降雨入渗作用下土壤含水量时空变化研究

降雨通过土壤汇集雨水并储藏、滤渗可以补充地下水,减少径流污染,还可以减少洪涝隐患.通过实验和模拟计算的手段研究不同汇水入渗条件下的土壤含水量变化.在饱和—非饱和入渗理论基础上,建立土壤入渗方向上的一维非稳态降雨入渗模型并通过既有的恒流入渗土柱实验对所编写的计算程序进行验证.结果表明,理论模型较好地反映了降雨入渗的动态过程.     

西安城区绿地雨水下渗特征与影响分析

强化雨水入渗是目前海绵城市建设的重要内容之一.本文通过现场实测和计算模拟探讨了西安城区雨水下渗特征,构建以湿陷性黄土层为约束条件的城市绿地渗水地层模型,采用HYDRUS软件模拟分析了西安城区下凹式绿地深度(入渗作用水头)与雨水下渗深度的关系,并分析了雨水在土壤下渗过程中污染物浓度在土壤中的迁移消减变化规律.结果显示,以地下5.0 m处存在湿陷性黄土为约束,25.0 cm入渗水头作用下对应的连续渗水时间为16.6 d,小于西安城区历史连续降雨极限天数(19 d),因此在西安城区进行雨水下渗措施建设必须考虑地质条件的约束;以降雨径流在5.0 cm水头下渗为初始条件,雨水中典型污染物的变化表明,氨氮在土壤以及植物根系作用下基本去除,而COD_(Cr)、总磷和总氮在40～50 cm深度土壤中污染物仍然有很高残存.研究结果为湿陷性黄土地区城市雨水下渗系统和径流面源污染治理了提供依据.     

降雨入渗对边坡稳定的分析

运用饱和-非饱和渗流有限元法模拟降雨务件下饱和-非饱和土坡暂态渗流场的变化情况,分析了降雨强度、降雨持时以及土壤饱和渗透系数等参数对非饱和土坡基质吸力的影响。分析结果表明:雨水入渗引起土壤基质吸力的大量丧失;降雨强度对饱和渗透系数较大土坡的基质吸力变化的影响较小。     

崩落法开采塌陷区上覆黄土层降雨入渗机理研究

以程潮铁矿东区为工程背景,东部塌陷区上覆黄土层为典型的非饱和土,基于非饱和土中水的基本运动方程建立了降雨一维入渗数学模型,并编制了计算程序;对不同条件下的入渗过程进行了详细分析,并研究了开采强度对降雨入渗时间的影响规律,计算得到了不同条件下雨水渗透通过整个黄土层所需的时间.结果表明:黄土层的雨水入渗与降雨强度和土体初始体积含水率等有密切的关系,其中土体初始体积含水率影响程度较大,初始体积含水率越大,雨水入渗速度越快;入渗时间随开采强度的增加呈指数增长,表明崩落开采对上覆黄土层的雨水入渗有显著的影响.研究成果可为降雨情况下井下水量的变化规律提供理论依据,并为井下泥石流灾害预测预报提供重要参考.     

降雨条件下含有球状微塑料的非饱和黄绵土入渗特性研究

为研究降雨条件下含有不同含量、不同粒径的球状微塑料黄绵土的非饱和入渗特性,开发了一套模拟降雨条件下土柱垂直入渗模型试验研究装置,对含有微塑料的非饱和黄绵土进行了七组降雨入渗试验。结果表明:(1)在降雨强度为20 mm/h、微塑料粒径为5 μm时,微塑料含量为0.05%时促进雨水入渗,其他微塑料含量阻滞雨水入渗,且随着微塑料含量的增加,积水点和饱和点出现的时刻越早。(2)在降雨强度为20 mm/h,微塑料含量为0.25%时,微塑料粒径为3 μm时显著促进雨水入渗,整个试验阶段不产生积水,微塑料粒径为5 μm和8 μm时产生较多积水,阻滞雨水入渗。(3)微塑料的疏水作用显著影响雨水入渗过程,但是其对峰值含水率的影响较微弱,峰值含水率随着微塑料含量的增加而逐渐减小,随着微塑料粒径的增大而逐渐增大。     

