垂直一维入渗土壤水分分布与入渗特性数值模拟

以非饱和土壤水分运动理论为基础,建立垂直一维入渗土壤水分运动的数学模型,并用SWMS-2D软件进行求解,利用室内试验对模拟结果进行分析验证,模拟值与实测值基本吻合,所建模型合理.用所建模型和方法对一定灌水技术要素组合下土壤水分分布和入渗特性进行数值模拟,结果表明:土壤质地、容重、初始含水率和灌溉水深对土壤水分分布模式影响微弱.土壤质地和容重对土壤含水率变化和累积入渗量影响较大,入渗水头和土壤初始含水率对土壤含水率变化和累积入渗量影响较小.     

重力式地下孔灌土壤水分运动规律试验研究

设计了一种重力式地下孔灌系统,具有集雨和灌溉双重功能.通过室内土箱试验,研究了不同压力水头、竖管孔径和埋深条件下土壤水分运动规律.结果表明:Philip入渗模型能够较好地描述重力式地下孔灌土壤入渗过程,决定系数大于0.99;累积入渗量随压力水头和竖管孔径的增大而增大,竖管埋深对其影响微弱;幂函数能够较好地描述湿润锋运移过程,湿润锋运移距离呈现出垂直向下大于水平方向、水平方向大于垂直向上的规律;三个方向上的湿润锋运移距离与压力水头和竖管孔径呈正相关,竖管埋深对其影响较小.重力式地下孔灌土壤入渗主要受压力水头、竖管孔径等因素的影响.     

初始含水率对垂直一维入渗Philip模型参数的影响

以非饱和土壤水分运动理论为基础,研究垂直一维入渗土壤水分运动的数学模型,对不同初始含水率条件下多种典型土壤垂直一维入渗特性进行模拟,结果表明:土壤累积入渗量变化过程符合Philip模型,提出了包括初始含水率、饱和含水率和饱和导水率的Philip模型参数的确定方法.利用已有文献资料对所建模型进行验证,结果表明:所建模型能较简单地确定吸渗率和稳渗率,可以较准确地反映土壤水分垂直一维入渗特点.     

入渗水头对垂直一维入渗Philip模型参数的影响

以非饱和土壤水分运动理论为基础,建立垂直一维入渗土壤水分运动的数学模型,对不同入渗水头条件下多种典型土壤垂直一维入渗特性进行模拟,模拟结果采用Philip模型拟合.结果表明:入渗水头对吸渗率、稳渗率有一定影响,提出了包括入渗水头和饱和导水率的Philip模型参数的确定方法.利用已有文献资料对所建模型进行验证,结果表明:所建模型能较简单地确定吸渗率和稳渗率,可以较准确地反映土壤水分垂直一维入渗特点.     

竖管灌水器入渗特性影响因素分析

竖管灌水器是一种用于地下灌溉系统的新型灌水器,本文研究影响竖管灌水器入渗特性的四个因素:压力水头、竖管灌水器直径、土壤初始含水率和土壤容重等,为了研究这些因素对粉质壤土累积入渗量的影响程度,采用正交试验安排试验方案;而对于砂质壤土主要研究压力水头和竖管灌水器直径对累积入渗量的影响。根据竖管灌水器入渗试验结果,采用灰色关联度分析对影响粉质壤土累积入渗量的影响因素进行关联度计算,表明压力水头对入渗量的影响起主导作用,其次依次为竖管灌水器直径、土壤初始含水率、土壤容重;砂质壤土试验结果表明:压力水头和竖管灌水器直径与累积入渗量呈正相关关系,但随着压力水头和竖管灌水器直径的增大,累积入渗量的增大幅度减小。这一研究结果对进一步研究竖管灌水器入渗规律具有重要意义。     

水-沼液一体入渗特征分析

为探明水-沼液一体灌溉模式对作物根区土壤水分环境的影响,通过水平和垂直土柱入渗试验,探求不同沼液浓度、土壤容重和入渗水头对入渗特征的影响.结果表明:在相同时间内,土壤容重为1.40g/cm3处理的累积入渗量均小于1.35g/cm-3处理,但所有处理的累积入渗量均随沼液浓度的增大而减小;垂直土柱入渗试验中4cm水头单位时间累积入渗量及土壤剖面含水率均高于2cm水头处理;不同处理土壤水扩散率及各剖面土壤含水率均呈现CK1∶41∶21∶1BL.通过对数据进行拟合分析,发现指数函数能较好地描述不同土壤容重和沼液浓度的土壤水扩散率;Kostiakov入渗模型能够准确描述垂直入渗试验中不同沼液浓度、土壤容重和入渗水头对累积入渗量的影响,其入渗系数随沼液浓度的增大逐渐减小,而入渗指数则随沼液浓度的增大逐渐增大.     

