非饱和土体降雨入渗的全过程数值模拟

采用Crank-Nicolson型差分格式建立了非饱和土降雨入渗的精细化数值模型,此模型对时间和空间均具有二阶精度。每个时间步长的计算采用迭代过程来提高计算精度,利用此计算模型对某一具体的降雨过程中土体含水量的变化进行了数值模拟计算。     

鄂西恩施地区非饱和土降雨入渗规律

在分析鄂西恩施地区降雨特征的基础上,选取6组典型降雨条件,设计并进行了室内人工降雨土柱非饱和入渗试验。通过实测土体体积含水率,揭示了鄂西恩施地区非饱和土降雨入渗规律,获得了降雨入渗影响区体积含水率变化规律、入渗前锋运移规律以及降雨强度和历时对入渗的影响规律。通过GeoStudio软件对室内降雨试验进行了数值模拟,数值模拟结果与试验结果基本相同,进一步验证了降雨入渗规律。同时依据实测结果,分析了数值模拟的不足之处,为通过数值模拟方法研究非饱和土降雨入渗奠定了基础。     

考虑裂隙非饱和膨胀土边坡入渗模型与数值模拟

包含裂隙的非饱和膨胀土中的渗流具有随时间变化的特性。采用常规试验测定非饱和膨胀土膨胀时程曲线,定量地描述了膨胀土中裂隙在入渗过程中逐渐愈合的特征, 建立了考虑裂隙的非饱和膨胀土边坡入渗的数学模型;用有限元数值模拟方法分析了边坡地形、裂隙位置、裂隙开展深度及裂隙渗透特性等对边坡降雨入渗的影响。结果表明, 坡上位置的裂隙对边坡入渗影响较大;裂隙对边坡入渗的影响随裂隙深度的增大而增大,且存在一最大的影响程度;裂隙的存在加快了膨胀土的入渗速率;考虑裂隙随入渗而愈合时, 入渗达到平衡的时间有所延长。     

非饱和土热湿迁移的数值模拟

本文基于菲利普-迪弗瑞斯(Philip-De Vries)热湿耦合迁移模型,采用一维积分有限差分程序HM1,模拟了一维轴对称热湿耦合迁移问题。模拟中,有意识地调整水分热扩散率D_T,水分等温扩散率D_θ,热导率λ,得到了有关物性参数变化对土壤热湿迁移影响的规律;同时,又有意识地调整某些初始条件(初始含水率)及边界条件(输入热功率),取得了初始含水率及输入热功率变化对土壤热湿迁移影响的规律。这些规律性成果对埋地电缆敷设工程设计具有指导意义。     

非饱和土壤Richards方程入渗求解探讨

根据理查兹(Richards)方程求解非饱和土壤垂直一维入渗率历时规律,因缺乏土壤水分特性函数K(θ)、D(θ)的一般有效公式,而采用与实际相差甚远的定值或线性函数假设,使成果隐含过多经验成分或需要反复迭代计算.笔者在文献[1]中提出的非饱和土壤水分特性函数的一般有效基础公式,用分离变量法直接求解Richards方程,用土壤水动力学方法分别导出了含有渗前土湿因子的新入渗公式.它摆脱了同类入渗公式对水分函数过于简单的概化假设和经验成分.为放弃迄今水文学产流计算中惯用的下渗容量曲线"截首留尾"的经验做法,以直接使用含有渗前土湿因子的下渗公式提供了理论依据,从而将有利于产流计算方法的改进和计算精度的提高.     

基于COMSOL Multiphysics的非饱和裂隙土降雨入渗特性研究

基于COMSOL Multiphysics软件对非饱和裂隙土降雨入渗特性进行数值模拟研究。通过将裂隙和基质分别离散成有限单元,建立了能充分模拟土中裂隙流、基质流以及裂隙-基质流量交换的离散裂隙-孔隙介质模型。结合"空气单元"的概念,对裂隙土的上边界进行模拟。该方法不仅能描述降雨初期雨水沿裂隙优先入渗的现象,还能描述当降雨量大于裂隙土入渗量时雨水沿地表流走的现象。通过对地表以下2 m深度内低渗含裂隙土体进行模拟,分析了裂隙的几何特征、基质的水力特性、前期水分条件以及降雨强度对非饱和裂隙土降雨入渗过程的影响。结果表明,在非饱和裂隙土中,存在两个主要的渗流过程:一是水沿裂隙优先流动;二是水不断从裂隙吸入基质中,基质吸收水的作用抑制了裂隙中优势流的发展。与裂隙的几何特征相比,基质的水力特性对非饱和裂隙土渗流的影响较大。增大基质的饱和渗透系数可能使由裂隙流主导的渗流过程转变为由基质流主导的渗流过程,而基质的非饱和特性与裂隙土的初始含水率改变了土体的储水能力,从而加速或延缓了降雨入渗至某一深度的时间。降雨强度对土体入渗速率和入渗量均有影响,当超过裂隙土的入渗能力时,多余积水沿地表流走,断面入渗率随...     

