降雨条件下大孔隙土体含水率变化规律研究

为探究发育类型各异的孔隙在降雨条件下引发的优势流效应对土体含水率变化规律的影响,采用一维降雨入渗试验、数值模拟等方法分析孔隙竖直贯通样、死端孔隙样、孔隙各向展布样原状土与重塑土在降雨入渗条件下含水率分布规律及大孔隙渗流特征。结果表明:水流沿土体孔隙由浅至深迁移,浅表层以均匀入渗为主且含水率均匀增大至峰值,而土体深处优势渗流效应占优,其含水率增长模式各异;竖直贯通型孔隙的含水率缓慢增大,后期增长速率小幅增加,水流沿优势通道优先侧渗,下渗速度由慢到快后迅速出流;死端型孔隙的水流在死端位置滞留,深部含水率最高,水流由下渗转变为侧渗延缓出流;各向展布型孔隙的水流先快速通过优势通道后向周围缓慢扩散,含水率的增长速率先增大后减小,水流运移至底部出流耗时较长;双重渗流模型数值模拟能较好地刻画不同大孔隙的发育特征和水分运移规律,可由不同模型参数的取值表征不同孔隙类型的水分迁移特征。     

下蜀土边坡降雨型滑坡的成因分析

在分析降雨型滑坡破坏模式以及下蜀土边坡稳定性影响因素的基础上,对南京典型剖面下蜀土物理力学性质进行分析,总结了下蜀土滑坡的主要成因。研究结果表明,随着降雨过程中包气带水分运移,下蜀土非饱和土体边坡内孔隙水压力和岩土界面基质吸力的分布不断发生变化,土体抗剪强度也随之不断变化,受其影响,边坡极易发生降雨型滑坡。     

碎石土斜坡优先流渗流特征试验

为研究碎石土斜坡在雨水作用下的渗流特性,以2种不同级配的碎石土为坡体模型材料,利用自行设计的模型槽开展雨水作用下优先流渗流特征的试验研究。试验模拟降雨入渗及地下水变化,在碎石土斜坡内部生成浅层孔隙及深层管道网络,采用染色示踪技术结合图像处理分析碎石土斜坡内部大孔隙流、管流以及漏斗流的渗流特征及成因。试验结果表明,采用室内试验方法模拟降雨及地下水变化,对于展现坡体内部与外界水分动态交换过程,研究优先流非均匀流动特性是一种非常有效的手段。     

考虑大孔隙的土壤入渗模型

为了研究大孔隙对土壤入渗及侵蚀的影响,建立了一个土壤入渗数学模型。模型包括2个流区:①基质流区,该区水流由达西公式模拟;②大孔隙流区,运用运动波方程以及与大孔隙形状相关的参数进行水流模拟。大孔隙流区和基质流区水量交换在质量守恒方程中作为汇项,而在基质流区连续方程中则是作为源项来考虑,大孔隙壁对基质的入渗通过扩散方程来模拟。通过土柱试验验证模型对入渗结果的模拟,试验观测土柱底部的出流量,用TDR探针在规则时段间隔记录土壤含水量。验证结果表明所建立的模型能够充分模拟土柱底孔出流过程线和含水量的时间变化。     

株下竖向植筋带联合植被护坡的水力特性土柱试验

为探究竖向植筋带联合植株的护坡水力特性,设计开展了一维土柱试验,在干湿循环条件下,观测了坡土表面裂隙的发育情况,监测了坡土内部体积含水率和吸力等水力特性的变化规律。试验发现:在干燥过程中,蒸发蒸腾作用会促进土体表面裂隙的发育,裂隙的深度与宽度随干湿循环次数的增加而增加,联合植筋带后蒸发蒸腾引起的吸力增量大于仅由植物边坡蒸发蒸腾产生的吸力增量;在降雨作用下,植筋带也会成为明显的优势流入渗通道加速雨水入渗,致使土体产生更多的吸力损失值。因此,必须设法把植筋带顶部及其周围的土体压实,减少坡土开裂,避免在降雨工况下顺着植筋带的优势流入渗,充分发挥竖向植筋带作为延长根的加筋作用。     

降雨入渗下非饱和土边坡临界稳定性分析

运用分形模型预测非饱和土的土水特征曲线与导水系数曲线,结合孔隙气体流动分析,模拟降雨入渗条件下的一维非饱和渗透过程。根据非饱和土抗剪强度的分形模型,导出降雨入渗下非饱和土边坡临界深度公式,并分析了影响边坡稳定性的因素。非饱和土的分维与进气值影响土体的水理性质。分维影响降雨的入渗速度与入渗深度,而进气值影响降雨入渗下土体吸力的变化曲线形态。非饱和土的饱和导水系数与降雨强度对边坡稳定性影响较大,在降雨强度远大于非饱和土的饱和导水系数时,孔隙气体在降雨入渗过程中将产生气压,对吸力产生影响。     

