海绵城市建设中土水特征曲线对产流的影响

土壤土水特征曲线是海绵城市建设中源头控制阶段的重要参数,是降雨入渗及产流研究的理论基础。针对海绵城市试点庄河市建设的实际情况,对当地3类土壤进行土水特征曲线测定,拟合计算得到土壤基质吸力、非饱和导水系数方程,结合Green-Ampt改进模型计算各类土壤所处区域在不同降雨强度下的雨水入渗及产流情况。结果表明:土壤入渗能力总体呈现为人工回填土>裸露坡地土>耕种土,人工回填土的入渗率是其他土壤的1. 1～4. 4倍。在降雨强度为大暴雨等级时,人工回填土的延迟产流时间是其他土壤的1. 9～5. 8倍;在特大暴雨时,3类土壤短时间内均会产生超渗产流,此时在延缓洪峰时间、控制洪峰流量上没有明显作用。     

基于Mein–Larson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。     

黄土中砂层对入渗特性的影响

本文根据土壤水的能量原理，对砂层在黄土中的入渗特性进行了室内一维土柱的入渗试验研究及数学模拟。结果表明：在黄土中设置砂层不仅具有良好的阻水性，使下渗水流在一定限度内滞留于砂层以上的土体内，增加了上层土壤的持水能力；而且还具有减渗性，使下渗水量及入渗锋面的湿润速度明显减小，并且还可将下渗的非线性过程转化为线性过程，从而使整个入渗过程进入一个具有较小入渗率的稳渗阶段。本项研究结果为在黄土地区采用设置砂层的方法，作为水利、建筑工程以及西北农村窑洞民居的一项防渗、减渗的工程技术措施提供了理论依据。     

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。     

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。     

黄土覆盖层水–气耦合运移土柱试验及数值模拟

基于水分储存与释放机理的土质覆盖层在干旱和半干旱地区垃圾填埋场具有较好的应用前景。前人研究土质覆盖层大多侧重于其雨水存储及防渗性能,忽略了填埋气在覆盖层中的运移及其影响。通过在黄土土柱底部通入甲烷和二氧化碳等比例混合气体模拟填埋气在覆盖层运移,在土柱顶部施加3 cm常水头模拟雨水入渗对黄土覆盖层中气压分布以及各气体组分分布的影响。基于试验结果,利用商业软件Geo-Studio中的Air/W模块对黄土覆盖层水–气耦合运移进行了数值模拟与分析。研究结果表明:模拟雨水入渗降低了上层黄土的导气系数,导致土柱中气压显著增加,呈现出先增加至"突破值"然后回落至"稳定值";气压"突破值"约等于上部土体进气值;数值模拟能较好地模拟水分入渗过程并捕捉到气压变化趋势,但由于其无法模拟多组分填埋气在土柱中的复杂物理过程,导致气压的模拟结果与实测值存在差距。本文为更准确模拟分析土质覆盖层中水与填埋气耦合运移过程提供了一些建议。     

降雨入渗时土钉支护稳定性可靠度分析

基于非饱和土水分子运动方程,建立一维降雨人渗的计算模型,利用MATIAB编辑有限差分的计算程序求解降雨入渗条件下边坡土体的瞬态含水量。考虑体积含水量和非饱和土强度参数的关系,对降雨入渗条件下边坡土钉支护结构整体稳定性可靠度分析建立计算模型。通过对具体工程建立整体稳定性极限状态方程,用蒙特卡罗法求解稳定性可靠指标,定量的分析了降雨入渗对边坡土钉支护结构稳定性的影响。     

膨润土–砂混合型缓冲/回填材料渗气规律试验研究

为研究高庙子膨润土–砂混合型缓冲/回填材料的渗气规律,利用改进的三轴渗气试验装置,对不同掺砂率、干密度和含水率的混合物试样进行一系列试验研究。结果表明:在试验研究的条件范围内,膨润土–砂混合物(含纯膨润土)的渗气系数为3.9×10-4~2.1×10-2 cm/s;膨润土–砂混合物的渗气规律遵循Darcy定律,但较高的气压力梯度对渗气系数值存在一定的影响;掺砂率、干密度和含水率均对混合物的渗气性质有影响,混合物的渗气系数随掺砂率增加呈指数形式增加,随干密度和含水率增加呈指数形式降低;在试验研究范围内建立了考虑不同条件下的混合物渗气系数的公式,与试验结果吻合较好。得到的一系列试验数据能为我国高放废物地质处置库的建设提供科学依据。     

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。     

填埋场腾发封顶系统中的水分运移分析

 从腾发封顶系统工作机制出发,依据Penman公式从能量角度计算潜在腾发量,然后依次分析和求解植被截留量、土面蒸发量、植被蒸腾量和地表径流量,从而求得净入渗量;并将净入渗量作为条件边界,选取典型参数建立腾发封顶的非饱和渗流模型,分析得到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,蒸发蒸腾对该类型封顶中的水分运移起着决定性作用,封顶中浅部土体含水量受降雨和腾发作用影响显著,底部含水量基本不发生变化,起蓄水–释水作用的主要是植被根系发育区。在所考虑的气候条件下,植被良好、根系深度50 cm、总厚度为120 cm的腾发封顶系统的累积透水量很小,完全能满足设计要求,其减小降雨入渗的性能优于传统压实黏土封顶。     