膜孔灌自由入渗土壤水分运动数值模拟

以非饱和土壤水分运动理论为基础,建立膜孔灌自由入渗土壤水分运动的数学模型,利用室内试验对模拟结果进行分析验证,模拟值与实测值基本吻合,所建模型合理.用所建模型对不同因素组合下膜孔灌自由入渗土壤湿润体水分分布和入渗特性进行模拟分析,结果表明:土壤质地、容量、膜孔直径、初始含水率和灌溉水深对土壤水分分布模式影响很小.土壤质...     

石灰改良膨胀土工程主要特性试验研究-以广西南宁地区膨胀土路堤为例

研究干湿循环作用下石灰改良膨胀土的工程主要特性对其工程应用具有重要意义。以广西南宁铁路枢纽动车运用所的石灰改良膨胀土路堤为研究对象,基于室内离心模型实验仪器,设计降雨-加热系统,通过三次干湿循环试验,分析路堤模型在干湿循环过程中土压力、吸力、含水率、温度等工程主要特性的变化规律。研究结果如下:(1)经过三次干湿循环后,路堤边坡并没有发生明显变形与破坏。(2)在加热蒸发阶段,土压力随时间减小、吸力随时间增加;在降雨入渗阶段,土压力随时间增大、吸力随时间降低。(3)含水率在蒸发阶段随时间减少,降雨阶段随时间增加;埋深越浅,含水率的变化幅度越大。(4)土层温度在加热蒸发阶段变化较大,降雨对其影响不大。(5)土水特征曲线显示吸力在蒸发阶段随含水率的降低而增加,在降雨阶段随含水率的升高而减小;脱湿和吸湿两阶段的土水特征曲线不重合。     

非均质和各向异性土质浅埋隧道支护力研究

针对土体的非均质和各向异性,以土质浅埋隧道为例,采用极限分析上限法和可靠度方法研究隧道支护力的大小.结果表明,土体非均质和各向异性对支护力的影响程度取决于隧道的埋深.当埋深小于15m时,围岩的自稳能力较差,土体非均质和各向异性的影响不能明显地体现出来,支护力主要随埋深的增大而增大;当埋深大于20 m时,围岩的自稳能力较强,支护力随土体非均质和各向异性的增大发生明显变化,埋深越大,土体非均质和各向异性对支护力的影响越强.可靠度研究表明,非均质和各向异性参数的分布及变异系数的大小对支护力的影响较大,对数正态分布时影响更为明显.建议在土质浅埋隧道设计时,务必考虑土体的非均质和各向异性,防止保守支护增加工程成本或支护力不足引起隧道坍塌.     

非饱和-饱和土壤中水分入渗的数值仿真模拟

为了定量整体描述非饱和-饱和区域内水流入渗过程,在水分入渗理论基础上,基于V-G模型建立了非饱和-饱和区域内水流运动的数学模型,分别对水分在不同粒径大小土壤中的入渗过程进行模拟;分析结果表明:入渗水分进入土壤的初期,由于粒径较大的土壤中充气粗孔的阻隔,使得压力水头与粒径较小的土壤相比减小速率较慢;当进入渗漏与渗透阶段后,粗大孔隙中的空气基本被水分所驱替,渗透性较好的土壤中压力水头减小速率较大;毛细管带高度也是导致下渗速率不同的因素之一,毛细管高度越大,进入渗透阶段的时间越短,反映在压力水头的变化上则为压力水头变化速率降低。     

考虑二维降雨入渗的非饱和土边坡稳定性分析

以非饱和土边坡体积含水率为控制变量,基于非饱和土水分运移基本方程建立了二维降雨入渗计算模型,并编制了计算程序.充分考虑降雨中的水平和垂直入渗及降雨过程中土体入渗能力的变化,建立了可考虑体积含水率变化的非饱和土边坡稳定性分析模型,实现了边坡稳定性的实时分析,并可搜索最危险滑裂面.通过具体工程案例的分析可知,边坡中的体积含水率与边坡的稳定性有密切的关系,其中边坡初始含水率影响最大,而降雨强度则较小.降雨对浅层边坡稳定性影响较大,随着降雨时间的增加,含水率由浅到深逐渐减小,而最危险滑裂面则逐渐向浅层移动.     

