基于水气两相流理论的降雨入渗强度调控方法研究

降雨入渗强度是海绵城市建设中的关键指标,入渗强度受土体渗透性和驱动力的联合控制,但以往多关注前者,而较少研究驱动力的调控方法。因此,结合土柱降雨入渗模型试验和数值模拟,探究孔隙气对雨水入渗的驱动效应。通过对试验模型底部进行抽气、注气调控土体内部气压力,发现雨水入渗强度对孔隙气压力具有显著依赖性;底部注气增压时,气压力梯度与入渗方向相反,阻滞雨水入渗;而抽气减压时,其与入渗方向相同,驱动雨水入渗。通过模拟底边界不同气压条件的入渗过程,发现在抽气减压条件下入渗强度与底边界气压力呈线性关系。因此,改变孔隙气压力能调控雨水入渗,特别是在抽气减压条件下降雨入渗强度明显增大,为海绵城市的建设及城市内涝的治理提供了一种新思路。

不同干密度下黄土孔隙分形特征及其对基质吸力的影响

基于分形几何学方法建立了土体孔径分布的描述,并结合Young-Laplace理论提出了考虑孔隙分形特征的非饱和土基质吸力模型。针对陕西地区的黄土收集了不同干密度的土水特征曲线并分析了干密度对孔隙分布特征及基质吸力的影响。结果表明:黄土孔隙具有明显分形特性,可采用Menger海绵体分形模型良好描述。模型孔隙特征参数分析发现随着干密度增大,分形维数D近似线性增大,而最大孔径L呈幂函数减小;通过函数拟合,进一步建立黄土孔径分布与干密度的特征关系,进而实现了对不同干密度下的黄土基质吸力快速预测。

基于水气两相流的海拔高程对某电站溢洪道泄洪雾化的影响分析

海拔高程增加所引起的气象条件的改变会对泄洪水舌的运动产生影响,进而影响泄洪雾化风场及雨场的时空分布。为此,基于水气两相流理论,考虑不同海拔高度的环境压强、温度、粘滞性及空气密度等参数的变化,采用数值模拟的方法研究了海拔高程对泄洪雾化的影响。结果表明,相同泄洪条件下,泄洪稳定后的压强值随海拔升高无明显增加趋势,然而海拔越高,水舌空中运动所受空气阻力越小,相同条件下落水点压强增幅越大;温度降低带来的水的粘滞性增加对水雾运动影响较小,海拔高程越高,雾化风速到达最大值的时间越早,所能达到的最大值也越大;泄洪稳定时近地表雾化降雨强度随海拔高程的增加而增大,与海拔高程呈近似线性关系,此外强降雨范围随海拔的升高而逐渐扩大。

三峡库区降雨型滑坡体型特征分析

滑体作为降雨的载体,其体型特征与降雨入渗过程联系密切,是控制降雨型滑坡稳定性的关键内因。三峡库区降雨型滑坡(水利工程中稳定性对降雨敏感的滑坡一般统称为降雨型滑坡)众多,深入揭示降雨型滑坡的体型特征对于库区滑坡灾害的识别和防治具有重要意义。为此,搜集了三峡库区275个降雨型堆积层滑坡资料,统计分析了其体型特征。结果表明,坡度、坡表及滑带形状等体型特征均符合正态分布;就宏观体型特征而言,库区内降雨型滑坡体型狭长、厚度偏薄、坡度较缓;进一步结合典型滑坡降雨入渗过程的数值模拟发现,该体型滑坡受雨面积较大且入渗雨水更易侵入滑带,使降雨的作用较显著,不利于降雨条件下滑坡稳定。

