黄土陡坡降雨冲刷试验及其三维颗粒流流-固耦合模拟

针对坡角为70°的黄土边坡,进行2.7 mm/min降雨强度下的室内坡面冲刷试验。根据边坡冲刷破坏的过程特征,将边坡侵蚀方式演变过程归纳为试验初期的片蚀、中期的细沟侵蚀、到后期的切沟侵蚀和坍塌。试验中坡顶处侵蚀强度大于其他部位,当坡面形成上下贯通的切沟之后,水流开始掏蚀沟槽底部土体,随着冲刷的持续,切沟两侧土体强度降低,坡顶土体发生坍塌。以此为基础利用三维颗粒流软件PFC3D对边坡降雨冲刷过程进行流-固耦合模拟,在模拟颗粒大变形的同时得到颗粒运动轨迹、孔隙率、流体单元内流速等重要参数,这些参数的定量变化过程反映了降雨过程中边坡遭受侵蚀程度及水流侵蚀能力的分布规律:坡顶处侵蚀最为强烈、水流侵蚀能力最强,且两者随高度降低呈减小趋势,与室内试验结果一致。

降雨冲刷对黄土公路边坡植物防护影响的试验研究

通过对裸露黄土公路边坡、厚层基材植草公路边坡、三维网植草公路边坡以及平台植树公路边坡的现场降雨冲刷试验,阐述了不同防护型式的公路黄土边坡在降雨条件下的坡面径流、含泥量以及坡面冲刷情况,得出了"降雨对边坡坡面的侵蚀过程,首先是从雨滴直接打击土体开始,进而引起溅蚀,分散土粒,紧接着发生超渗径流造成坡面冲刷。"以及"对坡面破坏最大的是坡顶上方来水"等重要结论。验证了坡面植物防护以及平台植树等防护方法可以有效降低降雨冲刷对坡面的侵蚀破坏,为黄土地区公路边坡植物防护的设计施工以提供了可靠的依据。

黄土边坡坡面降雨冲刷破坏机制模拟试验

针对工程建设中黄土边坡的四种不同坡比,通过室内模拟降雨的边坡冲刷试验,再现了降雨对黄土边坡坡面冲刷侵蚀的全过程,分析了坡度对黄土边坡降雨冲刷时坡面径流量和冲蚀含泥量的变化规律,在此基础上,研究了强降雨条件下裸露黄土边坡坡面冲刷侵蚀破坏的机制,包括降雨冲击机制、吸水软化机制和面沟切割机制。

降雨冲刷对绝缘子表面污层电导率及动态积污影响的研究

大气环境的恶化直接加重输电线路绝缘子积污,导致绝缘子的绝缘水平大大降低,而由此引发的便是一系列的污闪问题,给电力系统带来了严重的安全隐患。因此,研究在降雨冲刷绝缘子表面污秽的过程中,绝缘子表面电导的变化规律,对防污闪有着重要的意义。笔者在实验室的环境下,人工模拟降雨,用雨水冲刷不同盐密值时的绝缘子表面污秽以及在绝缘子动态积污的过程中进行降雨冲刷,得出,绝缘子表面污层电导率的变化规律,即在降雨中,绝缘子污层达到饱和浸润状态,其表面污层电导会达到一个最大值,随着降雨的持续,污层电导率逐渐减小,直到污层被冲刷干净,对预防污闪有一定的指导意义。

绳网护坡的强降雨冲刷和雨水入渗试验研究

基于公路边坡的水土保持及稻秸杆等废弃物的全生态循环利用目的,研发了可防雨水冲刷的全生态绳网护坡结构,设计了室内模拟边坡的强降雨冲刷和雨水入渗试验。通过测试不同绳网参数护坡的坡面冲刷水流速度、泥沙冲刷量及雨水入渗情况,研究绳网护坡的防雨水冲刷机理及雨水入渗特点,得到绳网护坡的最优设计参数。通过绳网护坡的现场试验,得到南方高温多雨地区绳网护坡的应用效果,以及草绳绳网的腐烂变化情况。与无防护裸坡相比,绳网护坡能减缓坡面水流流速20%~50%,减少强降雨引起的泥沙冲蚀量60%以上,同时绳网护坡还能明显增加雨水入渗,因此绳网护坡比其他方法更有利于水土保持。

椰纤维网边坡防护降雨冲刷试验研究

通过降雨冲刷和面流冲刷室内模型试验模拟研究不同直径、不同间距下椰纤维网生态防护边坡的表面降雨冲刷形态特征及面流冲刷规律,分析椰纤维网生态防护边坡在降雨作用下的坡面冲刷规律。结果表明,椰纤维网防护能降低边坡的降雨冲刷,减少细沟形成与扩展;椰纤维网能增加坡面抗冲刷能力,在其防护下,泥砂冲刷总量比裸坡减少40%以上,坡面水流速度降低20%以上;椰纤维网网孔距离越小,坡面冲刷量及坡面水流速度均越小。