不同降雨条件下裂隙性土质边坡渗流特性分析

降雨入渗条件下裂隙性土质边坡稳定性与降雨强度及降雨类型密切相关.为探究不同降雨强度及不同降雨类型对裂隙性土质边坡降雨入渗过程的影响,运用Geo-studio有限元分析软件中的Seep/w模块,研究了不同裂隙深度及孔隙比的裂隙性土质边坡在小雨、中雨及大雨情况下分别经历前锋型、平均型、中锋型及后锋型4种不同降雨类型的渗透特性,得到了裂隙面的孔压与体积含水量变化规律,结果表明:存在临界渗透比ε′,渗透比大于ε′,体积含水率及孔压随埋深增大而增大,反之,随埋深增大而减小.渗透比大于临界渗透比,不同雨强及雨型条件下土体体积含水率及孔压随埋深变化均呈反S型,拐点深度由裂隙深度决定.不同降雨类型使某一时段内土体体积含水量及孔压在数值上产生差异.不同降雨强度决定裂隙边坡土体渗流过程的控制因素,降雨强度大于土体入渗强度时,降雨入渗由土体渗透系数控制,降雨强度足够大时,不同渗透比下的裂隙土体体积含水率变化趋势将会相同.     

强降雨条件下含软弱夹层土坡稳定性影响因素敏感性分析

为了分析强降雨条件下含软弱夹层土坡稳定性影响因素的敏感性,结合长沙-湘潭高速公路某路堑左侧边坡现场调研资料,基于饱和-非饱和渗流理论,建立了含软弱夹层土坡数值分析模型。选取夹层倾角、夹层厚度、夹层埋深以及夹层层数这4种内在影响因素,分析了各因素变化对边坡稳定性的影响规律。研究结果表明,长沙-湘潭高速公路某路段路堑左侧边坡软弱夹层倾角的临界θ值范围为30°~35°;在降雨阶段,边坡安全系数随着降雨历时的增加而逐渐降低,雨停后安全系数又随着入渗雨水的消散而缓慢升高,但回升速率明显低于下降速率;在强降雨条件下,软弱夹层内在因素的变化是导致边坡稳定性降低的主要因素,其中连续降雨方案的影响程度较大;无论是否考虑降雨条件,软弱夹层内在因素变化对边坡稳定性影响的敏感性都为:夹层层数夹层倾角夹层厚度夹层埋深。     

绿洲农田表层掺砂、覆砂对土壤水分入渗的影响

为认识绿洲农田表层掺砂和覆砂后层状土的入渗规律及农业生产实践提供依据,通过模拟试验研究了绿洲农田表层掺砂、覆砂对土壤水分入渗的影响。试验以不同掺砂量和覆砂厚度为影响因子,设置0%(对照)、25%、50%、75%、100%(纯砂)5个掺砂量处理,折合为覆砂厚度分别是0、1.7、3.6、5.7、8cm。结果表明:表层掺砂(除100%)能显著提高土壤入渗能力,并随着掺砂量(除100%)的增加而增加,且提高了掺砂层下部含水量;覆砂抑制了土壤入渗能力,且随着覆砂厚度增加抑制减弱;经Philip和Kostiakov入渗模型参数拟合和I200验证得出:Philip和Kostiakov入渗模型均有较高的实用性,其中Kostiakov入渗模型更佳。     

黄土高原不同植被类型土壤入渗特征研究

为了研究黄土高原子午岭地段6种不同植被类型土壤水分入渗的差异及其影响因素,采用环刀法测定了不同植被类型的土壤入渗过程,分析了土壤容重、土壤含水率、毛管孔隙度与入渗性能的相关性.结果表明:(1)山杨林土壤容重最小,含水率最大,毛管孔隙度也较大,说明山杨林土壤质地疏松,含水量丰富,土壤物理性质最佳;(2)6种不同植被类型土...     

黄土水分入渗规律的数值模拟研究

运用数值模拟手段研究地表入渗作用下土水特征曲线(SWCC)参数与边界条件对入渗结果的影响,以探究黄土中水分入渗的规律。使用HYDRUS-1D软件建立土柱试验数值模型,使用控制变量法,逐一改变SWCC参数(VG模型参数)与边界条件以探究其各自对模拟结果的影响。模拟结果显示:入渗速率、特定时间节点的入渗深度与饱和渗透系数k_s成正比,与饱和含水率θ_s成反比,与VG模型参数α成反比,与VG模型参数n成正比,与残余含水率θ_r几乎没有关系,与入渗边界的水头高度呈正比。研究结果表明,饱和渗透系数k_s是非饱和渗流的重要影响因素,饱和渗透系数较大,代表土体更松散,导水能力更好。提高模型饱和含水率θ_s会使入渗速率下降,入渗深度变浅,这是因为提高饱和含水率影响了土体中初始水分的分布,水分在土体中形成的连续性通道变少。残余含水率与土体中自由水的运移无关,因而对土体中的水分渗流没有影响。SWCC参数α、m、n的大小与土体孔隙结构、颗粒组成有关,改变SWCC参数会使土的渗流特性发生改变。上部水头增大会使渗流加快,但在超出土体饱和渗流能力的情况下,增大上部边界水头对渗流影响很小。     

