季冻区土质路堑边坡浅层含水率变化研究

采用现场实测和室内试验相结合的方法,研究季节性气温变化、边坡深度、坡面植物种类和坡面朝向等因素对边坡土体含水率变化的影响规律。结果证明：边坡土体冻结过程中,水分向冻结区迁移;随着冻结深度增加,含水率的变化也会向深处发展;坡面木本植物比草本植物有更明显的吸水作用;边坡含水率和土体温度的变化影响土体的强度,边坡土体温度在0℃以上时,土体强度主要受含水率变化的影响,当土体温度在0℃以下时,强度主要受温度变化的影响;三轴试验证明：边坡土体的黏聚力首先随着含水率的增加而增大,含水率达到15 %以后,边坡土体的黏聚力随含水率的增大而减小;边坡土体的内摩擦角基本上是随着含水率的增大而减小。研究成果可为季节性冻土地区高等级公路路堑边坡冻融失稳的预警提供判据。     

模拟降雨条件下寒旱地区边坡土体位移及土压力特征

为深入研究降雨条件下寒旱地区植物边坡与裸坡浅层位移及土压力特征,定量评价植物护坡效应,以位于西宁盆地的青海大学自建试验区为例,通过对柠条锦鸡儿边坡与裸坡开展原位模拟降雨试验,系统分析两种边坡浅层土体的土压力值及其水平、垂直方向上位移量变化规律;在此基础上评价这两种类型边坡的稳定性。得到以下主要结论:降雨前后,柠条锦鸡儿边坡a层（边坡表层以下0~20 cm）、b层（边坡表层以下（20~40 cm）土体含水率增加幅度均较裸坡降低32.03 %、13.63 %,反映出模拟降雨过程中植物茎叶起到降雨截流作用;降雨后两种边坡平均土压力值均较降雨前略高,其中裸坡增加0.125 kPa,柠条锦鸡儿边坡增加0.129 kPa。降雨前后柠条锦鸡儿边坡在水平、垂直方向的平均位移量分别为0.031,0.027 cm,裸坡坡面的分别为0.196,0.158 cm,说明柠条锦鸡儿根系在一定程度上起到有效抑制坡面土体变形效果,达到了提高边坡稳定性的作用。     

赣南地区人工切坡降雨致灾机制现场模型试验

赣南地区滑坡等地质灾害频发,降雨和人工切坡是该地区地质灾害的最主要诱发因素,物理模型试验尤其是现场模型试验是揭示滑坡发生机制的最有效手段。以赣南地区某风化变质岩人工切坡为研究对象,自主设计降雨模拟系统,布设有4个含水率、孔压监测孔及两处位移监测点,开展现场人工模拟降雨试验。研究边坡土体含水率、孔隙水压力以及位移与降雨过程的响应关系,探索持续强降雨作用下风化变质岩边坡的入渗规律,并揭示变质岩风化土坡的变形失稳模式。结果表明:降雨后土体含水率的变化存在滞后,雨水开始入渗后含水率持续增加,含水率增大幅度随其深度增大而减小;各测孔浅层土体孔压值降雨入渗过程响应明显,表层1 m以下土体一直处于非饱和状态;监测点位移与含水率变化速率呈明显的正相关,边坡变形主要集中于含水率变化明显的边坡一侧;边坡位移与孔压值变化响应明显,边坡内部土体发生剪胀变形现象使得孔压值降低,边坡变形速率随即减小;强降雨条件下陡峭人工切坡的变形破坏过程可归纳为3阶段:陡峭坡面分散坍滑,平台形成拉裂缝,边坡大范围垮塌。     

非饱和黄土边坡水热变化过程室内模型试验研究

针对黄土边坡在降雨条件下易发生浅层滑塌失稳破坏问题,探讨降雨入渗及日照蒸发条件下非饱和黄土边坡内水热变化过程。利用填筑室内黄土边坡模型,通过控制降雨–日照循环条件,对黄土边坡模型中温度、水分及坡面位移进行监测,结果表明,非饱和黄土边坡模型在外界降雨–日照条件下其内部温度及含水率的影响范围在30~40 cm之间,其影响深度是有限的,说明通常在降雨入渗作用下黄土边坡失稳破坏的深度有限,多为浅层滑塌破坏;边坡模型的表面位移随着降雨日照条件变化而发生轻微膨胀或收缩。     