基于最小二乘有限元的导热系数直接反算方法

导热系数是温度场计算分析中的重要参数,针对基于优化方法反演导热系数计算量大、收敛慢、易陷入局部最优解等问题,提出了一种基于最小二乘有限元的直接反算方法,可快速得到材料导热系数。该方法是将有限单元法和最小二乘法引入热传导方程,直接求解材料导热系数时空分布,不需要进行大量的正算和迭代过程,大大提高了计算效率,且由于不需要事先假定导热系数分布函数形式,保证了计算精度。最后,以水泥砂浆导热系数测试试验为例,验证了最小二乘有限单元法在导热系数反算中的适用性和可靠性。

水灰比对混凝土毛细吸力的影响

毛细吸力为非饱和混凝土中驱动孔隙水-气流动、控制材料收缩开裂的重要作用力,其大小取决于混凝土细观孔隙结构,与混凝土的主要指标—水灰比密切相关。因此,基于相对湿度法,研发了一套非饱和混凝土毛细吸力的间接测试装置及方法,分析不同水灰比条件下毛细吸力的演化特征,并从孔隙尺度探析了毛细吸力演变的内在机制。结果表明,毛细吸力随水饱和度的减小呈非线性增长趋势,饱和度越低增长速率越大;水灰比减小会导致混凝土孔隙更加细密,从而使毛细吸力增大。

考虑饱和度影响的红壤土抗剪强度模型及应用

鉴于降雨入渗过程中土体饱和度变化对库区边坡稳定性的影响,基于Bishop非饱和土抗剪强度理论和van Genuchten土水特征曲线模型,建立了直接考虑饱和度影响的多参数土体抗剪强度理论模型,并采用三峡库区红壤土设计了土水特征曲线试验和三轴剪切试验,获得了基质吸力和抗剪强度随饱和度变化的试验结果,进而验证了模型的合理性。结果表明,模型预测值与试验实测值的吻合度较好,建立的模型能较好地预测三峡库区红壤土的抗剪强度。进一步分析可知,红壤土抗剪强度指标——粘聚力和内摩擦角均随饱和度的增加呈非线性递减;在净总应力一定的情况下,红壤土抗剪强度随饱和度的增加呈对数关系递减。

考虑多因素影响的混凝土导热系数试验研究

混凝土是一种多相复合材料,其导热性受温湿度、孔隙率、骨料体积分数、龄期等多个因素的综合影响。通过试验研究了不同温度、饱和度、孔隙率、骨料体积分数、龄期等因素变化条件下水泥砂浆、骨料和混凝土导热系数的变化规律,结合Wiener边界理论,提出一种包含多因素影响的混凝土导热系数预测模型,分析了各因素与混凝土导热系数的相关性。结果表明,混凝土导热性的各影响因素之间具有明显的耦合作用特征,即混凝土含水率越高,温度变化对其导热性的影响越显著;混凝土导热系数随饱和度增大而增加,孔隙率越大,增幅越明显;随着骨料体积分数的增加,导热系数增大较明显。

基于水气两相流的降水渗水桩渗水性分析

渗水桩是一种可以提高地表降雨入渗效率的设施,主要应用于海绵城市建设。渗水桩通过改变地表透气边界,降低土体内孔隙气压力,促使雨水快速入渗,达到"排气减压、促进入渗"的目的。基于水气两相流理论,采用数值模拟方法分析渗水桩的渗水性。结果表明,土体埋设渗水桩可以显著减小孔隙气压力,提高地表入渗率;渗水桩渗水性在中锋型降雨时发挥最优;桩材料的饱和渗透系数越大土壤累积入渗量越大,增长率呈减速增长;保证体积不变渗水桩由窄变宽更利于雨水入渗,超过宽深比阈值后,渗水桩的促渗效果无显著变化。渗水桩有利于提高雨水入渗量,降低地表径流量,研究成果为渗水桩的适宜条件、材料选择及几何形态的设计提供了依据。

A force transfer mechanism for triggering landslides during rainfall infiltration

