堆积体内部裂隙对降雨入渗的影响

降雨条件下滑坡体稳定性与裂隙诱发入渗密切相关。为了探究裂隙发育对堆积体降雨入渗的影响,以澜沧江某巨型堆积体坡表发育的裂隙现象为出发点,设计了均质堆积体和主-次裂隙堆积体2种模型。通过室内物理模拟试验及数值分析,并结合土体中的含水率、基质吸力、湿润锋迁移速度及深度的变化趋势可得出以下结论:裂隙型堆积体在降雨1 h和观测23 h的整个时间段内,其湿润锋迁移变化趋势可归纳为入渗加速→峰值→入渗减速→趋向于0;裂隙的存在为雨水入渗提供了有利的通道,雨水可到达土体深部,形成暂态饱和区,随降雨结束又逐渐消散;降雨在裂隙型发育的堆积体中的入渗过程可分为4个阶段,即前期完全入渗、裂隙下方强烈入渗、补偿加速入渗及水平侧渗。研究结果可为后续滑坡复活机理和稳定性评价提供参考。     

粗、巨颗粒富集位置对堆积体降雨入渗的影响

针对某堆积体局部粗、巨颗粒于坡中、坡脚不同发育位置富集现象展开室内降雨模型试验,通过孔隙水压力、基质吸力、体积含水率及湿润锋迁移形态的变化情况,探讨粗、巨颗粒于堆积体坡中、坡脚位置局部富集在降雨入渗过程中的差异性影响。研究表明:（1）坡中（A组）、坡脚（B组）局部粗、巨颗粒富集导致的架空现象致使降雨过程中形成雨水优势入渗通道,富集区下方的入渗速率明显快于周围均质土体;（2）B组堆积体右侧入渗速率比A组堆积体更快,而左侧入渗速率不及A组堆积体;（3）B组堆积体的整体渗流特性更强,其湿润锋运移率先触底,比A组堆积体提前72 h;（4）A组堆积体湿润锋迁移形态先期中部呈平缓凹形下渗,较B组右侧凹形下渗范围更宽;后期均呈平滑弧形入渗,而B组堆积体浸润面积较A组更小。（5）A、B组堆积体降雨入渗可划分为竖向入渗阶段和侧向入渗阶段,但存在明显差异,A组堆积体竖向入渗快于侧渗,而B组堆积体竖向入渗慢于侧渗。     

X、Y状裂隙对堆积体降雨入渗的差异性影响研究

针对某古滑坡堆积体中典型的X、Y状裂隙开展室内物理模拟试验,研究体积含水率、孔隙水压力、基质吸力及湿润锋运移形态的变化,探讨X、Y状裂隙在降雨入渗过程中的差异性影响。结果表明,X、Y状裂隙在降雨入渗中形成明显的雨水优势流效应,隙底的暂态饱和区促使同期入渗速率比周围均质土体更快; X状裂隙在堆积体的中上部入渗速度快于Y状裂隙,而在底部入渗速度不及Y状裂隙,且Y状裂隙堆积体渗流特性变化程度更高;X、Y状裂隙降雨入渗可划分为强烈入渗阶段和稳定入渗阶段,但存在显著差异:X状裂隙下渗次于侧渗,Y状裂隙下渗强于侧渗。     

发育两类夹层堆积体的降雨入渗试验研究

为研究不同组分夹层对降雨入渗的影响及堆积体内部雨水的运移差异与分布特征，以四川汉源九襄地区深厚堆积体为例，对其内部发育的黏土夹层和碎块石夹层展开现场调查，通过设计两类夹层的两组室内降雨试验，监测堆积体内含水率、基质吸力、孔隙水压和湿润锋的迁移变化，研究两类夹层对降雨在堆积体中入渗过程的影响。结果表明：（1）由于夹层颗粒组分不同，最终导致夹层的渗透性、湿润锋迁移形态、入渗速率及整个堆积体浸透时间等存在显著差异；（2）两组夹层试验中雨水入渗差异显著，碎石组的下渗作用强于侧向扩散，夹层处的下渗速率明显快于两侧，而黏土组的侧向扩散强于下渗，夹层处下渗速度趋近于零，明显小于两侧；（3）黏土组坡脚孔压出现累积性增长，而碎石组孔压消散迅速，且水分主要分布在堆积体更深处，故黏土夹层堆积体整体稳定性低于碎石夹层堆积体。研究结果可为后续降雨对发育软弱夹层边坡稳定性的影响分析提供参考。     

