黄土–碎石毛细阻滞覆盖层储水能力实测与分析

中国西北地区气候较干旱,黄土分布广泛。就地取材采用当地的黄土作垃圾填埋场封场土质覆盖层具有技术可行性和良好的经济性。在西安江村沟垃圾填埋场建造了国内首个20m×30m大尺寸黄土–碎石毛细阻滞覆盖层现场试验基地,在基地开展了极端降雨试验。水量分配测试结果表明:总降雨量214.8 mm;坡面径流1.7 mm,占总降雨量的0.8%;土层存储(含蒸发)199.57 mm,占总降雨量的92.9%;渗漏13.53 mm,占降雨量的6.3%。基质吸力与水份运移规律分析结果表明:持续降雨条件下毛细阻滞覆盖层(900 mm)细粒土中表层土(15 cm深度以上)和底层土(85cm深度以下)的孔压(或体积含水率)均较高;底层土孔压(或体积含水率)较高是由于碎石–黄土界面间毛细阻滞效应对水份下渗的阻滞作用,这是有别于单一土层降雨入渗水份运移的显著特征。储水能力评估结果表明:极端降雨试验实测黄土–碎石毛细阻滞覆盖层有效储水量为251.95 mm。采用室内吸湿土水特征曲线评估覆盖层有效储水能力,有效储水量理论值S_(fac)为218.75 mm,实测值较理论值大15.18%,结果偏于安全。采用现场吸湿土水特征曲线评估覆盖层有效储水能力,有效储水量理论值Sfac为278.32 mm,实测值比理论值小9.47%,偏于危险。防渗设计中建议采用室内吸湿土水特征曲线。     

含非饱和导排层的毛细阻滞型覆盖层性能 模型试验研究

通过自制试验装置研究了强降雨条件下含非饱和导排层的毛细阻滞型覆盖层性能,试验装置包括 2 m×1 m×1.2 m 的模型槽、降雨模拟器与测量系统等。毛细阻滞型覆盖层模型中细粒土、非饱和导排层和粗粒土分别采用粉土、砂和碎石,模型坡度为 1<>V ∶ 3<>H ,共进行 3 组试验。所模拟的强降雨强度为 65 ～ 76 mm/h ,利用摄像和张力计监测了降雨入渗及侧向导排过程,并分别监测了坡面径流量、各土层的侧向导排量及底部渗漏量随时间变化。在强降雨条件下,试验 Ⅰ 中坡面径流量占降雨量的 69.4% ,入渗的水量中大部分存储在上层粉土中,砂层的侧向导排量为降雨量的 3.5% ,碎石层底部的渗漏量只有降雨量的 2.9% 。试验 Ⅱ 和试验 Ⅲ 中通过添加膨润土降低粉土层渗透性有效减少了降雨入渗量,与试验 Ⅰ 相比,试验 Ⅱ 和试验 Ⅲ 中非饱和砂层侧向排水出现时间延后,试验 Ⅱ 中通过下卧碎石层渗漏量进一步减少至 0.8% ,试验 Ⅲ 中无渗漏。试验结果表明：通过控制上层土 降雨 入渗量及发挥毛细阻滞及侧向导排综合作用,可有效控制该覆盖层在强降雨条件下渗漏量,使毛细阻滞型覆盖层在湿润气候区应用成为可能。     

非饱和砂土坡面降雨非正交入渗试验与数值模拟研究

传统降雨入渗分析仅以降雨强度在坡面上的正交分量作为边界条件,不符合实际降雨非正交入渗规律。为了研究非饱和砂土的非正交入渗规律性,采用自行研制的室内降雨试验装置对非饱和砂土坡面进行了一系列不同降雨强度、坡角和孔隙比的降雨入渗试验,并对应地进行了正交入渗条件下的数值模拟。测量了入渗率、出渗速率及砂土储水增量随时间变化的关系曲线,分析了雨强、坡角和孔隙比对试验结果的影响。试验结果显示各试验中均无坡面径流现象,与正交入渗边界理论差异显著。通过分析非饱和砂土在传统坡面降雨正交入渗边界条件下的入渗率、出渗速率及砂土储水增量等数值模拟结果与对应的降雨入渗试验结果的差异,证明按正交入渗边界理论计算得到的砂土坡面土体含水率、入渗能力及坡面边界条件转化的判别机制均与实际情况不符。     