降雨冲刷造成的畜禽粪便氮磷流失规律及蚯蚓强化降解堆沤池氮磷流失控制作用研究

采用模拟装置对畜禽粪便在雨水冲刷下的氮磷流失规律进行了研究,为了试验结果可控性,采用人工降雨与模拟降雨相结合的方式,分别采集畜禽粪便堆体表层、30、50 cm处的样本。分析结果发现,降雨冲刷可导致畜禽粪便中65%的氮和55%的磷流失,且流失率主要与畜禽粪便的堆置时间和堆体高度有关,与单次降雨量关系不大。并结合流失规律开展了蚯蚓强化降解堆沤池的研究和蚯蚓生长条件的动力学优化,结果表明,堆沤池对堆体中的氮磷元素的流失有明显的控制作用。

全风化花岗岩边坡坡面降雨冲刷数值模拟分析

依托于广佛肇高速公路工程建设项目,运用有限元分析软件ABAQUS建立全风化花岗岩边坡数值模型,对比分析了边坡在降雨和降雨冲刷两种状态下的孔隙水压力、位移、安全系数、塑性贯通区,得出了坡面冲刷对边坡安全系数的影响趋势,并通过进一步研究坡面降雨冲刷过程中数值模型的塑性贯通区与降雨量之间的关系,对全风化花岗岩边坡30 a内的水土流失情况进行了预测,为后期的工程防护提供参考。

铁路路基边坡降雨冲刷行为与规律的研究

近年来,我国铁路水灾次数逐渐增加,这对社会经济、日常生活、旅客生命安全等部分造成了很大的影响。据研究表明,我国几乎有80%的路基都是由水力冲刷而造成的,而路基的水利冲刷问题已经成为了人们所研究的重要问题之一。基于此本文对铁路路基边坡降雨冲刷行为与规律进行了简单的研究。

建筑废物-土壤体系中污染物的吸附作用和降雨冲刷迁移规律

研究了典型有机农药及重金属/有机农药复合污染物在建筑废物表面的吸附作用机制。其中砖粉对各农药污染物的吸附量为0.02~0.2mg/g,平衡吸附时间约为45min,吸附量与废物的比表面积和亲水性略呈负相关性。农药污染建筑废物对重金属的复合吸附过程较为复杂,其主要是由于有机絮状物与重金属的结合作用以及有机农药的包裹特征。相比于洁净废物,甲拌磷和二硫代磷酸二乙酯污染建筑废物对Zn的平衡吸附量从7.1mg/g大幅降至0.15mg/g,而对Pb、Cr(Ⅲ)和Cd的吸附量先增加后降低。结合吸附特征,围绕建筑废物-土壤体系开展了25mm/h的降雨模拟试验,农药污染废物累计洗脱量幂函数拟合较好,对于与农药接触时间为1d和7d的建筑废物试验批次,拟合的相关系数R^2分别为0.95和0.91,一级动力学平均耗散速率常数Kw表明,污染物在废物表面的停留时间与水流迁移相关性较小。

降雨诱发浅层冻土区边坡土剥落颗粒流模拟:以G214线典型冻土区路基边坡为例

为明确降雨诱发浅层冻土区边坡土剥落机理,以G214线典型冻土区路基边坡为例,基于颗粒流和等效降雨法,模拟不同坡度和冲刷速度下边坡坡面土的剥落过程,从边坡形态、颗粒运移规律、力链演化规律和剥落量等方面详细进行探究。结果表明:浅层冻土区边坡土受到雨水冲刷后,仅在坡面浅层部位出现坑槽,并提出边坡形态系数(τ)来定量化表征边坡形态的凹凸程度。边坡形态总体变化态势可概括为:笔直平坦(1.0≤τ<1.40)、粗糙不整(1.40≤τ<1.50)和凹凸不平(1.50≤τ)。土颗粒间接触力演化主要发生在降雨冲刷作用初期,冲刷过程中接触力演化特征并不明显。随循环次数增加,冲刷速度越大接触数量总体越少,但最终稳定状态下的接触数量近乎相同。此外,边坡浅层土在冻融循环作用下结构疏松是导致冻土区坡面土易被雨水冲刷剥落和坡面易形成冲沟的本质原因。

