降雨条件下边坡渗流和地表径流的耦合分析

降雨常常会诱发滑坡,建立降雨入渗模型是分析边坡稳定性较为常用的研究方法,但往往没有考虑入渗和产流的耦合过程。目前模拟地表径流与地下渗流的耦合效应多采用有限元法,计算程序相对复杂。为更好地研究降雨入渗过程,首先利用水量守恒原理建立地表径流和地下渗流的耦合方程,然后在此基础上推导了径流与渗流的差分求解格式,并以算例模拟分析径流与渗流影响,表明了该方法的正确性与有效性。     

基于温度场对边坡降雨入渗的模拟分析

降雨入渗直接影响土质边坡渗流场分布,是土质边坡失稳的主要诱发因素.通过降雨强度、水力坡度、渗流量等因素对土质边坡发生滑动破坏部位的渗流场影响的分析,求解降雨入渗与边坡失稳的内在联系.基于渗流场方程和温度场方程原理的比较分析得出可以运用温度场模拟渗流场变化规律,运用Adina有限元分析软件中温度场对边坡降雨作用进行流固耦...     

考虑径流补给的滑坡渗流三维有限元模拟

现有数值模拟方法在模拟边坡降雨入渗时通常不能考虑径流流量补给对滑体渗流的影响,当滑床和滑带的渗透性相对于滑体极低时,会出现低估降雨入渗量、高估滑坡稳定性的现象。以Richards方程、运动波方程和有限元法为基础,提出了一种降雨时滑坡渗流数值模拟方法。该方法忽略滑床和滑带的渗流而只考虑滑体渗流过程,从而减小计算规模,也避免了因滑体与滑床(滑带)渗透性差异过大引起的数值计算困难;依据地形和滑体降雨入渗边界饱和情况,修正降雨入渗边界类型和流量,实现了考虑径流流量补给的滑坡降雨入渗简化数值模拟。对简单土质边坡降雨入渗进行数值模拟,从水量平衡与边坡渗流场两个角度,对比了考虑和不考虑径流流量补给的区别;结果表明,考虑径流流量补给时才能保证计算结果水量平衡,正确反映降雨入渗对基质吸力大幅降低的作用。     

边坡降雨入渗与坡面径流影响因素敏感性分析

影响边坡降雨入渗的因素很多,如雨强、土体渗透性、土体初始含水率、坡度、坡面糙率等。以非饱和降雨入渗与坡面径流有限元耦合模型为计算方法,应用正交试验设计数值试验,从坡面产流时间tp、坡脚径流水深h、坡体入渗量Q和入渗量与降雨量之比C的角度,对上述五种影响因素进行敏感性分析。结果表明,影响tp的主要因素是雨强、土体渗透性;影响h的主要因素依次是雨强、坡面糙率、土体渗透性;对Q影响较大的因素依次是土体渗透性、雨强、初始含水率;对C有较大影响的依次是土体渗透性、雨强、初始体积含水率。     

考虑流固耦合的降雨入渗过程对非饱和土边坡的影响研究

流固耦合是指固体在渗流场作用下的变形行为以及固体变形对渗流场影响这二者相互作用的 理论,在探讨了渗流场与应力场相互作用机理后,提出了考虑渗流与应力直接耦合作用的非饱和土质边 坡雨水入渗过程影响的有限元计算模型分析方法。基于ＡＢＡＱＵＳ分析软件,考虑了流固耦合和土水特 征曲线,结合一典型非饱和土质边坡算例,对土坡受降雨入渗的影响进行了有限元数值模拟研究,得出 了非饱和土质边坡基质吸力、饱和度、变形和稳定性受降雨影响的变化特征规律,指出了在工程设计中 考虑耦合作用和雨水入渗影响的合理性和必要性,为进一步研究和相关工程设计防护提供参考。     

