雨滴溅蚀下压实黄土变形破坏规律研究

针对工程建设中存在的裸露黄土路堤边坡水土流失现象,为进一步研究降雨条件下雨滴击溅对路堤边坡的破坏作用,本文通过室内模拟单雨滴溅蚀试验,观测试件表面溅蚀坑深度随时间的变化情况,分析不同地表压实度和雨滴击溅速率两种因素作用下压实黄土的溅蚀破坏规律。在此基础上,研究了压实度、含水率对黄土耐溅蚀性的影响,分析了降雨强度与土体溅蚀破坏的关系。结果表明:当溅蚀坑内存在薄层积水时,短历时降雨易使土体发生表层破坏;反之,容易产生二次溅蚀,二次溅蚀易造成黄土路堤边坡的深层破坏。     

基于粗糙神经网络的坡面雨滴溅蚀量研究

提出采用粗糙神经网络预测坡面雨滴溅蚀量。用粗糙集方法中条件属性与决策属性相对依赖的概念约简某雨滴溅蚀量试验中的冗余信息,去掉了坡度、雨强、水深、单宽流量4个试验指标中水深和单宽流量两个指标,建立了以坡度、雨强为输入,溅蚀量为输出的2−5−1的粗糙神经网络模型,简化了神经网络的结构,减少了网络的训练时间。实例计算中信息约简后预测值与试验值线性回归的相关系数大于未约简时的相关系数值,计算速度也有所提高。实例计算表明,粗糙神经网络为坡面雨滴溅蚀量预测研究提供了一种有效可行的算法。     

地面雨滴谱观测技术及特征研究进展

雨滴谱是反映降水微观物理过程和宏观动力结构的主要指标之一.通过分析雨色斑滴谱,可以深入了解降水的发展和演变过程,揭示降水机制.传统雨滴谱测量包括动力学法、滤纸色斑法、面粉团法、快速摄影法和浸润法等,但是普遍存在精度低、工作量大、实时性差、成本高及无法自动完成测量分类等缺点.以雨滴谱仪为代表的新型雨滴谱测量技术包括冲击雨滴谱仪、光学雨滴谱仪和声学雨滴谱仪以及雷达技术等克服了这些缺点,在降水粒子观测和降水物理研究中发挥了重要的作用.综合概述了描述雨滴谱的主要分布模型及其适用条件.归纳分析了不同降水云系(对流云、层状云和层积云降水)、不同降水类型(大陆云和海洋云降水)及不同高度处观测的降水的雨滴谱特征.从学科发展趋势和社会需求的角度,概述了有关雨滴谱研究中存在的主要问题和发展趋势.     

流域产沙模型的研究

由坡面泥沙颗粒的动力平衡条件,推导出坡面上细颗粒泥沙的起动切应力,由坡面径流的剩余输沙能力,导得坡面径流的侵蚀量计算公式,与文献[4]的雨滴溅蚀量计算公式一起,构成了概念清楚、过程明确、结构完整的流域产沙模型。产沙量取决于水流挟沙能力与可供沙量的对比关系,若水流挟沙能力小于供沙量,则产沙量等于水流挟沙能力;反之,水流将进一步冲刷表土,形成径流侵蚀,产沙量就等于供沙量与径流侵蚀量之和。据此,可计算出坡面和流域产沙量。模型在岔巴沟流域上应用,结果令人满意。     

青藏高原北麓河地区降水量观测与对比分析

根据2011年11月至2012年9月通过Thies激光雨滴谱仪、 T-200B雨雪量计和TE525翻斗式雨量筒获取的青藏高原北麓河地区降水量数据, 按3个时间段分别对3种仪器记录的降水量行了对比分析. 结果表明: 激光雨滴谱仪获取的固态降水量与经Jimmy校正公式修正后的T-200B降水量极为接近. 但在测量雨夹雪时, 激光雨滴谱仪对降水类型、 颗粒直径的误判造成了获取的降水量远高于T-200B雨量筒. 而3种仪器获取的液态降水量有很好的一致性. 但是, 当小时降雨量在2 mm以上时, 激光雨滴谱仪获取的降雨量比T-200B和TE525雨量筒小20%左右. 同时, 在风吹雪对激光雨滴谱仪的影响方面做了相关的分析研究, 初步认为风吹雪的颗粒直径主要集中在0.5 mm以下.     