降雨诱发残积土陡坡坡面冲刷破坏颗粒流模拟

为了明确降雨诱发的残积土陡坡坡面冲刷破坏机理,以福建省典型残积土陡坡为例,采用离散元模拟技术,依据所标定的参数,通过等效降雨法模拟陡坡坡面冲刷剥落过程,并分析冲刷速度对陡坡坡面冲刷破坏的影响规律。结果表明:陡坡仅在坡面浅层产生冲刷剥落破坏现象,其他部分未发生明显变形,陡坡整体形态保持良好;各时间点陡坡坡面土体颗粒的接触模型与其陡坡形态具有很好的一致性;冲刷破坏过程从初始存在黏聚力的接触黏结模型转变为黏聚力为0的抗转动线性模型;陡坡剥落后各颗粒间大部分为无黏性接触,呈松散土颗粒状,但是部分仍服从接触黏结模型,剥落类型为碎块状剥落;低流速径流冲刷时,剥落量从坡顶层到坡脚层呈现先减小后增大的趋势;流速越大,则坡脚冲蚀坑与深度越明显,坡面剥蚀厚度与总剥蚀量越大,并且坡顶层颗粒剥落量基本不变,而下层剥落量逐渐增大。

降雨对黄土路基边坡的冲刷规律

针对干旱半干旱地区分布的黄土,利用室内路基模型通过冲刷试验,研究路基降雨冲刷破坏的过程,并利用PFC进行流-固耦合模拟,旨在研究黄土路基遭受水流侵蚀的坡面冲刷规律,找出适用路基抗雨水冲刷稳定性的边坡坡率。路基模型的边坡坡率为1∶0.50、1∶0.70、1∶1.00、1∶1.50、1∶1.75五个等级,模拟的降雨强度按4.0 mm/min、5.0 mm/min、7.0 mm/min、8.5 mm/min、10.0 mm/min五个等级,降雨历时30 min,进行室内降雨冲刷试验和PFC颗粒流模拟试验。获得不同降雨强度和边坡坡率条件下,降雨0 min、1 min、10 min、20 min、30 min的室内降雨冲刷坡面性状图片和PFC软件模拟的颗粒位移量,降雨30 min后坡面冲蚀的泥沙量。结果表明,不同的边坡坡率、降雨强度、降雨历时影响路基边坡坡面的冲刷量,适宜干旱半干旱地区黄土路基边坡坡率为1∶1.50~1∶1.75。

降雨条件下土工袋护坡抗冲刷试验研究

土工袋护坡是一种新型边坡加固技术,其单体强度和耐久性以及组合体的稳定性均可满足一般护坡的要求,但其抗冲刷能力尚未得到有效评估。为了探究土工袋护坡的抗冲刷能力,进行了大型边坡人工降雨冲刷试验,对比分析了土工袋护坡、石笼护坡及无防护砂土边坡的降雨入渗量和泥沙冲刷量。试验结果表明土工袋护坡能够有效减少雨水下渗量,并大幅降低边坡的土质流失量;土工袋护坡的坡面侵蚀主要集中在土工袋的间隙处,土工袋与边坡接触处无明显径流通道。土工袋的防冲刷机理可归结为压坡作用、消能作用、阻水作用和反滤作用4个方面。

降雨对绝缘子表面污秽的冲刷机理与模型研究

以垂直安装的XP-160绝缘子为研究对象,利用固液两相流相关知识分析污秽颗粒在降雨冲刷时的受力,并以此得出污秽颗粒被冲刷的边界条件。分析降雨强度、降雨时间以及冲刷角度等降雨参数对冲刷效果的影响。在此基础上,结合参考文献数据建立等值盐密(ESDD)/灰密(NSDD)冲刷模型,并通过降雨冲刷实验修正模型的准确性。研究结果表明:对于垂直安装的XP-160绝缘子,降雨参数的不同对冲刷效果有很大的影响;冲刷角度决定了对绝缘子表面冲刷的面积比例,降雨强度和降雨时间决定了单位面积的冲刷效果;降雨冲刷对盐密的冲刷作用大于灰密;降雨强度相对较小时,降雨强度的变化对冲刷效果的影响最大;降雨强度较大时,冲刷角度的变化对冲刷效果的影响最大。

秸秆纤维加筋加固土抗降雨冲刷试验研究

多雄拉工业广场开挖边坡是派墨公路开挖面积最大、海拔最高的边坡,其主要由冰碛物组成,胶结程度低、结构松散,加之高寒地区恶劣气候环境,边坡浅表层稳定性问题突出,植被恢复难度大。为有效解决高寒地区开挖边坡降雨侵蚀严重、生态修复等难题,本文结合多雄拉工业广场开挖边坡气候特征,在传统改性材料固化砂土的基础上,通过掺入不同比例的秸秆纤维,对秸秆纤维加筋固化土的渗透性、抗剪强度和抗降雨冲刷性能进行测试,分析加筋固化效果,探寻最优配比,并揭示加固机理。结果表明:与纯砂土相比,加入改性材料和秸秆纤维后,降低了土体渗透性,增加了土体的黏聚力,内摩擦角基本保持不变;初始含水率是土体渗透性能的主要影响因素,秸秆纤维是土体黏聚力和内摩擦角的主要影响因素;此外,固化土抗降雨冲刷性能明显优于纯土,当改性材料、水、秸秆纤维分别占砂土质量0.234%、15%和0.2%时,秸秆纤维加筋固化土的抗降雨冲刷性能最佳。