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。     

植被对土质覆盖层水分运移和存储影响试验研究

植被在土质覆盖层水分存储–释放环节中扮有重要的角色,对防渗能力有重要的影响。在填埋场现场建设了大尺寸黄土土质覆盖层试验基地(长×宽:30m×20m),在基地不同测试区种植了植被并进行了土质覆盖层现场降雨试验。实测验证了黄土土质覆盖层最大储水能力;分析了有植被条件下黄土土质覆盖层水分运移和渗透特性;对比了植被条件对覆盖层水分运移和储水能力的影响。结果表明:①有植被条件黄土土质覆盖层可用储水量理论值Sfac为278.32 mm,实测值Sf?ac为259.82 mm,实测值比理论值小18.50 mm(小6.65%);②植被种植增大了根系生长区的渗透系数,无植被条件饱和渗透系数ks为8.27×10-5 cm/s,有植被条件饱和渗透系数ks大于8.27×10-5 cm/s。无植被时水分首先在覆盖层浅部土层存储,随着降雨的继续逐渐下渗至深层土;有植被时水分在土层全断面存储;③须根系、初期植被条件对毛细阻滞覆盖层储水能力影响较小。有植被条件实测可用储水量Sf?ac为259.82 mm,无植被条件为251.95mm,前者仅比后者大7.87 mm(大3.12%)。有植被条件实测总储水量Sf?ac为381.90 mm,无植被条件为374.03 mm,前者比后者大7.87 mm(大2.10%)。有、无植被条件黄土土质覆盖层储水能力接近,一方面是由于须根植被根系深度分布较浅(0～50 cm);另一方面是由于植被生长时间短未能经历一个完整的生长周期对土体结构影响不显著。     

非饱和砂质黏性紫色土一维渗透特性试验研究

利用土体瞬时渗透特性测试仪,对重庆非饱和砂质黏性紫色土进行一维土柱垂直渗透试验。模拟不同降雨条件(5 mm/h、15 mm/h、30 mm/h)下,其入渗率、累积入渗量、浸润峰、体积含水率和吸力等随时间的变化规律;分析得到其渗透特性和持水特性。结果表明:(1)在初始含水率相同的情况下,降雨强度越大,初期入渗率越大;土体的入渗率与含水率有关,含水率越低的土体,其入渗率越大;(2)不同降雨强度下,水入渗到同一监测点的时间不同;且降雨强度越大时,含水率增大到某一稳定值的数值也越大;(3)降雨强度并不会影响土体的饱和渗透系数和持水性能。从试验规律可知非饱和砂质黏性紫色土的体积含水率θ与渗透系数的对数lgk之间存在线性关系,拟合的线性方程,可应用于相应紫色土地区土体的非饱和渗流分析。     

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。     

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。     

探究降雨条件下路基边坡渗流情况

结合岩土饱和—非饱和渗流理论,并采用有限元软件,模拟分析了不同降雨条件下路基边坡的孔隙水压力变化、渗流场和含水率的分布情况,结果表明:当降雨强于饱和渗透系数时,随时间的增加入渗深度逐渐向下推移,而推移深度也会不断加大;当降雨强度小于土壤入渗能力时,入渗速度慢;裂缝的存在对降雨入渗过程中孔隙水压力和含水率分布有很大的影响。     

简单屋顶绿化的滞蓄特性

设计了模拟降雨与数据采集系统,研究了短时强降雨下简单屋顶绿化基质（配比：陶粒57．0％、草炭41．5％、保水剂1．5％）的降雨产流过程,基于37次模拟降雨实验,归纳了降雨产流的一般过程、规律和特性,分析了降雨强度、基质厚度和基质初始含水率对简单屋顶绿化滞流蓄水特性的影响。结果表明：基质厚度和基质初始含水率对简单屋顶绿化的蓄水特性有显著影响,基质初始含水率越低、基质厚度越厚时蓄水特性越佳。建立了产流时间数学模型,简单屋顶绿化降雨产流时间与降雨强度呈负相关,同时也受初始含水量和基质厚度影响。随着干湿循环次数增加,基质的厚度总体呈现下降趋势,储水性能逐渐下降,延迟产流时间逐渐缩短。     

