封闭气泡对一维积水入渗影响的试验研究

非饱和土体中的部分气体极容易在入渗过程中被封闭在孔隙或裂隙中,形成互不连通的与外界隔绝的封闭气泡。封闭气泡的存在阻碍了水相的流动,使土体的渗透性能降低,从而对土体的入渗速率产生不可忽视的影响。在分析前人研究成果的基础上,结合室内一维积水入渗试验结果,初步探讨了封闭气泡的形成原因,及其对土体入渗性能的影响机制,对研究非饱和土中水气二相流规律有重要指导意义。试验结果表明：积水入渗时,土体中存在封闭气泡,封闭气泡的含量与土性、干密度和初始含水率等有关。干密度越大,封闭气泡占据孔隙空间越大,阻渗作用越明显,干密度相同时,黏性土中封闭气泡对入渗的阻碍作用较砂性土明显;初始含水率较小时,封闭气泡含量相对较大。由于封闭气泡的存在,入渗稳定时的传输区土体含水率只有土样饱和含水率的80 %左右。     

基于数值模拟的湿润锋前进法测量精度分析

非饱和土的渗透系数函数测量难度大、耗时长,湿润锋前法(WFM)可在短时间内测得渗透系数函数(HF),但依赖肉眼识别的湿润锋,存在一定的局限性,且该方法的测量精度尚不明确,有待验证。文中针对湿润锋前进法进行研究,探讨初始含水率、湿润锋阀值、降雨入渗速率、传感器位置等因素对湿润锋前进法的测量精度的影响。采用Seep/W软件模拟均质土柱的入渗过程,分析湿润锋前进法数据,计算土体的渗透系数,将其和输入的渗透系数（可认为是真实解）进行比较,对湿润锋前进法的计算精度进行评估,并讨论误差的来源。分析结果表明,湿润锋前进法能够获得比较精确的计算结果;使用湿润锋特征含水率计算湿润锋前进速率,突破了原始湿润锋前进法存在“肉眼观察”的局限性,大大拓展了该方法的适用性;传感器间距对湿润锋前进法渗透系数函数计算精度没有直接影响;初始含水率越低,降雨入渗速率越大,渗透系数函数范围跨度越大。基于文中的分析结果,对湿润锋前进法的试验设计时,建议采用30～50 cm的土柱进行试验,传感器的数量建议为3～4,可以采用任意初始含水率进行试验接近干燥更好,为避免表面积水,建议降雨强度小于饱和渗透系数。     

降雨条件下土坡饱和-非饱和渗流分析

分析了降雨入渗的过程,提出了降雨概念模型:讨论了如何用饱和-非饱和渗流数值方法分析边坡在不同雨型下的渗流场;分析结果表明:雨水入渗过程受初始渗流场影响很大,初始含水量的大小影响湿润锋的推进。暴雨情形下,雨水入渗缓慢,浅部土体保持一定吸力,雨停后渗流场仍有较大变化。     

土坡降雨入渗影响因子模拟实验

综合模拟实验土坡降雨入渗的各种常见影响因子,实验结果表明:土质对降雨入渗能力的影响明显,土中粘粒含量越高,颗粒越细微,粒间孔隙越小,吸、保水性能越强,开始入渗速度较快,在一定时间后入渗趋于平缓,浸润线前锋位置与雨水之间存在滞后现象;土体结构都对土体入渗能力产生较大影响,随着土体密实程度的增加,土体水力传导度减小,其水分入渗能力明显降低,开始入渗速度较快,在30min过后入渗趋于平缓;在临界含水量内,渗透系数与饱和度成反比;在正常温度范围内,对渗透影响不明显;坡度与累积入渗深度基本呈凸形曲线关系;随着植被覆盖度增加,累积入渗量成直线增加。     

强降雨条件下气压对滑坡延时效应研究

在强降雨入渗条件下,浅层边坡土体中的气体可能被封闭,孔隙气压力在封闭条件下随着雨水的入渗不断增加。结合湿润峰面受力分析对封闭气体压力的物理意义进行了说明,通过考虑简化的气阻入渗模型,对比经典的Green-Ampt入渗模型,研究了气压对入渗率和下移的湿润峰的影响。应用该入渗模型,对下部为基岩的大面积浅层边坡雨水入渗过程以及边坡稳定性进行分析。研究表明,封闭气压显著降低了边坡体内雨水的入渗率,对安全系数的降低具有明显的延时性,这进一步揭示了部分地区雨后滑坡频繁发生的重要原因。因此,考虑封闭气压对大面积边坡降雨安全预报具有重要意义     

