改进的斜坡降雨入渗与坡面径流耦合算法研究

大气降雨时坡面径流与非饱和入渗的耦合计算,是降雨诱发滑坡及水土流失等研究中的重大问题之一。从坡面径流和降雨入渗控制方程着手,建立了基于有限元方法的耦合方程求解模型,实现了耦合问题的直接求解。该耦合计算模型与求解方法避免了坡面径流和降雨入渗间的迭代计算,也不需计算两者间的流量交换,较大程度地提高了计算效率和计算精度。算例表明,该方法正确可行,计算效率高,稳定性好。     

现行坡面汇流理论的检验与分析

一、概述坡面汇流是研究坡面上水体运动的规律,亦即坡面水深、流速、调蓄的过程。这是小流域雨洪计算中的一个重要问题,曾引起很多研究者的重视,并都用过理论推导,即大家所熟知的连续方程或水量平衡方程与动力方程,结合资料来求解坡面水深过程和坡面流速的问题。这次,我们通过沈寿长同志主持设计组装的“自动调节人工降雨概化汇流试验模型”试验资料分析,初步得出坡面的蓄积和出流过程。由于我们只有250‰和50‰两种坡度的试验资料,山坡末端的任一时刻的流速未曾测试,山坡水深的测量精度也不高。因此,本文仅检验目前几种“坡面汇流计算方法”的差异和精度。关于坡面汇流水深计算以及如何确定     

降雨条件下坡面径流和入渗耦合的数值模拟

降雨条件下坡面径流和降雨入渗的模拟互为条件,必须采用耦合分析的方法才能较好地解决这一问题。从坡面径流和降雨入渗控制方程着手,建立了用有限元方法求解该问题的耦合方程,并编制了相应的计算程序。为了加快迭代收敛的速度,还对地表饱和的判断提出了一种近似处理的方法。算例表明,所提出的方法可行,能较好地反映实际现象。该方法可为边（滑）坡稳定、水土流失、山地洪水分析等提供计算依据。     

输沙能力模式在坡面非恒定输沙过程中的应用

在坡面土壤侵蚀输沙计算中,可选用的输沙能力模式较多,但这些模式多运用于恒定输沙,在非恒定输沙中运用不多。建立了坡面土壤侵蚀非恒定输沙数学模型,模型中的输沙能力运用水流切应力、水流功率、单位水流功率3种模式,对模型过程采用有限差分格式离散求解。根据实测水沙资料进行模型参数率定,运用3种输沙能力模式于不同降雨强度、不同坡度的非恒定坡面输沙过程中。结果表明:在坡面非恒定输沙计算中,不同输沙能力模式对计算结果有明显影响,在降雨强度较小时,单位水流功率模式结果较其他两个模式为好,而在雨强较大时,切应力模式计算结果较好。     

流域产沙模型的研究

由坡面泥沙颗粒的动力平衡条件,推导出坡面上细颗粒泥沙的起动切应力,由坡面径流的剩余输沙能力,导得坡面径流的侵蚀量计算公式,与文献[4]的雨滴溅蚀量计算公式一起,构成了概念清楚、过程明确、结构完整的流域产沙模型。产沙量取决于水流挟沙能力与可供沙量的对比关系,若水流挟沙能力小于供沙量,则产沙量等于水流挟沙能力;反之,水流将进一步冲刷表土,形成径流侵蚀,产沙量就等于供沙量与径流侵蚀量之和。据此,可计算出坡面和流域产沙量。模型在岔巴沟流域上应用,结果令人满意。     

黄土地区小流域产沙概念性模拟研究

把流域产沙概化为坡面产沙和沟道产沙两种机制。根据坡面产沙机制特点和物理概念,提出了坡面产沙等于坡面水流挟沙能力与坡面土壤抗侵蚀能力之差的概念性模拟。把拜格诺的河道水流悬移质泥沙公式简化为简单概念的沟道产沙公式。经在黄土高原第一副区8个小流域的产沙模拟检验,初步证明,提出的模型概念合理,模拟效果好,适合于黄土高原第一副区小流域的产沙计算。     