非饱和土渗流及其参数影响的数值分析

基于一维的Richards方程,考虑van Genuchten提出的土-水特征曲线和水力传导系数的表达式,采用差分方法进行求解,研究该土-水特征曲线对孔隙水压力分布的影响,分析该模型四个参数θs、θr、α和n对孔隙水压力分布的作用特征。结果表明经验参数α和n对孔隙水压力分布产生显著的影响。α影响土-水特征曲线的位置和水力传导系数斜率,其值越大,基质吸力越滞后,孔隙水压力分布弯曲度随着α值的增大而明显;n决定土-水特征曲线的斜率,其值大意味着基质吸力易消散。计算分析显示θr值变化引起孔隙水压力分布微弱的差异,这差异随着时间的增长而增大;饱和含水量θs对孔隙水压力分布也产生不小的影响,随θs的降低孔隙水压力消散减慢。     

非饱和土壤水分函数解析与Richards方程入渗新解

从土壤微观统计学角度出发，用各向均一无结构土壤“切片”孔径级配函数构建的统计毛管束模型和土壤水分分布依赖的力学原理，论证了理查兹方程中导水率、基质势、扩散率等水分函数和入渗率随充水度，土壤基质而变的机理、规律以及两者之间的内在联系，给出了相应的计算公式和可操作的参数确定方法。把迄今水分函数研究的纯经验相关现状提高到理论分析水平，使建立理论公式成为现实。     

降雨入渗条件下非饱和路堤变形与边坡的稳定数值模拟

对于常常处于非饱和状态的路堤在降雨入渗条件下变形问题的数值模拟研究,由于涉及到非饱和土力学,一直是个热点和难点。现有的强度折减有限元法一般仅对强度指标进行折减,但折减后得到的路堤变形场与实际变形场存在一定差异。论文分析认为,在降雨入渗影响下非饱和路堤不仅强度参数会降低,而且变形参数也会随着应力水平和强度参数的变化而变化。采用基于变模量的弹塑性强度折减法,对不同降雨入渗深度下路堤的变形规律进行数值模拟,并与室内模型试验结果进行比较;同时采用强度折减法和极限平衡法中的Bishop法,分析了不同降雨入渗深度对非饱和路堤稳定性和滑弧变化特征的影响规律。     

降雨入渗条件下非饱和土朗肯土压力分析

传统的土压力分析仅考虑了土体饱和强度对土压力产生的贡献,忽略了基质吸力及其变化对土压力的影响。运用非饱和土有效应力原理和饱和土朗肯土压力公式推导了非饱和土朗肯土压力公式,结合Iverson降雨入渗解析解,推导出降雨入渗条件下非饱和土压力公式。该公式将降雨入渗时的非饱和土压力表示为时间和深度的函数,更符合实际情况。研究结果表明：采用该方法计算得到的土压力值相对于传统计算结果偏大,作用点偏高;此外,随着降雨的发生、入渗和停止,主动土压力呈现“减小-增大-减小-稳定”趋势,被动土压力呈现“增大-减小-增大-稳定”趋势,该现象由降雨过程中基质吸力改变所致。由该公式获得的土压力分布及变化规律可用于挡土工程结构的设计。     

非饱和土三轴压缩应力路径试验的数值模拟研究

应力路径对土的强度和变形性质具有重要影响。相对于饱和土而言,控制吸力条件下的非饱和土三轴压缩状态的应力路径研究更加复杂。随着非饱和土本构理论的不断发展,理论和试验研究结果表明,非饱和土弹塑性本构模型可以用来近似地描述非饱和土的强度和变形性质。因而,运用非饱和土弹塑性本构模型对控制吸力条件下的3种非饱和土三轴压缩应力路径试验进行数值模拟是一种有效的理论研究手段。采用Barcelona模型能够对此类试验进行较好的数值模拟,其研究结果表明,在控制吸力条件的三轴压缩状态下应力路径对非饱和土的强度和变形性质具有重要影响。     