新疆天山山区降雨的微物理结构特征

使用GBPP-100型雨滴谱仪,于2001年6月12日至7月31日在天山北坡的小渠子气象站和牧业气象试验站,对27次降雨过程进行了雨滴谱观测,共获取了4 719个雨滴谱样本。通过观测资料分析新疆中天山山区积状云、层状云、积状-层状混合云降雨的微物理结构特征。观测分析表明,天山山区降雨雨滴的平均直径0.41~0.55 mm,以积状云最大,混合云次之,层状云最小。最大平均直径0.88~1.12 mm、平均雨强1.18~2.78 mm·h^-1、平均含水量5.23~11.62 g·m^-3,混合云的这三个特征量均为最大。三类云的雨强与数密度呈正相关。积状云、层状云降雨的雨滴谱服从M-P分布,混合云服从Γ分布。由于山区地形的作用,使云中降雨粒子的生长时间受到限制,天山山区降雨小滴浓度高、尺度小,人工降雨潜力大。     

转炉炉衬溅渣层蚀损的工艺岩石学研究

转炉溅渣护炉技术对提高转炉炉龄成绩显著。如宝钢３００吨转炉炉龄已超过１４００１炉,武钢８０吨复吹转炉炉龄已达到１１０００炉以上,均为溅渣前的三四倍。该技术是将出钢后残留的钢渣经调整成分后,以高压氮气喷吹,使渣滴飞溅到炉衬上,形成涂敷于炉壁上的溅渣层以保护炉衬延长其寿命。本工作的目的是通过试验室试验,研究溅渣层蚀损机理,为企业开展和推广此项技术提供可靠的工艺参数。１　影响溅渣层抗蚀损能力的因素为了能经受冶炼过程中各个不同时期钢渣的熔蚀以保护炉衬,溅渣层必须具备一定的耐火性和强固性。研究认为,溅渣层…     

边坡离心模型试验中的降雨模拟研究

为了在离心机试验中模拟降雨引起的滑坡,设计和使用了一套降雨模拟系统。这套系统的构成主要是针对离心试验的特殊要求进行设计的。所采用的特殊技术可以均匀分配雨水,将雨滴的尺寸效益和科氏加速度引起的雨滴偏移最小化,实现了不同强度和历时的降雨模拟。通过一个降雨条件下砂土边坡的离心模型试验,成功应用了该套降雨模拟系统,研究了边坡中的降雨入渗过程。     

降雨冲刷对黄土公路边坡植物防护影响的试验研究

通过对裸露黄土公路边坡、厚层基材植草公路边坡、三维网植草公路边坡以及平台植树公路边坡的现场降雨冲刷试验,阐述了不同防护型式的公路黄土边坡在降雨条件下的坡面径流、含泥量以及坡面冲刷情况,得出了降雨对边坡坡面的侵蚀过程,首先是从雨滴直接打击土体开始,进而引起溅蚀,分散土粒,紧接着发生超渗径流造成坡面冲刷。以及对坡面破坏最大的是坡顶上方来水等重要结论。验证了坡面植物防护以及平台植树等防护方法可以有效降低降雨冲刷对坡面的侵蚀破坏,为黄土地区公路边坡植物防护的设计施工以提供了可靠的依据。     

植物固土护坡效应的研究现状及发展趋势

近年来由于自然环境变化和人类工程实践活动的影响,水土流失、滑坡等地质灾害发生的概率逐年提高,这些灾害的发生为当地人们的生产、生活带来了一定程度的危害。利用植物固土护坡方法可有效防治上述地质灾害的发生。植物固土护坡效应主要表现在水文效应和力学效应两方面。水文效应包括植物茎叶的降雨截留作用,植物茎叶削弱雨滴溅蚀作用,植物茎叶及其腐殖质抑制地表径流作用; 力学效应包括须状根系的加筋作用、主直根系的锚固作用和水平根系的牵拉作用等。本文着重探讨了植物护坡表现在水文效应和力学效应两方面的研究现状及其发展趋势。其中,在水文效应方面,对植物茎叶降雨截留及削弱溅蚀等进行了着重探讨; 对于力学效应着重探讨了根系增强土体抗剪强度理论模型、根-土相互作用、植物固土护坡力学效应数值模拟等。在上述基础上,指出了植物固土护坡效应发展趋势,即体现在水文效应方面,需开展大气-土体-植物水分迁移对边坡稳定性影响研究; 根-土复合体强度理论模型方面,进一步探讨Wu-Waldron-Model模型和Fiber-Bundle-Model模型所适用的工况条件; 数值模拟方面,需进一步探讨在建立计算模型时应系统考虑植物根型特征、根系强度等诸因素以及这些因素对计算结果的影响; 在工程实践方面,进一步开展植物护坡方法在边坡工程中的应用,探索植物护坡在不同地质、气候和区域环境条件下的应用与维护,使植物固土护坡效应体现出水文效应、力学效应、景观效应的有机结合。     

