考虑潜蚀影响的降雨入渗边坡稳定性分析

在降雨入渗作用下土坡内细颗粒会随渗流发生运移产生潜蚀作用。通过联立颗粒运移方程与非饱和土渗流方程,结合非饱和土水力特性方程和土体潜蚀本构关系,建立了渗流潜蚀耦合的边坡稳定性分析模型。采用有限元方法模拟了降雨入渗作用下潜蚀和入渗的相互作用,分析了初始饱和渗透系数、进气值参数对入渗和边坡稳定性的影响。结果表明：潜蚀主要发生在湿润锋范围内浅层土体,潜蚀加速了湿润锋下行速度,进一步降低边坡稳定性;饱和渗透系数、进气值是影响渗流潜蚀作用的主要因素;当降雨入渗强度大于饱和渗透系数时,饱和渗透系数越大,潜蚀对入渗和边坡稳定性的影响越显著;进气值越小,潜蚀作用对入渗和边坡稳定性的影响越显著。     

雨水渗流过程中土壤水分动态变化规律研究

利用土壤对雨水的蓄存和滤渗作用可降低城市排水的径流峰值且能补充地下水。基于土壤饱和–非饱和的入渗理论,模拟在一维竖直方向恒定流入渗的条件下,土壤含水量沿深度及时间的动态变化规律。使用含水率为变量建立水分运动数学方程,将水–热–力通过水分扩散等系数添加入水分方程中进行迭代运算,并利用土柱试验验证仿真结果,结果显示模型计算结果与实测有较高的一致性,最大误差为4.5%,能较好地描述降雨入渗的动态过程。     

探讨考虑气阻作用下分层假定的雨水入渗计算分析模型

入渗时间和湿润锋深度关系可依据达西定律和入渗雨水质量守恒即入渗率等于入渗量对时间的导数求解,但Green-Ampt入渗模型以湿润区完全饱和考虑入渗量,同时入渗率也忽略了气阻作用,继而限制了入渗时间和湿润锋深度关系的计算精度。针对这一问题,通过分层假定和增加气阻项的入渗模型分别对入渗量和入渗率进行修正,并应用修正结果计算入渗时间和湿润锋深度的表达式。研究表明：同一入渗深度,考虑气阻项的分层假设模型的入渗时间计算值与实测值吻合度最高,偏离度很低,仅仅围绕实测值有很微小的上下波动,此研究结果对确定如含砂层稳定入渗时间具有重要作用。     

水-力耦合作用下干燥和湿润砂质黄土渗透特性试验研究

为探讨干燥和湿润砂质黄土在水-力耦合作用下的非饱和渗透特性,研制考虑水-力耦合效应的非饱和土渗透系数测量试验装置.针对不同初始含水率的干燥土柱和湿润土柱,采用湿润锋前进法开展一系列一维土柱渗流试验,得到水-力耦合作用下湿润锋、渗透系数与竖向变形的变化规律,并结合扫描电镜试验,揭示其微观机理.结果表明:①随入渗时间增大,...     

自重湿陷性黄土场地的水分运移规律研究

依托兰州和平镇大厚度自重湿陷性黄土场地上的大型原位浸水试验,分析TDR水分计实时记录的体积含水率变化数据,研究大厚度自重湿陷性黄土场地水分运移规律。结果表明:自重湿陷性黄土场地浸润区和饱和区均呈现类似椭圆状的形态,可能与试坑未设注水孔等因素有关。水分的扩散并不是沿着某一固定的浸润角向下入渗,早期浸润线基本上是直线入渗,随后过渡为椭圆状入渗。场地中竖向渗透要快于径向渗透,这与黄土的竖向节理结构有着密切联系。当水分运移至埋深较大的土层时,此时径向渗透作用加大,竖向渗透会变缓。湿润锋的竖径比在浸水开始时较大,随着浸水时间的增加湿润锋竖径比会迅速下降,当入渗锋到达15 m之后,竖径比减小并趋于缓和。竖向扩散系数基本呈现出幂函数减小形态,而径向扩散系数呈现"小–大–小"的变化规律,给出了竖向和径向扩散系数随浸水时间变化的数学表达式。研究结果为认识大厚度自重湿陷性黄土场地水分运移规律提供了坚实的试验基础,亦可以为进一步研究大厚度自重湿陷性黄土场地的湿陷变形规律提供科学依据。     

