考虑非饱和浸润层厚度和累积入渗量的改进Green-Ampt模型

矿山内排土场因其储量大、结构松散和强度低等特点,在降雨条件下极易产生侵蚀或整体失稳破坏,因此降雨入渗分析对预测内排土场稳定性至关重要。以元宝山露天煤矿内排土场为原型,按相似试验理论进行物理模型试验,研究降雨入渗特征,根据试验结果对经典Green-Ampt入渗模型进行改进。结果表明:雨水入渗过程中,随着浸润锋的向下运移,坡面侵蚀由溅蚀凹槽开始,逐渐过渡为径流侵蚀,最后呈现为溯源侵蚀破坏,整体呈现平行于坡表面的浅层滑坡特征;浸润锋之上非饱和浸润层的存在,导致经典Green-Ampt模型计算结果不准确;在考虑浸润层厚度和累积入渗量基础上,推导出改进的Green-Ampt模型;改进后的Green-Ampt模型为分段函数,能够反映降雨入渗使坡面由非饱和向饱和过渡的实际特征。验证结果显示,使用改进模型,浸润锋入渗深度和累积入渗量的预测精度显著提升,虽然冲蚀破坏和初始含水率的差异导致降雨入渗后期的预测精度有所下降,但相关结果对煤矿内排土场降雨初期稳定性分析具有重要意义。改进后的Green-Ampt模型的计算结果与实测数据更为接近,能为分析露天煤矿内排土场降雨入渗规律及边坡稳定性研究提供参考。     

求取现场黄土饱和渗透系数的双环入渗法

土体渗透性参数的测定是解决与水有关的岩土工程问题的关键所在。为使现场原状土体饱和渗透系数的测定更为准确,通过一种易于安装和固定的防蒸发型双环入渗仪,研究黄土的入渗规律与特点,试验结果表明:黄土的入渗分区可分为饱和区、湿润区与干土区,其中饱和区的入渗深度约占总入渗深度的1/2,而湿润区土体的饱和度在70%以上,这一特征与Green-Ampt入渗模型的假设较为接近,但在应用基于Green-Ampt模型的规范法（SL237-042-1999）求取黄土的饱和渗透系数时,发现该法会高估黄土的饱和渗透系数。因此,结合Green-Ampt入渗模型与土水特征曲线主要增湿路径的特点,提出了能合理测定现场黄土饱和渗透系数的双环入渗法,对Green-Ampt入渗模型参数加以修正,即直接采用干土区的初始基质吸力水头值,且该值由张力计实测或由主要增湿曲线求得;需采用入渗试验前期的平均入渗率;所对应的湿润锋发展深度需经由水分传感器实测而得。研究结果表明该法能合理估算现场黄土的饱和渗透系数。     

基于Green-Ampt模型的饱和-非饱和黄土入渗改进模型及其参数研究

黄土中水分入渗理论分析对预测土体附加变形及强度弱化十分重要,但现有针对均质地基的Green-Ampt入渗分析模型运用于黄土区还有较多不足。基于黄土入渗饱和-非饱和分层假定,考虑入渗过程中土体实际渗透系数随深度的变化,对Green-Ampt模型进行修正,并用实例进行了验证;通过测量累积入渗量和含水率的时变规律,并结合Philip模型与Green-Ampt模型的相关关系及实际渗透系数随时间的变化关系获取模型参数。结果表明,相比于WGAM和Kostiakov模型,修正模型在黄土区的应用效果更好。在修正模型基础上,分析了饱和渗透系数、饱和含水率、初始含水率以及基质吸力对水分入渗深度的影响规律,并对参数的敏感指数进行了分析与对比。发现土体初始和饱和含水率变化对模型计算结果产生较大影响。该模型的建立对黄土地区水分入渗规律相关研究有一定的积极作用。     

适用于斜坡降雨入渗分析的修正Green-Ampt模型

降雨入渗分析是预测降雨诱发滑坡的关键因素之一。Green-Ampt模型原理简单、使用方便,在浅层滑坡的降雨入渗分析中有很大的应用潜力,但该方法主要适用于初始含水率为均匀分布的情况。基于这一不足,推导了初始含水率为非均匀分布条件下降雨入渗深度和时间的关系,并给出了基于Runge-Kutta原理的数值解法。当初始含水率为均匀分布时,提出的方法可简化为文献中已有的Green-Ampt模型。当初始含水率为非均匀分布时, Richards方程预测所得的孔隙水压力分布图中土体饱和区和未受降雨影响的非饱和区之间存在一个较窄的过渡段,由新模型计算所得的湿润锋穿过这一过渡段,且靠近饱和部区的底部。总体而言,新方法计算所得的孔隙水压力分布与Richards方程求解结果类似。     