大气作用下浅层非饱和黄土温度变化及其影响因素研究

为了研究大气作用下西北地区浅层非饱和黄土温度场的变化规律及其影响因素。填筑一维土柱模型,在室外自然条件中做大气循环作用下的蒸发模型试验。试验结果表明:在0~10 cm深度范围内,土体温度随深度的增加而降低,在土样表层5~10 cm处温度最低;在相同的外界条件下,土体初始体积含水率越高、压实度越大,导热系数越大,温度变化幅度越大。随着深度增加和蒸发时间增长,压实度和含水率引起的导热差异叠加,使得同一深度处不同压实度和不同含水率土体的温差增大;土体初始体积含水率和压实度均对温度的迁移产生影响,相对于随压实度的变化,土体体积含水率的改变对土体温度迁移影响更显著;随着蒸发时间的增加,温度由表及里逐渐升高,在深度方向上温度先减小后增大。不同深度处土体温度增长曲线大致为"S"型递增曲线,可分为蒸发3阶段。     

开挖黄土高边坡的应力路径及变形破坏机制分析

采用室内试验与数值计算相结合的方法研究开挖形成的黄土高边坡的稳定性及破坏机制。以甘肃环县华能电厂人工高边坡为例,采用线弹性有限元模拟分级开挖过程中潜在破坏面上的应力路径,在边坡上取代表性土样,参考此应力路径做天然含水率和饱和含水率下的三轴试验。依据试验所得强度参数,建立不同开挖坡比下的弹塑性有限元模型,计算各开挖阶段潜在滑动面上土体的应力状态,揭示边坡的破坏机制。结果表明,开挖过程中边坡潜在破坏面上土体应力路径为平均应力减小,剪应力先减小、后增大;开挖过程对潜在破坏面作用为先卸载、后加载,当开挖坡比较大时,高边坡坡肩处先发生屈服破坏,屈服范围随着开挖深度的增大逐渐向下扩展,直至形成连通的屈服面,为典型的推移式破坏模式。     

基于高密度电法的天然边坡水分运移规律研究

地下水是滑坡变形与失稳的重要影响因子,目前关于天然边坡水分运移过程的研究多借助传感器监测或数值模拟,但尚不能充分满足无扰、快捷的测量要求。针对该类问题,以天然边坡为研究对象,利用高密度电法结合时域反射技术,通过测量边坡土体含水率与电阻率,构建两者的对应关系,据此反演并分析边坡介质地下水的分布特征及迁移规律,验证高密度电法技术在探究天然边坡水分运移规律的有效性。现场试验结果显示:研究边坡土体含水率与电阻率呈明显对数关系;该边坡有效入渗或蒸发深度为2 m,大于该深度范围内,边坡土体含水率随深度增加逐渐减小;中雨强度下埋深为1.3~2.0 m范围内土体含水率激增的主要原因在于后缘裂缝的优势流补给;边坡高含水率(低电阻区)与低含水率(高电阻区)过渡区与后期滑坡滑动面位置高度吻合。     

不同渗流边界条件下粉砂边坡失稳模型试验研究

研究不同渗流边界条件下粉砂边坡的稳定特性对滑坡安全评价及防灾减灾具有重要意义。开发研制了室内边坡模型试验系统,分别进行了在上部边界入渗、侧向边界入渗和底部边界入渗的边坡失稳模型试验。分析了各试验中边坡内部不同位置体积含水率、孔隙水压力和基质吸力的变化规律以及坡体破坏过程。结果表明,不同入渗边界条件下边坡土体局部由非饱和变为饱和状态,基质吸力消失,最后在坡面形成不稳定区域塌落破坏。上部边界入渗、侧向边界入渗和底部边界入渗所引起的破坏模式根据其特点可分为局部浅层破坏、多级后退式破坏和坡面滑动破坏。通过监测边坡不同位置的体积含水率,可以为渗流引发的边坡失稳预警机制提供参考依据。     

