包气带中温度变化对水分分布影响的实验研究

笔者在高180cm、宽50cm的砂槽中,做了温度对水分运移影响的模拟试验。试验结果表明,在包气带一定深度以下,孔隙相对封闭,孔隙内液态水与气态水处于动态平衡,相对湿度接近或达到饱和状态。在此条件下,砂柱内温度场的任何微小变化都会导致孔隙系统内的水分发生蒸发或凝结。当包气带内温度场发生变化时,气态水在温度梯度作用下,向最低温度界面运移,蒸发或是凝结取决于最低温度界面的性质。在不发生聚集的开放性界面上出现蒸散,消耗包气带内水分。在聚集性封闭界面上则出现凝结,使包气带内水分增加。在温度场控制下,包气带中气态水凝结或蒸发是水分运移的另一重要形式,它在一定程度上决定着水分的分布状态,尤其在温差巨大的地区,这种作用显得十分重要。     

温度梯度作用下非饱和土水分迁移研究

为了探明非饱和土中的水分在温度梯度作用下的迁移规律,开展了非饱和土在不同温度梯度作用下的气态水迁移试验和混合态水迁移试验。试验结果表明土样内部的温度场在24 h内均能达到稳态且稳定后的温度场沿土样长度方向线性变化。气态水迁移量和液态水迁移量均随着温度梯度的增加而增加,气态水迁移量的增幅显著大于液态水迁移量的增幅。在气态水迁移中,温度效应随着土样初始含水率的增加而显著增加;在液态水迁移中,温度效应与土样初始含水率的关系不大。最后建立了非饱和土在不同温度梯度作用下,当其水分场接近稳态时,土样内部含水率梯度的表达式,该表达式包含温度梯度和初始含水率两个影响因素。     

季节冻土对包气带水分迁移的影响

采用智能化土壤墒情监测仪,对东北吉林集安季节冻土带进行地温和含水率观测,历时一个水文年。通过分析不同深度地温、含水率随时间的变化,研究地温场变化、降水入渗等因素对水分迁移的影响。寒季,气温急剧下降,地温随深度增加而增高,气态水在包气带上部的低温带凝结,当凝结速率大于渗透速率时,含水率不断增加,水分蓄积。季节冻土形成后,孔隙水以固态水的形式储存,是包气带上部水分主要的聚集期。暖季,地温随深度增加而降低,气态水向下运移凝结,即使降水入渗量很大也不会引起水分蓄积。因此,温度场控制着气态水凝结方向,是引起包气带内水分运移的重要影响因素之一。     

毛乌素沙地冻融期气态水迁移机理及影响因素

受冰-水间相变影响, 冻融期内土壤水、热传输过程变得复杂, 研究气态水分布特征与运移规律, 可为厘清冻融过程中沙地包气带水文循环机理提供关键信息。通过在毛乌素沙地建立原位监测点, 并利用修改后的Hydrus-1D冻融程序建立包气带水-汽-冰-热耦合数值模型, 对冻融期包气带气态水迁移过程展开研究。结果表明: 模拟与实测土壤水分及温度变化拟合较好, 证实所建立的模型具有良好的精度以及适用性; 对比典型未冻结、初始冻结、向下冻结以及融化时段结果可知, 冻融过程会改变剖面土壤水分、含冰量以及水汽密度分布, 其中水汽密度变化与温度联系紧密; 冻结后, 由温度梯度驱动的非等温气态水通量在总水分通量中的占比超过90%, 表明气态水占据主导地位, 其运移过程对于剖面土壤水分分布以及高含水量带出现有重要影响。     

包气带水研究方向浅议

包气带水是地球水体的重要组成部分.研究包气带水的形成及运动规律不仅对阐明地下水的形成具有重要意义,而且是实现农业节水的关键.本文在阐述包气带水特征的基础上,指出了包气带水研究方向:一是包气带中土壤水的调控研究,二是水-气二相流数值模拟研究.     

包气带增厚区土壤水力参数及其对入渗补给的影响

为探讨包气带深部增厚区土壤水力参数变化对入渗补给过程的影响,采用压力膜仪对河北正定深部包气带(8.0~21.0 m)10个原状土样进行水分特征曲线测试,利用RETC软件中Mualem-van Genuchten导水率模型对其拟合,获取含水率与非饱和导水率的关系曲线,并根据达西法对其进行分析讨论.结果表明:场地包气带深埋区的非饱和导水率为25~240 mm/a.当某一埋深历史水位下降速度越快,该埋深处相同含水率情况下土壤非饱和导水率越大,说明对应土层的入渗补给强度越大;因包气带厚度增大使原来位于饱水带的层状非均质土层转变为包气带,潜水位波动下降过程中深部包气带土层因排水压密作用,使得土壤水力特性发生变化,进而影响垂向入渗补给过程.      

