含碎石土壤水分入渗试验研究

采用一维积水垂直入渗法测定含碎石土壤的入渗过程,分析碎石含量和碎石组成对土壤水分运动影响。对试验数据采用Kostiakov入渗公式拟合,得出反映入渗速率的拟合参数比值与土石比成幂函数关系;采用简略的Philip垂直入渗方程幂级数解拟合湿润峰随时间的变化,拟合精度高,并发现拟合参数与土石比仍成幂函数关系。采用简单相关分析碎石粒径对入渗过程影响,得出粒径2~3 mm碎石与入渗过程成显著的负相关关系,而>25 mm碎石有利于入渗。研究结果可为含碎石土壤的水循环提供重要的基础。     

压实黄土水分入渗规律及渗透性试验研究

为了研究压实黄土中的水分垂直入渗规律和非饱和渗透系数函数,在实验室内利用一维土柱垂直入渗模型试验装置,对两组压实黄土土柱试样分别进行了常水头入渗和降雨入渗试验。得到主要结论如下:（1）常水头入渗试验中,累积入渗量和湿润锋前进距离都随入渗时间呈幂函数形式增长,累积入渗量和湿润锋前进距离之间存在线性关系。入渗率在入渗初期最大,之后随入渗时间而快速降低,并在土柱试样底部出水以后达到稳定,且与湿润锋前进距离呈反比关系。（2）降雨入渗试验中,得到两组试样入渗过程中土-水特征曲线数据,分别用van Genuchten模型和Fredlund-Xing模型对两组试样进行了特征曲线拟合。并利用瞬时剖面法处理了入渗过程中水分和水势传感器的监测数据,得到两组试样的非饱和渗透系数,并拟合得到非饱和渗透系数与体积含水率之间的指数函数关系式。同时,采用van Genuchten和Fredlund等渗透系数模型分别对两组试样的非饱和渗透系数进行预测,通过对比模型预测结果和瞬时剖面法实测值,发现van Genuchten渗透系数模型预测结果更接近实测值。     

连续与间歇积水入渗对比试验研究

以黄土沟壑区典型黑垆土连续与间歇入渗对比试验为依据,分析了两者在入渗率、入渗量、水分再分布过程、湿润锋推进速度及推进深度等方面的差异,探讨了间歇积水入渗机理。     

强降雨作用下强风化泥岩降雨入渗特性试验研究

土体降雨入渗特性是实施坡面泥石流和土体滑坡发育过程研究的重要因素。研制了人工降雨土柱入渗试验装置,实施了10、20、30、40、50、60 mm/h共6种降雨强度下强风化泥岩的入渗试验,最长降雨历时105 min。试验结果表明：可将土体入渗过程可分为无压入渗、有压入渗和饱和入渗3阶段,其中土体的入渗率在无压入渗阶段和饱和入渗阶段均随降雨历时增长近似为常数,在有压入渗阶段则快速降低;通过定义降雨作用下土体入渗锋,包括初始入渗锋和终止入渗锋,分析了入渗锋所处位置随降雨强度的变化关系,初始入渗锋和终止入渗锋之间的幅值随降雨强度的增大而变宽;提出了可表征重庆地区侏罗系强风化泥岩入渗过程的土体降雨入渗公式。研究成果对于构建重庆地区降雨诱发型滑坡及坡面泥石流的预测预报模型有积极意义。     