基于红外辐射特征的砾岩水分湿润锋的演化与追踪

针对岩石介质中水分湿润锋的时间、空间演化规律问题,采用红外热像仪监测砾岩由干燥到饱和吸水过程中的红外辐射特征,利用水分湿润锋识别理论分析水分湿润锋在时间、空间上的分布规律:(1)随着时间推进,不规则湿润锋面由试样底部逐渐运移至试样顶端,在吸附力与毛细力的主要作用下,其上升速度不断减小,直至趋近于0;(2)受砾岩材质不均匀影响,在空间上,水分湿润锋面从试样底部到顶端呈现为非对称的上凸曲线的阵列。对比理论计算结果与可见光监测结果表明,利用水分湿润锋识别理论,能够得到任意时刻砾岩水分湿润锋面的空间分布曲线,可进一步追踪其在时间、空间上的演化规律;该方法可实现无损、实时追踪水分湿润锋的目的,对解决土木工程建设、古建筑维护、文物保护等领域的水害问题可提供一种新的监测方法。     

一维载荷浸水下重塑黄土的水分入渗和增湿变形模型及试验验证

针对黄土载荷浸水情况下水分运移和湿陷变形会产生相互影响,构建一维情况下考虑二者相互影响的水分入渗和增湿变形计算模型,并给出确定模型参数的方法。为验证模型的可靠性,采用自制一维土柱渗透仪进行兰州重塑黄土一维载荷浸水试验,通过室内单元试验获取模型参数,应用模型对载荷浸水试验中水分入渗过程和湿陷变形过程进行预测,对比了预测值和实测值,并对模型参数进行分析和反演。结果表明：建立的模型能合理预测随压力增加浸润锋前进速率降低的规律,并能准确预测湿陷变形随浸润锋深度的变化;考虑到端部绝对饱和区、大孔隙流以及模型中的假定,反演了等效饱和体的饱和渗透系数和锋面吸力水头,反演的参数分别与单元试验所确定的参数在随压力的变化规律上相同、数值上相近,说明模型具有合理性,反演的参数为模型的应用提供了参考依据。     

考虑多参数空间变异性的降雨入渗边坡失稳机理及可靠度分析

降雨入渗边坡稳定可靠度研究大多只考虑了土体饱和渗透系数空间变异性的影响,而忽略了土体抗剪强度参数空间变异性的影响。以无限长边坡模型为例,发展了可确定不同降雨历时边坡土体含水率分布和湿润锋深度的修正Green-Ampt入渗模型,探讨了土体多参数(饱和渗透系数和抗剪强度参数)空间变异性与降雨入渗相互作用下的边坡失稳机理,进而比较了不同降雨历时下的边坡失效概率。结果表明:考虑土体饱和渗透系数变异性时,降雨初期较小的饱和渗透系数变异系数对应较小的边坡失效概率,但随着降雨历时的增加,较小的饱和渗透系数变异系数反而对应更大的边坡失效概率。此外,降雨初期土体抗剪强度参数空间变异性引起的滑动面位置不确定性是影响边坡稳定性的关键因素。边坡除了会沿湿润锋附近和不透水层处失稳,还可能沿因抗剪强度参数空间变异性引起的软弱带处失稳,故考虑抗剪强度参数空间变异性对应的边坡失效概率更大。相比之下,降雨后期湿润锋的推进是影响边坡稳定性的关键因素,此时不管是否考虑了抗剪强度参数空间变异性边坡都主要沿湿润锋附近失稳,获得的边坡失效概率相近。     

黄土中灌溉水入渗过程的现场试验研究

黄土台塬地带频发的滑坡灾害与农业灌溉活动密切相关.为研究水分在原位黄土中的入渗规律,在陕西泾阳南塬开展了场地直径为20 m的灌溉入渗试验,分析了浸水过程中入渗水量,土体体积含水率、基质吸力和孔隙气压的变化规律,揭示了灌溉水在原位黄土中的入渗过程.监测结果表明:①持续灌溉条件下,湿润锋下移深度大于11.0 m,初始入渗率...     