由降雨侵蚀引起的山坡面水土流失的研究进展

20世纪末，坡面降雨水土流失的研究日益深入。经验性模型是根据实际资料应用统计相关的方法建立起来的，其结构简单，使用方便。物理过程模拟模型试图对流域内发生的侵蚀产沙过程进行概化和近似，并用数学方程描述流域上侵蚀产沙的主要物理过程，再用比较严格的数值解法计算水沙运动过程，同时人们对侵蚀机理的研究也得到了深入发展。     

分布式降雨径流物理模型的建立和应用

根据流域降雨径流的主要过程,考虑流域气象及下垫面要素的空间异质性,建立了具有物理基础的分布式降雨径流模型。模型将流域离散为栅格计算单元,并按水流特性分栅格单元为坡面单元和河网单元。在坡面单元上主要计算降雨、下渗、坡面流、壤中流等水文过程,而河网单元则主要计算河道汇流过程。模型利用空间权重插值方法将雨量站点的降雨量插值到各个计算单元,采用运动波方程来计算坡面流,将壤中流概化为垂向流和侧向流,分别用Green-Ampt公式和运动波方程来模拟,河道汇流也采用运动波方程。模型结构简单、参数的物理意义明确,大多数参数可利用DEM、土壤类型图、植被类型图直接获取,少数敏感参数通过率定确定。模型在浙江省甬江上游黄土岭流域和皎口流域进行了应用和检验,其结果令人满意。     

黄土丘陵区堆积体边坡对上方来水的侵蚀响应

为探明上方来水类型对工程堆积体高陡边坡下部冲刷侵蚀的定量影响,以神府高速公路沿线典型工程堆积体陡坡坡面(36°)为例,设计4种上方来水类型,通过野外放水冲刷试验分析了不同上方来水类型下堆积体坡面的径流侵蚀输沙过程.结果表明:①上方来水类型对堆积体坡面下部的产流影响较小,却干扰了坡面侵蚀产沙过程,造成土壤流失量增加;②径流深、单宽径流侵蚀力和水流功率均可以较好地预测堆积体边坡下部输沙模数的变化;③单宽径流侵蚀功率可以作为表征坡面尺度次径流事件中径流侵蚀力变化的指标.研究结果可为工程堆积体土壤侵蚀强度评价、侵蚀模型建立及新增水土流失防治提供参考.     

坡地氮磷流失过程模拟

根据农田坡面氮、磷流失的主要过程,建立了基于次降雨事件的坡面氮、磷迁移模型。模型采用改进的Green-Ampt方程和运动波方程计算下渗与坡面流,土壤侵蚀采用修改的欧洲土壤侵蚀模型计算,用考虑了侵蚀影响与扩散作用的迁移模型计算坡面氮、磷迁移过程,采用一维对流扩散方程计算氮、磷在土壤中的迁移过程。利用室内人工降雨资料对模型进行了率定及验证。结果表明,模型可以较好地模拟地表径流中氮、磷浓度,率定期与验证期模型效率系数均在0.89以上。根据坡地氮、磷流失机理,分析了降雨强度与地表坡度对坡面径流中氮、磷浓度的影响。     

土质陡坡降雨侵蚀的数学模型及求解方法

建立了土质陡坡降雨侵蚀的数学模型,模型包括陡坡细沟间坡面流控制方程、变沟宽陡坡细沟流控制方程、陡坡细沟间坡面侵蚀泥沙连续方程及陡坡变沟宽细沟侵蚀泥沙连续方程。通过紊流冲击分布概率确定土壤剥蚀方程,确定了泥沙源/汇项的表达形式及细沟高程与宽度的表达式。通过有限元和有限差分相结合的方法求解该数学模型,利用有限单元法对数学模型的水动力方程、运动方程及泥沙连续方程进行空间上的离散,利用有限差分法解决时间域的问题,得出了顺序求解的数值计算公式及模型数值求解的具体方法和步骤。     

