南江红层地区缓倾角浅层土质滑坡降雨入渗深度与成因机理研究

2011年“9.16”特大暴雨诱发四川省南江县发生数以千计的缓倾角浅层土质滑坡，该类典型滑坡具有滑体厚度集中在1～5 m区域，且总是沿呈“光面”的基覆界面顺层滑动的特殊性。通过设计室内降雨入渗试验、建立G-A入渗模型及考虑大气对土坡的影响计算得大气影响深度，分析滑坡降雨入渗深度，研究滑体厚度分布成因；并根据非饱和土强度理论分析天然状态下及降雨条件下浸润峰分别位于土层中与基覆界面时的斜坡稳定性，研究滑坡沿基覆界面滑动成因。结果表明：南江县红黏土渗透性极低，短时间的强降雨下降雨入渗深度十分有限，一般仅入渗50 cm左右。研究区的大气影响深度为5.37 m，在该深度范围内，雨水易入渗，但随着深度的增加，土体风化程度逐渐减弱，土体孔隙比、渗透性逐渐降低，入渗逐渐困难，直至下覆基岩，降雨过程中雨水入渗深度是导致缓倾角浅层土质滑坡厚度主要集中在1～5 m的原因。在降雨条件下，当浸润峰深度小于土层厚度，潜在滑面位于浸润峰处时，斜坡保持稳定，当浸润峰深度等于土层厚度，潜在滑面位于基覆界面时，界面滞水，水位上升，孔压产生，同时界面岩土体发生软化和润滑作用，界面效应是导致滑坡沿基覆界面这一“光面”顺层滑动的主要原因。

黄河中下游与江淮流域的降水量和入渗深度关系分析

为深入挖掘和充分利用清代档案中雨分寸记载所反映的降水信息,并重建1736—1911年的降水量序列,文中仿照清代雨分寸的观测方法,在黄河中下游和江淮流域(105°E以东,30°—40°N)选取了10个具有气候和土质代表性的站点,开展了自然降水入渗实验,观测了降水量,降水强度,前期土壤含水量和降水入渗深度等参数.统计分析表明:降水量是影响入渗深度的主要因子,二者呈明显的正相关;且各因子对入渗深度的影响在黄河中下游和江淮流域均具有明显的区域差异.在此基础上,建立了各地降水量与入渗深度的关系方程,其中多数方程的方差解释量达60%以上,为利用清代雨分寸记载重建各地的降水量提供了定量关系模型.

基于神经网络的灌溉水入渗深度预测模型研究

以华南地区的3种土壤为材料进行喷灌试验,抽取表征土壤入渗性能的关键特征值,利用神经网络建立了土壤入渗类别识别模型,用试验数据回归建立了灌溉水在各类土壤中的入渗深度预测模型,并对模型进行室内试验验证.结果表明:土壤入渗类别识别模型能对2种检验土进行分类,入渗深度预测模型的预测深度与灌溉水实际入渗深度的误差不超过10%.

土质边坡降雨入渗深度及饱和区变化规律

采用饱和-非饱和渗流有限元计算理论,建立一维、二维模型,对不同降雨强度、土质类型、表面吸力以及边坡坡度下的边坡降雨入渗深度和饱和区变化规律进行研究。研究结果表明:对于同种土质而言,初始表面吸力越小,降雨入渗深度越大,降雨入渗深度从大至小对应的土质依次为粉土、砂土和黏土;在降雨过程中,黏土在降雨入渗深度范围内均为饱和区域,而粉土则先在入渗深度范围内出现饱和区,随后饱和区域消散,砂土首先在降雨入渗范围内形成饱和区,随后饱和区下移形成悬挂式饱和区;边坡坡度越大,边坡底部的降雨入渗深度越大,粉土边坡受坡度影响更明显;在降雨作用下,当初始表面吸力为100 k Pa时,砂土边坡表面生成饱和区,随后饱和区扩大并下移;而当初始表面吸力为10 kPa时,降雨会导致粉土边坡地下水位上升。