基于改进Green-Ampt模型的花岗岩残积土边坡降雨入渗规律研究

花岗岩残积土广泛分布于我国南方地区,具有许多不良物理力学性质。该类型土边坡在降雨作用下极易发生变形破坏,因此,对花岗岩残积土边坡的降雨入渗规律进行深入研究具有重要意义。在Green-Ampt模型的基础上综合考虑了坡体的初始含水率、地下水位、非饱和特性,建立了一种适用于不同降雨工况的入渗模型,并采用数值模拟及前人经典模型计算结果对该模型进行了验证。运用该模型对赣南3种典型降雨工况下的花岗岩残积土边坡进行了分析,结果表明:在距离地下水位线较远时初始含水率对湿润锋的迁移速率影响不大,但在接近地下水位线附近时湿润锋的迁移速率逐渐增大,呈现出指数形式的变化趋势;相同降雨时间内、不考虑坡面冲刷的情况下,降雨强度略大于土体饱和渗透系数的工况下湿润锋迁移深度最大、边坡稳定性系数降低最多,在实际情况中尤其需要加强防范。     

小乔木根系根土间作用力的室外拉拔试验研究

小乔木根系在边坡生态防护中具有相当高的比例,研究土壤贫瘠小乔木根系的护坡机理及影响因素,对进一步提高或改进边坡生态防护技术具有理论和实际意义。在综合国内外相关研究成果的基础上,通过室外拉拔试验研究了红黏土边坡湿地松根系在大气降雨、含水率、根系几何参数等变动情况下根系对坡面土体加固能力的影响。试验结果表明强降雨条件下,表层土体的含水率大于深层土体的含水率,含根土体含水率大于素土含水率,表明小乔木根系有助于坡面土的雨水入渗;最大拉拔力随含水率的增加表现为单调递减或在最优含水率附近最大的先增大后减小的趋势,两者间为二次函数的关系;最大拉拔力随根系体积的增加总体表现单调递增,但在含水率为22%和24%时,最大拉拔力随根系体积的增加先减小后增大;植物根系在不同体积或含水率下,拉拔力-位移曲线波动较大。     

季节冻土区黑土耕层土壤冻融过程及水分变化

利用黑龙江省水利科学研究院水利试验研究中心综合实验观测场2011年11月-2012年4月整个冻结融化期的实测野外黑土耕层土壤温度和水分数据, 对中-深季节冻土区黑土耕层土壤冻融过程中冻结和融化特征分阴、阳坡进行了分析, 研究了冻融过程中不同深度土壤水分的变化情况, 并探讨了降水对不同深度耕层土壤含水量变化的影响. 结果表明:黑土耕层土壤冻结融化过程分为5个阶段, 历时164 d, 约5.5个月. 阶段I, 秋末冬初黑土耕层土壤开始步入冻结期; 阶段II, 黑土耕层土壤整日处于冻结状态, 阴坡比同样深度的阳坡土壤温度低; 阶段III为黑土耕层土壤稳定冻结期; 阶段IV, 黑土耕层土壤步入昼融夜冻的日循环交替状态, 冻融循环的土层逐渐向深部发展, 阳坡比阴坡融化得更深、更早, 阴坡比阳坡经历冻融循环次数更多; 阶段V为稳定融化期, 在融化过程不存在冻融交替的现象, 直到整个冻层内的土壤全部消融. 各深度位置阴坡土壤温度的最高值出现时间比阳坡晚约0.5 h. 经过整个冻结融化期后, 阴、阳坡各层土壤含水量均大于冻结前, 阴坡土壤含水量比阳坡整体偏低. 在整个冻结融化期, 阳坡地下1 cm、5 cm、10 cm 及15 cm处含水量最大值出现在地下5 cm; 阴坡的含水量整体趋于平稳且在融化期受降水影响明显.     