降雨作用下砂土河道岸坡稳定试验研究

由于砂土特殊的物理力学特性,砂土岸坡的失稳破坏过程与一般黏性土岸坡存在明显差别。以厚层砂土型河道岸坡为对象,研究不同降雨强度和岸坡坡比下的砂土岸坡变形破坏过程。共设计5组室内物理模型试验,每组试验均埋设水分计、微型孔压计、引线式温度计,并利用高精度摄像机记录岸坡变形破坏的全过程。试验结果显示:随含水率增大,非饱和砂土黏聚力呈先增后减的趋势,并具有明显的峰值,内摩擦角呈减小趋势;不同雨强及坡比情况下,砂土岸坡的变形破坏机制不同;短历时降雨会在坡体表层形成饱和区,阻止雨水的入渗,砂土层不同深度水分运移各异,雨水入渗并非单一的垂直入渗;岸坡侵蚀破坏在雨水冲刷、降雨入渗及重力侵蚀的耦合作用下发生。试验能够真实反映复杂工况下砂土岸坡的冲刷特性与坍塌破坏全过程,可为多因素共同作用下岸坡稳定分析理论与方法的建立提供参考。

降雨对北方城市5种典型城市绿化树种叶面滞尘的影响

城市树木和森林植被净化大气颗粒污染物的功能受到了广泛的重视,但由于受多种植被特征与环境因素的影响,定量评价城市植被净化大气颗粒污染物功能非常困难。研究了不同降雨条件下大叶黄杨、银杏、栾树、五角枫、杜仲5种我国北方城市绿化典型树种叶面滞尘量的变化特征。在选定的样树冠层分上、中、下3层和东、南、西、北4个方向,采集成熟叶片,采用刷洗样本叶表,抽取水样及分级抽滤并烘干称重的方法,测定这5种树种降雨后12d(夏季累积滞尘量)、14mm降雨后(小雨)、29mm降雨后(中雨)以及室内模拟降雨30mm/h(15mm雨量)后叶片表面不同粒径大气颗粒污染物的滞留量。研究结果表明:降雨对不同粒径颗粒物去除能力有较大差异,除银杏以外,PM>10以上颗粒物更容易去除;小雨对颗粒物的冲刷能力有限;中雨可以冲刷掉50%以上总颗粒物;室内模拟强降雨可以冲刷掉90%以上颗粒物,随着降雨增大,各粒径颗粒物随之冲刷量增加;同时叶表结构对抗冲刷能力有显著影响,革质叶片更容易滞尘及冲刷,绒毛结构滞尘能力较低,抗冲刷能力较强;北方大叶黄杨具有综合去除空气中颗粒物优势(小雨TSP冲刷量为(775.06±33.99)mg/m^2),银杏具有去除细颗粒物优势(中雨PM_(2.5)冲刷量为(426.55±40.83.99)mg/m^2)。

黄土边坡降雨侵蚀特征的物理模拟试验研究

黄土边坡的侵蚀破坏是引起黄土地区公路边坡自然灾害的主要诱因。通过建立室内边坡降雨冲刷物理模型,进行黄土边坡侵蚀破坏的模拟试验,再现边坡溅蚀、片蚀、沟蚀、坍塌的基本破坏过程,并对坡面降雨冲刷的演变过程和侵蚀机理进行了细致的描述和分析。试验表明:在一定的降雨雨强下,径流TSS(携砂能力)和单位面积侵蚀泥沙量随着试验坡度的增加逐渐增加,而径流总量、侵蚀干泥沙量随着坡度的增加而相应变小。同时,黄土边坡侵蚀冲刷过程中的主要侵蚀能力参数如坡面径流总量、汇流干泥沙量、侵蚀干泥沙量等与降雨雨强之间存在相应的关系。

两种新型生态防护方法模拟边坡冲刷的试验研究

针对土质边坡现有生态防护方法存在防雨水冲刷效果较差或造价较高等缺陷,该文提出采用短管式边坡生态防护和竹片式边坡生态防护的新方法,并利用室内模拟试验装置,分别对这两种方法进行了室内模拟边坡的冲刷试验,研究得到了短管直径、竹片间距、短管或竹片埋入深度及出露高度等因素对土质边坡强降雨冲刷的影响特性,通过研究认为这两种方法均能减少强降雨冲刷50%以上,达到空心混凝土砌块护坡类似的作用;通过试验得到了不同防护方法的设计参数,这两种方法是土质边坡生态防护的新方法。