宽级配砾石土中降雨入渗的优先流模型

宽级配砾石土的级配较宽,孔隙尺度跨越几个数量级,降雨入渗易形成空间上的不均匀入渗,即优先流入渗。基于孔隙结构的分形特征,定量研究降雨在宽级配砾石土中的入渗规律。根据多孔介质分形理论及Hagen-Poiseulle方程,水在不同尺度的孔隙管道内入渗率的量级不同,将土体的孔隙部分划分为2个区域—基质区和优先流区,这2个区域所占的比例随雨强的变化而变化。基质区内各孔隙管道的入渗率均达到其最大的入渗率,但各不相同,孔隙管道的直径量级小,入渗率量级小,优先流区各孔隙管道的入渗率相同且均未达到其最大入渗率,孔隙管道直径量级大,入渗率的量级远大于基质区,据此特征从理论上推导了降雨在土体不同孔隙区域内的入渗量和入渗率的表达式;基于此研究了基质区和优先流区的面积在孔隙中所占比例随雨强的变化特征及相应入渗量和入渗率的变化特征。结果表明：降雨在土体中的入渗呈现出优先流区高速入渗,基质区入渗相对缓慢的特点;随着雨强的增大,优先流区域的入渗率也随之增大。降雨入渗优先流现象产生的根本原因是土体多尺度的孔隙结构和无压力的自由入渗边界2个因素,其大小和分布受到土的饱和渗透系数和降雨强度的影响。从孔隙结构的角度解释了降雨入渗优先流的产生机制。     

降雨入渗对隧道下穿路基段边坡变形稳定性的影响分析

隧道下穿运营高速公路路基边坡施工扰动造成既有路基边坡的松动和变形,降雨入渗引起的下滑力增加和滑面抗剪强度的降低进一步加剧了边坡的变形,考虑降雨入渗和隧道下穿施工影响的路基边坡稳定性分析及确定合理、可行的加固方案对确保路基边坡的稳定性尤为重要.以贵阳轨道交通1号线下麦西地铁隧道下穿运营高速公路路基边坡工程为背景,考虑雨水入渗条件下隧道施工扰动对边坡稳定的影响,基于路基边坡土体的土-水特征曲线特性构建非饱和土体的流固耦合计算模型,分析雨水入渗条件下扰动路堤边坡的位移、塑性区特性和路堤边坡的安全性,分析结果表明降雨入渗对含软弱夹层的路基边坡稳定性影响显著,造成路堤边坡沿该弱面的塑性区贯通;考虑降雨的影响,经历降雨影响后的边坡安全系数降低,低于原边坡的安全系数,因此对受临近施工扰动的边坡需要考虑不同降雨次数后边坡安全性的累积作用.考虑降雨对扰动路堤边坡的影响,对比分析了锚索和抗滑桩加固措施对边坡滑移的控制效果,建议并实施了路堤边坡的施工,取得了良好效果.     

双层结构边坡降雨入渗与坡面径流耦合分析

天然土质边坡在地质和人为因素的作用下,通常呈现一定层状结构,在强降雨作用下会产生入渗和坡面径流。研究降雨条件下坡面径流与地表入渗相互影响过程,对山地洪水和滑坡灾害防治具有重要意义,然而,目前为止对层状土边坡地表与地下渗流的相互作用机制的研究理解还极为有限。本文针对上粗下细型层状土边坡降雨入渗研究中忽略坡面径流影响导致入渗分析不符合实际这一问题,基于Moore双层入渗和坡面径流控制方程建立耦合模型,并通过Python编制相应的计算程序分析耦合条件下双层结构边坡降雨产流及停雨后雨水重分布全过程。数值分析结果表明边坡土体降雨入渗过程与坡面径流深度有关;降雨初期降雨强度<坡面入渗能力,入渗速率等于降雨强度,坡面产流后入渗速率随降雨持时逐渐减小趋于稳定;当湿润锋跨过土层交界面时入渗速率急剧减小,最终等于次层土的渗透率,意味着上粗下细型层状土入渗速率主要由次层土控制同时降雨停止后径流快速衰退,已入渗的雨水在重力和湿润锋下方土体基质吸力的作用下继续向下推移,湿润锋入渗深度随雨水重分布历时趋于平缓。算例表明,该计算模型与计算方法可行,能够较好地反映实际层状土边坡的降雨入渗过程,为类似的层状土边坡研究提供计算依据。     

土体的充气阻渗试验

针对降雨诱发滑坡的作用机理,提出一种边坡充气截排水方法.考虑气压作用,进行一维土柱积水入渗试验,分别开展自然入渗和充气入渗2个过程的模拟,观测湿润锋面的推进过程,进行土柱不同深度容积含水量的实时监测.在考虑气压对容积含水量和湿润锋推进影响的基础上,建立充气阻渗效果的评价方法.试验结果表明：向土体中充气能够显著减缓湿润锋面的推进速度;在充气条件下,气压可以使土体维持一定的容积含水量梯度;对于试验模型,充气气压为10 kPa条件下,入渗20 min时,土壤入渗率约为自然入渗的1/2.     