前期土壤含水量对红壤坡面产流产沙特性的影响

利用田间人工模拟降雨试验,研究了前期土壤含水量对两种红壤坡面降雨入渗、产流和产沙特性的影响.结果表明:前期含水量越高,两种土壤都是产流越快,达到稳定径流和入渗的时间越短.低含水量区(干态和稍干),两种土壤的径流系数和入渗率都与降雨时间呈线性关系,并在60 min内达不到稳定.高含水量区(稍湿和湿态),两种土壤的径流系数、入渗率及产沙速率与降雨时间关系都符合Boltzmann(玻耳兹曼)方程;第四纪红粘土发育的红壤稍干态和红砂岩发育的红壤干态下的产沙速率在整个降雨过程中变化不明显,并都维持在较低水平;第四纪红粘土发育的红壤干态和红砂岩发育的红壤稍干态下的产沙速率随着模拟降雨的进行而大致以线性关系增大.土壤前期含水量越高,两种土壤坡地累tk积入渗量都越小,雨水转化为土壤水分的比率亦越小.     

降雨入渗影响下边坡中的非饱和渗流特性

为了分析降雨入渗影响下非饱和土坡渗流特性,利用自制降雨模拟系统和实时监测系统,对降雨诱发非饱和土坡失稳过程进行全方位、多参量的实时监测,研究不同降雨条件下,不同坡度、不同压实度边坡坡体不同位置雨水入渗率和湿润峰的实变规律.结果表明:降雨入渗条件下,陡坡和高压实度土体不利于雨水入渗,而缓坡和低密实度土体入渗率变化快;实际土体吸力和含水量实时变化规律不同步,提出试验湿润峰概念,含水率（吸力）湿润峰点可按含水率（吸力）实时曲线的过渡区和雨后残余含水率（吸力）的线性交叉点确定;考虑单向吸湿或脱湿路径下土体含水率和吸力具有唯一对应关系,含水率湿润峰点与吸力湿润峰点的绝对值时差即为形成湿润峰所需时间;对比湿润峰实测值与Lumb半经验值散点分布规律,基于Lumb湿润峰深度计算公式提出非线性修正表达式.      

非饱和土降雨诱发塌陷成因探讨

有些土体塌陷由降雨诱发，特别是久旱无雨后突降暴雨，有时会导致岩溶塌陷成群出现。同样，在干旱季节农田灌溉也会导致塌陷大量出现，可见塌陷的产生与土壤的干湿状态密切相关。自然土层接近地表部位为非饱和的包气带，以下才是饱水带，大气降雨及农田灌溉水入渗地下要有一个由非饱和带向饱水带运动的过程。由于土体为固气液和收缩膜四相体系，在地表水入渗地下的过程中，入渗的水峰会对土体结构中的气体产生驱动作用，对固体骨架也会产生动力作用。本文采用非饱和土力学的基本原理，对于非饱和土中吸力和水压传递机理以及降雨诱发塌陷进行了分析，并按提出的成因机制对暴雨诱发塌陷实例进行了分析。     

三峡库区降雨型滑坡入渗特征及变形机制——基于一维和二维模型试验研究

强降雨诱发古滑坡的浅层变形是三峡库区最为严重的地质灾害,因此,探索暴雨作用下滑坡土体的入渗规律及其浅层变形机制具有重要的研究意义。以三峡库区的降雨型滑坡为研究对象,统计了降雨型滑坡土体的渗透特性分布特征,考虑强降雨作用,分别开展一维土柱入渗试验和二维滑坡模型试验,研究了不同降雨强度条件下滑坡土体的入渗特征以及对应的滑坡浅层变形机制。降雨入渗试验结果表明：降雨入渗土体的速度取决于降雨强度与土体渗透系数的相对大小,当降雨强度小于或等于土体渗透系数时,入渗能力随降雨强度增大而增大。当降雨强度大于土体渗透系数时,入渗能力反而随之减小。模型试验结果表明：强降雨入渗时,会造成地表土体暂态饱和,表层土体以下非饱和区内的气体被暂态封闭并受到表层孔隙水压力作用而压缩,导致孔隙气压力随降雨入渗迅速增大。对于三峡库区的降雨型滑坡,短时的暴雨会产生瞬态饱和区。封闭气体,这也是影响强降雨入渗能力的主要原因;同时封闭气体传递水压使得浅层土体的孔隙水压力骤增,这也是许多滑坡发生浅层变形和破坏的主要原因。     

基于分层假设的Green-Ampt模型改进

传统Green-Ampt入渗模型由于假设过于简化而限制了计算精度,针对这一问题,在分层假设的基础上对模型进行了改进:将均质入渗土壤分为饱和层、过渡层和干土层,采用Richards模型分析了不同入渗条件下各层的厚度以及各层内含水率和导水率的变化规律,结果表明,入渗条件一定时,过渡层占湿润层(包括饱和层和过渡层)比例会随湿润层厚度的增加线性减小,积水深度和土壤初始含水率分别会影响这一线性关系的纵轴截距和斜率,而土壤饱和导水率则对其没有明显影响;过渡层内土壤含水率分布为椭圆形曲线,而导水率随深度增加线性减小。在此基础上,通过引入湿润层的等效导水率并相应给出锋面吸力的计算方法,对传统Green-Ampt模型进行了改进。结果显示,改进后模型计算精度显著提高。     