西北干旱内陆盆地区裸土蒸发强度

鉴于包气带蒸发的水分是从地表散失,故查明裸土蒸发规律对研究包气带水分蒸发、潜水蒸发问题具有重要意义。为了查明西北干旱内陆盆地区裸土蒸发强度规律,通过开展裸土含水率观测、包气带负压观测等野外原位试验,结合气象资料,对包气带剖面流场特征进行分析,采用有限差分法对裸土蒸发强度进行计算。结果表明：依据包气带水分在垂向上迁移的不同状态,将裸土区包气带剖面划分为水分向上传输带和水分向下迁移带2个带;西北内陆干旱盆地裸土包气带极限蒸发深度为1.2 m;受外界蒸发能力和包气带向上输水能力交替控制作用,盆地内裸土蒸发出现在4月下半月至9月下半月,其中4月下半月至5月裸土蒸发强度最大,平均蒸发强度达0.56 mm/d;裸土蒸发强度平均仅占水面蒸发强度的3.5%,最大达6.7%。     

包气带介质截留不同龄垃圾渗滤液中的有机污染物

从渗滤液场龄和包气带岩性两方面着手,研究了不同岩性包气带介质对不同场龄渗滤液中有机污染物的截留作用规律。结果表明:新渗滤液经过以细砂、亚粘土为介质的包气带后,细砂和亚粘土中有机物的质量分数分别从0.70%和0.87%增大至0.80%和1.00%以上,而老渗滤液使细砂和亚粘土中有机物的质量分数降至0.70%和0.50%以下。新渗滤液经过包气带后,包气带介质中有机物的含量增大,而老渗滤液使包气带介质中有机物的含量降低,亚粘土较细砂更容易受到渗滤液污染的影响。即渗滤液性质对包气带介质中有机物含量具有方向性的影响作用,而包气带介质亚粘土比细砂更容易放大这种作用效果。     

干旱区包气带土壤水分运移及其对地下水补给研究进展

包气带是指地表到地下水之间垂直剖面中土壤孔隙没有被水充满、水分处于非饱和状态的区域,是地表水进入地下水的通道。包气带土壤水分运移过程不仅影响到地下水补给,而且与相邻景观之间存在水力联系。评述了干旱区包气带土壤水分运移模拟、地球化学示踪技术、地球物理技术在包气带土壤水分运移研究中的应用、影响包气带土壤水分运移及对地下水补给的因素、包气带水分运移对景观间水分交换的影响等方面的研究进展,提出在未来的研究中,应加强包气带土壤水分运移参数的试验观测及数据库建立、加强包气带土壤水分运移及其对地下水补给的研究,应借鉴地球关键带研究的思路,开展包气带土壤水分运移、溶质运移、地下水补给耦合研究。     

包气带增厚条件下地下水补给规律研究

伴随人类活动影响的不断增大,地下水位持续下降,包气带厚度增大,改变了地下水的补给条件.为阐明在巨厚包气带中水分运移规律,在河北栾城实验站进行了包气带水分运移监测试验.通过对监测数据的计算和分析,揭示了大水漫灌条件下,灌溉水在包气带中湿润峰和零通量面（ZFP）的运移和形成规律,计算了灌溉水回归补给地下水的水量,并利用达西公式进行验证.试验结果客观准确地反映了在当前人类剧烈活动影响下,包气带中水分运移规律及灌溉水补给地下水的情况,同时通过对包气带水分运移情况进行监测,取得了包气带水分运移的翔实资料和灌溉参数,对于促进农业节水灌溉有重大的现实意义.     

岩土体吸水膨胀应力系数的试验研究

基于岩土体膨胀性是其含水量的函数的认识，提出了岩土体吸水膨胀应力系数的概念。从膨胀应力与含水率的变化关系出发，研制出吸水膨胀应力系数试验装置；根据试验得到的膨胀应力与含水率增量的关系曲线和计算得到的岩土体吸水膨胀应力系数，对不同状态与类型重塑土样吸水膨胀应力系数的变化规律进行了深入研究。试验研究结果表明:试验装置所测土样的最终含水率误差在1.0%左右，能够较好地得到不同岩土体的吸水膨胀应力系数；由于黏土颗粒水化程度的不断增加，各岩土体的膨胀应力都随含水率的增加而增大，且膨胀应力与含水率增量呈线性关系；初始含水率15.0%条件下云南呈贡强膨胀土、成都弱膨胀土、成都粉质黏土的膨胀应力系数分别为92.2(kPa/%)、42.6(kPa/%)、0.9(kPa/%)，是由于不同类型岩土中黏粒含量的差别，导致不同类型岩土体的膨胀应力系数有较大的差别；膨胀应力系数能够有效地区分岩土体的膨胀性，可以用膨胀应力系数对岩土体的膨胀性进行分类。     