泄洪雾化降雨作用下裂隙岩体边坡渗流稳定分析

某水电站溢洪道泄洪雾化降雨边坡问题严重,为研究其稳定性,对溢洪道左侧边坡典型剖面建立考虑雾雨入渗的裂隙岩体饱和非饱渗流数学模型,以有限元为模拟手段研究降雨入渗机理以及饱和非饱和渗流特性,在此基础上用非饱和点安全系数法评价有地表入渗的岩质边坡稳定性。分析表明：雾雨会降低岩体抗剪强度,造成地下水位的缓慢升高,非饱和区会形成暂态饱和区,这是边坡失稳的重要控制因素。渗流及稳定性研究成果可为雾化区边坡渗控设计提供参考。     

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。     

Green-Ampt模型渗透系数取值方法研究

格林-安姆普特（Green-Ampt）模型原理简单、使用方便,在浅层滑坡的降雨入渗分析中有很大的应用潜力。渗透系数是Green-Ampt模型中的一个主要参数,该渗透系数并不一定等于土体的饱和渗透系数。通过与理查茲（Richards）方程求解进行比较,研究了Green-Ampt模型中渗透系数的取值方法。研究发现,为获得与Richards方程相同的入渗量计算结果,需对饱和渗透系数进行修正,该修正系数的大小与入渗深度和土体类型有关。对于文中研究的土体,当Green-Ampt模型中渗透系数取为0.7倍饱和渗透系数时,由Green-Ampt模型计算的孔隙水压力分布与Richards方程计算结果最为接近,建议Green-Ampt模型中渗透系数修正系数取0.7。     

应用连续混合器模型模拟非饱和土壤盐分淋洗过程

尽管连续混合器模型已经广泛应用于土壤中溶质迁移转化规律计算,但却仅限于饱和土壤条件。通过采用Kostiakov公式描述非稳定入渗过程,并结合活塞假设计算入渗过程中土壤水分的运动和分布规律,将连续混合器模型扩展应用于非饱和土壤的盐分淋洗过程计算,并求出了模型的解析解。分析发现,在一定的土壤质地、初始含水率剖面和初始含盐量剖面下,模型的计算结果会受到土层划分厚度的影响,而合理的土层厚度又与饱和导水率和溶质弥散系数之间存在量纲一的函数关系。当土层厚度选取合理时,连续混合器模型与HYDRUS-1D的计算结果十分接近,采用该模型模拟试验土壤盐分淋洗过程,显示了较好的计算精度。     

非饱和黄土土-水特征曲线与渗透系数Childs & Collis-Geroge模型预测

我国黄土厚度大,黄土地区地下水位深,降雨量少,黄土多处于非饱和状态,土-水特征曲线是非饱和黄土应力状态、强度及渗透性研究的基础。以陇东高原马兰黄土为试验对象,采用张力计法测定原状土样的土-水特征曲线,采用三种理论模型对试验数据拟合,其中Gardner模型简单、参数少,但Fredlund & Xing模型拟合效果最好。基于已测得的土-水特征曲线,采用Childs & Collis-Geroge预测非饱和渗透系数的模型,计算得到非饱和黄土渗透系数与基质吸力或含水率的关系,发现黄土从饱和到非饱和,其渗透系数急剧降低,黄土非饱和渗透系数与基质吸力或体积含水率的关系均可用指数函数表示。本文对典型黄土土-水特征曲线的研究及渗透性的预测为黄土工程问题,如降雨入渗的边坡稳定性评价、非饱和地基湿陷变形计算等提供理论基础。     

岩体离散裂隙网络的非饱和渗流数值分析

针对裂隙岩体的非饱和渗流问题,基于离散裂隙网络模型并结合非饱和Darcy定律、Richards方程、非饱和本构模型以及Signorini型饱和-非饱和互补溢出边界,提出了离散裂隙网络非饱和渗流问题的数学模型。采用有限单元法建立了裂隙网络非饱和渗流模型的数值求解格式和对应的迭代算法。通过与矩形坝稳定渗流、一维竖直裂隙非饱和入渗以及室内二维瞬态排水渗流的试验、数值及理论结果对比分析,验证了文中算法的有效性;根据流量等效原则,指出了裂隙网络模型应用于求解连续介质非饱和渗流问题的有效性。验证了该算法对于求解裂隙边坡降雨入渗问题的可靠性,揭示了降雨入渗过程裂隙网络流量分布的非均匀性及裂隙产状对降雨入渗流动具有重要的控制作用。     