含砾石土壤降雨入渗过程模拟

在室内模拟降雨试验的基础上,利用多重相互作用连续体(MINC)组件,对含砾石土壤降雨入渗过程进行了数值模拟,以期深入理解含砾石土壤中的水土过程.研究结果表明,土壤中砾石的存在能够导致土壤水分饱和度增加,使得土壤总入渗量以及降雨入渗深度降低.含砾石土壤中存在一个陡的湿润锋面,在湿润锋面上土壤水分饱和度急剧下降.MINC组件可以很好地模拟含砾石土壤降雨入渗过程,其对含砾石土壤湿润锋和土壤含水率变化的模拟值与实测值吻合较好.降雨期间土壤水分饱和度沿土壤剖面的变化可用来解释含砾石土壤降雨入渗深度降低的原因.     

基于Green-Ampt模型的多层结构边坡降雨入渗改进计算方法及稳定性影响研究

降雨作用下,边坡土体的饱和度及含水率升高,基质吸力减小。随着降雨历时的增长,雨水入渗深度对坡体的稳定性产生影响。然而传统多层结构边坡的入渗计算方法并未考虑随入渗深度不断变化的基质吸力与层间积水点的形成,且忽略饱和层内沿坡体层面流动的部分雨水对入渗过程的影响,亦未考虑潜在滑动面位置随降雨历时的变化。将入渗过程分解为若干个子过程,并基于Green-Ampt（G-A）入渗模型对传统多层结构边坡的入渗计算方法进行改进,以对每个子过程进行求解,最后将其合并为整体入渗过程的解。在此基础上对层间积水点的形成时刻进行计算,进而分析雨水入渗深度与时间的关系,并研究降雨强度与雨水入渗深度对边坡不同位置处（湿润锋、饱和层）稳定系数和滑动面位置的影响。研究表明:（1）基于G-A模型的改进计算方法所得结果比传统多层结构边坡入渗计算方法所得结果更接近于数值模拟结果。（2）对于多层结构土质边坡,其安全系数随着雨水入渗深度的增加不断降低,并且在层间积水点形成时产生突变现象。（3）随着降雨历时和降雨强度的增大,边坡中潜在滑动面位置会产生变化,前期潜在滑动面位置出现在湿润锋处,后期则出现在饱和层交界面处。该方法提高了多层结构边坡传统降雨入渗计算方法的精度,更加全面的对多层结构边坡的稳定性进行评价,其工程应用范围亦得到进一步扩大     

An analytical solution for rainfall infiltration into an unsaturated infinite slope and its application to slope stability analysis

Surficial slope failures in residual soils are common in tropical and subtropical regions as a result of rainfall infiltration. This study develops an analytical solution for simulating rainfall infiltration into an infinite unsaturated soil slope. The analytical solution is based on the general partial differential equation for water flow through unsaturated soils. It can accept soil–water characteristic curve and unsaturated permeability function of the exponential form into account. Numerical simulations are conducted to verify the assumptions of the analytical solution and demonstrate that the proposed analytical solution is acceptable for the coarse soils with low air entry values. The pore‐water pressure (pwp) distributions obtained from the analytical solution can be incorporated into a limit equilibrium method to do infinite slope stability analysis for a rain‐induced shallow slip. The analysis method takes into account the influence of the water content change on unit weight and hence on factor of safety. A series of analytical parametric analyses have been performed using the developed model. The analyses indicate that when the residual soil slope, consisting of a completely decomposed granite layer underlain by a less permeable layer, is subjected to a continuous heavy rainfall, the loss of negative pwp and the reduction in factor of safety were found to be most significant for the shallow soil layer and during the first 12 h. The antecedent and subsequent rainfall intensity, depth of a less permeable layer and slope angle all have a significant influence on the pwp response and hence the slope stability. Copyright © 2012 John Wiley & Sons, Ltd.     