持续降雨入渗对黄土边坡稳定性的影响

为探索黄土边坡在持续降雨条件下的入渗规律及其对边坡稳定性的影响,采集陕北治沟造地工程中开挖边坡的土样,在室内模拟土体垂直方向一维降雨积水入渗过程,观测分析土体含水率的变化和湿润锋运移特征,研究含水率变化对边坡土体抗剪强度的影响。根据降雨积水入渗试验得到的不同时刻土体饱和区分布情况,结合饱和区土体重度、黏聚力、内摩擦角的具体数值,采用FLAC3D岩土工程数值计算软件分析了持续降雨条件下边坡的安全稳定性以及潜在滑动面的变化情况。研究结果表明:在降雨积水入渗条件下,浅层土体中湿润锋运移速度较快,随着深度增大,湿润锋运移速度逐渐减缓;当湿润锋到达时,不同深度土体含水率均呈现先陡升再趋于平缓上升的变化规律,土体的饱和度可达到80%。降雨入渗使土体的抗剪强度显著降低,随着降雨历时的增加,边坡土体中的饱和区域增大,土体局部的剪切变形增大,进而局部发生塑性变形逐步扩展形成剪切带,从而导致滑坡。因此,黄土边坡应设置排水措施,避免降雨入渗引发滑坡等自然灾害。     

考虑倾角的土质边坡Green-Ampt改进入渗模型

针对传统Green-Ampt入渗模型忽略坡角和土体非饱和区对边坡降雨入渗的影响这一情况,利用倾角对土体入渗势能梯度进行修正,并将入渗时边坡土体按含水率划分为饱和层、过渡层和未湿润层,建立考虑倾角的土质边坡分层假定入渗模型,推导边坡降雨入渗深度与降雨历时的关系,并通过入渗实例将新模型与传统模型进行比较。研究结果表明:分层假定模型预测的坡面产流时间及湿润锋深度与降雨历时的关系较传统Green-Ampt入渗模型（简称为GA模型）更接近实测值;自由入渗阶段,分层假定模型的湿润锋扩展深度与GA模型一致,但入渗速率低于GA模型;积水入渗阶段,分层假定模型的湿润锋扩展深度及入渗速率均大于GA模型,湿润锋扩展深度的差值随着降雨历时的增大逐渐增大,而入渗速率差值的变化呈相反趋势。根据新模型,分析了倾角和雨强对边坡降雨入渗的影响,发现随着边坡倾角的增大或雨强的减小,雨水入渗到坡体内相同深度所需的降雨历时增加,这种现象在倾角大于60°或雨强小于20 mm/h时尤为明显。     

间歇性降雨作用下含碎石夹层堆积体水气运移规律

我国西南地区广泛分布有第四纪堆积体,针对堆积体内部碎石土层状分布的现象,设计了含碎石夹层堆积体降雨物理模型。并考虑了水气两相共同作用,通过有限元数值模拟进行了验证分析,深入探究含碎石夹层堆积体在间歇性降雨条件下的水气两相运移规律。结果表明：孔隙气压力的存在会阻缓降雨入渗,间歇降雨过程中首场降雨期间坡体内孔隙气压力最低,下渗速度最快;每场降雨结束后,土体内部经历暂态饱和区向非饱和区补给的土体饱和度再分布过程,后续降雨湿润锋的推进存在一定滞后性;孔隙气压力在降雨结束后并不会及时消散,其峰值的到来迟于降雨过程,且随着降雨场次的增加,峰值到得越晚;碎石夹层为孔隙气的排出提供了优势通道,相对于均质堆积体,含碎石夹层堆积体内部孔隙气压力消散时间早、速度快,一定程度上促进了雨水入渗。     