降雨条件下成层土质边坡的渗流特征

以东南沿海地区广泛分布的坡积土-强风化岩成层边坡为背景,基于饱和-非饱和渗流理论,通过一维、二维成层边坡有限元渗流计算,得到在不同降雨条件下坡积土层厚度对含水率、孔隙水压力沿高程分布的影响规律,以及坡积土层厚度、边坡坡比对二维边坡不同截面的降雨入渗深度的影响。研究结果表明:降雨入渗深度与坡积土层厚度成正比,且坡积土厚度对含水率的影响程度与降雨强度有关;降雨强度与边坡土层饱和渗透系数的关系决定孔隙水压力的分布特征;坡积土层越厚,其各个截面的降雨入渗深度越大,而且边坡坡比越大,其底部截面的降雨入渗深度越大,边坡上部及中部截面受坡比影响较小;边坡土层结构对其在降雨作用下的含水率分布变化影响显著。     

初始含水率和掺砂量对吹填土沉降的影响

吹填土的沉降是非线性的变速过程,初始含水率和掺砂量对其有直接影响.通过沉降柱试验研究了吹填泥浆的自重沉降特性,发现沉降过程分为3个阶段.通过量筒试验进行了不同初始含水率和掺砂比吹填泥浆的静水自重沉降试验,分别对其沉降量、沉降速率、孔隙比、沉积物含水率变化进行分析,并研究了初始含水率和掺砂比对沉降的影响.分析结果表明:初始含水率较高的吹填泥浆沉降更快,沉降量拐点出现较早,在拐点之后沉降量变化较小;初始含水率较低的吹填泥浆在开始阶段即存在自重固结现象,沉降较慢,沉降量拐点出现较晚,较小的沉降模型甚至没有明显的拐点.掺砂量对前期沉降量影响不大,对自重固结阶段沉降量影响较大,但其对初始含水率较高的吹填泥浆的沉降影响不明显.     

基于HYDRUS-1D模拟的变水头入渗条件下VG模型参数敏感性分析

采用单因素扰动分析法,分别对土壤水力参数残余含水量θr、饱和含水量θs、饱和导水率Ks、经验参数α和n进行扰动,选用HYDRUS-1D模型模拟南京市区2年一遇降雨条件下土壤水分入渗过程,分析变水头入渗条件下各土壤水力参数的敏感性,定量描述土壤水力参数变化对HYDRUS-1D输出变量土水势和累积入渗量的影响,简化后续模型率定工作,提高模型模拟精度。结果表明:在变水头入渗条件下,5个参数对土水势与累积入渗量敏感性排序均为nKsθsαθr,其中α和n对于地表0～10 cm附近的土水势影响较大,Ks与θr,以及θs与α对土水势影响规律类似;±25%扰动情况下,θs、Ks与n三者对累积入渗量的影响均大于10%。因此,在进行变水头入渗条件下模拟计算中应保证Ks、θs、α和n参数的准确性。     

软弱夹层土对软土场地地震效应的影响

本文以来自天津某工程的一场地为原型,对软夹层的埋深和厚度对软土场地地震效应的影响进行了数值分析.为了分析软弱夹层的埋深和厚度对地表地震动参数的影响,分别对原剖面进行了以下处理：软弱夹层的埋深从2 m增加到62 m,构造了16个剖面;软弱夹层的厚度从2 m增加到10 m,构造了5个剖面.选用Taft、ElCentro和Northridge地震记录作为输入地震动,利用程序SHAKE91对不同的构造剖面、不同的输入地震波及不同的峰值加速度水平,进行了场地地震反应分析,结果表明：对于给定的输入地震动和峰值加速度水平,随着软弱夹层埋深的增加,地表加速度峰值和放大系数λ都有减小的趋势,当埋深超过一定值后,地表加速度放大系数小于1.0;软弱夹层厚度对地表加速度峰值的影响与软弱夹层所处位置有关.