不同灌溉方式对降雨入渗深度的影响

为了研究不同灌溉方式对降雨入渗深度的影响,基于田间原位观测试验,分析膜下滴灌和传统地面灌溉2种方式对降雨入渗初始含水率的影响,并应用HYDRUS-2D模型模拟2种灌溉方式下不同降雨条件的入渗深度差异.结果表明:与传统地面灌溉方式相比,膜下滴灌改变了降雨入渗初始含水率,且在玉米不同的生育期,其对降雨入渗初始含水率的影响规律不同.通过不同情景的降雨入渗模拟得到,在初始条件完全相同的情况下,2种方式的降雨入渗深度主要受雨量和时间的影响,在降雨量较小时,膜下滴灌的入渗深度大于地面灌;随着降雨量及时间增加,2种灌溉方式下的入渗深度逐渐趋于一致.不论是玉米苗期阶段还是主要生长阶段,降雨入渗的土壤初始含水率均会对降雨入渗深度产生一定的影响:在玉米苗期阶段,膜下滴灌的入渗深度大于地面灌;而在玉米主要生长阶段,地面灌的入渗深度大于膜下滴灌.

一种计算颗粒入渗深度的反滤料孔隙模型

为进一步理解反滤系统渗透侵蚀机制,预测流失颗粒在反滤料中的分布情况,本文提出一种人工填料处于密实状态的反滤孔隙网络模型,分别与文献中的2种反滤孔隙模型计算被保护土颗粒进入反滤层的入渗深度值及数值模拟方法进行对比分析,并通过工程案例进一步验证了新模型的可行性与适用性。结果表明,3种孔隙模型预测的入渗深度值中,Locke and Indraratna模型的值最大;当被保护土颗粒通过孔隙通道的概率较小时,新模型计算值小于Silveira模型的值;随着被保护土颗粒通过概率增加,新模型逐渐大于Silveira模型的计算值。新模型与Zou的数值模拟预测的最大入渗深度随着特征粒径比D15/d85的不同,其变化趋势相同;但受Zou数值模拟过程中土样尺寸及入渗时间的限制,尤其在特征粒径比接近或大于4(反滤准则临界值)时,两种方法预测结果差别较大。当反滤料级配设计包线确定后,孔隙模型为反滤层设计提供了一种新途径。

不同降雨条件下成都黏土基坑边坡入渗深度研究

降雨增湿导致成都黏土基坑边坡出现大范围的大变形或破坏,研究降雨过程中的入渗规律是分析边坡破坏机理及模式的关键。为了分析不同降雨条件下的入渗规律,确定入渗深度的大小,综合模型试验、现场试验和数值模拟结果,得到成都黏土基坑边坡降雨入渗规律及入渗深度的经验公式。结果表明:膨胀土模型试验的渗流相似条件难以完全满足,模型试验结果需要经过现场试验修正。降雨时长是入渗深度的主要影响因素,随着降雨时长、降雨强度的增大,入渗深度增大的速度逐渐减慢,采用分段线性拟合效果较好。成都黏土基坑边坡单次降雨的入渗深度小于1 m。

降雨条件下土质边坡入渗深度的估算

本文主要利用入渗流量相等的原理,基于达西定律和土体基本性质,提出了降雨条件下土质边坡入渗深度的估算方法,并通过实例计算与降雨对边坡滑动类型比较验证了计算方法的合理性。

BP神经网络在一维降雨入渗深度的仿真应用

降雨引起的土体滑坡中,绝大多数滑动面都在边坡土体的最大入渗深度范围之内,快速识别降雨入渗深度对滑坡前期的预测预报具有重要的意义。以室内一维降雨入渗试验为基础,抽取表征降雨入渗深度的关键特征值,采用主成分分析法,将影响降雨入渗深度的5个特征值综合成2个主成分,基于主成分分析建立BP神经网络仿真预测模型。预测结果与实际入渗深度最大误差值仅为4.69%,说明网络性能良好。

基于室内试验的土壤入渗深度动态模拟研究

入渗是土壤水分运动的基本特性,是降雨产流、侵蚀、非点源污染等过程研究的重要依据,快速准确地测定和计算土壤入渗速率及其入渗深度具有重要意义。在天津市武清区北靳庄村和天津农学院西校区试验田选取土样,进行室内积水(积水深度为5cm)入渗试验,依据测得的土壤水入渗数据,利用Philip、Horton和kostiakov-Lewis3个模型进行累计入渗量的拟合;在此基础上以累计入渗量为自变量进行了入渗深度的动态模拟,并对入渗深度的理论模型和线性经验模型的拟合效果进行了比较。结果表明:不同质地、不同结构的土壤有其相应适用的模型;入渗深度模拟以基于Horton入渗模型的理论公式更适用;与常规风干含水率土壤制备土柱相比,采用含水率高的土壤制备入渗试验土柱,可显著减小土壤的入渗速率。