降雨入渗条件下边坡的稳定性分析

把降雨入渗条件下的边坡稳定性问题转化为图论中的最短路问题,基于饱和-非饱和渗流有限元计算得到的应力场和渗流场来计算边坡的最危险滑动面及其安全系数,在降雨入渗过程中,考虑基质吸力对滑动面抗剪强度的影响,采用修改的Mohr-Coulomb破坏准则来计算非饱和边坡的抗剪强度。降雨入渗过程及其对边坡力学行为的影响采用一个二维的有限元渗流-应力耦合程序进行分析,研究降雨入渗过程对边坡的孔隙水压力、位移以及安全系数的影响,计算结果表明,在降雨入渗过程中,边坡的安全系数在不断减小,降雨停止之后,边坡的安全系数还会持续减小一段时间,随着排水的不断进行,边坡的安全系数又会逐渐增大。     

自然修复草被对坡面径流的阻滞作用研究

自然修复是干旱半干旱地区小流域水土保持生态治理措施的一种,研究自然修复措施对坡面径流的阻滞作用,对客观评价生态蓄水能力和认识黄河水沙锐减原因具有重要意义。利用野外标准小区,研究了天然降雨和径流冲刷模拟试验条件下,坡面自然修复草被对径流的阻滞作用,结果表明:低强度降雨时,自然修复草被坡面降雨入渗率可达97%,高强度降雨时更容易产流;同一径流冲刷试验条件下,自然修复草被坡面、人工草被坡面和裸坡坡面的径流入渗率分别为90.1%、49.1%和3.4%,自然修复草被坡面的产流时间最长,阻延径流、增加入渗的作用更突出。     

边坡软式透水管在不同淤塞度下的排水效应数值模拟

通过结合实际室内边坡试验成果,借助ＰＬＡＸＩＳ３Ｄ有限元软件建立边坡三维渗流模型,对软式透水管在不同淤塞程度的工况下的排水效应及其对边坡渗流场的影响展开研究。研究结果表明:边坡位移量从坡体内部逐渐向坡面发展演化,在透水管上方的坡面处位移变形量最大;渗流量随着软式透水管累积透水面积的增长而逐渐增加,透水管出水口处的流量最大,随透水管淤塞程度的增加,透水管的导水能力逐渐降低,即边坡坡体与透水管的总渗流量逐渐减少;透水管在较小程度的淤塞情况下仍可发挥部分排水功能,边坡渗流场的地下水位与孔隙水压力值有效降低,不会使坡体产生较大变形量。     

坡地降雨漫流的有限元模拟

由于坡地降雨漫流过程的非线性特征突出,常用的线性水文方法较难模拟这种急剧变化的过程,因此,本文采用了有限元方法对描述坡地降雨漫流过程的运动波数学模型进行求解。这种求解方法可以在计算机上完成。并且将该有限元数值计算的结果与室内透水和不透水坡面降雨漫流实验的观测结果进行了比较,以及与坡地降雨漫流运动波方程的解析解进行了比较,以此作为对模型的检验。检验结果表明,数值计算与实验结果符合良好,而且与解析解的一致性也很高。本文还讨论了应用微型计算机求解的3个具体问题,即输入误差的影响、单元数目的选择及时段的选择问题。该有限元模拟模型,已经应用于西峰水保站实验小区人工降雨漫流过程的模拟和子洲径流实验站团山沟3号径流场天然降雨漫流过程的模拟,计算结果与实测径流过程线符合良好。这说明在变动急剧的天然降雨条件下,该模拟模型是适用的。     

海岛山地坡面降雨入渗与地表径流观测研究

该文在不同下垫面和降雨强度等情景下,于平潭岛设置野外降雨入渗与产流试验场地,根据获得的观测数据分析研究山地坡面降雨入渗和地表径流的形成过程。结果表明:与裸地观测小区相比,植被覆盖良好的坡面能延缓产流,有效拦蓄地表径流,增加入渗量;因降雨平均强度、降雨历时等降雨因子均值化,其与坡面降雨平均入渗系数的相关性均很低,无法响应降雨过程中雨型和降雨量的瞬时变化特征。该成果可为平潭岛雨洪资源高效利用提供科学依据。     

