降雨条件下边坡入渗过程气阻效应研究

随着边坡降雨入渗理论的不断发展与完善,考虑气相作用的研究具有重要的意义与工程价值。通过滑坡模型试验研究了降雨条件下边坡入渗过程中气阻效应的形成机制与作用机理,考虑了坡体不同位置、不同埋深等因素对气阻效应的影响,利用数字图像相关法获得了边坡在降雨条件下侧向湿润锋发展特征,对比孔隙压力与含水率等指标得到了气阻效应的作用原理。试验分析表明,降雨过程中孔隙压力可分为四个阶段:初始阶段、匀速阶段、反弹阶段、消散阶段。气阻效应的存在明显减缓了入渗速率,导致水力不平衡、滞后响应等。     

离子型稀土原地浸矿注液孔周含水率分布的计算模型

考虑注液孔内积水产生的压力水头在土体中的传递,建立了积水条件下的一维垂直入渗的基本方程;将实测的饱和导水率等效为孔底一维入渗的饱和导水率,采用积水条件一维垂直入渗的基本方程计算注液孔孔底中心垂向的含水率分布;假设入渗过程中形成的湿润锋簇上的含水率增量相等,根据累积注液量等于湿润体内的水分增加量,确定湿润锋簇中各湿润锋的位置,结合注液孔孔底中心垂向的含水率分布,确定湿润体内含水率分布。在龙南足洞某稀土矿山选择一场地较平整的矿块进行单孔注液试验,在注液孔周布置4个测点,采用FDS-100水分传感器记录测点位置在入渗过程中不同时刻的含水率,与模型的计算值进行比较,结果发现,4个测点的实测值与计算值相关系数基本在0.900以上,模型的计算误差均在10%以下,满足工程误差要求,说明此方法能较为准确的计算出注液孔内水分入渗过程及湿润体内含水率分布。     

持续降雨作用下折线型滑裂面堆积体滑坡稳定性分析

青藏高原边缘地带堆积体滑坡的发生与降雨密切相关,其中不少滑坡的滑裂面为折线型。为研究折线型滑裂面堆积体边坡在持续降雨作用下的稳定性,首先,基于传统降雨入渗Green-Ampt(G-A)模型,同时考虑边坡倾角、饱和区渗流和非饱和区渗透系数变化的影响建立适用于有限长边坡的降雨入渗模型;其次,结合不平衡推力法和降雨入渗模型,推导折线型滑裂面堆积体边坡在持续降雨作用下稳定性动态变化的计算公式;最后,对比现场入渗试验结果验证所提出入渗模型的合理性,并基于舟曲江顶崖堆积体滑坡与传统入渗模型下稳定性算法进行对比。研究结果表明：(1)降雨强度、边坡坡面倾角、渗透系数等都影响着坡体饱和层的形成快慢以及湿润层厚度的扩展速度;(2)降雨入渗开始阶段,三种模型得到的湿润层扩展速率相同,随着降雨的持续,本文模型计算的湿润层扩展速率大于G-A模型而小于分层假定入渗模型;(3)江顶崖堆积体滑坡的稳定性随着降雨的持续逐渐减小,降雨初期,滑坡稳定性下降较快,降雨后期,稳定性下降速率逐渐放缓;提出的稳定性计算方法得到的边坡滑动时间要早于传统入渗模型下稳定性计算结果。研究成果可供持续降雨作用下堆积体边坡稳定性分析参考。     

降雨强度对黄土边坡入渗性能影响的研究

降雨入渗使得非饱和土边坡内含水量增大,进而令土的抗剪强度降低,这是降雨诱发浅层边坡失稳的重要原因之一。通过有限元方法计算三种不同降雨强度下边坡内瞬态渗流场分析降雨入渗性能,数值计算结果表明：在历时3 h降雨以内,大于或等于土体饱和渗透性能的雨强条件下湿润锋深度相差不大,但饱和度明显不同;雨强越大,边界瞬时入渗量越大,稳定入渗量越大;在降雨期间,雨水不会以饱和入渗速度入渗,而是随时间呈非线性变化。     

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...     