膜孔灌溉下土壤入渗特征的多因素分析

为了研究土壤容重、初始含水率、压力水头、黏粒含量和入渗时间5个因素对膜孔灌自由入渗特性的影响,根据正交试验设计12组试验（9组试验,3组验证试验）。通过开展室内膜孔灌试验,研究了多因素交互对膜孔灌自由入渗单位膜孔面积累积入渗量、入渗率及平均体积含水率增量的影响,并分别建立了单位膜孔面积累积入渗量和湿润体内平均体积含水率增量与各影响因素之间的经验模型。两模型的均方根误差分别为0.032 cm、0.006 cm3/cm3,相关系数均大于0.97,决定系数均大于0.95（P<0.01）,经验证模型计算值与实测值相对误差均在±13%范围以内。研究表明:压力水头对单位膜孔面积累积入渗量影响不显著（P>0.05）,初始含水率对其影响显著（P<0.05）,而土壤容重、黏粒含量和入渗时间对其影响极显著（P<0.01）,其影响程度由大到小依次为入渗时间、黏粒含量、土壤容重和初始含水率;湿润体内平均体积含水率增量不受入渗时间影响,4个因素对其影响均极显著（P<0.01）,其影响程度由大到小依次为初始含水率、土壤容重、压力水头和黏粒含量。研究成果可为进一步优化膜孔灌灌水技术要素组合提供理论依据。     

基于最小作用原理的Richards方程变分解

经典的Richards入渗控制方程属于偏微分方程,具有强烈的非线性,难以求得解析解。以入渗时间为最小作用量,基于Richards方程建立关于入渗路径的时间泛函,将考虑重力项的非饱和土垂直入渗问题转化为泛函极值问题,并构造等价的Euler-Lagrange方程进行求解。计算结果表明,扩散系数D（?）与概化湿润锋距离具有函数关系,当扩散系数D（?）形式已知时,可求得最优路径下湿润锋处含水率、较远处湿润锋最小含水率、土壤含水率最大熵分布3个问题,并基于最优路径检验了本研究条件下,Boltzmann变换和线性变换求解Richards方程的精度。求解过程未引进新变量化简Richards方程,不改变原方程结构,因此其解具有普遍性,可作为非饱和土力学计算的一个补充。     

上方来水对坡面降雨入渗及土壤水分再分布的影响

在防止土壤侵蚀和雨后抑制蒸发的条件下,利用室内模拟降雨试验,研究了上方来水对坡面降雨入渗、湿润锋运移以及土壤水分再分布的影响。结果表明:对于初始含水量很低的土壤,与上方无来水相比,上方来水时降雨入渗过程中入渗率有一个上升的阶段,但平均入渗率反而降低;在降雨入渗初期,由于上方来水的沿程入渗,上方来水对坡面湿润锋运移的影响较大,但随后几乎没有影响,湿润锋的运移主要与基质势梯度有关;土壤水分沿坡面呈"波浪形"分布是坡面径流的波动性、上方来水(径流)的沿程入渗以及侧向沿坡向下流等综合作用的结果。     

沟灌土壤水分运动数值模拟与入渗模型

为进一步探明沟灌二维土壤水分运动规律,以非饱和土壤水分运动理论为基础,建立了沟灌土壤水分运动数学模型,用多组试验资料对模型模拟结果进行验证,两者基本吻合,表明模型可用于模拟沟灌二维土壤水分入渗过程.用所建模型对不同因素组合下沟灌土壤湿润体特性进行模拟分析,结果表明:土壤初始含水率、沟间距对沟灌累积入渗量影响较小,土壤质地、容重、沟底宽和沟中水深对其影响较为显著;沟底宽、土壤初始含水率对土壤湿润体水分分布影响较小,土壤质地、容重对其影响较大,沟间距、沟中水深对其影响主要在零通量面附近,当入渗发生交汇后,零通量面处垂向湿润锋运移加快.以此为基础,建立了包含湿周在内的沟灌累积入渗量计算模型.     