降雨条件下一维土柱垂直入渗模型试验研究及其渗透系数求解

 为研究降雨条件下一维土柱的入渗规律及求解非饱和土体的渗透系数,开发一套模拟降雨条件下一维土柱垂直入渗模型试验装置,对非饱和重塑黄土土柱做了4组不同降雨强度下的一维垂直入渗试验,得到不同降雨强度下垂直土柱的入渗率时程曲线、浸润峰深度时程曲线及监测点体积含水率的变化规律;提出计算非饱和土体渗透系数的新方法,并结合试验结果,得到试验土样非饱和渗透系数与基质吸力的关系曲线。结果表明：(1) 降雨强度对垂直土柱的入渗影响较大,当降雨强度小于土柱最小入渗能力时,入渗率等于降雨强度;当降雨强度大于土柱最小入渗能力时,入渗率时程曲线呈无压入渗、有压入渗和饱和入渗3阶段变化。(2) 不同降雨强度下,土柱出现积水点和饱和点的历时不同,降雨强度越大出现积水点和饱和点的时间越短,有压入渗阶段越长。(3) 在同一降雨强度下,监测点距土柱上表面越远,其体积含水率时程曲线越密集;而同一监测点,降雨强度越大,其体积含水率时程曲线越稀疏。(4) 非饱和重塑黄土渗透系数随基质吸力的增大而减小,且渗透系数的对数与基质吸力呈线性变化。     

Soil micro-penetration resistance as an index of its infiltration processes during rainfall

Rainfall infiltration is one of the most important driving factors of geological hazards, ecological environment problems, and engineering accidents. Understanding the principle of soil wetting during rainfall infiltration and its influence on soil mechanical properties is crucial for preventing geological hazards. In this study, micro-penetration tests coupled with moisture monitoring were performed to investigate the infiltration process during wetting through the measured change in mechanical...     

非饱和原状黄土边坡浸水试验研究

 非饱和黄土的渗流问题,由于其理论的复杂性和测试手段的滞后,至今发展很慢。通过大型现场试验,得到水在边坡中的渗透范围,分析在浸水试坑下部2～3 m范围内土体每日含水率的变化规律,讨论暂态饱和区的形成和水在边坡土体中的运移过程,得出本次试验水在非饱和原状黄土边坡中渗透范围的形成机制和运移规律。结果表明：水在非饱和黄土中的渗流过程是暂态饱和区不断下移扩大的过程;浸润角不是定值,随着水入渗总量增加而增大;水在非饱和黄土中的渗透范围分为四部分：第一、第二部分为水的横向运移段,第三部分为水的竖向渗透段,第四部分为暂态饱和区的湿润锋面;水在非饱和黄土中的渗透范围是一个闭合的近似椭圆形区域。     

兰州地区大厚度自重湿陷性黄土场地 浸水试验 综合观测研究

对兰州地区 Q₃ 大厚度自重湿陷性黄土场地进行了不设注水孔,埋设水分计和热传导吸力探头的浸水试验。研究结果表明：大厚度黄土场地的不同深度土层均会出现多次湿陷,湿陷次数随着土层深度的增加将减少;体积含水率在不同深度土层中呈现不同的变化规律, 10 m 以上基本由 6 段组成, 10 ～ 22.5 m 由 5 段组成,而 22.5 m 以下则由 3 段组成; 25 m 以上范围内水分入渗较为容易,该深度以下土层,由于上部土体发生湿陷压密以及空隙中的气体压力增大导致了水分入渗缓慢;离试坑周边较远的裂缝的产生由于试坑较近裂缝剧烈活动引起;水分运移基本呈现椭圆状形态入渗（长轴位于水平向）,后期整个椭圆状湿润区的离心率越来越小,椭圆更扁;浸润角随着外部水源不断供给逐渐扩大,本次试验其变化范围在 0 °～ 55 °;场地中水分入渗率基本呈现出幂函数减趋势。     