基于水量平衡的城市雨水利用潜力分析模型

介绍城市雨水资源化利用的概念,建立了基于水量平衡的雨水利用潜力分析模型,提出了以水量平衡为基础,考虑降雨、蒸发、径流、入渗和土壤蓄水量等水文物理过程的城市雨水资源化利用潜力分析方法;将其与传统经验公式法进行对比,并以郑东新区为例进行实证分析.结果表明:该模型和方法有效,并具有考虑因素全面、物理过程明了、计算结果置信度高等优点.     

不同结构透水路面对雨水径流污染物的削减作用

选取三种不同透水路面,利用天然雨水进行模拟降雨实验,分析研究了其对雨水径流污染物的消减情况。当降雨强度为1．71mm／min和0．70mm／min,降雨历时分别为60min和20min时,对实验数据进行分析．分析表明：透水路面对雨水径流污染物的削减效果与透水路面结构、降雨强度、降雨历时、雨水径流水质有关,且透水砖和透水草皮砖路面对雨水径流污染物的消减效果最好;当降雨强度小时,三种透水路面对雨水径流污染物的削减效果较好．     

考虑降雨入渗影响的边坡稳定分析方法探讨

分析了残积土、膨胀土等边坡在降雨入渗情况下土体抗剪强度降低的主要原因 ,探讨了现有的考虑雨水入渗影响的边坡稳定分析方法 .运用非饱和土强度理论 ,提出非饱和土等效凝聚力新概念 ,从而可方便地使用常用的Bishop法等极限平衡法进行考虑雨水入渗影响的边坡稳定分析计算     

黄土路基边坡降雨响应的试验研究

为了研究降雨入渗对黄土路基边坡孔隙水压力（吸力）、含水量、变形等的影响,选取甘肃平-定高速公路上某段9 m高的填方路基边坡进行了4场人工降雨模拟试验并持续现场监测一个月。监测结果表明：人工降雨模拟引起浅层土体（1m以上）吸力明显下降和含水量增大,致使土体有效应力减小,抗剪强度降低;另外雨水冲刷引起坡面冲沟发育,导致雨水入渗增大和土体强度的进一步衰减。压实度最小的坡脚处降雨引起的湿陷变形最大。在持续降雨的条件下,湿陷变形的发展会导致坡底的沉陷,最后发展为滑坍破坏。从减少雨水入渗,减小土体的强度损失以及控制湿陷变形等方面综合考虑,提高黄土路基边坡的压实度对防止降雨导致的边坡失稳具有重要意义。     

岩质边坡在降雨条件下的稳定性分析

雨水入渗改变了岩质边坡非饱和区渗流场的分布,是引发边坡滑坡的主要因素之一.在极限平衡理论和非饱和土抗剪强度理论基础上,引入了渗透力的概念,利用有限单元法进行了降雨条件下岩质边坡稳定性的分析.最后,利用编制的边坡稳定程序进行了算例分析,结果表明,岩体边坡的稳定安全系数随着雨水的不断渗入在逐渐地降低,即降雨入渗对边坡的稳定具有不利影响.     

重金属在土壤-地下水中的迁移模型研究——以山西、陕西黄土高原塬区为例

随着工业的发展,我国地下水重金属污染问题逐渐突出.以山西、陕西黄土高原塬区为研究对象,通过分析影响重金属污染物在黄土迁移中的各个因素,构建黄土高原塬区重金属迁移的概念模型.通过降雨入渗Kostiakov三参数入渗经验模型、重金属在土壤非饱和带迁移的一维对流-弥散方程以及重金属进入地下潜水的稀释模型的耦合,重点考虑黄土高原地区降雨条件下,重金属随降雨入渗水分的下渗迁移.将该模型与前人研究的饱和-非饱和带迁移模型进行对比分析,利用MATLAB软件进行编程对该模型模拟验证.结果表明,该模型具有普适性,可以利用该模型预测土壤风险值,为常规评估与高层次风险预测提供一定的理论支撑.     