青藏高原多年冻土区高寒草甸土壤水分入渗变化研究

在多年冻土区典型坡面上,将坡面划分为坡下（L）、坡中（M）和坡顶（H）三个坡位,每个坡位上各选取92%、60%和30%植被盖度为研究对象,用双环入渗仪测定土壤水分入渗过程,对影响土壤入渗过程的环境因子进行了分析,并基于土壤物理特性及土壤水分的测定进行模型模拟。结果表明：研究区不同植被盖度下土壤水分入渗性能在活动层冻融过程中差异明显,初始含水量和初始入渗率具有较好的负相关关系;稳定入渗率大小为：活动层融化期,92%（0.61 mm·min^-1） > 60%（0.50 mm·min^-1） > 30%（0.29 mm·min^-1）;活动层开始冻结期,60%（0.56 mm·min^-1） > 30%（0.39 mm·min^-1） > 92%（0.26 mm·min^-1）。土壤水分入渗速率具有显著的坡位差异并与冻土的冻融循环过程关系紧密。主要表现为,稳定入渗速率随坡位高度的降低依次递减;同一坡位下,开始冻结期入渗速率小于融化期。在整个入渗阶段,坡顶的累积入渗量是最大的,体现了较好的入渗性能。影响高寒草甸土壤水分入渗的环境因子主要有容重,有机质含量及粒径<0.1 mm微粒。通过比较研究得出,在长江源地区,活动层融化期通用经验模型f（t）=a+bt^-n更适用于该研究区域高寒草甸土壤水分入渗过程的研究,而在开始冻结期Horton模型f（t）=i_c+（i₀-i_c）e^-kt则具有更好的适用性。     

塔里木河上游绿洲典型地表特征土壤水分入渗性能研究

在塔里木河上游农业绿洲区选取草地、裸地、棉花地和盐碱地4种典型地表特征,用圆盘入渗仪测定土壤水分入渗过程并做模型拟合与分析.结果表明:绿洲内不同地表特征下土壤水分入渗性能存在明显差异,稳定入渗率大小为棉花地(1.02mm.min-1)草地(0.76mm.min-1)裸地(0.36mm.min-1)盐碱地(0.11mm.min-1);在入渗初期,累计入渗量为盐碱地最大,草地和棉花地次之,裸地最小,但随入渗时间增长累计入渗量逐步受控于稳定入渗率.以裸地为参照,棉花地和草地的入渗性能较好,而盐碱地入渗性能较差.应用常用的入渗模型对入渗过程进行了模拟:Kostiakov模型和Horton模型分别对棉花地、草地和裸地、盐碱地均具有最好的模拟效果,这两种模型在本区内有最好的适用性和准确性;Green-Ampt模型在本区的适用性较差.     

紫色土典型三角形层状剖面入渗模拟

通过室内特制的土壤水分入渗试验装置,分别设置上粗下细和上细下粗两种典型不同质地紫色土三角形层状剖面,探讨典型不规则层次结构的土壤入渗特性。结果显示,同一三角形层状剖面入渗,粗质土半剖面的垂直湿润锋随时间推进速度快于细质土。对于粗质土,上细下粗剖面设置下其半剖面的垂直湿润锋随时间推进速度快于上粗下细,但对于细质土,两种层状剖面设置下其垂直湿润锋随时间推进速度差异不明显。无论上粗下细,还是上细下粗,两种层状剖面对斜面湿润锋变化曲线影响不大。两种层状剖面入渗,湿润锋、入渗速率与时间均呈极显著幂函数关系。建立的紫色土典型三角形层状剖面入渗模型,经验证,模拟值与实测值具有非常好的一致性,且可与经验模型相互转换,模型参数也具有一定的物理意义。     

Monitored and simulated variations in matric suction during rainfall in a residual soil slope

This research combines field, laboratory and numerical investigations to estimate the development of a wetting front within a 1.2 m residual soil mantle on a steep forested slope during rainfall events. The field-monitored variations in matric suction due to rain-water infiltration during various events revealed that the maximum infiltration rate was much higher when the wetting front resided in the upper 20 cm of soil compared to the case when the wetting front advanced to depths > 20 cm. Laboratory investigations on soil hydraulic properties (i.e., soil water characteristic curve, and hydraulic conductivity) were useful to establish the parameters of a multilayer finite-element model for one-dimensional vertical infiltration. These parameters were subsequently calibrated by matching the predicted and field measured transient pore water pressure responses during actual rainstorms with irregular rainfall patterns. The calibrated simulation model was used to assess the migration of the wetting front under uniform rainfall with different intensities. Based on the numerical results, a hyperbolic equation was developed to predict the duration of uniform rainfall required for the propagation of wetting front to a certain depth for a given rainfall intensity. The proposed equation was subsequently tested against field-monitored advancements of the wetting front during real rainstorms with variable rainfall intensity.     