某水工隧洞裂隙岩体高水头作用下的渗透性试验研究

结合某抽水蓄能电站高压引水隧洞裂隙岩体的高压压水试验、常规压水试验和室内试验,分析了裂隙岩体在高水头条件下渗透流量与压力关系所反映的岩体渗透特性变化规律;在定量计算基础上探讨了裂隙岩体渗透系数与压力的相互关系。通过对比高压压水试验、常规压水试验和室内试验得到的渗透系数,分析了环境应力状态和压力变化对渗透系数取值影响的原因。研究结果表明,高水头作用下裂隙岩体的渗透系数明显大于低水压条件下的渗透系数,室内试验渗透系数因应力解除影响而大于原位压水试验渗透系数值。     

IV级软弱围岩相似材料的试验研究

以IV级围岩为参照对象,研制可用于隧道围岩稳定性物理模型试验的软弱围岩相似材料。采用的5种原材料（重晶石粉、石膏、细砂、洗衣液和水）,通过直剪试验、无侧限抗压强度试验及三轴压缩试验测得所配相似材料的强度特征和物理力学参数,包括黏聚力c、内摩擦角?、单轴抗压强度Rc、弹性模量E和泊松比?。首先,通过试验分析每种原材料的不同比例对所配相似材料强度特征及物理力学参数的影响,选择适合于模拟IV级围岩相似材料的原材料配比;其次,针对优选的材料配比所配制的相似材料,开展大量的三轴压缩试验,研究在不同围压下该相似材料的强度及其破坏特征。结果表明,含水率减少或石膏含量增加导致Rc、E和c明显增大,而?降低不明显;增加砂含量可增大E 和?,但Rc值减少;石膏含量对相似材料的脆性和延性影响最明显,而含水率对相似材料的强度影响最为突出。试验结果还表明,相似材料在低围压时呈现脆性,在高围压时呈延性;就破坏准则而言,试验所得结果小于Mohr-Coulomb准则,略大于Hoek-Brown准则,但更符合Hoek-Brown准则。研制软岩相似材料的试验数据可为下一步拟开展的隧道围岩稳定性模型试验和数值模拟提供重要的参考和依据。     

节理连通率对岩体力学特性影响的细观研究

采用等效岩体（ERM）技术,将节理和岩块分别用光滑节理模型及颗粒体模型表征,构建含不同节理倾角、连通率的等效岩体模型。结合试验结果,从细观力学角度开展单轴压缩条件下节理连通率对岩体强度、破裂机制、能量演化等力学特征影响的定量研究。研究发现,当节理方向与加载轴向呈一定夹角时,岩体表现出沿岩桥连线方向的贯通破坏趋势,尤其当节理倾角? = 30°,连通率L = 0.8时,岩体破坏表现出岩桥复合贯通破坏模式。在该类节理倾角(? = 30°)条件下,随节理连通率增大,岩体表现出的主要力学特征为：（1）峰值抗压强度呈不断降低趋势;（2）微破裂总数不断下降,但张拉型微破裂所占比例逐渐提高。微裂纹进一步集中在不同层间节理尖端岩桥连线上产生;（3）声发射（AE）事件产生时间在整个加载阶段逐渐分散,声发射事件总数及破裂强度分布范围、均值、标准差等均不断减小;（4）峰值应变能及峰后应变能、动能变化率降低,峰后摩擦能增速放缓,试样破坏所需的外界做功逐渐降低。     

Modified rock mass classification system by continuous rating

It is not the purpose of this paper to propose a new rock mass classification system but rather to improve the existing ones by incorporating some simple quantitative interpretations. The geomechanics classification system of naturally fractured rock masses is modified to decrease personal judgement involved in its calculation. Instead of six parameters in the classical rock mass rating (RMR) system, only five basic parameters are considered in the proposed system, which are namely, rock quality designation (RQD) value with the underlying frequency distribution function of intact lengths; uniaxial or point load strength of intact rock material; conditions of the most unfavorable joints; groundwater condition; and joint orientation. Classical lump-rating system is replaced by continuous grading system which leaves no ambiguity for an inexperienced engineer in allocating grades based on quantitative field or laboratory measurements. Finally, necessary charts are presented for obtaining straightforward design values concerning average stand-up time and corresponding unsupported span of excavations in fractured rock mass; cohesion as well as friction angle of the rock mass. The continuous RMR system is very convenient for calculators or in writing computer software. The proposed methodology reduces the scale of subjectivity and leads to a unique rock mass design value.     