一种用于突发性场地污染模拟的解析模型

为了及时有效地应对各种突发性环境污染事故,有必要开发一种简单实用、适于各类型污染物的场地污染数学模型。通过污染事故发生后污染物在包气带、饱和带迁移转化的概化,建立了污染物运移的自由入渗模型以及降雨入渗模型并给出各自相应的解析解。无降雨时,考虑污染物在重力作用下随包气带向下渗透的作用,建立一维垂直入渗模型。有降雨时,考虑污染场地（包气带）中污染物迁移和转化的对流作用、扩散作用及挥发、生物降解、吸附、根系吸收等作用,建立包气带剖面二维溶质运移模型和饱和带平面二维溶质运移数学模型。建模过程中,假定降雨量的平均分布及土壤质地、水力参数以及有机物成分、种类均相同,同时假定污染物与多孔介质间的作用为线性吸附,植物根系对污染物的吸附遵循一级动力学。基于模型的解析解,实现案例的模拟计算。模拟结果表明：该模型具有适用范围广、模拟高效快捷等优点,能够较准确预测污染发生后污染物在土壤中的动向、到达饱和带的时间以及饱和带中污染物的迁移情况。     

降雨条件下浅层滑坡稳定性探讨

降雨条件下浅层滑坡是一种常见、多发的地质灾害现象,为了解边坡稳定性随降雨入渗过程的变化情况,以Green-Ampt入渗模型为基础,并考虑了动水压力的作用,建立了降雨入渗条件下浅层滑坡的概念模型,分别推导了降雨前有、无地下水位条件下的边坡安全系数与降雨时间的关系表达式。从分析结果中可以看出,对于这两种情况下边坡稳定性发生突变的主要原因归结于：前者为在湿润锋与地下水位面接触的短时间内,滑带处的孔隙水压力迅速增高;后者为滑带在浸水饱和情况下,岩土体的强度迅速降低。在此基础上,根据降雨过程中边坡是否达到饱和,提出边坡饱和临界时间的概念,考虑了初始降雨强度小于土壤入渗能力的情况。这个时间可以作为一个参数指标用于浅层滑坡的预警。     

降雨诱发浅层滑坡稳定性的计算模型研究

我国是一个滑坡灾害频发的国家,众多事实表明：降雨是影响边坡稳定性,导致边坡失稳的最主要和最普遍的环境因素,是浅层滑坡的触发因素。为了更好地对降雨诱发浅层滑坡进行研究,采用非饱和土VG模型与改进的Green-Ampt入渗模型对Mein-Larson降雨入渗模型进行改进,并结合无限边坡提出了一个降雨诱发浅层滑坡的简化计算模型。与以往提出的简化计算模型相比,该模型既考虑了坡面倾斜的影响,又考虑了非饱和土的特性,并可用于两种降雨形式下的边坡浅层稳定性估算,具有更广的应用范围。通过与有限元得到的结果进行比较可得：在不同降雨条件下,该计算模型得到的各项结果与数值解是接近的,安全系数计算结果是偏于安全的,因此,可将该计算模型用于降雨诱发浅层滑坡的近似估算;该计算模型公式简单,便于计算,计算效率较高。     

探讨变雨强条件下的入渗过程及影响因素

以积水条件下Green-Ampt入渗模型为基础,拓展其在变雨强中入渗率和累积入渗量计算形式。结合上述理论基础,选用饱和-非饱和土壤水、热和溶质运移模拟软件Hydrus-1D,探讨了常降雨与变雨强的入渗差异和饱和导水率、土壤类型对变雨强入渗过程的影响。研究表明：相对于常降雨,变雨强更利于雨水入渗,累积入渗量显著增加;其他水力参数不变,饱和导水率越大,入渗率与变雨强随时间变化曲线重合率越高,雨强控制时间越长,累积入渗量相应也越大;其他水力参数作用效果不容忽视,其影响作用可与饱和导水率达到相似效果。正确了解变雨强下入渗过程及影响因素,有助于准确地把握实际降雨入渗情况,对指导水力工程有重要的实际意义。     

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.