浅层时序灌溉条件下入渗压力对水分运移的影响

为寻找合适的浅层灌溉方法,采用水平方向和垂直方向的一维压力入渗及再分布实验,研究入渗压力对湿润峰前进速度、入渗率、土壤平均含水量、水分再分布过程中湿润峰前进速度及对干土层厚度的影响.研究结果表明：入渗阶段提高入渗压力增大了湿润峰前进速度、入渗率及平均含水量,其中对湿润峰前进速度和入渗率的影响主要表现在入渗初期;入渗压力对再分布过程湿润峰前进速度没有影响;入渗压力对垂直土柱干土层厚度没有影响;调节入渗压力是调节含水量大小及水分分布形态重要手段,适当地减小入渗压力能避免形成植物所不需要的高含水量区。     

考虑源汇项的1维稳态流下非饱和土基质吸力的解析解

根据1维稳态渗流微分方程,结合Gardner模型,求解考虑源汇项的均质非饱和土基质吸力铅直分布通解,并据此求解不考虑源汇项和源汇项为非零常数两种情形下基质吸力铅直分布的特解。通过算例计算对比有源汇项蒸发、无源汇项蒸发、静水条件、有源汇项入渗和无源汇项入渗等5种情况下非饱和粉土层内基质吸力铅直分布规律。结果表明:源汇项为非零常数时,基质吸力铅直分布受土层表面比流量、源汇项,饱和渗透系数等因素控制;在静水条件下,基质吸力与距地下水位的距离呈线性关系;在非静水条件下,呈非线性关系。源汇项为非零常数且与流动方向同号时,比流量自地下水位处至地表递增。当地表比流量相同时,在蒸发条件下,基质吸力比无源汇项的相应条件下的基质吸力要小;在入渗条件下,则相反。     

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。     

初始地下水对浅层边坡降雨入渗及稳定性影响

浙江省山地丘陵地区浅层边坡土层大多存在稳定的初始地下水,从而导致土体含水率分布复杂、降雨入渗和稳定性分析难度大。为此,根据土体非饱和特性确定考虑初始地下水影响的坡体含水率指数分布模型,根据雨强与土体饱和渗透系数的对比关系将降雨分为弱降雨和强降雨两类工况,基于Green-Ampt入渗模型及水量平衡原理推导考虑初始地下水影响的浅层边坡降雨入渗物理方程解析解;结合浅层无限边坡模型,分析考虑初始地下水影响的浅层边坡在降雨作用下的稳定性;当假定坡体含水率均匀分布时,改进模型可近似退化为传统模型;当坡体含水率呈指数分布时,通过数值模拟验证改进模型的有效性。结果表明：当浅层边坡基岩上部土层存在初始地下水时,降雨导致的失稳将发生在基岩面处,且失稳时间早于传统模型的预测结果;弱降雨工况下,雨强提高导致边坡触发失稳的时间呈近指数关系快速缩短;强降雨工况下,当不考虑坡面径流对入渗的促进作用时,雨强提高导致边坡触发失稳时间缩短,速度趋于平缓。     

强降雨作用下昔格达边坡渗流特性及稳定性分析

昔格达地层分布于中国西南,其工程性质极差。为分析上覆第四纪残坡积物的昔格达组粉砂土边坡在强降雨作用下的渗流特性及稳定性,结合石棉县莫家岗滑坡,用数值模拟方法研究坡体渗流规律;用Morgenstern-Price方法计算各时刻坡体稳定性系数,并分析其变化规律。结果表明：雨水在坡体中逐层入渗,雨停后渗流过程将继续发展,由于存在土层分界面,坡体渗流特性不同于均质坡体;降雨过程中,孔隙水压力发生增长的范围在界面附近加速拓展,雨停后,土层分界面附近第四纪残坡积物仍处于近饱和状态;降雨入渗导致坡体边坡稳定性系数下降,且稳定性系数变化对降雨的响应存在滞后性。     

盐溶液入渗过程的电阻率成像法时空监测

采用电阻率成像法探讨了室内实验尺度上岩体中盐溶液的入渗过程。在岩柱试样上进行蒸馏水和盐溶 液的入渗实验,在入渗过程中通过多通道高密度电阻率勘测系统对岩柱的电性特征在三维空间上进行动态监 测。然后对入渗过程岩柱进行电阻率成像,从而获得不同时刻岩柱中的电阻率分布。各勘测截面上电阻率的分 布和变化基本反映了岩柱内盐溶液的时空变化特征,表明电阻率成像法动态监测室内实验尺度岩石中盐溶液的 入渗是可行的,岩柱5个截面的电阻率图像表明溶液的入渗是不均匀的。     