降雨类型对粉土边坡渗流及稳定性的影响

为研究不同降雨类型下雨强峰值位置和出现次数对边坡渗流及稳定性的影响,以粉土边坡为例,采用Geo-studio对6种不同雨型下边坡土体体积含水率、孔压及湿润锋入渗深度的变化规律进行研究,探讨雨强峰值位置和出现次数对边坡稳定性的影响。结果表明,雨强峰值出现越早或出现次数越少,湿润锋入渗深度越深;雨强峰值出现越早或出现次数越多,边坡稳定性越差;前峰雨是所有雨型中最危险的雨型。     

基于改进Mein-Larson降雨入渗模型的黄土边坡稳定性分析

【目的】降雨是诱发浅层边坡滑动的主要因素，为了使降雨入渗过程更加接近实际，【方法】在传统的Mein-Larson降雨入渗模型基础上，考虑土体初始含水率非均匀分布，以含水率分布函数对传统Mein-Larson降雨入渗模型进行了改进并验证了改进模型的有效性。分别将传统Mein-Larson降雨入渗模型和改进的入渗模型与非饱和无限长边坡稳定分析方法结合，建立考虑边坡倾角、土体初始含水率和降雨形式的降雨诱发型边坡稳定性问题计算模型并对边坡安全系数计算，最后将计算结果与有限元数值模拟结果对比分析。【结果】结果表明：含水率分布函数计算值接近试验值，当参数A取0.375时，拟合优度达到0.995。采用改进的入渗模型计算出的各时段湿润锋深度与传统入渗模型接近，但是湿润锋比传统入渗模型早7.7 h到达地下水位线。【结论】基于改进的降雨入渗模型的边坡稳定计算模型计算的边坡安全系数与有限元数值模拟结果接近，相比于基于传统Mein-Larson降雨入渗模型的边坡稳定计算模型计算结果更精确，接近工程实际，可为降雨诱发型边坡稳定分析提供参考。     

考虑土体非饱和特性的斜坡降雨入渗模型及边坡稳定性分析

降雨入渗是诱发滑坡的关键因素,研究斜坡降雨入渗规律对于滑坡的预测与防范具有重要意义。传统的Green-Ampt模型及改进的Green-Ampt模型均假定入渗过程为均匀饱和入渗,忽略了入渗过程中湿润锋锋面上方非饱和区的存在。针对这一不足,首先,基于达西定律分析斜坡内基质吸力的分布规律;然后,结合非饱和土VG模型得到了斜坡内湿润区含水量沿深度变化的函数关系;最后,基于改进的Green-Ampt模型推导了考虑土体非饱和特性的斜坡降雨入渗模型,并将其引入到无限斜坡稳定性分析当中。研究结果表明:与数值解和现有模型相比,考虑土体非饱和特性的降雨入渗模型能更加准确地反映降雨入渗的过程,基于改进模型计算的稳定性系数较好地揭示了恒定降雨强度下斜坡稳定性的变化规律,证明了该方法的正确性和适用性。     

Soil Surface Roughness Effects on Infiltration Process of a Cultivated Slopes on the Loess Plateau of China

Infiltration is the only way water enters soil on the cultivated slopes of the China’s Loess Plateau, so infiltration plays an important role in conserving soil moisture. The objective of this study was to investigate how a soil wetting front created by simulated rainfall migrated in soil with different types of surface roughness. The three types of soil surface treatments studied included surfaces of smooth, medium rough and rough soil. The results showed that, 1) compared with a smooth surface texture, medium rough and rough surface textures have a higher infiltration capacity; 2) the infiltration rate gradually decreases as the wetting front deepens and the rate tends stabilize over time. This change could be described by a logarithmic function; 3) at the early stage of rainfall, the wetting front of medium rough and rough surface textures varied greatly, while the variability of the wetting front decreases markedly after the infiltration rate stabilizes; 4) with increasing depth of the wetting front, the similarity between the wetting front and soil surface profile decreased significantly for the medium rough and rough surface textures. These results indicate that the process of infiltration on cultivated slopes on the Loess Plateau changed from a non-uniform pattern to a uniform pattern as time passed during a rainfall event. Overall, soils with rougher soil surfaces experienced a larger effect of roughness on the process of infiltration.     