南方校园降雨径流特性与植草沟净化效果研究

为研究植草沟对降雨径流污染的削减效果，于校园绿化带路段建立植草沟示范点，并在研究校园总体降雨水质和不同下垫面降雨径流特性基础上，开展植草沟对屋面雨水和地表径流中污染物的控制效果研究。结果表明，校园降雨径流中COD和NH3-N浓度较高，需进行控制；且屋面雨水相较于道路径流水质污染更为严重，可能的原因是沥青油毡屋面材料中有机物的释出增加了径流水质的有机物污染程度；屋面雨水降雨初期污染较为严重，但屋面雨水与道路径流各污染物浓度随着降雨历时的延长均呈现逐渐下降并趋于稳定的变化规律；植草沟对屋面雨水COD的去除率为59%~98%，浊度的去除率为50%~83%，TP的去除率为59%~93%，NH3-N的去除率为49%~88%。可见，渗透型生态植草沟作为一种植被生态排水沟渠，有助于减少不透水下垫面的覆盖程度，对控制城市面源污染效果十分显著。     

降雨对宝日希勒排土场边坡侵蚀的数值模拟

降雨对宝日希勒露天矿排土场产生侵蚀破坏作用,部分排土场边坡产生滑坡,形成侵蚀沟。根据宝日希勒排土场实际情况,利用ABAQUS软件对排土场顶层边坡进行数值模拟,研究不同降雨强度对排土场边坡土壤侵蚀的情况。结果表明:(1)在任何降雨强度下,从降雨初期雨水在排土场边坡就开始入渗,入渗能力下降时便开始形成表层流,表层流对排土场的侵蚀最先发生的位置均位于坡面中部和上部;(2)表层流对坡面侵蚀的时间长度随降雨强度增大而增加,坡面侵蚀程度随着降雨强度增大而加重;(3)暴雨天气时,不同降雨强度对边坡产生破坏的时间不同,随着降雨强度增加,边坡越早受到侵蚀破坏。研究结果可为揭示降雨对排土场土壤的侵蚀规律提供参考。     

雨水入渗下膨胀土路堑边坡的稳定性数值分析

膨胀土路堑边坡发生滑坡的主要原因是雨水的入渗.通过分析膨胀土路堑边坡的工程特点和破坏机理,考虑雨水的入渗的情况下膨胀力变化的规律,选用合适的本构模型,对膨胀土路堑边坡的各种增湿状态进行仿真模拟,根据不同的降雨条件对膨胀土不同的入渗深度,对膨胀力进行简化,建立简单合理的膨胀力变化模型.分析发现膨胀土路堑边坡稳定性主要受雨水入渗后膨胀土的含水量影响,浸水后膨胀土边坡的安全性明显降低.这也要求在膨胀土路堑边坡的设计过程中,不仅要选用合理的坡率,而且要重点注意路堑边坡的防护和排水措施.     

降雨条件下坡积土边坡暂态饱和区形成机理及分布规律

降雨是引起坡积土边坡失稳的最常见外部因素之一。雨水的入渗在引起土体抗剪强度参数降低的同时,还将导致土体重度的增加、基质吸力的降低,最终造成边坡的失稳。开展雨水在边坡内部的渗流过程研究已成为分析边坡在降雨条件下稳定性的前提。基于有限元数值模拟方法,进行了雨水在土体中渗流过程的模拟,着眼于降雨条件下边坡暂态饱和区的形成、分布及消散特征,描述了该过程中边坡内部含水率、基质吸力、水力梯度的变化规律。结果表明：暂态饱和区形成的主要原因是土体中向湿润锋下方渗出的雨水量小于降雨入渗补给量,从而使得土体中的含水率累积升高;暂态饱和区的形成与降雨强度、降雨时间具有十分密切的关系,暂态饱和区形成时间、雨水入渗深度、土体表面体积含水率大小分别与降雨强度存在函数关系;清晰描述了暂态饱和区形成发展消散地下水位升高的全过程,从该过程看,边坡排水措施的设计值得思考。     

绿地系统处理屋面雨水中污染物的性能研究

开展屋面初期雨水径流污染消减是构建城镇社区中低影响开发雨水系统的重要内容之一,通过强化绿地系统的污染物截留效率,可以实现对屋面降雨初期高污染负荷的原位控制.本文在搭建的绿地实验装置中,研究了绿地中流程、坡度和植草密度等因素对雨水径流中污染物的去除效果,结果表明:最佳条件下,绿地系统对NH_3-N、TP、SS、TN、COD的去除率分别为54%～62%、71%～74%、90%～95%、34%～51%和54%～73%;植草和绿肥可以降低土壤中的交换态Al~(3+)的含量,从而降低向径流雨水中投加铝系混凝剂对植物及土壤带来的潜在毒害.本文提出的强化绿地系统对屋面初期雨水具有较好的净化效果,可为目前城市中低影响雨水系统的构建提供参考.