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。     

黄土地区不积雨条件下降雨入渗及其湿润锋移动规律

目前,黄土地区降雨入渗规律研究已较为深入,但对不积雨持续降雨入渗及其湿润锋移动规律研究较少。对此设计并制作了一套模拟不积雨降雨条件下黄土土柱垂直入渗模型试验装置系统,共模拟了3组非饱和重塑黄土表面不积雨降雨强度下的土柱垂直入渗试验,得到了3组不同干密度黄土垂直土柱试验各相应深度监测点土体体积含水率与降雨历时曲线,以及各试验组土柱渗流湿润锋和渗流稳定区到达不同深度的降雨时间。基于Green-Ampt入渗模型的假设,建立了黄土地区不积雨降雨垂直土柱湿润锋渗流模型,并结合试验结果,验证了假设及模型的正确性,求出不积雨持续降雨条件下黄土土柱渗流湿润锋形状参数m接近于3,并进一步揭示了不积雨降雨条件下黄土地区降雨入渗湿润锋深度与渗流稳定区深度之间的关系。     

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。     

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。     

低压毛管渗灌器在沙质土壤中的入渗试验研究

以室内入渗试验为基础,研究了低压毛管渗灌器在沙质土壤中的入渗性能和土壤水分运移规律,采用数理统计方法分析了加压水头、内芯直径和渗灌器长度3个主要因素对土壤水分运移规律的影响。结果表明,单一因素下低压毛管渗灌器入渗率与时间呈幂函数关系,累积入渗量与时间呈对数函数关系;加压水头对渗灌器入渗率和累积入渗量的影响最大,内芯直径次之,渗灌器长度最低。     

降雨条件下边坡三维渗流场有限元法数值分析

基于多孔介质饱和-非饱和渗流基本原理对两种降雨入渗模式下的边坡进行了探讨.以某边坡为例,模拟了不同降雨时刻边坡内部的暂态渗流场.结果表明,总体可靠,可作为边坡稳定性分析的参考依据.     

不同雨型条件下非饱和土边坡渗流及稳定分析

为探讨不同降雨等级下不同雨型对非饱和土边坡渗流及稳定性的影响,基于降雨入渗渗流理论,运用Geostudio有限元软件研究非饱和土边坡在中雨、大雨、暴雨降雨等级下分别历经前峰型、均匀型、后峰型、阶梯型4种不同雨型的孔隙水压力及安全系数的变化规律。结果表明,在相同降雨等级下各雨型对孔隙水压力的变化速率呈现不同的变化规律,即前峰型呈上凸型,均匀型呈直线型,后峰型呈下凹型,阶梯型呈先凸后凹型,对安全系数的变化速率与之相反;降雨等级相同时,后峰型降雨对坡体孔隙水压力的上升幅度最大,同时对安全系数的下降幅度也最大,对坡体的稳定最不利;在相同降雨雨型、不同降雨等级下,降雨等级越高,坡体孔隙水压力越大,安全系数越小,对坡体的稳定越不利。     

复杂水力条件下的坝坡渗流及稳定性分析

针对库水位变化和降雨会使坝坡稳定性分析更为复杂的问题,基于非饱和渗流理论,借助GEO STUDIO软件对某土石坝进行数值模拟,研究了该坝在水位骤升、水位骤降及降雨情况下坝体内的渗流情 况,以极限平衡原理和MorgensternPrice条分法为基础分析了坝坡产生滑移的最小安全系数变化规律 。结果表明,复杂水力条件下不利于坝坡的稳定性,且坝坡安全系数变化呈现出一定的规律性。     

土石混合物入渗性能试验及模拟研究

为研究碎石含量与粒径对土壤入渗能力的影响,通过向自然土壤添加不同粒径、不同含量的碎石,在定水头条件下,研究了碎石含量和粒径对其入渗能力的影响,并通过Horton模型、Philip模型、Kostiakov模型及修正的Kostiakov模型对入渗率进行拟合,确定土石混合物入渗过程的适用模型。研究结果表明,相同碎石粒径条件下,累积入渗量与碎石含量呈正相关关系;相同碎石含量条件下,碎石粒径与累积入渗量呈负相关关系;通过Horton模型、Philip模型、Kostiakov模型及修正的Kostiakov模型对入渗率拟合的对比分析,发现修正的Kostiakov模型模拟含碎石土壤入渗率具有较高的精度,适用于试验所选的土石混合物。研究结果可为农业灌溉和水土保持提供参考。     

