守恒原理、Darcy定律以及电渗流方程,采用指数函数描述土水特征曲线及水力渗透系数与电渗透系数和吸力间的关系,建立非饱和黏土的一维电渗排水控制方程,推导孔隙水压力、体积含水率及排水量的解析方法,并开展试验验证。在此基础上,分析饱和电渗透系数与水力渗透系数比值(k_e/k_s)、减饱和系数(α)以及残余体积含水率(θ_r)对非饱和黏土电渗排水特性的影响。结果表明,电渗排水量随着饱和电渗透系数与水力渗透系数的比值以及减饱和系数的增大而增大,且均呈非线性关系;土体持水性对非饱和土体的电渗排水性状影响显著。所提出的解析解可为非饱和黏土的电渗排水设计及效果评价提供参考。     

干密度对黄土渗透系数的影响

非饱和渗透系数是研究非饱和土入渗规律的重要参数,同时也是研究边坡失稳和地基浸湿变形的重要基础。本文采用变水头法测量原状黄土和重塑黄土饱和渗透系数,基于ChildsCollis-Geroge模型,结合土水特征曲线和饱和渗透系数,详细探讨了原状黄土、不同干密度非饱和重塑黄土体积含水率与渗透系数的关系和规律。结果表明,原状黄土的饱和渗透系数远小于重塑样,重塑土样饱和渗透系数随着干密度的增大而减小;黄土非饱和渗透系数减小趋势随着干密度增大而减小,但在残余含水率附近,不同干密度下试样的渗透性基本相同。     

黄河下游堤防非饱和土边坡稳定性分析

利用应力应变控制式非饱和土三轴仪进行了室内非饱和土的渗透试验和强度试验，并得出了非饱和土的渗透参数和强度参数。针对黄河下游堤防这一典型的非饱和土边坡，采用有限单元法系统地分析了堤防非饱和土边坡在降雨和洪水作用下的非饱和渗流场特征；在此基础上应用非饱和土坡的刚体极限平衡理论中的普通条分法对堤防边坡稳定性受非饱和渗流场变化影响的大小进行了分析与计算。结果表明，对黄河下游堤防的非饱和土边坡在降雨和洪水条件下的分析研究具有实际意义。     

卡尔曼滤波与土壤水数值模型耦合推求渗透系数

本文采用非饱和土壤水数值模拟结合卡尔曼滤波实时校正技术推求饱和渗透系数,根据饱和渗透系数在强降雨期、无雨或小降雨期的变化,发现在强降雨期土壤中形成自由水后农田作物根系等大孔隙显著增大饱和渗透系数现象。以田间持水量作为控制条件,提出强降雨期采用土壤基质和大孔隙介质等效饱和渗透系数,可以有效地提高土壤水运动数值模拟的精度。本文选择安徽省五道沟水文实验站1997～1998年逐日土壤水含水率观测资料,进行参数率定,分析强降雨期大孔隙对分层土壤含水率计算的影响程度,采用1999～2000年土壤含水率观测资料,进行模型验证。结果表明,在有降雨及土壤含水率观测资料地区,采用该方法可以有效地推求大孔隙介质渗透系数及土壤基质和大孔隙介质等效渗透系数。     

考虑蒸发影响的非饱和土坡渗流分析

运用分形模型理论预测了粘土、粉土与砂土的土-水特征曲线与导水系数曲线。讨论了大气降雨-蒸发作用对非饱和渗流场的变化规律。在大气蒸发作用下,粘土边坡表层土体的负孔压逐渐增大。随着降雨入渗,粘土边坡坡脚处的土体首先达到饱和状态,并出现正孔隙水压。在降雨过程中,粉土边坡与砂土边坡的坡脚处,难以形成正孔隙水压。粘土边坡的实际降雨入渗量较小,且与土体的初始含水量、降雨类型、土体的导水系数等因素有关。非饱和土的实际蒸发量不等于其饱和状态时的土体蒸发能力。当土体达到饱和状态时,两值相等。实际蒸发量与潜在蒸发量的比值是土体表层基质吸力的函数。     

非饱和砂土坡面降雨非正交入渗试验与数值模拟研究

传统降雨入渗分析仅以降雨强度在坡面上的正交分量作为边界条件,不符合实际降雨非正交入渗规律。为了研究非饱和砂土的非正交入渗规律性,采用自行研制的室内降雨试验装置对非饱和砂土坡面进行了一系列不同降雨强度、坡角和孔隙比的降雨入渗试验,并对应地进行了正交入渗条件下的数值模拟。测量了入渗率、出渗速率及砂土储水增量随时间变化的关系曲线,分析了雨强、坡角和孔隙比对试验结果的影响。试验结果显示各试验中均无坡面径流现象,与正交入渗边界理论差异显著。通过分析非饱和砂土在传统坡面降雨正交入渗边界条件下的入渗率、出渗速率及砂土储水增量等数值模拟结果与对应的降雨入渗试验结果的差异,证明按正交入渗边界理论计算得到的砂土坡面土体含水率、入渗能力及坡面边界条件转化的判别机制均与实际情况不符。     

净平均应力对非饱和重塑黄土渗水系数的影响

为了研究净平均应力对非饱和重塑黄土渗水系数的影响,本文借助考虑净平均应力影响的广义土水特征曲线,应用间接方法预估渗水系数。对重塑黄土试样进行了四个控制净平均应力为常数而基质吸力逐步增大的三轴收缩试验。采用Van Genuchten模型对试验获取的土–水特征曲线进行拟合,通过拟合的连续曲线预测了不同净平均应力下非饱和重塑黄土的渗水系数。结果表明:净平均应力对土–水特征曲线的影响有明显规律,同一基质吸力下,净平均应力越大,试样的体积含水率越小,在一定吸力范围内,体积含水率与取对数基质吸力的关系曲线近似呈直线;渗水系数随基质吸力的增大而减小,同一基质吸力下,净平均应力越大渗水系数越小,较低净平均应力下基质吸力与取对数渗水系数的关系曲线近似呈直线,随着净平均应力的增加,关系曲线变为明显的折线。所得的成果为预测黄土地区高填方的增湿变形、降雨入渗下的边坡稳定性评价等方面提供了科学依据。