考虑降雨入渗条件的植被边坡稳定性评价

为了研究降雨对植被边坡稳定性的影响,利用改进的Green-Ampt模型,在考虑植被水力作用和饱和区径流基础上,推导出了降雨入渗条件下植被边坡的湿润锋深度计算公式,并采用极限平衡法计算出了植被边坡不同潜在滑动面上的抗滑稳定安全系数,对多层非饱和土植被边坡稳定性进行分析评价。结果表明:考虑植被水力影响和饱和区径流的多层非饱和土植被边坡的入渗模型,更加实用,可更加准确地对降雨作用下植被边坡进行稳定性评价;湿润锋深度随着降雨的持续时间增加而增大,浸润锋经过土层交界处时出现突变现象,根系粉质砂土层的湿润锋深度增幅小于粉质砂土层的湿润锋深度增幅的1.5%~11.8%;4个潜在滑动面处的抗滑稳定安全系数在降雨早期随着降雨持续时间的增加而逐渐减小;粉质砂根土复合层的抗滑稳定安全系数比粉质砂土层的抗滑稳定安全系数提高了12.3%~35.5%;根土层与土层交界面处不易发生失稳破坏,而土层与土层交界面处的抗滑稳定安全系数会出现急剧变化,易发生失稳破坏。     

基于降雨入渗全过程的非饱和湿润峰模型

对降雨入渗过程进行研究有助于充分发挥土壤的蓄水能力,减缓城市管网的泄洪压力。为更真实地反映入渗过程中土壤的含水率分布情况,将降雨入渗过程进行分段,确定各阶段土壤含水率分布函数,提出了修正的非饱和湿润峰模型。同时,结合达西定律,引入土体非饱和参数,得到均匀土体在不同降雨强度下,土壤含水率、浸润深度和累计入渗量随时间变化的曲线。结果显示,入渗过程中土壤表层含水率和浸润深度随时间呈非线性变化。对于高强度降雨,当表层土壤饱和后,开始出现积水。累计入渗量最终取决于土壤的饱和渗透性质,降雨强度对其影响有限。分别将4种土质土体的计算结果与有限元法得到的结果进行对比,两者相对偏差均小于5%。     

降雨入渗下膨胀岩渠坡失稳的原位试验研究

 为研究在降雨入渗条件下的膨胀岩（土）渠坡土-水相互作用机理及滑坡成因,在河南新乡南水北调中线工程潞王坟试验段裸坡试验区对不同坡比的 2 个膨胀岩渠坡进行人工降雨试验,试验中跟踪观测渠坡下渗强度、含水率、吸力及水平位移对降雨的响应规律。对观测成果进行分析后认为,在供水强度大于渠坡下渗能力的情况下,降雨强度及坡度对下渗强度没有影响;裂隙发育深度以内土层受降雨影响最为严重,其含水率在干湿循环过程中大幅波动;不论是陡坡还是缓坡,滞水层的存在均使浅层吸力大幅下降;水分入侵只是膨胀岩（土）渠坡滑动破坏的一个诱发因素,干湿循环所引起的裂隙发育与强度衰减才是其根本原因。     