渭河流域西部季节冻融对浅层非饱和土壤水热变化的影响

以黄土高原渭河流域西部黄土丘陵沟壑区为研究区域,建立了野外观测场地,对该区域浅层非饱和土体冻融过程及水热运移规律对气候作用的响应过程进行了研究与分析。结果表明：气温对地温及地温变幅的影响随深度增加而迅速衰减,地温振幅随深度增加按指数规律衰减且温度波的相位随深度的增加而滞后,地表下200 cm深度以内地温振幅受气温影响较大。该区域裸露地表土壤的最大冻结深度在20～50 cm之间。在土壤冻结过程中,深层土壤未冻水逐渐向冻结层运移,导致深层含水量逐渐减少。不同深度土壤冻结系数随土壤深度的增加而减小,融化系数则相反。地表下50 cm深度以内的土体含水量受降水影响波动显著。土壤含水量与温度呈相似变化,地温峰值出现的时间总滞后于土壤水分,其变异程度均随土壤深度的增加而减小。     

高寒阴湿区边坡浅层土体温湿响应规律研究

基于长期原位监测对高寒阴湿区边坡土体温湿响应规律研究存在的不足,选取甘肃双达高速公路沿线土-岩二元结构边坡为研究对象,构建远程监测系统对边坡浅层土体温温度及大气降雨开展了为期2年多的现场监测,结合傅里叶模型与Pearson相关性分析方法,揭示了边坡土体水热迁移及降雨入渗规律,分析了边坡土体温湿度相互作用效应。研究结果表...     

表层岩溶带土壤温度和体积含水率对夏季暴雨事件的响应

为揭示表层岩溶带土壤温度和体积含水率对暴雨事件的响应机制,利用HOBO土壤温度和体积含水率监测仪,连续监测2014年7-8月20 cm和70 cm土壤温度与体积含水率。结果表明:研究区域20 cm土壤温度呈日变化,这种日变化格局主要受到大气温度日变化的影响,70 cm土壤温度总体上呈上升趋势,主要受到夏季大气环流使气温升高的影响。夏季暴雨事件降低了20 cm深度的土壤温度、增加其土壤体积含水率,并且导致70 cm处土壤温度先增高后降低、土壤体积含水率升高。土壤体积含水率较低情况下,暴雨事件使得浅层较高温度土壤水快速向下移动引起升温,而后土壤体积含水率到达一定阈值后,便能够快速响应降水事件。研究表明,岩溶地区不同深度土壤温度和体积含水率受到夏季降水事件的影响存在差异。浅层土壤能够快速的响应暴雨事件,深层土壤温度和体积含水率对暴雨事件的响应不仅受到降水量阈值的影响,而且也受到表层土壤温度和体积含水率的制约。      

小降雨事件对土壤水分及植物水势空间差异性的影响

本文以云南省蒙自市断陷盆地高原面上典型封闭式岩溶洼地小流域为研究对象,研究小降雨事件对土壤水分及植物水势的影响。结果表明:（1）在研究区内小降雨事件一般只能补给10 cm以上的土壤,因此在旱季（强降雨事件发生前）,土壤水分随着深度的增加整体呈变小的趋势;受洼地地形影响,整个土壤剖面（0 ~ 80 cm）的土壤水分存在从坡顶到洼地底部逐渐增加,苹果树叶水势逐渐升高的现象;受地质背景的影响,土石质坡地平均土壤水分比石质坡地土壤水分高2.67%,相对应的土石质坡地苹果树受干旱胁迫的程度要低于石质坡地。（2）通过观测对比发现,8天内12次的小降雨事件可以使0~10 cm土壤水分整体上略有升高,但并未能完全改变0~10 cm土壤水分洼地底部大于两侧坡地,而土石质坡地高于石质坡地的特征。（3）小降雨事件虽然只能补给0~10 cm的土壤水分,但由于坡地地区苹果树根系分布较浅（5~30 cm）,部分浅层分布的苹果树根系已能吸收到水分,另一方面小降雨事件具有降温、增湿,减少太阳辐射的作用,可以减小苹果树蒸腾作用,从而降低苹果树叶水势,因此推测小雨事件可以明显减轻苹果树受干旱胁迫的程度      