泥沙输移与坡面降雨和径流能量的关系

从导致土壤侵蚀的降雨和径流能量出发,提出了基于物理学原理的降雨能和径流能的概念,并采用人工模拟降雨实验,分析了泥沙输移与降雨和径流能的关系,结果显示:坡面薄层径流泥沙剥蚀量随着地表坡度、降雨能和径流能的增加而增加,雨滴击溅作用下泥沙剥蚀量远远大于无雨滴击溅作用时泥沙剥蚀量;薄层水流泥沙浓度随着坡度和降雨能的增加而增加,当坡度和降雨能一定时,泥沙浓度随着径流能的增加而减小;降雨扰动系数与降雨和径流能的比值按照对数关系增长,在相同坡度下,当降雨能一定时,降雨扰动系数随着径流能的增加而减小,当径流能一定时,降雨扰动系数随着降雨能的增加而增加。降雨能是导致泥沙剥离的本质,径流能是泥沙搬运的动力。     

粉质黏土堤防漫溢溃决试验

为研究粉质黏土堤防漫溢溃决破坏过程及其对水流要素和土体性质的响应规律,以河道流量、筑堤土体含水率和孔隙率为变量,在弯道水槽中开展了9组堤防漫溢溃决概化试验.通过试验发现,粉质黏土堤漫溢溃决溃口发展过程可分为垂向侵蚀和横向扩宽两个阶段,垂向侵蚀阶段以"陡坎"后退为主要形式;筑堤土体含水率与孔隙率不仅影响了溃口垂向侵蚀以及横向扩宽速度,而且决定了溃口最终形态,河道流量主要影响堤防溃口的横向扩宽速度;溃口处流速以及下游水位变化受溃口高度的制约.拟合得到土体黏聚力与土体含水率、孔隙率的相关关系式;通过试验数据提出了由土体黏聚力和水流参数表达的"陡坎"侵蚀后退速度计算公式,证明具有一定合理性.     

坡面土壤侵蚀公式的建立及其在流域产沙计算中的应用

分析了坡面土壤颗粒的受力情况,认为坡面土壤颗粒的运动与其所受的有效切应力有关,从而推导出坡面土壤侵蚀量计算公式,建立了流域产沙模型。公式的推导具有较强的泥沙运动力学基础,反映了影响流域产沙的主要因素。模型参数少,应用方便,既可计算一次洪水产沙量,又可计算年产沙量。在陕北裴家峁流域上应用,结果令人满意。     

原地生成宇宙成因核素测年技术思考(四):核素浓度年份化数列累加方法探讨

原地生成宇宙成因核素测年技术中,计算核素浓度的传统通用等式假设了地表侵蚀速率(参数ε)及样品的位置在暴露期间保持不变,从而简化了计算过程。然而这种假设可能并不符合复杂地质背景的实际情况,从而造成计算结果误差较大,与其他测年方法结果也难以相互比较和匹配。本文利用将核素总浓度按年份分解为每年生成的浓度,经衰变和侵蚀的综合影响后至今剩余的浓度(称为年份净剩余浓度),组成数列累加的办法,分别推导了地表样品在高程以及侵蚀速率变化情况下的核素浓度计算等式。在此基础上,给出了地表生成速率和侵蚀速率逐年变化情况下的通用浓度年份化累加等式。最后讨论了传统浓度计算等式中的参数ε(侵蚀速率)的地质意义,明确了ε是一个积分中值,并不代表暴露期间的算术平均侵蚀速率,而是每年的侵蚀速率以自然指数加权的复杂方式(即T年前的那一年的生成浓度将乘以e-(λ+ρεΛ)(T-1))影响到样品的最终浓度值。     