降雨入渗深度对边坡稳定性的影响

本文针对降雨入渗深度对边坡稳定性影响的问题,从能量的角度推导土体最大入渗深度的理论公式,通过室内试验模拟不同降雨强度条件下土体入渗深度变化特征,基于有限元模拟软件模拟降雨入渗条件下边坡的渗流场演化规律与孔隙水压力的空间分布特征,并基于数值模拟结果拟合出降雨入渗深度与边坡安全系数的函数关系。研究结果表明:不同深度土体的能量梯度是雨水能够向下渗透的内在原因,降雨最大入渗深度与土体孔隙水压力有关,且随着降雨入渗深度的不断增加,边坡安全系数持续减少,二者呈二次函数关系。

三峡库区重庆段滑坡暴雨入渗深度的计算方法

滑坡是三峡库区最主要的地质灾害之一。暴雨是影响滑坡稳定性的重要因素。文章计算了三峡库区11处滑坡的暴雨入渗深度,并将计算值与实际采取的经验值进行对比,给出了暴雨入渗深度在滑坡稳定性计算时的计算方法。

基于降雨入渗深度反演的某黄土滑坡机理研究

黄土滑坡是我国西北地区常见的地质灾害,且滑动突然,规模巨大.针对黄土滑坡特点,在探讨滑坡滑动机理时,提出根据降雨入渗深度为界限,上部土体采用饱和土体的相应计算参数,下部土体采用天然土体的相应计算参数分段赋值的新思路.应用上述思路,在对甘肃某黄土滑坡现场勘察、确定利用遗传算法反演边坡稳定分析的重要参数——降雨入渗深度的基础上,结合数值分析软件FLAC2D和FLAC/SLOPE对该滑坡进行了详细分析.结果表明遗传算法反演岩土力学参数是可行的;该滑坡滑动时的降雨入渗深度为5.3m;滑动机理为降雨入渗导致黄土坡体上部推动下部滑动的推移式滑坡.图5,表1,参12.

基于不同降雨强度的黄土边坡降雨入渗特性研究

以甘肃庆阳某均质黄土边坡为参照原型,建立了满足相似条件的室内模型边坡,进行了不同雨强下的边坡降雨入渗试验,得到了不同雨强下降雨入渗规律和冲刷规律。研究结果表明:在边坡不同位置处降雨入渗速率不同,呈现出坡顶入渗速率最快、坡脚次之、边坡中部最慢的特点;且边坡不同位置处降雨入渗深度亦不同,表现为坡脚入渗深度最大,坡顶次之、边坡中部最小;小雨条件下边坡降雨入渗深度在10~15 cm,中雨条件下降雨入渗深度在15~25 cm,大雨条件下降雨入渗深度在18~35 cm,暴雨条件下降雨入渗深度在20~40 cm。

降雨入渗对多层非饱和土边坡稳定性影响

结合某库岸边坡工程实例,根据Green-Ampt模型提出了降雨强度和降雨时间与入渗浸润锋深度的计算模型,对文中边坡的稳定性进行分析。结果表明:由于雨水的入渗,湿润锋以上土层的土体含水率越来越高,导致土体基质吸力也随之减小,粘聚力下降,土体整体的抗剪强度降低。相较于短期降雨,长期降雨虽然降雨量较小,但雨水入渗量大,入渗深度增加,达到较高饱和度的土层深度增大,更易出现较大范围较深层的边坡失稳情况。