季节冻土区黑土耕层土壤冻融循环期湿度与温度变化研究

在黑龙江省水利科学研究院水利试验研究中心的综合实验观测场, 利用2011年11月-2012年4月一个冬季冻融循环期的实测黑土耕层剖面土壤湿度和温度数据, 对典型中-深季节冻土区黑土耕层土壤湿度与冻结融化期土壤温度变化进行研究. 根据阳坡的黑土耕层土壤浅层1 cm、 5 cm、 10 cm及15 cm四种不同深度, 对冻融循环过程中土壤湿度随冻结融化期土壤温度变化特征进行分析, 研究黑土耕层土壤冻融过程中不同深度土壤水分的变化情况, 了解降水和温度对不同深度土壤湿度变化的影响. 结果表明: 在北京时间08:00、 14:00及20:00, 阳坡15 cm、 10 cm、 5 cm及1 cm深度黑土耕层土壤湿度随冻结融化期土壤温度变化的线性相关可决系数分别为0.9298、 0.9216、 0.5989、 0.7281, 斜率平均标准偏差分别为0.017、 0.019、 0.095、 0.056, 截距平均标准偏差分别为0.17、 0.25、 1.31、 0.83. 阳坡10 cm及15 cm深度的黑土耕层土壤湿度随冻结融化期土壤温度变化呈十分显著的线性相关关系. 阳坡5 cm深度的黑土耕层土壤湿度在冻结融化期与土壤温度变化线性关系稍微显著. 在整个冻结融化期, 因受太阳辐射、 降水及蒸发的强烈影响, 阳坡浅层1 cm深度黑土耕层土壤湿度与土壤温度线性相关性不如10 cm及15 cm深度的关系显著, 但比5 cm深度的关系显著.     

冻融和非冻融条件下包气带土壤墒情垂向变化的试验与分析

冻结层的存在使得寒区有着与非寒区差别明显的水文循环过程,土壤冻融规律、水热盐运移、融雪水入渗等已成为众多学者的研究对象. 寒区低温条件下冻融土壤持水性质与非冻融土壤不同,其包气带冻结层往往具有弱透水性、蓄水保墒和隔热减渗的作用,使得寒区春季冻结层土壤的墒情较高. 以冻融土壤和非冻融土壤墒情对比监测为基础,选取地表以下100 cm的土壤为研究对象,在黑龙江大学呼兰校区设置冻融和非冻融对比监测试验场,同时段、同频率、同埋深（间隔 20 cm土层）进行土壤结构、水热及环境参数监测. 通过对比分析了不同埋深不同冻融阶段的墒情参数,量化了低温冻融条件下土壤墒情较非冻融土壤的高出部分,最后对冻土保墒的机理进行探讨与分析. 结果表明：冻结条件下土壤水分重新分布,在土水势的作用下由非冻结区向冻结区迁移. 初冻期地表土壤墒情达到最大,冻结期土壤最大墒情值随冻结锋面迁移分别在20、40、60 cm处达到最大,稳定冻结期和融化初期在80 cm处达到最大;土壤最大墒情值一般在冻结锋面前沿的10～20 cm处,较好地保持了土壤水分. 无论是从空间（不同埋深）还是时间（不同冻融阶段）角度分析,冻融土壤含水率均大于非冻融土壤,二者含水率的差值随埋深和冻融阶段的推移而加大,在稳定冻结期80 cm处达到最大,差值量可达6.4%～7.8%.     