基于主动加热光纤法的毛细阻滞入渗模型试验研究

毛细阻滞效应是多层、不同粒径非饱和土入渗过程中的一个自然现象。为了探究多层土水分入渗的毛细阻滞过程,设计了室内模型试验,采用主动加热光纤法(AHFO法)对多层土的水分迁移进行试验,并结合频域反射法(FDR法)和直接观测法作为验证。试验结果表明:相较于FDR法和直接观测法,AHFO法对降雨入渗所产生的毛细阻滞现象具有较好的观测效果,可观测出水分运移的更多细节;运用FDR法,对AHFO传感器进行原位标定,曲线拟合精度R2均大于0.93,具有较高的体积含水率监测准确度;毛细阻滞层对降雨入渗具有明显的阻滞效应,即存储屏障上部入渗和减少水分向下部水体渗出。相关研究结论为毛细阻滞现象研究以及土壤水分场监测提供了一种新的监测方法。     

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。     

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,...     

考虑地表变流量的非饱和土渗流耦合的解析分析

基于含水率和渗透系数是孔隙水压力的指数函数假设,通过 Fourier 积分变换,获取了降雨入渗过程中一维非饱和土渗流–变形耦合的解析解,该解能考虑地表降雨强度的变化。当降雨强度小于土体的入渗能力时,地表边界受流量控制;降雨强度逐渐增加,超过土体的入渗能力,地表边界为孔隙水压力。该解不仅能考虑地表变流量的边界,还可以分析压力边界条件,另外适用于任意的初始条件。算例计算结果表明,耦合对渗流产生影响;当渗流达到稳定时,非饱和土变形–渗流的耦合效应消失。     

堆积碎石土斜坡浅表入渗的空间分布与变异性研究

为探究强降雨下堆积体斜坡入渗参数的空间分布与空间变异性,通过筛分试验及双环入渗试验分别对堆积体斜坡试验点不同粒径区间碎石质量分数、碎石土渗透系数、饱和渗透系数、不同深度碎石土含水率进行测量,对数据进行普通Kriging插值统计分析,运用交叉检验选定合理理论模型与参数,获得其空间分布与变异性特征。研究结果表明:测试区碎石土入渗符合Kostiakov模型;不同粒径区间碎石质量分数采用高斯半变异函数理论模型空间插值精度最高,碎石土渗透系数和不同深度碎石土含水率采用球状半变异函数理论模型空间插值精度最高;粒径大于10 mm碎石主要分布于坡顶与坡腰区域且使该区域碎石土渗透系数的空间变异性相对较大,细小碎石(粒径2~10 mm)则聚积在坡脚位置,碎石土渗透系数速率沿坡面由上至下呈逐渐减少的空间分布趋势;浅土层(0~15 cm)坡腰含水率比坡顶、坡脚要高,而深土层(15~25 cm)坡脚含水率比坡顶、坡腰要高,且随深度增加缓慢上升。研究结果可作为碎石土滑坡降雨致滑的理论参考依据。     

垃圾填埋场污染物击穿竖向防渗帷幕时间的影响因素分析及设计厚度的简化计算公式

为了解中国第一代垃圾填埋场中防渗帷幕的服役性能及其影响因素,以苏州七子山填埋场地质条件为例,以COD作为代表性污染物,在前期现场勘查基础上建立了有限差分计算模型,对防渗帷幕被污染物击穿时间的影响因素进行了计算分析,并基于Ogata解析解给出了防渗帷幕击穿时间和设计厚度的简化计算公式。模拟和分析结果表明：场地地质条件对嵌入式防渗帷幕击穿时间影响不十分显著;帷幕上下游水头差、帷幕渗透系数、阻滞因子和厚度对嵌入式防渗帷幕的击穿时间有显著影响,击穿时间与上下游水头差、帷幕渗透系数、阻滞因子、以及帷幕厚度的平方近似呈线性关系;扩散系数对嵌入式防渗帷幕击穿时间的影响不可忽略。     

