降雨条件下双层土斜坡稳定性的简化分析方法

Green-Ampt模型原理简单、使用方便,在浅层滑坡的降雨入渗分析中有很大的应用潜力。推导了适用于双层土斜坡的Green-Ampt降雨入渗分析模型,并给出了降雨入渗量随降雨时间变化的解析表达式。提出的模型预测的孔隙水压力分布与Richards模型预测结果类似。在此基础上,基于极限平衡法提出了双层土斜坡的安全系数计算方法。研究表明,随着降雨时间的增加,湿润锋位置逐渐下移,安全系数随着也慢慢减小。当下层土强度较高时,最危险滑动面位于第一层土体的底部,在一段时间内安全系数将不随时间发生变化。但当雨水入渗深度足够大时,最危险滑动面重新位于湿润锋位置处,此时安全系数将随着入渗深度的增加再次增加。斜坡安全系数降低的速率随着降雨强度和斜坡坡度的增加而增加,因而在相同条件下高强降雨及坡度较陡斜坡更为危险。方法计算简便,可以更方便的应用于工程实践,并且具有继续研究的价值。     

小雨条件下入渗土壤中水—气运移规律试验

探明非饱和土壤水分入渗中水—气运移的规律及相互关系,有利于促进水分入渗规律和溶质运移规律的深化研究。基于室内土柱试验,研究了在小雨量(15mm/d)连续降雨入渗条件和土中气相影响条件下水分入渗的变化规律。结果表明,土中水分入渗能力随时间和深度递减;气压势与含水率呈负相关,与基质吸力呈正相关;多项式和对数函数对土—水特征曲线的拟合较为理想;入渗系数随剖面深度加大而减少。试验结果较好地解释了试验过程中出现的积水现象,对深入研究非饱和土壤水分入渗规律意义重大。     

半无限平面内非饱和土降雨入渗的水—力耦合数值分析

降雨入渗是非饱和土中水分迁移的重要因素。通过VG模型、渗流理论和弹性力学理论,推导出二维非饱土水—力耦合控制方程,利用COMSOL Multiphysics有限元软件对非饱和土渗流变形耦合控制方程组进行计算,研究了不同模型尺寸下土体中压力水头随时间的演化及变化规律,采用数值方法探索半无限非饱和土降雨入渗问题。结果表明,半无限渗流问题在一定条件下可作为有限尺寸的渗流问题;降雨入渗过程中水头水平向变化比竖向大;压力水头在非耦合情况下比耦合情况下入渗更快,但两者的压力水头分布无明显差异;降雨初期顶点位移就发生明显的变化。     

溪古水电站消力池边坡降雨条件下渗流场三维有限元分析

针对因公路改线在坝顶高程附近开挖溪古水电站消力池高边坡时雨季曾出现局部塌滑破坏、边坡顶部变形较大并出现明显的坡面拉裂缝等问题,基于饱和—非饱和渗流理论,建立了该边坡渗流分析三维有限元模型,模拟了坡面张拉裂缝等入渗通道和内部主要结构面,根据坝址气象资料拟定了典型降雨过程线,研究了该边坡在降雨条件下的渗流场及其变化规律,并计算分析了工程治理措施对边坡渗流场的影响。结果表明,同时封闭后缘透水带和坡面张拉裂缝等入渗通道可显著减小坡体暂态饱和区,且暂态饱和区向坡内延伸的垂直深度最大可减小约15 m,有利于提高边坡稳定性。     

通气和封气条件下降雨对粘性土入渗速率、含水率及孔隙压力的影响试验

通气条件是影响整个降雨入渗过程的重要因素之一。通过自主设计的降雨入渗试验模型、模拟降雨系统及数据自动采集系统,分别进行通气、封气条件下的人工降雨模拟试验,从而研究气相对降雨入渗的影响。对比通气和封气条件下的试验数据可知,封气条件下气体不能自由排出,对雨水下渗的阻滞作用明显,雨水入渗速率较小,坡体内饱和区变化缓慢;坡体内孔隙气压力随着降雨入渗的进行先增大后在10cm水头上下波动。研究成果为原位试验的展开及数值模拟提供了数据支撑。     