Research on the effect of straw mulching on the soil moisture by field experiment in the piedmont plain of the Taihang Mountains

To reveal the influencing effect of the long-term straw mulching on the soil moisture, this paper employed the field experiment data in 2010 of a typical area of Taihang Mountains plain, observed the soil moisture dynamic regularities under different mulching patterns by virtue of depressimeter and neutron probe, analyzed the characteristics of soil water content and storage in different depths and seasons under the long-term straw mulching. The results showed that the long-term straw mulching can keep the soil moisture conservation of the deep, while decreased the shallow. (1) The long-term straw mulching can changed the type of soil water movement. If no straw mulching, the type is mainly evaporation-infiltration. And with straw mantle the type would change into infiltration. The number of zero flux plane would be reduced or absent. (2) The long-term straw mulching can increase the soil water reserves of the whole soil profile with the depth between 0 cm and 220 cm. But the soil water content of the layer from 30 cm to 80 cm decreased and the soil water content of the layer from 80 cm to 220 cm increased instead., The effect of soil moisture conservation on winter wheat is not obvious; (3) With no straw mulching, the depth of infiltration recharge by rainfall or irrigation is shallower than 80 cm. In a straw mulching, the influence depth is can extend to 120 cm; (4) With no straw mulching , there is a deep layer on the depth of 220 cm between March and June, while this layer will disappear with a long-term straw mulching.     

半干旱地区地表-地下水系统水热运移与裸土蒸发研究

地表-地下水系统水、热迁移转化与裸土蒸发机理研究对于水量平衡以及地表能量转化具有重要意义。以鄂尔多斯盆地风沙滩地区为研究区,基于原位蒸渗仪长期观测,结合数值模拟,选择2种地下水位初始埋深分别为80 cm（浅埋深）和290 cm（深埋深）的情景,研究了变饱和带水热迁移转化的动力学过程以及对裸土蒸发的影响。结果表明:变饱和带土壤水的运动规律受水头梯度和温度梯度的共同驱动,且在不同水位埋深条件下呈现不同的运动方式;浅埋深条件下,受水头梯度的作用,土壤的毛细上升高度能够到达地表,蒸发条件下土壤水在毛细力驱动下向上运移,土壤内部不存在零通量面,温度对水分运动的影响较小,发现当地下水位埋深小于毛细上升高度时,地下水在毛细力作用下直接贡献土壤蒸发;深埋深条件下,水头和温度是土壤水运动过程的关键因素,位于地表以下18 cm以浅土壤内部出现孤立的零通量面,阻止了土壤水的向上运移,导致蒸发量减小。当地下水位埋深大于毛细上升高度的1.6倍时,地下水不再直接参与土壤蒸发,但会间接地影响包气带的水分转化;因此模拟期间浅埋深的裸土累积蒸发量约为深埋深累积蒸发量的4倍。     

青藏高原玉树地区巴塘高寒草甸土壤温湿特征分析

在青藏高原腹地青海省玉树藏族自治州玉树县巴塘高寒草甸草场设立野外试验场, 进行土壤温、湿动态监测. 利用温、湿监测数据及同步气象数据资料, 采用对比分析及线性趋势等方法, 分析了巴塘高寒草甸日、年土壤温、湿变化状况. 结果表明: 土壤温度从10:00时左右开始上升, 至17:00-18:00时达到最高值, 然后开始下降, 在第二天9:00时左右到达最低; 土壤湿度在10:00时达到最低值, 在18:00时达到最大值, 随着土壤深度的增加, 土壤湿度逐渐降低. 土壤温、湿度在不同的季节表现出不同的变化趋势, 二个点不同土层表现出相对一致的变化, 随着土壤深度的增加, 土壤温、湿度逐渐降低; 随着与雪栅距离的增加, 土壤温、湿度的变化幅度减弱; 随着土壤深度的增加, 雪栅的影响也逐渐减小. 通过对土壤温、湿不同时期的特征分析, 5月中旬至8月中旬, 土壤湿度与土壤温度呈现相反的变化趋势, 而在其余时期土壤温湿变化趋势一致; 秋季向冬季转换时, 土壤温湿呈显著下降趋势, 而后土壤进入封冻时期; 冬季向春季转换时, 土壤温湿呈显著上升趋势, 土壤进入解冻时期. 冷季时, 25 cm土壤温度高于5 cm; 暖季时, 5 cm土壤温度高于25 cm.