考虑任意初始条件的均质土质覆盖层降雨入渗解析解

均质土质覆盖层作为填埋场与大气环境的隔离结构其主要功能是控制雨水入渗,近些年该类覆盖层在北美一些干旱和半干旱地区被证明是有效的。基于二维非饱和土渗流控制方程,采用可考虑土体进气值的指数函数描述土体的土水特征曲线和渗透系数曲线,使用单位梯度边界作为土质覆盖层的底部边界条件,推导出可考虑任意初始条件的降雨入渗移解析解。通过与前人试验结果比较与分析,证明了该解析解的有效性。对比分析了均质土质覆盖层底部分别取单位梯度边界、渗流审查边界和固定孔压边界对降雨入渗及渗漏量的影响,分析结果表明:与渗流审查边界和固定孔压边界相比,单位梯度边界更适合土质覆盖层的渗漏量计算。利用该解析解分析不同初始条件对累计渗漏量的影响,结果表明覆盖层累计渗漏量随其底部初始体积含水率的增加而增大。为土质覆盖层防渗漏性能评价提供了一种简单实用的计算方法。     

垃圾填埋场毛细阻滞型腾发封顶工作机理及性能分析

毛细阻滞型腾发封顶目前主要用于国外干旱、半干旱地区,在湿润气候区的研究很少。在杭州市露天构筑毛细阻滞型腾发封顶模型,量测18个月中降水、蒸发和植被蒸腾下土柱透水量、地表径流量和土体含水率,得到该封顶在不同季节的响应,分析了毛细阻滞作用机理及其性能,使用水量平衡模型(HELP)和土壤–植被–大气相互作用模型(VADOSE/W)对试验过程中的水量平衡进行模拟,探讨了数值模拟存在的问题。试验过程中,共降水2361 mm,产生地表径流88.4 mm,透水67.4 mm,其他降水均在土层吸持与腾发交替作用下最终返回大气,由于试验地区多雨期与植被腾发旺盛期重合,毛细阻滞型腾发封顶在该地区具有良好性能。由于毛细阻滞作用,使得上部黏土中存储了更多水分用于后期腾发,从而减少了透水量,当毛细阻滞界面附近土体的体积含水率超过临界含水率时毛细阻滞界面被击穿,击穿是连续强降雨作用的结果。HELP和VADOSE/W均高估了地表径流和透水量、低估了腾发量,因为VADOSE/W能考虑毛细阻滞的机理,所以大致上VADOSE/W的模拟结果比HELP更合理和准确。     

长三角地区填埋场ET封顶系统的性能评价

从ET(evapotranspiration,腾发)封顶系统工作机理出发,根据苏州市气象资料,首先用Penman公式计算ET封顶的潜在腾发量,然后依次求解植被截留量、土面蒸发量、植被蒸腾量和地表径流量,从而求得净入渗量;将净入渗量作为边界条件,选取典型参数分别建立单一土层型ET封顶和毛细阻滞型ET封顶的非饱和渗流模型,分析得到这两种封顶内的水分运移规律,并对其性能进行评价。分析结果表明,蒸发蒸腾对ET封顶中的水分运移起决定性作用,封顶中浅部土体含水率受降雨和腾发作用影响显著,而底部含水率不变化或变化很小,蓄水–释水循环主要发生在植被根系发育区。植被良好、根系深度50 cm的ET封顶系统累积透水量很小,在长三角地区气象条件下能满足设计要求,其中毛细阻滞型ET封顶的累积透水量小于单一土层型,这两种ET封顶减小降雨入渗的性能均优于传统压实黏土封顶。     

基于主动加热光纤法的毛细阻滞入渗模型试验研究

毛细阻滞效应是多层、不同粒径非饱和土入渗过程中的一个自然现象.为了探究多层土水分入渗的毛细阻滞过程,设计了室内模型试验,采用主动加热光纤法(AHFO法)对多层土的水分迁移进行试验,并结合频域反射法(FDR法)和直接观测法作为验证.试验结果表明:相较于FDR法和直接观测法,AHFO法对降雨入渗所产生的毛细阻滞现象具有较好...