湿度和密度双变化条件下的非饱和黄土渗透函数

准确确定非饱和土的渗透系数非常重要,而湿度和密度均会对非饱和土的渗透系数产生较为复杂的影响,因此对于对水敏感的非饱和黄土,如何将湿度和密度的影响综合引入渗透函数中,就值得深入研究。基于此认识,利用非饱和土水气运动联合测试方法,对1.4~1.67g/cm3之间几种干密度的非饱和黄土试样进行不同增湿级数的浸水渗透试验,结果表明试样在一定干密度范围内,增湿级数对其渗水系数测定值的影响较小,最大测定值与最小测定值的差值在2倍左右。在此基础上,将不同干密度下渗透系数比与饱和度的关系曲线进行分析,提出了考虑湿度和密度的渗透函数,并通过试验验证了该函数在一定条件下的合理性。     

入渗水头对盐碱土水分运移影响数值模拟研究

通过室内盐碱土垂直入渗水盐模拟试验,对不同水头作用下湿润锋、累积入渗量和时间变化特征实验数据进行分析模拟。研究结果表明,不同水头条件下湿润锋和累积入渗量与入渗历时有显著的乘幂关系,提出了考虑入渗水头和土壤容重条件下湿润锋的推进距离和入渗时间的关系式;累积入渗量与时间的幂函数关系中系数A与土壤容重和入渗水头的影响较小,而指数B随着入渗水头的增加而呈线性增加的趋势,随土壤容重的增加呈降低趋势。     

入渗水头对注射灌土壤水分运移及分布的影响

为了研究入渗水头对注射灌土壤水分运移及分布特性的影响,通过室内注射灌入渗模拟试验,测定了不同入渗水头下注射灌的累积入渗量、湿润锋运移距离和土壤剖面的含水率。研究表明:注射灌的累积入渗量与时间呈幂函数关系,入渗水头越大,相同入渗时间的累积入渗量越大。土壤湿润锋近似为圆心在出水口偏下的半圆形,湿润锋随时间延长运移速度变缓。在出水口下方土壤湿润范围比出水口上方大,土壤含水率也较大。入渗水头越大,相同入渗时间的土壤湿润范围越大,相同位置的土壤含水率越高。本研究结果丰富了注射灌理论,为入渗水头的选择提供参考。     

不同入渗水头作用下一维垂直入渗特性分析

通过对5cm～60cm压力水头作用下一维垂直入渗特性进行试验研究,得出入渗水头对于入渗系数、入渗指数、累积入渗量以及湿润锋推进距离都有不同程度的影响,并对实验结果进行了分析,得出其影响是由于入渗水头增大引起入渗界面压力势增大和土壤结构变化、容重增大、孔隙率减少并最终导致导水率减少二者综合作用的结果的结论。这些结论为蓄水坑灌法的进一步研究提供了重要理论依据。     

自由出流条件下秸秆复合管的透水性能研究

秸秆复合管是以秸秆和土壤为主要原料制成的透水管道,可替代田间毛管进行地下灌溉。为了给秸秆地下灌溉系统的设计及应用提供参考,以工作压力和晾晒时间为试验因素,研究了自由出流条件下工作压力、升压过程和降压过程及晾晒时间对秸秆复合管透水性能的影响。结果表明：自由出流条件下,秸秆复合管累计渗水量随工作压力的增加而增加,累计渗水量与渗水时间呈幂函数关系,秸秆复合管的渗水过程可用Philip入渗公式进行拟合;当工作压力水头为10～50 cm时,秸秆复合管的渗水量在0.6～3.6 L/(m·h);稳定渗水速率与工作压力呈线性关系,工作压力水头在20～50 cm时,秸秆复合管达到稳定渗水后的渗水均匀系数均在0.85以上;压力升降过程影响秸秆复合管自由出流的渗水流量,降压过程其渗水速率的变化幅度大于升压过程;晾晒时间和工作压力交互影响秸秆复合管的渗水量,增加晾晒时间可以增加秸秆复合管的渗水量,但其渗水稳定性有所降低。     

基于单线法试验的黄土增湿变形非线性模型研究

黄土增湿变形一般由地面水入渗或地下水位抬升引起,是岩土工程中需要解决的一个技术难题。虽然在该领域有一些研究,提出了描述该变形的本构模型,但是与实际地基中力和水的作用路径有较大差异。本文引入"增湿水平"这一概念来描述黄土的湿度状态,通过开展分级浸水试验,着重研究先施加应力后浸水增湿路径下黄土的湿度状态与增湿变形的相关关系,建立了增湿变形非线性本构模型;用增湿变形系数和湿陷系数的比值与增湿水平关系曲线反映黄土增湿变形的敏感性,分析了竖向应力、土质对黄土增湿变形敏感性的影响;采用不同应力比的增湿水平与侧向变形曲线,分析了增湿过程中的侧向挤出变形规律。     