Analytical solution to 1D coupled water infiltration and deformation in two‐layer unsaturated soils

An analytical solution to 1D coupled water infiltration and deformation in layered soils is derived using a Laplace transformation. Coupling between seepage and deformation, and initial conditions defined by arbitrary continuous pore‐water pressure distributions are considered. The analytical solutions describe the transient pore‐water pressure distributions during 1D, vertical infiltration toward the water table through two‐layer unsaturated soils. The nonlinear coupled formulations are first linearized and transformed into a form that is solvable using a Laplace transformation. The solutions provide a reliable means of comparing the accuracy of various numerical methods. Parameters considered in the coupled analysis include the saturated permeability (k_s), desaturation coefficient (α), and saturated volumetric water content (θ_s) of each soil layer, and antecedent and subsequent rainfall infiltration rates. The analytical solution demonstrates that the coupling of seepage and deformation plays an important role in water infiltration in layered unsaturated soils. A smaller value of α or a smaller absolute value of the elastic modulus of the soil with respect to a change in soil suction (H) for layered unsaturated soils means more marked coupling effect. A smaller absolute value of H of the upper layer soil also tends to cause more marked coupling effect. A large difference between the saturated coefficients of permeability for the top and bottom soil layers leads to reduced rainfall infiltration into the deep soil layer. The initial conditions also play a significant role in the pore‐water pressure redistribution and coupling effect. Copyright © 2011 John Wiley & Sons, Ltd.     

关于“内在水”补给土壤水的假设与初证

本文提出了关于土壤水产生的新假设——“内在水出渗补给说”,即认为土壤水不仅来源于当地大气降水和地表水的入渗,而且还可能来源于“内在水”的“出渗”;同时指出了土壤水在热动力驱动下,随季节温度变化的特征,并通过分析现有的实测资料,初步验证了提出假设的可信性。在结论与展望部分,论述了如果内在水出渗说成立将会具有的重大理论和实际意义,并提出深化研究的必要性和主要研究内容。     

The role of anomalous soil moisture on the inland reintensification of Tropical Storm Erin (2007)

Prior research on tropical storm systems that have made landfall and undergone a period of sustainability or reintensification has been linked to the synoptic environment at the time the storm restrengthened. Tropical Storm (TS) Erin is an interesting case study in that it did not take on hurricane-like structure nor reach hurricane intensity until it moved through west-central Oklahoma on August 19, 2007. This study seeks to examine the possible impact of anomalously wet soils across much of Oklahoma on the reintensification of TS Erin during the early morning hours of August 19, 2007. To determine the degree to which the antecedent soil state impacted TS Erin??s inland evolution and reintensification, analyses of the synoptic environment and the mesoscale environment/boundary layer environment are undertaken using operational and research datasets such as upper air soundings, surface soil moisture and temperature data, and multiple products from the Storm Prediction Center (SPC) mesoanalysis archive. This observational assessment is complemented with numerical experiments using the Weather Research and Forecast Model, Advanced Research Version 3.2 (WRF-ARW) to further study the role of soil moisture availability and surface fluxes that may have led to the boundary layer feedback and inland reintensification. Observational analysis and model results indicate that anomalously wet conditions over the central Oklahoma region may have helped develop a regional boundary layer feedback that appears to have contributed to the inland reintensification of TS Erin. Thus, the anomalously wet land surface had a positive role in TS Erin reintensifying over Oklahoma during the early morning hours of August 19, 2007.     

深厚黄土地基浸水湿陷变形及竖向土压力作用分析

黄土地基浸水后的湿陷变形对黄土地区的工程建设具有重大影响,但以往研究对深厚黄土地基土浸水过程的湿陷特性及其土压力变化规律研究不够充分。以中兰铁路兰州新区南站某场地为例,开展现场浸水试验,对深厚湿陷性黄土场地的地表位移及地基深层湿陷变形进行监测,同时埋设土压力盒,对浸水湿陷过程中地基土的竖向土压力的变化规律进行分析。研究...     

低温水入渗条件下土壤水分温度动态变化

自制土槽试验装置,室内模拟低温水在河岸带土壤中非饱和入渗的过程。以填装中细砂为研究对象,进行了3种不同水头下的低温水入渗试验,对低温水在土壤中的入渗过程和水分、温度时空动态作了连续监测,分析了水头对入渗参数、水分场与温度场的影响规律。试验结果表明:在相同时间内,入渗水头越高,湿润锋垂直(水平)运移距离越大,垂直湿润锋的运移速度随入渗时间的增加有逐渐减少的趋势,最后逐渐趋于稳定;水头5 cm作用时入渗率波动较大,稳定时间大于水头25 cm和45 cm作用时土壤达到稳定入渗率所需的时间;入渗水头越高,平均温度下降越快,温度场也更快地达到相对稳态,水头25 cm在低温水入渗420 min后基本上达到稳态,水头45 cm在240 min后基本达到稳态。     

土壤包气带中气体对入渗水流运动影响的实验研究

利用专门的实验系统,研究了降雨入渗过程中土壤包气中气压势形成、发展和消亡的规律及其对下渗水流运动的影响。结合成因分析,探讨了气压势形成的条件;审视和解释了气压势与土壤水总势能和地下水位的相互关系。实验结果表明,在地下水位埋深较浅的条件下(<2m),积水入渗时所形成的气压势将使下渗量减少1/3。