考虑非饱和浸润区的改进Green-Ampt模型

经典Green-Ampt入渗模型计算简单,广泛应用于土壤入渗问题的研究,但在湿润锋处理上采用明显的干湿分离界面,存在一定的理论假设。鉴于此,基于饱和区−非饱和浸润区分层模型,结合达西定律,推导出入渗过程中饱和区厚度与非饱和浸润区厚度关系的理论公式,提出了水分剖面理论模型,消除了饱和区厚度和浸润区厚度的关系假设。在此基础上,建立了考虑土壤水分剖面形状和非饱和浸润区等效参数的改进Green-Ampt模型,并采用试验和有限元数值仿真对该模型进行了验证,结果表明：该模型有很高的精度,对不同类型的土有很好的适应性。同时该模型求解简单,参数物理意义明确,便于工程应用。     

降雨入渗条件下非饱和土边坡稳定分析

针对降雨入渗土坡的稳定问题,建立一个考虑水力渗透系数特征曲线、土-水特征曲线以及修正的Mohr-Coulomb破坏准则的非饱和土流固耦合有限元计算模型,进行雨水入渗下非饱和土边坡渗流场和应力场耦合的数值模拟,得到非饱和土边坡变形与应力的若干重要规律。研究成果为降雨入渗条件下非饱和土边坡的稳定分析提供了基础。     

降雨入渗规律的实测与分析

关于降雨入渗可降低土坡的稳定性的研究很多,其机制也逐渐趋明确。然而,一场降雨对土坡稳定产生影响的入渗雨量计算问题还没有得到很好地解决。Holten等研究者的一些计算入渗量的方法在土坡的实际应用中难以满足精度要求;而一些有限元的边界处理方法则建立在假定的入渗规律基础上,多少存在不足。研究设计了室内降雨入渗土柱试验,在初步揭示降雨入渗过程和规律基础上,探讨了准确反映降雨入渗量的有限元计算方法,并通过数值试验进一步揭示室内试验未能明确的降雨入渗规律。     

Water infiltration characteristics of unsaturated soil slope and its effect on suction and stability

Rainfall has been considered the cause of the majority of slope failures and landslides that happened in regions experiencing high seasonal rainfalls. The mechanism of the failures was mainly due to the lost of matric suction of soils by rainwater. This paper presents the results of a laboratory model study on the effect of slope angle and surface cover on water infiltration into soil and soil matric suction. A field infiltration test is carried out for comparison. A parametric study is also done to examine the effect of permeability ratio, development of perched water table and rainfall intensity on the factor of safety against instability of a soil slope. Results of the model study show that different surface covers on slopes have an effect on the water infiltration. Generally the covered surface (grass or geosynthetic net) has a lower infiltration rate compared with the bare (no cover) surface. On the effect of slope angle, it was observed that water infiltration decrease with increase in the slope steepness. With regards to the movement of the wetting front, it appears that water infiltration is more at the toe compared with the top of the model slope. Based on the parametric study, it is found factor of safety of the slope against instability drops for slope with higher ratio of permeability for the permeable and impermeable stratum. As the perched water table is formed, the factor of safety decreased. The rainfall intensity also has a marked effect on the slope factor of safety. The higher the intensity of the rainfall, the higher is the infiltration rate into the soil, hence the lower is the factor of safety against slope instability.     

河岸带表土层氮素非饱和入渗运移规律模拟

自制土槽装置,室内模拟氮素在河岸带表土层中非饱和入渗的过程.通过观测土槽中不同点位渗流水体出流时间的先后顺序以及各点水体中TN、NH₄+-N浓度随入渗时间的变化,探讨氮素在河岸带表土层中非饱和入渗的运移规律.试验结果表明:在河岸带表土层非饱和入渗过程中,水分水平运移速度小于垂直运移速度,NH₄+-N的运移滞后于水分的运移;在土壤"干"-"湿"-"干"过程中,各点TN、NH₄+-N浓度值随时间先急剧增加再缓慢减少然后趋于稳定.另外,河岸带表土层对非饱和入渗氮素的截留效果较好,试验11 h时,在1.08m的坡长距离上,距土表面12 cm深度TN、NH₄+-N浓度比进水分别下降74.23%和68.02%.