非饱和成层土一维降雨入渗水力耦合分析

为了有效地分析非饱和成层土的水—力耦合问题,基于非饱和土有效应力原理和渗流理论,考虑降雨过程中双层土孔隙特征及渗透性随应力的动态变化特点,建立了非饱和成层土一维降雨入渗水力耦合模型,利用Flex PDE软件编制计算程序,对一典型双层土降雨入渗模型进行了分析。结果表明,在雨水入渗过程中,上粗—下细型土的分界面处会出现较大的孔隙水压力变化,且耦合、非耦合情况差异明显;上细—下粗型土可不考虑入渗过程中水力的耦合效应;对于上粗—下细型土,短历时强降雨在土层接触带会产生较大的孔隙水压力突变。     

考虑降雨重现期的尾矿坝渗流稳定性分析

降雨为影响尾矿坝渗流的一个重要因素,根据多年降雨资料,利用P-Ⅲ型分布描述降雨重现期,模拟得到坝坡的浸润线分布,结合改进Green-Ampt入渗模型得到坝坡湿润锋的发展过程,并以集安某尾矿坝为例,探讨了降雨重现期对尾矿坝坡顶、坡脚处孔压分布、浸润线变化及坝体稳定性的影响。结果表明,坝体孔压变幅与降雨重现期呈正相关;在堆积坝顶部浸润线先上升后下降,而在坡脚处浸润线不断上升;降雨重现期越长,坝体安全系数越小,降雨结束后安全系数的回升速率远小于暴雨期间的下降速率;坝体可靠度指标随降雨不断减小,停雨后有明显的回升,与安全系数的变化规律不一致。     

植被根系对黄土边坡稳定性及固土效果的影响

为了研究植被根系对黄土边坡稳定性及固土效果的影响,通过室内直剪试验、模型试验及数值模拟方法,研究了植被根系对黄土强度、边坡抗冲刷能力、边坡渗流场的影响。结果表明,植被根系可明显提高黄土抗剪强度,且随着植被根系数量的增多,黄土的最大抗剪强度和残余抗剪强度均有明显增大;坡表种植植被后,黄土边坡表面的抗冲刷能力增强,在相同的水流冲刷条件下,原状黄土的冲刷深度为20cm,种植植被后冲刷深度仅为1.5cm,可见植被根系对黄土具有较好的保持作用,渗流数值模拟发现坡面种植植被后,防渗效果明显提高。     

不同降雨强度下黄土台塬区土壤水再分布规律

土壤水对降雨响应过程是水文循环的重要组成部分,研究黄土台塬区的土壤水与降雨之间关系尤为重要。以太原市王家峰村为例,建立了降雨蒸发条件下垂向一维土壤水分运动模型,采用试估〖CD1〗校正法似合参数对模型进行识别验证,分别模拟了四种降雨强度下土壤水分剖面体积含水率和湿润锋的变化规律,揭示了不同降雨强度下黄土台塬区土壤水分再分布过程及动态变化规律,最大限度地提高降水资源利用率,为黄土台塬区水土流失治理提供一定理论依据。     

基于水气两相流理论的降雨入渗强度调控方法研究

降雨入渗强度是海绵城市建设中的关键指标,入渗强度受土体渗透性和驱动力的联合控制,但以往多关注前者,而较少研究驱动力的调控方法。因此,结合土柱降雨入渗模型试验和数值模拟,探究孔隙气对雨水入渗的驱动效应。通过对试验模型底部进行抽气、注气调控土体内部气压力,发现雨水入渗强度对孔隙气压力具有显著依赖性;底部注气增压时,气压力梯度与入渗方向相反,阻滞雨水入渗;而抽气减压时,其与入渗方向相同,驱动雨水入渗。通过模拟底边界不同气压条件的入渗过程,发现在抽气减压条件下入渗强度与底边界气压力呈线性关系。因此,改变孔隙气压力能调控雨水入渗,特别是在抽气减压条件下降雨入渗强度明显增大,为海绵城市的建设及城市内涝的治理提供了一种新思路。     

五道沟地区土壤水分动态变化规律及模拟研究

以五道沟地区实测土壤含水率与气象要素为基础,分别从年、月和季节尺度上分析了土壤含水率在时间与垂向分布上的变化特征,选择不同的典型年和降水场次,探讨了土壤水分在不同降水强度下的响应规律,并运用Hydrus-1D模型模拟了土壤水的运动。结果表明,土壤水分受到降水和蒸发的共同作用,降水强度影响土壤水分的持续下渗时间与下渗深度,浅层土壤的响应程度更大。各层土壤模拟效率系数均超过0.6,表明Hydrus-1D模型在五道沟地区具有较强的适用性,可用于该地区土壤水分运动的模拟研究。     