降雨诱发非饱和土边坡直线滑移的稳定性计算

根据Green-Ampt入渗原理,考虑降雨入渗及其对土体的物理力学作用,分析了雨水入渗非饱和土边坡坡面入渗规律,建立了非饱和土边坡坡面入渗模型,获得了雨水非饱和入渗过程中的雨水入渗深度计算式。通过分析降雨后边坡潜在滑移体的几何模型和力学特性,获得了滑移面倾角与边坡倾角、雨水入渗深度和坡高之间的关系,建立了降雨入渗影响下非饱和土边坡直线滑移与倾覆破坏的安全系数计算式,为分析降雨入渗非饱和土边坡稳定性提供了一种定量计算方法。     

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。     

基于降雨监测的群发性滑坡灾害预警技术研究

降雨极易诱发浅层土质滑坡,降雨入渗后土质边坡会产生湿润锋,边坡会沿着湿润锋形成的“软弱结构面”发生平面滑动。基于Green-Ampt降雨入渗模型,采用计算区域边坡单元体稳定性系数的定量方法进行区域群发性浅层滑坡灾害预警。通过湿润锋最大深度与相对雨强、降雨历时的关系,建立了边坡稳定性系数与降雨参数的数学模型,提出了一种基于降雨监测的区域群发性滑坡灾害预警系统设计。系统通过对降雨监测数据实时采集、DEM图边坡单元体自动划分、物理力学参数合理调取,利用预警分析功能,批量计算边坡单元体稳定性系数,实现区域群发性灾害空间范围的分级预警。     

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,...     

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...     

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。     

GIS-based three-dimensional slope stability analysis considering rainfall infiltration

Rainfall-induced landslides are a major cause of slope failure in mountainous areas. As rainfall begins to infiltrate a slope the wetting front advances into the soil and reduces its shear strength. Slope failures occur when the reduced shear strength becomes less than the resisting shear strength needed for equilibrium. These areas of instability are usually located near the ground surface where pore-water pressure changes rapidly during infiltration. The wetting front depth in a slope plays an important role in slope stability. In this study a well-known infiltration model, the Green and Ampt model, is integrated into three GIS-based three-dimensional limit equilibrium methods to assess the impact of rainfall on slope stability. This infiltration model can predict the depth of the wetting front during steady and unsteady rainfall. The applied three-dimensional methods are modified according to different positions of the wetting front to reflect the influence of rainfall on slope stability. This approach is capable of calculating safety factors corresponding to individual rainfall events and is also capable of predicting the corresponding failure time. The accuracy of the presented study has been verified by simulating the failure process of a real landslide triggered by a rainstorm.     

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。     

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。     

Predicting wetting front advance in soils using simple laboratory derived hydraulic parameters

An approximate simulation of wetting front advance or leaching time is often the necessary and sufficient information required to optimize irrigation strategies or wastewater land treatment systems. For such simulations, we show that only three physically comprehensible and easily measured parameters are necessary, namely the saturated hydraulic conductivity, and the slope and the intercept of the soil-water potential plotted against the natural logarithm to the soil-water content. We derived the new 3-parameter simulation model from a fully linear flow model based on the Richards equation with the additional assumption of zero conductivity at zero soil-water content. A simple analytical solution for water infiltration during saturation at the soil surface, based on the 3-parameter model, gave results that compared well with measured wetting front advances in three Danish loamy and coarse sands and, also, with semi-analytical and numerical solutions from literature. Less agreement between predicted and measured wetting front advance was observed during infiltration into an initially dry forest soil due to extreme soil-water repellency. The presented derivation procedure assuming linear water flow seems promising for obtaining simple, approximate analytical solutions for unsaturated flow problems.     

降雨条件下压实黄土水分入渗规律模型试验研究

以西北地区黄土高填方工程为研究背景,在自行研发水分迁移特性测试设备的基础上,开展了重塑压实黄土在降雨入渗条件下的水分迁移特性室内模型试验,获得了不同压实度下黄土的"电阻率–饱和度"Archie模型和"饱和度–基质吸力"Fredlund-Xing模型及参数变化规律,建立了基于土电阻率的基质吸力幂指数预测公式;研究了不同压实度黄土在不同雨型条件下的入渗特征及其入渗速率、饱和度、电阻率等随时间和土层深度的变化规律。研究结果表明:(1)雨型不同,压实黄土的入渗特征各异,小雨下入渗线呈"Y"型(最大入渗深度Hmax=0.20~0.35 m),大雨下呈"D"型(Hmax=0.55~0.65 m),暴雨下呈倒"V"字型(Hmax0.8 m),入渗速率与雨量正相关,与土层深度和压实度反相关;(2)土体电阻率变化规律与饱和度变化过程相反,基质吸力预测值和实测电阻率变化方向一致;(3)采用土电阻率方法可以为深入探索黄土高填方的长期变形机制和稳定性预警或灾害防治提供一个新的途径。     

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。