黄土边坡降雨冲刷模型试验研究

针对边坡表层受降雨冲刷易引发水土流失并导致滑坡灾害的难题, 以黄土边坡为例, 提出了一种基于减排水理念的生态固坡综合防护方法。采用自主研制的边坡降雨模拟实验装置, 考虑不同改良剂掺量、格构防护形式、雨强、历时、坡比等因素对防护效果的影响, 研究不同因素组合影响下的边坡土体侵蚀规律与演化机理。试验结果表明, 黄土边坡坡面侵蚀可归纳为溅蚀、片蚀、沟蚀、坍塌、滑坡的过程; 随改良剂掺量增加, 改良边坡抗侵蚀能力增强, 综合考虑提出改良剂的最优掺量为3‰; 与素土边坡相比, 3‰改良剂改良边坡受雨强的影响较小; 随降雨历时增加, 改良剂改良效果越明显; 改良剂、框格梁以及两者的综合利用, 均能有效提高边坡抗雨水冲刷与侵蚀能力; 边坡坡度增大至一定程度, 坡体受降雨侵蚀易突然发生整体滑塌, 需进行重点关注; 改良剂主要通过絮凝作用使土颗粒之间镶嵌黏结更紧密, 从而提高黄土的持水性和抗蚀性。     

膨胀土堑坡雨水入渗速率的影响因素与相关性分析

从土体初始含水率和降雨强度2个影响因素出发,通过现场试验分析了膨胀土堑坡雨水入渗速率的变化特性。试验结果表明,对于膨胀土堑坡,一定雨强连续的降雨才能使水分持续有效的入渗;土体含水率的变化主要取决于降雨的历时,而不是降雨强度。雨水入渗过程中,随着土体初始含水率的降低,坡面侵蚀程度有所降低。降雨强度较小时,雨水对坡面侵蚀不大;随着降雨强度的增加,坡面侵蚀逐渐加剧,但侵蚀程度逐渐收敛。植被的存在会改善土体的渗透性,同时也将大大降低雨水对坡面的侵蚀。     

黄土陡坡降雨冲刷试验及其三维颗粒流流-固耦合模拟

针对坡角为70°的黄土边坡,进行2.7 mm/min降雨强度下的室内坡面冲刷试验。根据边坡冲刷破坏的过程特征,将边坡侵蚀方式演变过程归纳为试验初期的片蚀、中期的细沟侵蚀、到后期的切沟侵蚀和坍塌。试验中坡顶处侵蚀强度大于其他部位,当坡面形成上下贯通的切沟之后,水流开始掏蚀沟槽底部土体,随着冲刷的持续,切沟两侧土体强度降低,坡顶土体发生坍塌。以此为基础利用三维颗粒流软件PFC3D对边坡降雨冲刷过程进行流-固耦合模拟,在模拟颗粒大变形的同时得到颗粒运动轨迹、孔隙率、流体单元内流速等重要参数,这些参数的定量变化过程反映了降雨过程中边坡遭受侵蚀程度及水流侵蚀能力的分布规律:坡顶处侵蚀最为强烈、水流侵蚀能力最强,且两者随高度降低呈减小趋势,与室内试验结果一致。     

辽西黄土陡坡的冲刷破坏机制

以70°辽西黄土陡坡为例,在降雨强度为2.7 mm/min条件下对边坡坡面冲刷破坏特征进行了室内物理试验模拟。试验发现：随着降雨的持续坡面水流能量不断增加,致使侵蚀强度增强;边坡的侵蚀方式从试验初期的片蚀,到中期的细沟侵蚀,最后演化为坡顶部的切沟侵蚀和坍塌。基于试验成果,采用SEEP/W程序对降雨条件下边坡降雨入渗规律进行数值模拟,发现在降雨过程中坡顶部所产生的水头压力最大,随高度降低呈减小趋势;运用PFC2D颗粒流软件从微观角度对坡体土颗粒运动情况进行模拟,结果发现位于坡顶的颗粒最先被径流冲刷带走,且下落速度很快。经对比表明：数值模拟结果和物理模拟试验现象基本一致,可为进一步研究黄土边坡冲刷破坏规律提供参考。     