不同地下水位埋深下五道沟地区地表径流变化规律分析

基于五道沟实验站1991~1999年实测降水、地表径流及地下水位埋深资料,运用水文学原理及数理统计方法,选取不同降雨量和降雨类型,分析了不同量级降雨量、前期土壤干湿状态、次降雨过程砂姜黑土地表径流量及径流系数随地下水位埋深的变化规律。结果表明,对于砂姜黑土,在50mm以上日降雨过程中,存在土壤表层蓄满、深部超渗的分层产流机制;地表径流量及径流系数随地下水位埋深增加呈指数递减趋势,且随降雨量的增加地表径流系数呈上升趋势;而前期土壤干旱时间长、土壤含水率较低、地表径流系数随地下水位埋深增加而减少,且降雨集中分布比降雨分散分布的地表径流系数高。     

地下水位埋深对地表径流量及入渗补给量影响的数值模拟

针对五道沟实验站亚粘土（砂姜黑土）且无植被覆盖区内的蒸渗仪中的不同地下水位埋深之上的非饱和土层,建立了非饱和带数值模型,进而模拟出不同地下水位埋深时的地表径流量及入渗补给量变化规律。数值模拟结果表明,地表径流量及入渗补给量随降雨量增大而增大,地表径流系数总体随降雨量增大而增大,随地下水位埋深增加而减小;但对强降雨,地下水位埋深对地表径流系数影响较小。     

基于水气两相流的降水渗水桩渗水性分析

渗水桩是一种可以提高地表降雨入渗效率的设施,主要应用于海绵城市建设。渗水桩通过改变地表透气边界,降低土体内孔隙气压力,促使雨水快速入渗,达到"排气减压、促进入渗"的目的。基于水气两相流理论,采用数值模拟方法分析渗水桩的渗水性。结果表明,土体埋设渗水桩可以显著减小孔隙气压力,提高地表入渗率;渗水桩渗水性在中锋型降雨时发挥最优;桩材料的饱和渗透系数越大土壤累积入渗量越大,增长率呈减速增长;保证体积不变渗水桩由窄变宽更利于雨水入渗,超过宽深比阈值后,渗水桩的促渗效果无显著变化。渗水桩有利于提高雨水入渗量,降低地表径流量,研究成果为渗水桩的适宜条件、材料选择及几何形态的设计提供了依据。     

不同降雨条件下的某航电枢纽工程砂砾体围堰稳定性分析

降雨入渗对岩土的力学性质和力学行为有较大影响,不同的降雨条件会导致土体内部产生不同的水力响应。基于江西省某航电枢纽工程,结合Abaqus通用有限元软件,分别考虑实际降雨的三个影响因素(降雨强度、降雨历时、降雨雨型)进行不同降雨条件下的砂砾体围堰渗流及稳定性数值计算与分析。结果表明,围堰体内部渗流速度、孔隙水压力及变形位移随降雨强度和降雨历时的增加而增加,而堰体安全系数则随之下降。同时,堰体渗流和稳定性与不同雨型的峰值分布有较强的相关性,雨强峰值出现越晚,在降雨终止时,堰体的非饱和区孔压、渗流速度等越大,堰体安全系数越小。     

内蒙古中部草原区光伏电站对土壤水分及其脉冲响应的作用机制

针对内蒙古草原地区光伏电站对降雨的再分配作用下土壤水分空间变异规律及其对降水事件的脉冲响应特征,对草原地区光伏组件下的土壤水分时空特征进行持续观测,并确定光伏组件干扰下的气象因子与土壤水分的关系,最终通过参数估计厘清光伏组件对土壤水分脉冲响应的作用机制。结果表明：光伏组件前檐下方的土壤总储水量整体高于组件下方和未架设组件区域的土壤储水量;光伏组件前檐的各土层储水量对降水的响应均较强,光伏组件下各层土壤储水量对降水无明显响应过程;光伏组件下大气湿度与0~10、10~20和20~30 cm土层储水量的相关系数分别为0.889、0.579和0.414;光伏组件前檐10、20和30 cm土层的含水量对降水量的脉冲响应方程R²分别为0.875、0.938和0.957,降水量的补给对0~30 cm土层的脉冲事件均产生促进作用。未架设组件区域的20 cm土层含水量对自然降水有较好的响应过程。