考虑地下水与降雨影响的细粒土路基湿度场

为掌握地下水与降雨综合作用下的路基湿度场分布情况,基于饱和-非饱和渗流理论,提出一种降雨入渗边界切换方程,建立非饱和细粒土路基渗流分析模型,并验证其可靠性。分析受地下水影响的粉质黏土路基湿度场分布,结果表明,基质吸力分布与现有设计规范计算结果相同,但基于土水特征曲线得到的饱和度分布要大于规范提供的参考值;选取5种典型降雨强度,计算高压实度粉质黏土路基降雨入渗规律,结果表明当降雨强度小于土体饱和渗透系数时,入渗边坡不会产生暂态饱和区,当降雨强度大于土体饱和渗透系数时,土体入渗区域为暂态饱和区;分析降雨结束20 d后的路基湿度场分布规律,结果表明,暂态饱和区消散后的入渗深度随降雨强度增大而增加,降雨强度为120 mm/d时,路床底部、上路堤底部两层位坡面饱和度分别为91.6%～95.0%、92.0%～96.7%,硬路肩范围的路床区饱和度近似呈线性分布,约2 m的入渗范围内饱和度提高22%,下路堤底部层位的入渗仅在坡面范围,并未入渗到硬路肩范围。     

肥液浓度对膜孔灌氮素运移转化的影响

为研究膜孔灌灌施条件下氮素运移转化分布规律,利用研制的膜孔点源入渗装置,在室内进行灌施条件下的氮素入渗试验,测试不同尿素肥液浓度下膜孔累积入渗量及土壤中氮素含量。结果表明：累积入渗量随灌施肥液浓度增大而增大;尿素肥液浓度对土壤中铵态氮及硝态氮含量在剖面分布影响较小,对其含量影响较大;转化生成的土壤铵态氮、硝态氮含量及土壤硝态氮分布范围随灌施肥液浓度增大而增大。     

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。     

稻田土层结构水力特征及人渗强度简化计算

分析了在水力颗粒分异和垂直入渗两个过程用下形成的稻田土层剖面层次结构。论证了稻田土层剖面上出现非饱和流动区域的三个主要水力特征,并证明了在负压水头逐渐坛大区(A区)与负压水头逐渐减小区(B区)间存在一个压力水头梯度为零、下渗水流仅在重力作用下的层面,并以此为条件推导出下渗强度q的简化计算式。     

考虑雨水重分布对均质无限长边坡稳定性的研究

建立反映雨水入渗及重分布的Green-Ampt扩展模型,求解坡体内雨水重分布的含水率.基于Fredlund非饱和土抗剪强度理论的极限平衡法,建立无限长边坡安全系数与雨水累积入渗量以及雨水重分布持时的关系.通过与数值模拟结果的对比验证模型在边坡稳定性计算中的合理性.从雨水重分布的角度阐释滑坡滞后性的机理.结果表明,边坡的安全系数随雨水重分布持时以及前期累积入渗量的增加而逐渐降低,并最终趋于平缓.     

微生物矿化加固粉土的试验研究

目前利用微生物矿化技术胶结加固土体多采用注浆的方法,容易出现生成物分布不均匀及注浆口堵塞的问题.本文以海相粉土为处理对象,选用巴氏芽孢杆菌作为微生物,尿素和氯化钙作为胶结液,采用将菌液与粉土拌合制样,然后从表面多轮入渗胶结液的方法对试样进行整体加固.为确定试验参数,采用血球计数板法确定出菌液在土中的留存时间,通过测定流出液电导率的变化确定出胶结液处理的间隔时间.选取了不同浓度的胶结液分不同入渗轮数进行了试验,结果表明:当胶结液浓度不低于0.50 mol/L时,试样整体的水稳定性较好;试样中生成的CaCO_3数量和无侧限抗压强度均随着胶结液浓度增加而提高,但当胶结液浓度为1.50 mol/L时,试样的均匀性和无侧限抗压强度都有明显下降.扫描电子显微镜(SEM)结果显示强度高的试样中,生成的六面形CaCO_3晶体更多且尺寸更大.在胶结液浓度处于0.50～1.25 mol/L时,试样的无侧限抗压强度随着CaCO_3含量呈指数上升.对胶结液多轮入渗下的表面入渗率进行了测定,结果表明经加固后的试样仍保留了一定的透水性.     

松散堆积土中的隔水层对边坡稳定性的影响

通过大量滑坡案例的地质调查,发现隔水层在滑坡过程中产生重要的影响.为了揭示相对隔水层对边坡稳定性的影响机制,构建包含隔水层的边坡模型,模拟降雨和斜坡后缘地下水入渗的物理力学作用.模型试验结果表明,降雨入渗主要影响隔水层上部土体,使含水量快速升高、土体变形和坡体的下滑推力迅速增大,隔水层下部土体的含水量等参数基本不变.在模型试验中当使后缘地下水入渗到隔水层下部坡体时,虽然只影响隔水层下部坡体的含水量和孔隙水压力,但力学作用影响整个边坡,不仅引起隔水层下部土体的变形,使下滑推力增大,而且在更大程度上影响隔水层上部土体的变形,使隔水层上部土层的下滑推力大幅提高.     