虚拟仿真APP开发在土体孔隙细观两相渗流研究中的应用

为揭示土体孔隙结构对细观渗流机理的影响,并探寻一种简便、高效的研究方法,选取福建省福州市某地原状花岗岩残积土作为研究对象,以水-气两相耦合问题为例,基于计算机断层扫描(CT)和虚拟仿真APP开发技术研究土体孔隙中细观渗流规律。结果表明：水-气两相渗流过程存在大孔隙优先流特征,且“绕流”现象一般易于出现在孔隙成圆度较高部位。受水、气相参数的限制,部分死角孔隙形成了只含气相的封闭空间。两相渗流速度主要受孔道迂回程度控制,孔径大、弯曲程度低的孔隙中渗流速度相对较大,且存在明显的“优势通道”。 发生“绕流”现象部位的流速远小于其周围的渗流流速。土体孔隙两相渗流压力场分布存在不均匀性。仿真APP可将复杂的理论和物理场封装起来,使科研工作者面对友好的自定义界面,可极大提高科研效率。     

考虑吸力变化的膨胀土边坡破坏规律分析

膨胀土边坡中吸力降低会引起强度衰减,进而引起边坡变形破坏。采用热传导传感器监测干湿循环作用下膨胀土边坡模型坡顶和坡底的基质吸力,开展膨胀土边坡基质吸力随深度和时间变化规律的室内试验,并对模型破坏过程进行了分析。试验结果表明:膨胀土边坡因膨胀干缩的反复作用产生裂缝,为雨水入渗提供通道,裂缝区土体迅速吸水,吸力骤降;非裂缝区土体雨水难以入渗,吸力降低存在明显的滞后现象。降雨后一段时间内,裂缝区土体与非裂缝区土体强度差异明显。对于填方膨胀土边坡工程,建议填筑一部分后对其先进行晾晒,促使土体吸力增长并提高土体强度;施工过程中应避免降雨水入渗,并监测坡体含水率的变化和位移情况,及时采用有效处置措施,防止发生滑坡破坏。     

土水特征曲线对降雨条件下边坡稳定性影响分析

基于多孔介质饱和-非饱和渗流理论和非饱和土抗剪强度理论,采用极限平衡法与降雨渗流有限元相结合的方法,研究土水特征曲线对降雨边坡渗流场和稳定性的影响。采用不同的土水特征曲线对边坡渗流场和安全系数的计算影响较大,其影响程度随土体亲水性能的增加而增加,黏土类类边坡安全系数下降幅度为24.4%。安全系数的降低主要是由于边坡土体基质吸力的丧失而引起,同时,滑动体的形状也与基质吸力下降的情况有很大关系。黏土类类边坡在强降雨之初容易发生浅层破坏,随着降雨入渗的继续,滑动面由浅层转为深层。     

降雨对非饱和土质边坡含水率的影响分析

降雨对边坡的稳定性具有重要影响。在降雨作用下,土体含水率增加,抗剪强度降低。基于土 水特征曲线压力板仪试验系统并结合ＧｅｏＳｔｕｄｉｏ中的ＳＥＥＰ／Ｗ提供的典型土－水特征曲线建立非饱和渗 流模型,分析了不同降雨历时下,土体渗透系数对非饱和土质边坡含水率分布的影响。结果表明:当土 体渗透性较差时,入渗深度较浅,且在短期内入渗深度即保持稳定;但当土体渗透性较好时,入渗深度和 达到入渗深度稳定的降雨历时都随之增加。坡脚部位由于受坡体上部结构坡表径流及下渗水补给,土 体含水率最大,应保证该部位排水设施的通畅,防止坡脚部位下渗水导致土体含水率过大,影响边坡稳 定性。     

田间尺度下土壤水流非均匀运动特征的染色示踪研究

根据碘和淀粉的显色反应原理对土壤优先流进行了示踪研究,开展了入渗水量深度分别为 20mm、40mm、60mm和80mm的4组染色示踪试验。通过对垂直剖面流动模式的分析和对整个试验区域入渗深度分布的统计分析,研究了土壤水流运动的非均匀特征与入渗初始条件和边条件之间的关系。研究结果表明：(1)土壤水流运动在剖面内和剖面之间均表现出明显的变异特征;(2)土壤初始含水率升高对土壤优先流的发展有明显的抑制作用、降低了入渗在剖面内和剖面间的变异程度;(3)随着入渗水量的增大,土壤水入渗的非均匀程度非线性减小,但过多的增大入渗水量对提高入渗均匀度的作用有限;(4)互相关函数分析可成功地用来研究土壤水流入渗变异特征的方向性、比较入渗在剖面内和剖面间变异程度的大小以及确定入渗区域中土壤优先流的可能最大宽度。     

基于随机水流网络的土壤水非均匀运动数值模拟

用显色示踪方法通过试验研究了黏土的非均匀流动模式,建立了离散网络模型,根据土体的统计特征描述相互作用的大孔隙和流动通道,构建水流运动的网络系统与小孔隙连续介质的耦合模型。用控制体积有限元法求解两区土壤水分运动的基本方程,采用整体法将土壤基质水流运动方程和不规则水流网络区水流运动方程耦合,解决了网络通道交叉引起的水流相互影响的问题,提高了计算效率。模拟与实验结果对比表明,离散网格模型及方法较好地描述出了优先流运动的特点,比等效连续体模型更为有效的刻画了土壤水流非均性规律。     