有长连接管调压室水头损失系数计算方法研究

研究具有长连接管的阻抗式调压室水头损失系数的计算方法,给出基于Gardel三通水头损失系数经验公式、焊接三通水头损失实验资料以及截面突变管道水头损失资料;得出这种调压室不同流态下水头损失系数的计算方法,并将不同算法得到的调压室水头损失系数分别与水力模型试验结果进行了比较和分析.研究表明,基于Gardel三通水头损失系数经验公式及截面突变管道水头损失系数计算的调压室水头损失系数与试验结果具有较好的一致性.     

侧限条件下原状黄土增湿特性研究

目前,对侧限条件下原状黄土增湿过程中的变形和持水特性研究还较少。以新疆伊犁原状黄土为对象,采用固结仪开展了不同竖向压力作用下的分级增湿试验和湿陷试验。在分级增湿试验中,研究了增湿过程中持水特性以及静止土压力系数的变化规律,提出了侧限条件下土水特征曲线模型以及静止土压力系数的表达式;引入"增湿水平"这一变量描述土体的含水状态,研究了增湿变形与增湿水平的相关关系。最后通过比较增湿试验(单线法)和湿陷试验(双线法)所得到的增湿水平与增湿变形系数关系曲线,验证了两种试验方法在黄土增湿变形研究中的等效性。     

TBM隧洞衬砌渐变段局部水头损失研究

输水隧洞是水利水电工程中最为常用的一种水工建筑结构。随着TBM掘进施工的普及,沿线情况复杂多变,隧洞衬砌厚度沿线随其不同,洞径亦沿线变化,不可避免地出现渐变段,洞经变化段会产生局部水头损失。采用数值模拟方法对隧洞洞径收缩段的局部水头损失进行了研究,主要内容包括:不同收缩段角度对局部水头损失系数的影响;不同洞径比对局部水头损失系数的影响。计算得出不同收缩段角度、不同洞径比下局部水头损失系数值,为TBM隧洞衬砌渐变段设计计算提供参考。     

含水层温度-介质压缩耦合渗流分析

针对含水层渗流特点,利用回灌资料,推导计算了含水层在重力-温度-介质压缩情况下的计算公式并进行实例分析,计算结果表明:承压含水层在温度和介质压缩驱动时水头为非线性分布,且水头分布高于重力驱动;在温度和介质压缩影响下,冬季水头分布明显低于夏季,说明在耦合温度-介质压缩时,含水层水头随温度及含水层压密而升高;夏季和冬季回灌水温度的不同,导致水的动力粘滞系数和温度差增大或减小,从而增加或减少了含水层的渗透系数和温度梯度,进而改变了含水层水头与渗流速度的分布;在进行回灌时应考虑回灌水温度对含水层渗流的影响。     

竖向压力作用下重塑黄土土柱压缩湿陷及渗水试验研究

为了探讨竖向压力对兰州非饱和重塑黄土土柱压缩湿陷特性、入渗过程及土-水特征的影响,利用一维土柱渗透仪开展了不同竖向压力作用下非饱和重塑黄土土柱的常水头渗水试验,得到其压缩湿陷曲线,浸润峰、入渗量、体积含水量时程曲线与监测截面土-水特征曲线。研究结果表明:(1)土柱压缩性与湿陷性在试验压力下与常规试验皆有差异;尺寸效应不影响试验黄土结构强度,对其湿陷起始压力影响不大;(2)土柱增湿时浸润峰的前行速率随竖向压力的增大而逐渐减小;增湿过程中土柱在力与水作用下入渗能力变化导致入渗速率曲线有交叉现象,且竖向压力越大入渗速率变化范围越小;(3)竖向压力作用改变了渗水路径,从而影响了监测点体积含水率的变化;(4)竖向压力作用对土-水特征曲线的三个阶段均有影响,压力作用时土柱饱和度皆大于无压力作用,且随着压力增大饱和度逐步增大,当吸力趋于0时,土样未完全饱和。最后利用经典Van Genuchten模型对不同竖向压力下土-水特征曲线进行拟合,模型拟合效果较好。通过试验及分析,为兰州新区建设提供相关参考依据。     

考虑非饱和区影响的土石坝渗流有限元计算

传统的有限元饱和渗流计算往往把渗透系数取作定值,而实际上非饱和土渗透系数呈非线性函数关系,与体积含水率、孔隙水压力密切相关.基于饱和-非饱和土渗流计算模型与原理,本文考虑渗流场非饱和区对堤坝渗流的影响,对某土石坝进行了渗流有限元计算与分析.算例结果表明,应用该思想与方法计算土石坝渗流,可以获得较为准确合理的渗流场计算结果.     