不同雨强和坡比条件下黄土边坡降雨入渗研究

降雨诱发滑坡是我国黄土地区的主要地质灾害之一,为了给黄土边坡防护设计提供参考,采用室内边坡降雨模型箱,开展了2种降雨强度(中雨7.00 mm/d、大雨10.75 mm/d)和2种坡比(1∶0.5、1∶1)条件下的模型边坡降雨试验,实测边坡土体含水率、基质吸力及边坡形态变化情况,比较了不同降雨强度和坡比条件下降雨入渗的差异。结果表明:黄土边坡降雨入渗深度坡脚最大、坡顶次之、坡中最小,降雨入渗速率坡顶最高、坡脚次之、坡中最低,雨水的入渗能力随着入渗深度增加而减弱;降雨结束后边坡湿润锋深度坡脚最大、坡顶次之、坡中最小,即降雨入渗深度坡脚最大、坡顶次之、坡中最小,降雨强度越大边坡湿润锋深度越大,坡比越大边坡坡中降雨入渗深度越小;不同降雨强度和坡比条件下,边坡不同位置处基质吸力稳定值坡中最大、坡顶次之、坡脚最小,降雨强度越大基质吸力稳定值越小、相应的含水率越低、降雨入渗速率越高,坡比越小边坡坡中降雨入渗速率越高、入渗深度越大;降雨初期坡面未产生径流,随着降雨历时的延长,表土逐渐饱和、坡面产生径流现象,降雨强度和坡比越大边坡表层土体剥落越严重、坡面径流深越大。     

坡面径流阻力计算模式对比研究

坡面流是污染物迁移、土壤侵蚀、泥沙输移的主要动力因素,阻力系数是影响坡面流模拟的重要参数。为比较三种阻力计算模式(阻力系数为常数、以淹没度为变量的Lawrence模型和阻力分割模型)在裸坡、砾石覆盖坡面、植被覆盖坡面三种常见坡面上的适用程度,本文建立了坡面降雨径流模型,对不同类型坡面的产流进行了模拟。坡面径流模型采用扩散波模型,坡面降雨入渗模型采用考虑坡度影响的Green-Ampt模型,当存在植被时,考虑冠层降雨截留损失。结果表明:在裸坡上,三种阻力计算模式均适用;而在有砾石覆盖和植被覆盖的坡面上,考虑阻力系数时空变化的阻力分割模型模拟精度最高。阻力系数对坡面径流流量的影响在坡面汇流的涨水与退水阶段较大,而在稳定阶段很小。对有植被覆盖坡面,降雨强度存在阈值,大于阈值时,不同阻力模式对坡面流模拟结果影响甚微;反之,需选择合适的阻力计算模式,且坡长越长,坡度越缓,降雨强度阈值越大。     

植被坡面产流特征及其侵蚀动力研究进展

植被覆盖变化状况直接影响流域水文过程,通过对黄土高原植被坡面产流特性已有研究成果进行总结,以期为评价植被对水沙调控的作用提供参考。从黄土高原生态建设和水土保持效益评价的需求出发,回顾了植被作用下坡面产流特征和侵蚀动力学特性研究的主要进展,包括植被增强土壤入渗能力和减缓径流的作用、植被对坡面产流的影响、植被作用下坡面流侵蚀动力学特性;明确了需进一步深化研究的主要方向,包括植被作用下坡面降雨-入渗非线性过程、坡面产流机制发生胁变的被覆临界、不同产流机制的侵蚀动力参数特性等。     

坡面降雨入渗产流规律的数值模拟研究

本文采用运动波理论和两次改进后的Green-Ampt入渗模型建立了坡面降雨入渗产流的动力学模型，并得到了实验资料的良好验证。运用该模型研究了简单坡面上降雨入渗产流的动力学规律，分析了雨强，土壤初始含水量，渗透系数，坡面阻力，以及坡长，坡度等因素对坡面产流过程的影响规律，得出了一些有益的结论。     