基于高密度电阻率成像法的低渗透裂隙岩体水流入渗特征原位试验研究

为分析发生在野外低渗透裂隙岩体中的水流入渗特征,采用了三维高密度电阻率成像(ERT)技术,进行了原位同步观测试验研究。研究结果表明:在利用ERT所获取的电阻率图像中,相对于岩岩体分布区,岩体中的水流入渗区呈现出明显的低阻异常特征。在低阻特征区域,在电阻率图像中的空间分布是不均匀的,其不均匀性反映了岩体渗透性的相对大小。不同时刻的电阻率图像反映了水流的入渗动态过程及特征,水流的入渗并不是均匀入渗,而是存在着优势入渗现象,尤其是在入渗的早期。     

土体充气阻渗机理分析

向土体中充气可以有效的阻止水流入渗过程.从力学角度出发,对充气时气体在土体中的赋存形态进行分析,结合能量理论和达西定律讨论了不同形态下的气体阻渗机理.进行定水头充气入渗试验,试验发现:在充气量为5L/min时,细砂入渗能力约为自然入渗的1/2,结束充气再次入渗稳定以后细砂入渗能力较自然入渗减小约15％;在细砂入渗过程中,不同形态气体共同作用导致土体入渗能力的降低,要维持充气有效的阻渗效果,除去控制好充气压与充气量以外还要保证足够的气体补充.     

考虑降雨入渗影响的非饱和土边坡瞬态安全系数研究

以土壤体积含水率作为控制变量,应用非饱和土水分运动基本理论建立了降雨入渗过程中土体瞬态含水率的计算模型并且编制了计算程序,在计算模型中通过改变边界条件考虑了降雨过程中土壤入渗能力的变化,采用非饱和土强度理论和极限平衡方法,得出了可以考虑基质吸力影响的边坡安全系数计算公式,编制了计算程序,最后通过具体的算例,讨论了降雨入渗对土质边坡稳定性的影响.     

岩石边坡植被护坡系统的水分平衡及控制

 通过对植被护坡系统水分动态平衡的分析,提出岩石边坡植被护坡系统根层土壤贮水量的基本要求。采用现场降雨试验等方法研究岩石边坡植被护坡系统水分运移的规律,对影响植被护坡系统水分平衡的根层土壤初始贮水量、植被截留量、坡表径流量、边坡坡角、坡表蒸散量及根层土壤萎蔫贮水量等因子进行分析。试验结果表明：若客土配比合理,其渗透性能良好,客土能在较短的时间内获得较大的贮水量,客土中添加适量保水剂、泥炭可明显减缓客土层水分的蒸散,此外,客土中添加保水剂还可降低客土的萎蔫持水量,使客土层中更多的水分成为可供植物利用的有效水;覆盖良好的坡面植被对降雨的截留量不可忽视;为提高降雨的入渗量,须选择适宜的边坡坡角。研究成果可为岩石边坡植被护坡系统的水分平衡及控制提供依据。     

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。     

非饱和土中热湿盐多场耦合过程分析

以多孔介质理论为基础研究了非稳态条件下非饱和土中温度–水分–盐分多场耦合问题。考虑到非饱和土中孔隙被液态水、溶解的盐分、水蒸气和干燥气体等填充,在质量和能量守恒的基础上获得了非饱和土中水分、气体、盐分的质量守恒方程以及能量守恒方程。考虑一维非稳态问题,选取温度、孔隙气压、孔隙水压和含盐量以及其梯度作为状态变量,得到问题的状态方程组。利用Laplace变换将时域上的状态方程转换到频域上,在给定的边界条件下,采用打靶法求解该强耦合的非线性变系数微分方程组。基于Hausdorff矩问题的稳定化算法将频域上的数值解转化到时域上,通过与已有的试验结果相比较,验证了模型的有效性。基于数值算例与参数,分析了压力梯度、温度梯度、孔隙率等条件对非饱和中温度场、水分场和盐分场分布的影响规律。     

非饱和开裂混凝土中水分运移研究

根据双重孔隙介质模型将开裂混凝土视为由完好混凝土和裂缝组成的复合孔隙材料,基于非饱和混凝土的水分运动方程和裂隙渗流的立方定律提出非饱和开裂混凝土中的水分运动方程,同时采用渗水装置对预制裂缝混凝土试块进行渗水试验,研究混凝土初始饱和度、水胶比和裂缝宽度对渗水深度的影响;采用TOUGH 2软件数值分析开裂混凝土中饱和度和水分流速的变化,根据平均流速计算渗水深度并与试验结果比较.研究发现:混凝土初始饱和度越小、裂缝宽度越大,则渗水深度越大,且渗水深度增长先快后慢,反映了混凝土基质势是开裂混凝土中水分运移的驱动因素;裂缝宽度与混凝土渗透性正相关;水分入渗开裂混凝土后流速差和平均流速随时间延长逐渐降低;采用平均流速计算的渗水深度能更好地反映渗水试验中渗水深度的变化趋势.     

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。     

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。     

融雪与降雨入渗下含盐土遗址的冻融劣化研究

采用含水率、电导率、弹性波速及无侧限抗压强度等指标,结合试样表观及微结构变化研究了含盐土遗址在融雪或降雨入渗的初始条件下经历冻融循环的劣化机制.结果 表明:在冻融循环过程中,试样含水率因融雪与降雨入渗的水分补给及蒸发散失而先增加后减小并趋于稳定,盐分随水分迁移后分别在试样高度5,3.5 cm处富集;水分入渗增加了土粒间...