黄土中降雨入渗规律的现场监测研究

已有许多人工降雨试验确定的黄土入渗深度有限，一般很少超过4m，由此认为降雨难以通过正常渗流途径到达地下水位；而是通过裂隙、落水洞等通道灌入深部补给地下水的。然而调查发现，这种入水通道仅在黄土塬边的卸荷区常见，塬的中部很少。为了了解黄土地区地表水以何种方式补给地下水，在甘肃正宁县建立了一个监测站，通过在一深度为10 m的探井井壁上埋设土壤水分计，对天然降雨入渗条件下不同深度黄土层的体积含水率变化情况进行了为期一年的连续监测，同时采用雨量计记录其间的日降雨量。结果表明：2 m以内的浅部土层，土壤水分具有周年的背景变化趋势，该趋势和蒸发量的变化趋势吻合。当日降雨量小于18mm/d时，水分仅在表层循环，对地表以下（>20cm）的含水率几乎没有影响。当日降雨量大于18mm/d时，才会引起土壤含水率骤增，降雨量越大，土壤含水率增幅越大，影响深度越大，随着深度增加，增幅减小，时间上渐有滞后。观测点黄土的浸润带约为2m，2m以下的非饱和黄土中，水分以非饱和渗流或水汽形式迁移，水汽迁移量很小，但不可忽视，当遇到透水性差的古土壤层时，会在其顶部富集，长期作用则可能形成软弱带，诱发黄土滑坡。     

隧道砂层段排水性能对水压与排水量的影响

为保证运营期某隧道衬砌结构安全提供理论依据,需提出排水量与衬砌水压荷载之间的关系。通过ABAQUS数值模拟软件,将模型中隧道排水系统和初支统一视为一层排水介质,简化为一维第三类边界条件,并利用温度场与渗流场的对应关系,使用温度场模拟渗流场,在保证精度的同时,极大的提高了计算效率。对数值模拟出的变量关系进行曲线拟合,以得到简化计算公式。研究表明,对于本工程,流量与水压1个月内迅速下降并稳定。初支渗透性减小,隧道压力水头增加。当表面渗透系数K≤3×10~(-5) d~(-1)时,可认为初支不透水,承担全部水压;当K≥3 d~(-1)时,可认为初支完全透水,不承担水压力,不影响隧道排水;当表面渗透系数3×10~(-5)≤K≤3 d~(-1)时,稳定水头高于设计水头,承担部分水压力。拟合公式可以合理反应表面渗透系数、水头、排水量、时间的相互关系。     

天然黄土节理水流入渗试验及数值模拟

节理广泛存在于黄土地区,是分割黄土的结构弱面和水流入渗优势通道,目前对其工程特性尤其是水流入渗规律的研究较少。首先通过模型试验分析典型含单节理黄土的水流入渗分布及范围,然后采用SEEP/W数值模拟软件,根据模型试验结果,利用非饱和渗流理论结合数值分析的方法得到典型节理宽度为0.41,0.8,1.24 mm的黄土体的等效饱和渗透系数分别为1.5×10^-4,1.67×10^-4,1.83×10^-4 cm/s,最后研究了节理对水分场分布的影响及节理数量、节理间距等对入渗范围的影响规律。结果表明,节理对黄土水分场有较大影响,湿润区深度随节理数量的增加而大幅增加;随节理间距的增大,节理对水流入渗深度的影响逐渐消失,而湿润区宽度受节理间距的影响较小。研究成果对黄土节理渗流规律研究、含节理隧道及地下工程稳定性评价、控制水土流失等具有重要意义。     

原状黄土冻融过程渗透特性试验研究

通过对西安Q_3原状黄土在冻融作用下的电镜扫描和三轴渗透试验,研究了原状黄土冻融过程渗透特性变化机理及规律。试验表明:冻融过程中由于土体内部冰晶生长及冷生结构形成导致原状黄土微观结构发生显著变化,融化后的黄土在一定程度上增大了渗透性;基于图像处理软件,计算得到孔隙面积比随冻融次数增加呈指数增加趋势,反映出冻融作用一定程度上破坏原状黄土结构强度,使土体渗透性增强,但多次冻融后结构强度和渗透特性趋于稳定。冻融过程试样表面产生不规则裂缝,且含水率越高,土体表面特征破坏越严重,是渗透性增强的主要原因。渗透系数随围压增大呈指数下降趋势,且高围压时渗透系数差异较小;渗透系数随初始含水率增加近似呈抛物线变化规律,但高围压下渗透系数与初始含水率抛物线变化规律不明显;渗透系数随冻融次数增加近似呈指数增加趋势,但低含水率试样渗透系数变化幅度较小。基于试验数据规律性,进一步得到了考虑围压、初始含水率及冻融次数影响的西安Q_3原状黄土渗透系数多变量预测模型。     