植被作用下土壤抗剪强度和径流侵蚀力的耦合效应

利用野外径流小区动态监测和人工模拟降雨试验,阐明了草被和灌木的减流减沙效应,从力学层面揭示了坡面侵蚀产沙的过程机理。结果表明,与裸地相比,野外坡面草地和灌木地径流量分别减少28.1%~56.5%和85.7%~100%、产沙量分别减少84.9%~90.7%和98.5%~100%;在人工模拟降雨强度下,草地和灌木地径流量分别减少51.9%~90.9%和61.7%~80.6%、产沙量分别减少93.6%~99.2%和95.5%~99.2%;植被具有明显的增强土壤抗剪强度的作用,不同植被坡面抗剪强度与剪切面上的法向压力成正比,且符合库仑定律;不同下垫面条件下土壤黏聚力与坡面径流量和侵蚀产沙量呈显著的负相关关系,随着黏聚力的增大,径流量和侵蚀产沙量呈下降趋势;草地和灌木地坡面侵蚀临界径流切应力分别为裸地的2.64~3.16倍和2.44~3.18倍,建立了不同被覆坡面临界径流切应力与土壤抗剪强度和黏聚力的关系。研究结果对定量评价植被减蚀作用和深化土壤侵蚀力学过程有一定的参考意义。     

The scaling law in the hole erosion test with a constant pressure drop

A process called ‘piping’, which often occurs in the soil at dams, levees, and dykes, involves the formation and development of a continuous tunnel between upstream and downstream ends. The hole erosion test is commonly used to quantify the critical stress and the rate of piping erosion progression. The aim of this study is to draw up a model for interpreting the results of this test. A characteristic internal erosion time is defined and expressed as a function of the initial hydraulic gradient and the coefficient of surface erosion. It is established here that the product of the coefficient of erosion and the flow velocity is a significant dimensionless number: when this number is small, the kinetics of erosion are low, and the particle concentration does not have any effect on the flow. This finding applies to most of the available test results. Theoretical and experimental evidence is presented showing that the evolution of the pipe radius during erosion with a constant pressure drop obeys a scaling exponential law. Copyright © 2008 John Wiley & Sons, Ltd.     

土压平衡盾构施工的顶进推力模型试验研究

在盾构的掘削过程中,千斤顶顶进推力是一个重要的施工参数,它不仅决定着施工速度,而且还影响着刀盘的切削扭矩、转动速度等其他参量。但是,目前对千斤顶顶进推力的变化规律,尤其是土体与盾壳之间摩擦阻力的研究还不够深入。以上海地区粉砂地层为参照原型,借助于模型试验方法,通过对盾构机工作参数和地层特性参数进行不同的组合试验,研究了土压平衡盾构推进过程中顶进推力变化的规律,以及土体与盾壳之间摩擦作用的机理及其影响因素。在此基础上推导了盾构千斤顶顶进推力的计算公式。     

黄土陡坡降雨冲刷试验及其三维颗粒流流-固耦合模拟

针对坡角为70°的黄土边坡,进行2.7 mm/min降雨强度下的室内坡面冲刷试验。根据边坡冲刷破坏的过程特征,将边坡侵蚀方式演变过程归纳为试验初期的片蚀、中期的细沟侵蚀、到后期的切沟侵蚀和坍塌。试验中坡顶处侵蚀强度大于其他部位,当坡面形成上下贯通的切沟之后,水流开始掏蚀沟槽底部土体,随着冲刷的持续,切沟两侧土体强度降低,坡顶土体发生坍塌。以此为基础利用三维颗粒流软件PFC3D对边坡降雨冲刷过程进行流-固耦合模拟,在模拟颗粒大变形的同时得到颗粒运动轨迹、孔隙率、流体单元内流速等重要参数,这些参数的定量变化过程反映了降雨过程中边坡遭受侵蚀程度及水流侵蚀能力的分布规律:坡顶处侵蚀最为强烈、水流侵蚀能力最强,且两者随高度降低呈减小趋势,与室内试验结果一致。