城市小区绿地入渗试验研究

对裸地、草坪等城市绿地进行入渗试验,得到土壤含水率、土壤容重、土壤入渗率等入渗试验参数,分析了前期降雨对绿地土壤含水率的影响,获得了试验期间裸地、草坪不同土层土壤含水率与前期影响雨量的线性关系,以及不同容重条件下裸地土壤的入渗率变化规律.试验获得了不同绿地类型初始入渗率、稳定入渗率、平均入渗率、累计入渗量等特征参数,研...     

渠道混凝土防渗体下土体特性变化试验研究

渠道衬砌结构的冻胀破坏在寒冷地区普遍存在,对其使用效果和寿命造成了很大影响,为了解季节性冻土区渠道防渗体冻胀发生的原因,以梯形渠道弧形混凝土防渗体为例,从渠道衬砌结构的防渗体下土体温度变化及防渗体冻胀位移量变化特点入手,通过在灌区选取典型渠道进行原型原位观测试验,监测不同时间点不同影响因素下渠道不同位置土壤深度处地温及冻胀位移量变化,分析土体各特性的变化机理。结果表明,不同土层深度处土壤含水率的大小为未冻层>临界层>冻土层;不同土壤深度处的温度变化基本相同;10cm厚的保温板的保温效果优于20cm厚保温板的保温效果。研究成果为解决灌区渠道衬砌的冻害及渗漏问题以及未来大中型灌区渠道施工过程中采取有效的防冻胀措施提供了参考依据。     

不同温度下膨胀土裂隙演化规律研究

为研究温度因素对膨胀土裂隙发展的影响,以宜昌某地膨胀土为例,利用称重拍照系统和Matlab编写图像处理程序,进行了100、75、50℃三种环境下的湿干循环试验。结果表明,除试样的水分蒸发量之外,蒸发速度和含水率梯度也是影响裂隙发展的关键因素;试样表层蒸发速度比里层蒸发速度快,温度越高,裂隙发展的就越快,试样被裂隙切割的越破碎;在不同的温度环境下,裂隙率的差异会随着循环次数的增加而增加。研究结果为膨胀土边坡稳定性研究提供了依据。     

崩岗区重塑非饱和花岗岩残积土体变形特性试验研究

为研究崩岗区重塑非饱和花岗岩残积土变形特性,利用双压力室非饱和土三轴仪做了重塑土的控制吸力固结排水剪切试验,研究了干密度、净围压和基质吸力对剪切破坏阶段的体积变形的影响,分析了重塑非饱和花岗岩残积土在控制吸力条件下剪切过程中的体变性状。试验结果表明,重塑非饱和花岗岩残积土的体变特性不仅取决于干密度和净围压,还与基质吸力密切相关,但净围压比基质吸力对土体体积应变的影响大。研究成果可为崩岗侵蚀区灾害防治及其体积变形、沉降量预测提供参考。     

华北土石山区典型小流域土壤水文特征与模拟研究

土壤水文特征是研究区域水土资源合理配置的基础支撑要素,根据华北土石山区土壤的地貌分异规律,综合考虑地质、植被、土地利用等因素,采用野外调查取样法、环刀法等,研究了易县崇陵流域5种典型植被(油松、侧柏、银杏、刺槐、荆条)条件下的土壤物理性质、土壤水分特征曲线、土壤入渗过程等土壤水文特征。结果表明,同一植被条件下,土壤容重随土壤深度增加逐渐增大,同一深度条件下,荆条覆盖下的土壤容重最小,其他植被覆盖条件下的土壤容重差别不显著;同一植被条件下,随深度增加,饱和含水率逐渐减小,同一植被不同深度条件下的土壤水吸力随土壤含水率的增加逐渐减小;对土壤水分特征曲线进行拟合时,发现Gardner模型适用于油松和银杏,而张景略模型适用于侧柏、刺槐和荆条;土壤入渗过程的渗润阶段发生在土壤入渗开始的前10min内,渗漏阶段持续100~120min;侧柏最佳入渗模型为Kostiakov模型,而油松、银杏、刺槐及荆条最佳入渗模型为蒋定生模型。