重塑非饱和黄土浸水入渗规律的模型试验研究

为了研究非饱和黄土的浸水入渗规律,开展了重塑黄土的浸水入渗模型试验,分析了浸水过程中不同位置的体积含水率变化及湿润锋面发展过程,研究了入渗水分在水平和径向的发展变化规律,并通过考虑空气压力的Green-Ampt模型计算得到不同时间的入渗深度,与实测值进行对比分析。研究表明:不同测点的体积含水率变化趋势基本一致,都会经历稳定-快速增长-到达峰值-快速减小-再次增长-维持稳定6个阶段;浸水入渗过程受入渗深度、渗流路径、沿程黏滞阻力和空气压力的共同影响,入渗深度越深、距离中心轴位置越远、湿润锋发展越滞后,入渗速率越小。深度从0 cm增加至100 cm时,入渗速率从14.93 cm/h减小至1.67 cm/h。对不同位置的竖向入渗速率与入渗深度的关系进行拟合发现:竖向入渗速率与入渗深度呈二次方关系,且拟合度达到0.9以上;径向水分运移是该深度水分径向扩散和上部水分竖向入渗综合作用的结果,故相比于竖向入渗较快;模型计算结果中湿润锋面发展趋势与实测竖向入渗情况一致,但入渗后期的入渗深度计算值比实测偏大。研究结果可为黄土地基浸水入渗研究提供参考。     

湿陷性黄土地区一种雨水收集装置——埋深对变形影响的试验研究

黄土地区城市建设,地面雨水集中补充地下的过程中极易诱发黄土湿陷,产生局部不均匀沉降,引起地面塌陷并威胁周边建筑物安全。针对湿陷性黄土地区城市建设,设计了一种路面雨水收集补充地下水系统,采用透水混凝土转移雨水,利用土工膜和三七灰土的弱透水性阻止雨水与湿陷性土层接触,通过蓄水结构收集、存储雨水,多余水量过滤后经砂井导入地下,以削弱雨洪峰值,避免湿陷和土壤干化等问题。根据现场试验,研究了砂井埋深与变形的关系,得出较大埋深可以减缓水分到达土体的时间,同时减少变形的结论,从而服务于黄土地区海绵城市建设。     

不同酸度渗透溶液对重塑黄土渗透特性影响研究

通过对杨凌黄土进行三轴渗透试验和常规渗透试验,分析了不同干密度的重塑黄土分别在pH=7.0的无气纯水及pH=3.0,4.0,5.0的乙酸溶液渗透下渗透系数的变化规律,研究了黄土在含酸渗透水流作用下的劣化性质,为分析黄土在酸溶液渗透作用下强度变化以及黄土构筑物的稳定变化特性提供依据。试验结果表明:①饱和黄土的渗透系数随着干密度的增加而减小。②在一定的干密度下,黄土的渗透系数随围压的增大而减小。③饱和黄土在pH=3.0酸溶液短期渗透下的渗透系数最大,随着酸溶液pH值的增大,渗透系数随之减小,因为酸溶液中的氢离子溶解了黄土中的难溶盐形成了新的渗流通道;而纯水pH=7.0渗透下土样的渗透系数介于pH=3.0和pH=4.0渗透下土样的渗透系数之间,是因为纯水采用的是煮沸过的无气水,相比之下试验配置的酸溶液本身存在少量的气体,从而影响了渗透系数的大小。④渗透系数随时间的增加而出现减小的趋势。试样进行三轴渗透和常规渗透,得出渗透系数都有随时间的延长而减小的规律。     

降雨入渗过程中土质边坡稳定性计算

在室内试验资料基础上,提出了土体抗剪强度与降雨入渗时间以及土体含水率的函数关系,修正了考虑土条间相互作用力的简化毕肖普方法,使之能够体现边坡土体含水率变化引起的土体强度降低现象。采用Fortran语言设计平台,开发了耦合饱和-非饱和渗流有限元计算与边坡稳定极限平衡方法(修正的简化Bishop方法)的计算程序,考虑边坡土体抗剪强度参数随着降雨入渗发展、含水率变化而变化,采用饱和-非饱和渗流计算降雨期间边坡土体含水量变化以及扩展过程。计算了物理试验模型在降雨条件下,土坡内部渗流发展过程,以及边坡安全度的变化情况。计算结果与试验结果吻合,与修正前简化Bishop方法计算得到的边坡安全系数相差35%左右。本文提出的计算方法为降雨诱发土质滑坡研究提供了一种新的可供参考的定量分析方法。