紫色土典型三角形均质剖面入渗模拟研究

通过室内特制的土壤水分入渗试验装置,分别设置正、倒直角三角形单一质地土壤剖面,探讨紫色土的不规则剖面均质土壤入渗特性。参考Green-Ampt模式思路,建立了紫色土典型三角形均质剖面入渗模型。试验结果显示:粗质地的湿润锋随时间推进速度快于细质地;同一质地,正直角三角形剖面铅直面湿润锋随时间推进速度快于倒直角三角形剖面,但入渗速率小于倒直角三角形剖面;入渗前期,正三角形剖面的斜面湿润锋随时间推进速度快于倒直角三角形剖面,随入渗继续,反而逐渐慢于倒直角三角形剖面。各剖面入渗的湿润锋、入渗速率与时间均呈极显著幂函数关系。建立的紫色土典型三角形均质剖面入渗模型经实测值验证,模拟值与实测值具有非常好的一致性,且可与经验模型相互转换,模型参数也具有一定的物理意义。     

流动沙丘降雨入渗和再分配过程

本文通过野外监测和模拟降雨试验对流动沙丘降雨入渗补给、再分配过程和蒸发消耗几个方面作了定量研究。结果表明：科尔沁沙地流动沙丘0～200cm深度土壤层特性具有明显的垂直变化，0～20cm为表层干沙层；20～140cm为降雨影响变化层；140cm以下为深部稳定层。土壤入渗速率受降雨强度的控制，强度大，入渗也大，入渗深度与降雨量和降雨强度之间存在线性关系。湿润锋迁移速率在降雨开始较小，而后逐渐增大，达到峰值之后，又随时间而降低，最后趋于稳定。13.4mm的降雨是无效降水和补给地下水的分界点；≥20mm的降雨可使蒸发层土壤在再分配结束后达到最小持水量；≥50mm的降雨通过土壤水分的再分配可以使120cm深度土壤水分达到饱和持水量，进而下层进行饱和排水入渗。     

Self-adaptive Green-Ampt infiltration parameters obtained from measured moisture processes

The Green-Ampt(G-A) infiltration model(i.e., the G-A model) is often used to characterize the infiltration process in hydrology. The parameters of the G-A model are critical in applications for the prediction of infiltration and associated rainfall-runoff processes. Previous approaches to determining the G-A parameters have depended on pedotransfer functions(PTFs) or estimates from experimental results, usually without providing optimum values. In this study, rainfall simulators with soil moisture measurements were used to generate rainfall in various experimental plots. Observed runoff data and soil moisture dynamic data were jointly used to yield the infiltration processes, and an improved self-adaptive method was used to optimize the G-A parameters for various types of soil under different rainfall conditions. The two G-A parameters, i.e., the effective hydraulic conductivity and the effective capillary drive at the wetting front, were determined simultaneously to describe the relationships between rainfall, runoff, and infiltration processes. Through a designed experiment, the method for determining the GA parameters was proved to be reliable in reflecting the effects of pedologic background in G-A type infiltration cases and deriving the optimum G-A parameters. Unlike PTF methods, this approach estimates the G-A parameters directly from infiltration curves obtained from rainfall simulation experiments so that it can be used to determine site-specific parameters. This study provides a self-adaptive method of optimizing the G-A parameters through designed field experiments. The parameters derived from field-measured rainfall-infiltration processes are more reliable and applicable to hydrological models.     

基于多场耦合的膨胀土边坡非饱和降雨入渗分析

膨胀土非饱和渗流的过程伴随着膨胀应变的产生。探明多场耦合作用下膨胀应变对膨胀土边坡非饱和降雨入渗的变化规律至关重要。基于有限差分渗流理论、降雨入渗模块的二次开发和膨胀应变的施加,采用C++和FISH语言编制程序,将膨胀应变引入非饱和土的流-固耦合模型,提出了一种综合考虑膨胀应变和应力应变的非饱和膨胀土多场耦合分析法,通过算例实现了降雨入渗条件下膨胀土边坡非饱和渗流的数值模拟,并探讨了膨胀应变对饱和度和暂态面积比的影响规律。研究表明,膨胀应变对膨胀土边坡非饱和降雨入渗的过程影响显著,其降雨入渗深度、湿润锋扩展速度和暂态饱和区时空分布受膨胀应变的控制,考虑膨胀应变时暂态面积比变化的雨后时间滞后性强于不考虑膨胀应变时。