强降雨作用下堆积碎石土渗流规律研究

强降雨致堆(残坡)积碎石土渗透特性改变是触发滑坡、泥石流等降雨诱发型灾害的关键因素。为探究降雨入渗诱发滑坡的动态机制, 通过自制一维渗透仪与二维边坡降雨入渗模型, 对水竹湾隧道旁具有级配代表性的碎石土进行强降雨入渗试验, 并通过Seep/w软件进一步分析堆积碎石土湿润锋迁移入渗规律。研究结果表明:一维入渗深度-时间曲线存在阶梯状趋势, 即湿润锋迁移速度首先随表层土含水率的突增迅速增加至最大值, 然后缓慢减小, 最后湿润锋迁移速度略微增大; 湿润锋平均迁移速率随雨强的增大趋近线性增长; 碎石土沉降变形在入渗过程中经历缓慢增长、急剧增大、逐渐停滞3个阶段; 坡顶、坡腰及坡脚处入渗速率与一维入渗速率分别满足指数关系、对数关系及线性关系; 雨水最终入渗深度由大到小依次为坡脚、坡顶、坡腰。     

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。     

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。     

降雨入渗下非饱和坡残积土湿润锋运移试验研究

我国东南沿海地区丘陵山地发育，降雨入渗到土体中的水分是导致滑坡灾害频发的关键因素。以福建省泉州市德化县地质灾害点为主要研究对象，考察典型地质灾害点具有代表性的坡积土与花岗岩残积土的渗透特性。利用自行研制的土体入渗装置，分别在降雨强度为15、30、60 mm/h条件下，考虑降雨历时一致（180 min）与过程降雨量一致（90 mm）两种工况开展一维土柱入渗试验，得到相应的各个土柱含水率、湿润锋、入渗率随时间变化的响应规律。试验结果表明：（1）土体渗透系数越大、雨强越大，土体湿润蔓延距离越深、速度越快。（2）降雨入渗过程中，土体含水率由浅及深逐次对降雨进行响应。不同雨强对含水率的影响主要体现在第一次响应时间以及饱和速度上，雨强越大，响应时间越快，饱和速度也越快。（3）提出可表征在不同雨强作用下，德化县马坪滑坡与崩土岭滑坡的湿润锋入渗公式。该研究成果对台风暴雨型滑坡的孕灾机制分析以及精细化监测预警具有重要的理论及实际意义。     

强降雨条件下基岩型层状边坡入渗模型及稳定性研究

强降雨作用下基岩型层状边坡易发生失稳破坏,给人们生命财产造成重大损失。为探索基岩型层状边坡的降雨入渗过程,以Green-Ampt入渗模型为基础,考虑了边坡几何特征及饱和带渗流作用,得到了边坡不同入渗阶段入渗率和湿润峰深度的计算式,建立了适用于基岩型层状边坡的降雨入渗计算模型;在分析基岩型层状边坡稳定性时,考虑了饱和带的渗流作用,联合降雨入渗模型与极限平衡法,分析了基岩面与湿润峰面稳定性的变化规律,得到了计算基岩型层状边坡安全系数的解析表达式;结果表明,该模型的计算与试验结果具有一致性。利用该计算模型与传统计算方法对张家湾滑坡进行了强度为30 mm/h的降雨入渗与稳定性分析,得到了不同计算方法下张家湾滑坡湿润峰深度及安全系数随降雨历时增加而发生的变化规律,结果表明该计算模型在分析基岩型层状边坡稳定性时优于传统分析方法。