大孔隙参数对斜坡非均匀渗流与稳定性的影响

为揭示降雨条件下大孔隙参数对斜坡水分非均匀运移与稳定性的影响,基于两域模型与稳定系数场原理,建立降雨入渗下斜坡非均匀渗流与稳定性求解模型,并借助COMSOL Multiphysics多物理场有限元平台,编制相应的模型求解程序,通过大孔隙土柱降雨试验验证数值模型的合理性,对比均匀流与非均匀流条件下斜坡体积含水率和点稳定系数,分析大孔隙参数(大孔隙占比ω_(f)、两域导水系数之比μ、大孔隙经验参数r_(w))对斜坡渗流场及稳定系数场的影响规律。结果表明:相比不考虑大孔隙,考虑大孔隙时的基质域和大孔隙域表层体积含水率分别增长7.7%和降低5.1%,入渗深度分别增长83.3%和150.0%;边坡浅层失稳面积增大3.9%。基质域和大孔隙域入渗深度均随大孔隙占比ω_(f)的增大而减小;随着大孔隙域与基质域饱和渗透系数之比μ增大,两者入渗深度变化趋势相反,即μ越大,基质域入渗深度越小,大孔隙域反之;两者与经验参数r_(w)无显著关系。至降雨结束,基质域表层土体体积含水率已达最大值;大孔隙域则随着ω_(f)和μ的增大而增大,但几乎不受经验参数r_(w)的影响。非均匀流条件下,边坡水分交换沿着剖面从上往下分为负交换区、正交换区和无交换区,水分交换平衡深度与基质域入渗深度变化趋势一致;水分交换负交换区与正交换区的深度均存在一个峰值,并随大孔隙占比ω_(f)的增大而减小,随着μ和r_(w)的增大而增大。不同参数取值下,边坡均为浅层失稳破坏,ω_(f)和μ越大,失稳层深度越大,表层点稳定系数越小,因此大孔隙不利于边坡稳定。

毛乌素沙地降雨入渗和蒸发特征

通过室内和野外模拟降雨的入渗和蒸发实验,研究不同降雨量条件下,沙地的最大入渗深度、入渗速率以及每天的蒸发量。结果表明:降雨量大小对沙地的入渗深度、入渗速率影响显著,并且不同下渗深度的水分在沙土中保存时间不同,1、2、5和10 mm降雨分别在4、6、11和15 d左右全部蒸发,而15 mm以上的降雨由于稳定干沙层的抑制作用,除了一部分蒸发以外,还有部分水分保存在沙土中。同时由于沙区不同植被根系的垂直分布差异较大,所以,降雨量越大,入渗越深,越能被深根性植被所利用,且利用时间越长。

降雨入渗对粗粒土路堤变形与稳定性的影响

针对土石混填粗粒土路堤,分析其降雨入渗机理,得到固定颗粒粒径时的总吸力随饱和度衰减规律,对比降雨入渗深度计算公式。根据饱和土强度折减规律,采用强度折减简要模拟降雨入渗效果,并结合工程实践建立数值模型,对降雨入渗作用下粗粒土路堤变形及稳定性进行计算分析。工程实例计算结果表明:降雨入渗对路堤变形影响明显,随着入渗深度增加,路堤附加沉降增大,当单次入渗深度为2 m时,附加沉降可达1.30 cm;降雨入渗对粗粒土路堤稳定性也有明显影响,入渗作用扩大路堤塑性区范围,降低路堤稳定性。

入渗水量对重庆四面山草地优先流影响的定量评价

以重庆四面山草地为研究对象,通过野外染色示踪试验,借助图像处理技术、方差分析、相关性分析及变异性分析等方法,分析3种不同入渗水量(20,40,60mm,对应的样地编号分别为G20,G40,G60)对土壤优先流的影响并进行定量评价。结果表明:(1)染色面积比基本上随着土层深度的增加而减小,其中G20和G40的染色面积比分别从3cm和12cm处开始显著下降;(2)总染色面积比和优先流长度指数与入渗水量呈显著正相关(P<0.01);(3)入渗水量的增加可以促进水分向更深层运动,最高可达60cm;(4)优先流区染色面积比和最大入渗深度的非均匀性随着入渗水量的增加而减小,其变异性系数的变化分别为1.88~0.47和0.52~0.07,但入渗水量对实际入渗深度的影响则更为复杂。

含砾石土壤降雨入渗过程模拟

在室内模拟降雨试验的基础上,利用多重相互作用连续体(MINC)组件,对含砾石土壤降雨入渗过程进行了数值模拟,以期深入理解含砾石土壤中的水土过程。研究结果表明,土壤中砾石的存在能够导致土壤水分饱和度增加,使得土壤总入渗量以及降雨入渗深度降低。含砾石土壤中存在一个陡的湿润锋面,在湿润锋面上土壤水分饱和度急剧下降。MINC组件可以很好地模拟含砾石土壤降雨入渗过程,其对含砾石土壤湿润锋和土壤含水率变化的模拟值与实测值吻合较好。降雨期间土壤水分饱和度沿土壤剖面的变化可用来解释含砾石土壤降雨入渗深度降低的原因。