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。     

坡面产流模式的神经网络模拟

坡面产流是土壤本身特性与外界影响因素相互作用的结果，它们之间具有明显的非线性输入输出关系。在分析坡面产流和神经网络模型具有某些相似的基础上，利用径流站观测资料，建立了小流域坡面产流量的三层前向网络模型(BP算法)，并显示了具有较好的模拟预测效果。     

坡面产流模式的神经网络模拟

坡面产流是土壤本身特性与外界影响因素相互作用的结果，它们之间具有明显的非线性输入输出关系。在分析坡面产流和神经网络模型具有某些相似的基础上，利用径流站观测资料，建立了小流域坡面产流量的三层前向网络模型（BP算法），并显示了具有较好的模拟预测效果。     

降雨条件下露天矿井坡面径流入渗综合系数探讨

弄清降雨条件下地下工程的坡面径流入渗综合系数,对于有针对性制定地下工程防洪排水对策具有重要意义。利用某矿井长期大量地下水实测数据,采用流量过程线法,探讨了降雨条件下该露天矿井坡面径流入渗综合系数变化规律,分析了其动态变化机制。研究表明,一次降雨过程径流入渗综合系数变化于0.65～0.96之间,平均值为0.81,最大降雨径流入渗综合系数基本上出现在降雨期的前2 d内。多峰雨型或连续雨型条件下,径流入渗综合系数(0.84)比单峰雨型条件下(0.76)大。应用流量过程线分割法测定矿井坡面径流入渗综合系数,理论严谨、方法可行、结果可靠,可为类似地下工程排水设计提供理论依据。     

坡面流临界坡角数值模拟研究

探究坡面流水动力学特性是研究坡地土壤侵蚀机理的基础。为增进对坡面流的系统科学认知并提供新视角,采用改进的Green-Ampt模型建立平直坡面土壤入渗模型,采用Preissmann时空平均四点隐式差分法离散圣维南方程并构建坡面流数值模型,运用前人试验资料验证了模型的有效性,模拟了雨强分别为60、30 mm/h,坡长为5～50 m、坡角为5°～50°坡面流过程。结果表明：在雨强为60、30 mm/h的情况下,各种坡长不同坡角坡面流随降雨持续的变化情况相似,均表现为产流初期单宽流量快速增大,产流约20 min之后转为缓慢增大或趋于稳定;从坡顶到坡脚,初始产流时间几乎没有差异,而总体径流时间沿程增大;在一定雨强和坡长情况下,坡角从5°增大至50°时,坡面流单宽流量和流速均呈现先增大后减小的趋势,即存在使单宽流量和流速达到最大的临界坡角,单宽流量临界坡角随坡长的增大而增大,其变化范围为5°～31°;当雨强和坡长不变时,降雨停止时坡脚处的水深随坡角增大而减小,且坡角较小时其对水深的影响较明显,在雨强为60、30 mm/h情况下各种坡长不同坡角坡面流水深变化范围分别为0.66～37.74 mm和0....     

黑土区坡地土壤NO_3-N运移规律及模型验证

为了研究黑土区坡地土壤NO_3-N运移规律,采取在径流槽内坡面土壤开展人工模拟降雨的试验方法,探讨不同降雨强度和坡度对土壤中NO_3-N运移过程的影响。试验结果表明:坡度从3°增大到9°时,降雨强度对坡面土壤降雨平均入渗率影响变小,降雨强度对坡面土壤NO_3-N流失影响较大,不同降雨强度和坡度条件下坡面径流中NO_3-N浓度从开始产流迅速变小并逐渐稳定,降雨强度越大,径流中NO_3-N浓度越小。模型模拟表明产流初期完全混合模型和不完全混合模型拟合度不高,不同降雨强度条件下相关系数不完全混合模型高于完全混合模型。