采用小波包熵度量入渗水量和试验尺度对土壤水运移非均匀特性的影响

土壤优先流是降雨和灌溉水在土壤中常见的运动形式,但如何准确描述土壤优先流的非均匀特征一直都是土壤水文学界的研究难点和热点。采用小波包熵(Shannon信息熵和log能量熵)对不同入渗水量和不同试验尺度条件下观测到的优先流运动进行了度量和分析,并将研究结果与采用基质熵和分形特征参数等度量的分析结果进行了比较。研究结果表明:①小波包熵可成功度量优先流的非均匀特征;②土壤优先流的非均匀特征随入渗水量的增大先增大后减少;③在研究尺度范围内,随着试验尺度的增大,土壤优先流运动的非均匀程度增加。     

湿润地区土壤水分对降雨的响应模式研究

为了研究湿润地区降雨—土壤水水文过程,在太湖西侧通过野外坡面试验来研究地表和地下剖面上土壤水分对降雨过程的响应模式。结果表明：坡面上土壤含水率受地形和局部微地形影响显著。雨量较大时,土壤含水率过程线呈现两拐点三阶段(上升、平台和退水期);雨量较小时呈现单拐点两阶段(上升和退水期)。上升期受前期土壤含水率和土壤特性影响;平台期土壤含水率接近饱和并对雨强大小略有响应,是产流的主要阶段;退水期开始于降雨停止时,但地势高处对低处的补给会使低处退水期开始时间后延。沿坡度方向土壤含水率对降雨的响应过程整体表现出下部饱和度较高并且先出现饱和带,之后饱和带向上部逐渐扩展。垂向土壤含水率响应分为特征不同的三层。浅层对降雨响应明显,不同深度土壤含水率随时间变化过程线形状与降雨过程线相比有一定的平移和延长;中层同时受降雨入渗和地下水位变动影响;深层主要受地下水位变动控制。浅层有优势流现象出现,受土壤结构影响,并受降雨量大小控制。     

基于水平集方法的原状土三维水气两相渗流特性数值研究

为揭示土体中水气两相动态渗流机理,基于计算机断层扫描(CT)与AVIZO-COMSOL交互对接技术,通过水平集(Level Set)方法来研究代表性体积单元(REV)尺度原状花岗岩残积土三维水气两相渗流特性。结果表明:孔隙残余气主要呈块状分布于孔隙边、死角和孔喉突变部位;REV模型孔隙中存在少数主渗流孔道,其普遍有着孔道宽且笔直的特征;两相渗流速度受孔道迂回程度控制,且存在明显的“优势通道”,其中主渗流通道平均流速比模型整体高47.26%;驱替阻力最大出现在孔隙壁面处,且孔道越窄,阻力越大。该研究成果可为进一步认识原状土孔隙渗流规律提供研究方法及理论基础。     

Modeling the Infiltration Capacity of Permeable Stormwater Channels with a Check Dam System

The use of permeable stormwater channels has introduced concerns over the effects of infiltration on the hydraulic behavior of their flow and the effects of flow hydraulic conditions (e.g., the water level, channel section, flow velocity, and vegetation) on the channel infiltration capacity. A check dam system provides backwater ponding, which increases the flow water depth along a channel. In this study, a channel model was used to investigate the variation in the infiltration capacity of permeable stormwater channels under different flow hydraulic conditions. Increasing the downstream check dam height and using a grass cover increased the infiltration rate and cumulative infiltration because of the decreased velocity and increased flow depth. The presence of subsurface water did not affect the hydraulic characteristics of the channel flow but decreased the cumulative infiltration because of the fast saturation of the soil. An empirical equation was developed for predicting the infiltration capacity of grassed channels in which four hydraulic parameters (i.e., the water depth, base width, side slope, and velocity) are introduced to the modified Kostiakov model. The developed model was used to calculate the runoff reduction due to infiltration along a grassed channel with and without a check dam system. The percentage of infiltrated water increased from 8 to 14% with the check dam system. The developed model can be used to predict the infiltration capacity of permeable channels for improved stormwater management and provides a valuable decision support tool for permeable channel design.

     

潜水入渗补给研究进展

目前,对土壤水运移机理研究已从定性走向定量、从均质走向非均质。优先流是地下水入渗的普遍现象,在田间土壤水主要以捷径流方式入渗补给地下水。对优先流研究是潜水入渗补给研究的重点与难点之一,其主要方法为染色示踪与X射线成像和地质雷达技术。潜水入渗补给评价方法众多,且每种方法都有其适用条件。因此,综合采用示踪法、地下水位波动法、地中渗透仪法、零通量法和数值模拟法,相互对比验证,提高评价可靠性,是研究地下水入渗补给最有效的方法。