黄土坡面侵蚀产沙时空演变的REE示踪技术研究

室内交叉布设不同的稀土氧化物,通过人工模拟次降雨,在同一试验条件下,对坡面侵蚀沿顺坡方向和深度方向的演变过程同时展开研究。结果表明:REE示踪技术对定量研究土壤侵蚀具有较高的精度;降雨前期,片蚀与细沟侵蚀发育程度基本相当;后期细沟侵蚀占据坡面侵蚀的主导地位,其侵蚀平均加速度和平均侵蚀率分别是片蚀的15倍、9倍;试验结束,细沟侵蚀占据坡面总侵蚀的90%;本试验条件下,坡面下1/3区域为侵蚀活跃带。     

Research on the stabilization treatment of clay slope topsoil by organic polymer soil stabilizer

The topsoil of clayey slope is easy to erosion because it is weak in its strength, water stability and erosion resistance. A new organic polymer soil stabilizer, which was developed for the stabilization treatment of clay slope topsoil and was named as STW, was introduced in this study. In order to understand the effect of STW on the stabilization of clayey soil, laboratory tests on the unconfined compressive strength, shear strength, water stability and erosion resistance of untreated and treated soil specimens are performed, The results indicated that STW soil stabilizer can significantly increased the unconfined compression strength, shear strength, water stability and erosion resistance of clayey soil. The unconfined compression strength increased with the increasing of curing time and the variation mainly occurs in the first 24-hour. With the addition amounts of STW increasing, the strength, water stability and erosion resistance increased at the curing time being 48 h, but in the case of friction angle, no major change was observed. Based on the scanning electron microscopy (SEM) analysis of the stabilized soil, the stabilization mechanisms of STW soil stabilizer in the clayey soil were discussed. Finally, a field test of the stabilization treatment of clay slope topsoil with STW was carried out, and the results indicated that the STW soil stabilizer on the stabilization treatment of clay slope topsoil is effective for improving the erosion resistance of slope topsoil, reducing the soil loss and protecting the vegetation growth. Therefore, this technique is worth popularizing for the topsoil protection of clay slope.     

降雨冲刷对黄土公路边坡植物防护影响的试验研究

通过对裸露黄土公路边坡、厚层基材植草公路边坡、三维网植草公路边坡以及平台植树公路边坡的现场降雨冲刷试验,阐述了不同防护型式的公路黄土边坡在降雨条件下的坡面径流、含泥量以及坡面冲刷情况,得出了降雨对边坡坡面的侵蚀过程,首先是从雨滴直接打击土体开始,进而引起溅蚀,分散土粒,紧接着发生超渗径流造成坡面冲刷。以及对坡面破坏最大的是坡顶上方来水等重要结论。验证了坡面植物防护以及平台植树等防护方法可以有效降低降雨冲刷对坡面的侵蚀破坏,为黄土地区公路边坡植物防护的设计施工以提供了可靠的依据。     

九寨沟震后核心景区崩滑堆积体冲刷启动机制研究

2017年九寨沟震后核心景区广泛发育崩滑堆积体,震后3年间受降雨影响下坡面泥石流频发,严重威胁景区恢复重建。为了研究坡面径流冲刷对崩滑堆积体启动的影响,基于2017－2020年的持续跟踪调查与高分辨率遥感影像解译,利用现场冲刷试验及原位监测,分析了径流冲刷条件下堆积体的渗流响应特征、侵蚀运移过程及冲刷启动机制。结果表明：（1）冲刷过程中坡面物质以下蚀、面蚀、溯源侵蚀及侧蚀为主,湿润锋下移致使坡体内体积含水率与孔隙水压力增大,达到峰值后处于动态稳定状态,而基质吸力则先小幅度波动后不断减小。（2）崩滑堆积体具有坡度陡、土体孔隙间细粒含量多、渗透性良好且抗冲刷能力弱等特征,在强烈的水动力条件下启动演化过程为先期渗透→铲刮滑流→快速堆积→局部饱和侵蚀?稳定。（3）不同饱和状态下堆积体启动的力学分析与现场试验监测结果较为一致,并结合冲刷试验成果认为,土体含水率升高、孔隙水压力急剧增大、基质吸力快速减小与高强度径流冲刷是堆积体启动之机制所在。该研究结果对于震后泥石流活动的长期效应预测与生态治理具有重要意义。