基于岩体蠕变效应的锚杆应力分布及其变化规律研究

考虑岩体蠕变效应的锚杆应力分布及变化特征对研究工程锚固效应具有非常重要的意义,而目前关于这方面的研究并不多见。首先从锚固微元体受力特点的角度出发,研究微元体在围岩蠕变条件下的受力变化规律,得到如下结论：蠕变岩体下锚杆锚固力的变化趋势和岩体所受应力状态及其变形密切相关。当微元体受拉时,锚杆轴力随时间有不断增长的趋势;而当微元体受压时,锚杆轴力则随时间不断减小。针对锚杆在黏弹塑性围岩体中的受力分布,以解析方法推导了锚杆应力峰值所在位置与围岩体塑性区重合的重要结论,且从工程数值计算角度进一步验证了锚杆应力峰值的位置特点,并分析了地下工程中锚杆应力随围岩体蠕变而逐渐增大的变化特征。     

温湿气候区结晶岩与碎屑岩腐岩特征及其发育过程

发育于斜坡非饱和带的结晶岩与碎屑岩腐岩多夹于残坡积土层和风化岩带之间,保留有裂隙及层理等构造,但质地松软。腐岩结构体与母岩色差显著,保留原岩结构和构造特征,矿物成分以次生粘土矿物、次生石英及褐铁矿最为常见。腐岩次生微孔隙发育,具有低密度、高孔隙度、高渗透率、高容水度及高持水度特征。腐岩发育是通过低渗透岩石结构体风化前锋的渐进性扩展实现的,非饱和带高湿度空气形成的凝结水和降水入渗形成的非饱和渗流是该过程的核心动力。气态水分子能够扩散到低渗透岩石结构体表面内侧一定宽度范围内的孔隙系统之中凝结为液态水并溶蚀造岩矿物。雨季入渗降水在结构体表面形成的薄膜水流通过分子扩散机制接受其内侧结构体粒间溶液中的溶出组分并将其携入饱水带,同时恢复粒间溶液的侵蚀动力。当上述过程循环到一定程度时,结构面内侧便形成一定厚度的腐岩壳。腐岩壳在雨季直接吸收、贮存流经其表面的液态渗入水,在核心石外侧形成富水结构层并在旱季向包气带或其内侧的风化前锋提供水汽。随着时间推移,腐岩壳越来越厚,核心石最终消失;当某一范围内的岩石结构体全部演变为腐岩结构体时,该范围内的岩体也就完成了向腐岩体的转变。     

岩溶地区岩体裂隙网络渗流分析

岩溶区由于其特殊的岩性,造成岩体裂隙非常发育,这些发育的裂隙很容易形成连通网络,在具有化学侵蚀性水流的作用下,裂隙通道被加宽,从而导致渗漏量增加。在岩溶区岩体裂隙发育特点的基础上对岩体裂隙网络进行了划分,用Monte-Carlo三维模拟技术模拟岩体裂隙的发育程度,同时也模拟出裂隙网络连通图,该图再现了优势裂隙的发育方向。在岩体节理网络的基础上,将各种裂隙和孔隙按规模和渗透性分为四级处理, 即一级真实裂隙网络、二级随机裂隙网络、三级等效连续介质体系、四级连续介质体系,各级裂隙之间以水量平衡原理建立联系。然后采用多重裂隙网络渗流模型对岩溶区岩体裂隙的渗流进行分析。研究表明,将多重裂隙网络渗流模型应用于岩溶区坝基岩体渗流分析中,能够比较确切而直观的反映出岩溶区岩体裂隙系统渗流分布规律,对岩溶区水库的防渗和防腐蚀措施具有重要的指导意义     

精确制备不同含水率岩石试样的化学热力学方法

在岩石力学试验研究中,常常需要精确制备不同含水率的岩石试验样品,而目前的方法尚难以保证所需的精度。为此,提出一种精确制备不同含水率岩石试样的方法,其基本原理是将欲制备的岩石试件烘干或饱水后放置于恒湿环境中,烘干样或饱和样会逐步吸湿或去湿而增加或减小重量,其含水率逐步增加或减小,直至稳定,最终得到稳定、均匀、含水率各异的试验样品,而其中的关键是如何获得一个稳定的恒湿环境。基于化学热力学中单组分的气-液平衡理论,提出了一种稳定恒湿环境的获取方法,其基本原理为：由于岩石中组分水的化学势与恒湿环境中的水气的组分水的化学势在起始阶段不相等,因此,二者中的水气压力也不同,必然有组分水的迁移;当岩石中的水气压力大于恒湿环境中的水气压力时,水便从岩石中迁移至恒湿环境中,使岩石失水,而当岩石中的水气压力小于恒湿环境中的水气压力时,水自恒湿环境中迁移至岩石中,使其含水率增加,直至二者中的水气压力平衡,即可得到某一特定含水率的岩石样品。这样制备的岩石样品满足化学热力学平衡的要求,其含水率内外一致,上下相同,是含水率均匀分布的合格样品。该方法还能制备其他方法无法实现的含水率相差甚微的岩石试件,也可直接应用于精确制备不同含水率的土样。