Shallow slope failures induced by rainfall infiltration occur frequently, and the relevant triggering mechanisms have been widely studied.Rainfall-induced landslides are widely recognized to be caused by increases in soil weight, seepage force and pore water pressure or decreases in soil mechanical properties. However, even when all these factors are considered, some landslides still cannot be explained well. The increased pore water pressure in a slope reduces the effective stress of the soil and may trigger slope failure. Similarly, the pore gas pressure in a slope also reduces the effective stress of the soil but has been neglected in previous studies. As the viscosity of air is nearly negligible when compared with that of water, the pore gas pressure spreads faster, and its influence is wider, which is harmful for the stability of the slope. In this paper, the effects of pore gas pressure are considered in a shallow slope stability analysis, and a self-designed experiment is conducted to validate the force transfer mechanism.Numerical simulation results show that the pore gas pressure in the slope increases sharply at different locations under heavy rainfall conditions and that the pore gas pressure causes a rapid decrease in the slope safety factor. Laboratory experimental results show that the pore gas pressure throughout the whole unsaturated zone has the same value, which indicates that the gas pressure could spread quickly to the whole sample.

一种适用于非饱和粘土强度测试的脱湿固结制样方法

非饱和粘土强度测试中采用传统的击实法制备重塑土样,其试验结果通常会由于土样分层性明显、水分分布不均而与天然粘土的强度特性出入较大,甚至会得出粘聚力随土体饱和度增加而增大的错误结论。为此,基于非饱和固结原理,通过模拟自然土体的一次脱湿固结循环过程,提出了一种适用于非饱和粘土强度测试的重塑土制样方法——脱湿固结制样法,并以三峡地区粉质粘土为例,对比分析了击实重塑样、原状土样及脱湿固结样不同饱和度下的强度测试结果。结果表明,与原状土强度相差较大的击实重塑样相比,脱湿固结样不仅在强度大小上较为接近原状土,其粘聚力随饱和度变化规律也基本相似。

Field experiment of rainfall infiltration on a soil slope and simulations based on a water-air two-phase flow model

Rainfall infiltration on a soil slope is usually an unsaturated seepage process that can be described by a water-air two-phase flow model.The effect of pore air pressure on rainfall infiltration has been widely recognized and validated by means of numerical simulations and laboratory experiments.However,whether a slope can actually seal pore air continues to be debated by researchers.In this study,a water-air two-phase flow model is used to simulate the rainfall infiltration process on a soil slope,and a field experiment is conducted to realistically test the sealing conditions of a slope.According to the numerical simulation,the areas of water and air flow in and out on the slope surface are relatively stable and can be classified as the“inhalation zone”and“overflow zone”,respectively.Intermittent rainfall on the soil slope has an amplifying effect on pore air pressure because rainfall intensity is usually at the millimeter level,and it causes pore air pressure to reach the cm level.A field experiment was performed to determine whether a slope can realistically seal pore air and subsequently verify the regularity of rainfall infiltration.Air pressure sensors were buried in the slope to monitor the pore air pressures during the rainfall process.The monitoring results show that the pore air pressure in the slope changed,which indicates that the slope can seal air.Moreover,the amplification effects of intermittent rainfall on pore air pressure were observed for natural rainfall,which agrees well with the numerical simulation results.

考虑掺混程度的水气混合流体动力黏滞性模型

水气混合流体动力黏滞性是数值模拟水气混合流体流动的关键参数,其大小受掺气量、水气掺混程度和温度等因素的影响。然而,现有的水气混合流体黏滞性模型大多仅考虑了气体掺量的影响,导致不同模型之间的差异性较大,同一气体体积分数条件下,不同黏滞性模型得到的水气混合流体黏滞系数相差可达到两个量级。该文结合试验测试、理论推导以及数值模拟等手段,提出了一种水气混合流体黏滞性测试方法,利用纯水对该测试方法进行了验证,试验测试结果验证了该方法的正确性和可行性。在此基础上,通过定义表征气体掺混程度的参数,推导了一个能够同时考虑掺气量及掺混程度的水气混合流体黏滞性模型,并分析了水气混合流体黏滞性随掺气量及掺混程度的变化规律。