降雨促发黄土滑坡的启动机制模拟

黄土滑坡和降雨关系尤为密切。为深入研究降雨入渗对滑坡的促发作用,在对陕西西安地区“9?17”灞桥滑坡现场勘察的基础上,利用数值模拟方法系统研究了黄土边坡在降雨入渗条件下土体相关物理力学指标的变化响应特征及时空分布规律; 从滑动面安全系数变化的角度分析了边坡的失稳过程,并揭示了该类滑坡的启动机制。结果表明:①降雨入渗首先引起坡面土体的基质吸力逐渐降低,而且不同分布位置的降幅不同; ②滑坡启动前,坡体的高体积含水量范围随降雨明显扩大,且体积含水量表现出从古土壤层向邻近黄土层递减的规律; ③边坡的水平方向位移自坡面中部向坡体的上下部呈放射状递减特征,垂直方向位移由上至下逐渐减小,而临界滑动面的安全系数也随降雨入渗过程逐步递减; ④节理处土体的孔隙水压力和体积含水量的变化响应时间及幅度都早于且强于坡体其他区域,坡体内最大剪应变的区域分布与坡面基本平行,模拟结果与原型滑坡一致; ⑤基于黄土独特的水敏性、地质构造和人类工程活动等诱因的影响,加上节理裂隙为水的入渗和运移提供了优势通道,降雨加速了黄土潜蚀和坡体结构破坏过程,改变了边坡内部应力场、位移场和水文地质条件,进而促发了滑坡。     

黄土路基降雨入渗现场试验

为了寻求适合黄土地区公路路基湿陷性评价的方法,找到符合公路工况的实际水分入渗规律,通过现场 人工降雨试验,观测了湿陷性黄土路基在百年一遇降雨强度下的入渗以及饱和深度,并结合有限元数值模拟,分 析了湿陷性黄土降雨入渗的规律。结果表明:在降雨条件下湿陷性黄土路基入渗的影响深度小于2.7m,饱和 深度为20cm。该结果可为黄土地区路基处理设计中的黄土湿陷性评价、施工提供依据。     

氮沉降对杉木人工林土壤盐基离子的影响

在闽北12 a生的杉木人工林中开展模拟氮沉降试验,试验设计为4种处理,分别为N0(0 kg.hm-2.yr-1N,对照)、N1(60 kg.hm-2.yr-1N)、N2(120 kg.hm-2.yr-1N)、N3(240 kg.hm-2.yr-1N).以第3年模拟试验的杉木人工林土壤为研究对象,分析了氮沉降对土壤盐基离子的影响.从相同处理不同土层间比较发现,盐基离子总量及盐基饱和度均随土层深度增加而下降,氮沉降没有改变盐基离子在土壤上下层之间的分布格局.从相同土层不同处理间比较显示,低氮处理增加了杉木人工林土壤K、Na、Mg 3种盐基离子的含量以及盐基离子总量和盐基饱和度,而中、高氮处理则影响较小;高氮处理明显提高了土壤Ca离子含量,但低氮和中氮处理的影响不明显.     

盐池县不同建植类型甘草地下生物量分布规律及其草地经济效益

为了探讨干旱半干旱地区不同建植类型甘草（Glycyrrhiza uralensis）根系的分布规律,比较其经济效益的高低,对马儿庄3种建植类型甘草进行了调查研究.经分析得知,3种甘草地下生物量80%分布于80 cm以上土层范围内,随深度的增加呈波状下降,人工甘草地下生物量比野生甘草随土层深度的增加减少得更快,3种甘草地下生物量分布最大的土层与分布最小的土层均不同;年均经济收益由高到低依次是单播甘草、混播甘草、野生甘草.     

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.     

岩溶地面塌陷的水-岩耦合模型

以山东省泰安市岩溶地面塌陷区为例,从塌陷岩土体受力状况入手提出了岩溶地面塌陷的预测模型——水岩耦合模型．根据已经出现的8个塌陷实例的溶洞大小、地面塌陷半径、岩土层厚度及其力学性质等基本条件,在不同的地下水位下降和地表水入渗等诱发条件下,分别对模型进行了验证和分析．结果表明,利用该模型的预测结果与实际情况基本吻合．     

岩溶地面塌陷的水-岩耦合模型

以山东省泰安市岩溶地面塌陷区为例,从塌陷岩土体受力状况入手提出了岩溶地面塌陷的预测模型——水岩耦合模型．根据已经出现的8个塌陷实例的溶洞大小、地面塌陷半径、岩土层厚度及其力学性质等基本条件,在不同的地下水位下降和地表水入渗等诱发条件下,分别对模型进行了验证和分析．结果表明,利用该模型的预测结果与实际情况基本吻合．