非饱和原状和重塑Q3黄土渗水特性研究

为研究非饱和 Q₃ 黄土渗水特性,设计一套原状黄土取样设备,取得大尺寸原状竖直和水平土柱各 2 个;并制备 5 个干密度不同的重塑土样。对 9 个试样进行水平土柱试验,用 TDR 水分计和热传导吸力探头分别检测土样不同断面处的体积含水率和基质吸力。试验结果表明：土中裂隙的走向和干密度对入渗率均有影响。对于原状试样,浸水前期竖直试样入渗率要大于水平试样,湿润锋超过 50 cm 后,竖直和水平试样入渗率几乎接近一致。竖直与水平原状试样的非饱和扩散率主要差别在饱和度低于 0.6 的区域,饱和度高于 0.6 两者扩散率差别不大;对于重塑试样,低饱和度区域干密度对扩散率影响要大于高饱和度区域。同等干密度和含水率条件下,低饱和度区域重塑试样非饱和渗透系数大于原状试样;而高饱和度区域原状试样非饱和渗透系数大于重塑试样。取样方法和研究成果对同类工作具有重要参考价值。     

降雨条件下坡积土边坡暂态饱和区形成机理及分布规律

降雨是引起坡积土边坡失稳的最常见外部因素之一.雨水的入渗在引起土体抗剪强度参数降低的同时,还将导致土体重度的增加、基质吸力的降低,最终造成边坡的失稳.开展雨水在边坡内部的渗流过程研究已成为分析边坡在降雨条件下稳定性的前提.基于有限元数值模拟方法,进行了雨水在土体中渗流过程的模拟,着眼于降雨条件下边坡暂态饱和区的形成、分布及消散特征,描述了该过程中边坡内部含水率、基质吸力、水力梯度的变化规律.结果表明:暂态饱和区形成的主要原因是土体中向湿润锋下方渗出的雨水量小于降雨入渗补给量,从而使得土体中的含水率累积升高;暂态饱和区的形成与降雨强度、降雨时间具有十分密切的关系,暂态饱和区形成时间、雨水入渗深度、土体表面体积含水率大小分别与降雨强度存在函数关系;清晰描述了暂态饱和区形成-发展-消散-地下水位升高的全过程,从该过程看,边坡排水措施的设计值得思考.     

Détermination expérimentale de la conductivité hydraulique D'un Sol non saturé au laboratoire

When using Richards's equation to predict the spatio-temporal distribution of moisture or matric potential in an unsaturated porous medium, the knowledge of the relations between the soil hydrodynamics parameters, constituted an essential prerequisite. We propose an experimental procedure to determine the hydraulic conductivity and/or diffusivity, as a function of the volumetric water content and of the effective pressure head in soil expressed in pF term of the unsaturated soil. The calculation method is based on the analysis of transient volumetric water content and potential profile of a compacted soil column, during a vertical infiltration at constant water head.     

基于Mein-aLarson模型的非饱和锐利浸润锋模型

降雨入渗模型在渗流理论、地质灾害评价等方面具有重要的理论意义及工程应用价值。基于饱和入渗的Mein-Larson模型及李宁等学者提出的非饱和入渗模型,利用非饱和土的Van Genuchten水土特性及渗透系数模型,提出了简化的非饱和锐利浸润锋模型,用以分析均匀含水率土体及含水率随深度变化的土体,其含水率、浸润深度、吸力等随雨强、降雨持时的变化。通过3种模型在不同工况下与有限元模拟结果进行对比,验证了本文提出的模型能更好的描述黄土中的非饱和水分迁移。     

Theoretical analysis and model test for rainfall-induced shallow landslides in the red-bed area of Sichuan

Heavy rainfall is a key cause of shallow landslides in red-bed terrains with steep topography and residual soils of degradable strength. In this study, laboratory model tests were carried out to examine the characteristics of rainfall infiltration, deformation, and failures of slopes in the red-bed area of Sichuan. The hydrological response and deformation of the slope soil during rainfall are addressed. Based on a modified Green–Ampt infiltration model, ponding along the bedrock surface is incorporated. A physically based model for shallow landslides caused by rainfall is developed. The theoretical analysis and the model test results indicate that the slope failures are related to erosion in the shallow soil layer and rainwater infiltration, particularly along preferential seepage channels. The process of rainfall-induced shallow landslides can be separated into three stages: erosion at the slope toe, tension crack formation at the slope crest, and shallow sliding. When initial underground water level is located at the bedrock surface or the preferential seepage flow quickly reaches the bedrock surface, it is easier for the soil slopes to slide along the bedrock surface than along the wetting front.