多层非均质边坡降雨入渗分析的改进Green-Ampt模型

边坡降雨入渗分析对于降雨型滑坡加固设计、治理和风险防控至关重要。经典的Green-Ampt模型参数虽然具有明确的物理意义,计算便捷,但是忽略了入渗区客观存在的过渡层,并且不能有效分析考虑土体渗透系数空间变异性的多层非均质边坡降雨入渗问题。为此,提出了一种适用于多层非均质边坡降雨入渗分析的改进Green-Ampt模型,考虑了降雨入渗的椭圆形过渡层,推导了不同降雨历时下边坡含水率分布情况。同时,以无限长边坡模型为例,通过4种常见的边坡工况验证了该模型的有效性,并进行了降雨入渗条件下非均质边坡稳定性分析。结果表明:对于设定的4种工况,提出的改进Green-Ampt模型计算的边坡体积含水量分布、安全系数和滑动面深度与Richards方程数值解吻合,而基于修正Green-Ampt模型计算的边坡体积含水量和滑动面分布存在偏差,边坡安全系数偏小。此外,基于提出的改进Green-Ampt模型能够准确识别最危险滑动面位置。研究成果可为多层非均质边坡降雨入渗分析及降雨型滑坡加固设计及风险防控提供理论参考。

基于改进Green-Ampt入渗模型的边坡极端降雨阈值确定

为了获得在极端降雨情况下与实际工况相符合的高液限土边坡抗滑稳定性情况,有必要开展极端降雨、高温对边坡稳定性影响的研究。以广东省惠州地区的气象及自然灾害数据为基础,在对不同年份降雨及高温进行分析的基础上,引入吸力水头改进了Green-Ampt入渗模型,得到了斜坡在不同单位降雨量上的极端降雨阈值。研究结果表明:边坡稳定性与连续降雨天数及降雨量有很大关系,在长期小雨的情况下边坡也会达到极端降雨阈值,在降雨量较大的情况下以临界降雨阈值作为极端降雨阈值更合适。该研究对于雨季边坡稳定性分析及灾害防治具有重要意义。

入渗Richards方程Laplace变换步骤中原函数敛散性的讨论

传统求解非线性Richards方程的Laplace线性化方案中,未考虑原函数θ(z,t)的敛散性,均默认原函数收敛或发散程度较小,这在一般情况下是可行的,但在极端理论条件下,例如原函数不收敛或发散速度较快时,往往会引起较大计算误差。针对这种情况,本文建议在变换前,先通过初步试验,确定入渗曲线形态,进而判断原函数敛散性,通过增加该步骤以确保计算的数学物理意义。文中通过算例,证明了多项式曲线、幂函数曲线满足Laplace变换条件,幂指数函数不满足变换条件,并通过一个实际反例验证了这一结论。本文所讨论内容,可作为非饱和土力学理论的一个补充。

考虑干缩裂隙动态变化的优势流入渗模型

为解决定量评估干缩裂隙优势流的难题,基于双孔隙域入渗理论,将开裂土体分为裂隙两侧基质域、裂隙底部基质域与裂隙域三部分,结合Green-Ampt入渗模型,提出了一种考虑干缩裂隙动态变化的优势流入渗模型,并基于该模型探讨了降雨强度、裂隙初始面积率及裂隙深度对土体两域积水时间、优势流入渗量及入渗深度的影响规律。结果表明:干缩裂隙产生的优势流入渗量占总降水量的73.4%~91.4%,入渗深度为裂隙深度的3.1~7.2倍;降雨强度增大将缩短土体基质域积水时间,增大优势流入渗深度;降雨过程中干缩裂隙面积率减小使优势流入渗量减小;裂隙初始面积率增大使两侧基质域入渗量减小,优势流入渗量增大但入渗深度减小;裂隙深度增大使裂隙域积水时间延后,优势流入渗深度增大;模型计算结果与干缩裂隙实际入渗规律相符,同时避免了为裂隙域赋水力学参数带来的误差与不便。

基于最小作用原理的积水土坡水分入渗路径及规律研究

基于最小作用原理,以时间为最小作用量,建立了二维Richards方程水分入渗路径的泛函,提出了积水条件下土坡水分入渗的变分解,并在此基础上利用Brooks-Corey模型计算了锋面以上土体的水力坡降并讨论了入渗曲线的形态,同时利用Hydrus 2D软件分析了第一类边界条件下土坡内含水量分布。结果表明:二维斜面入渗的变分解与一维水平入渗、垂直入渗变分解具有相同形式;入渗曲线表现为外凸形态;数值计算得到的入渗量与湿润锋深度呈线性关系,与变分解的分析结果一致;变分解求得的湿润锋深度、含水量分布用于分析边坡稳定等宏观工程问题是可行的。

Green-Ampt模型与Philip入渗模型的对比分析

土壤入渗是田间水循环的重要组成部分 ,国内外学者提出了具有不同特点和用途的入渗模型。该文通过对比分析了具有明确物理意义的 Philip入渗模型和 Green- Am pt入渗模型 ,建立了两模型参数间的内在关系 ,并利用一维垂直入渗实验资料对理论关系进行了比较。发现 Philip入渗模型对参数精度要求较高 ,而 Green-

不同入渗水头条件下的Green-Ampt模型

在蓄水坑灌灌水时,蓄水坑内入渗水头的增加会改变入渗界面土壤结构性状,从而导致土壤水分入渗特性发生变化。为了能够模拟不同入渗水头作用下的入渗过程,该文在分析入渗水头对水分入渗影响的机制基础上,将入渗水头对入渗的影响归结为对概化饱和区导水率的影响,建立了能够模拟不同入渗水头对入渗影响的改进Green-Ampt模型。在室内进行了不同入渗水头入渗试验对改进后的Green-Ampt模型进行验证,结果表明不同入渗水头条件下不同时刻对应入渗率的Green-Ampt模型计算值和试验实测值吻合较好,改进的Green-Ampt模型可以有效地模拟不同入渗水头条件下的入渗过程。

Green-Ampt公式在层状土入渗模拟计算中的应用

通过对GreenAmpt 入渗模型特点的进一步分析和总结,概述了目前对GreenAmpt 入渗模式的发展情况,特别在沙层阻水、浑水入渗、间歇入渗和降雨入渗方面的应用进行分析,并对GreenAmpt 公式在这些方面应用中参数确定方法进行了进一步探讨,为在黄土区的应用提供指导。

夹砂层土壤Green-Ampt入渗模型的改进与验证

对于土层夹砂结构,湿润锋穿过砂层上界面时,入渗率变为稳渗率。为确定各因素下夹砂层土壤的稳渗率,在Green-Ampt入渗模型基础上,引入导水度系数(小于1)来量化上层土壤的导水程度,建立了改进的夹砂层土壤Green-Ampt入渗模型。采用HYDRUS-1D软件,模拟了不同土壤质地、初始含水率、压力水头、砂层埋深和砂层厚度条件下的稳渗过程,根据模拟结果分析了夹砂层土壤的入渗规律及其影响因素,稳渗率主要受土壤质地、压力水头和砂层埋深的影响。在相同压力水头、初始含水率和砂层厚度下模拟获得不同砂层埋深的稳渗率,并采用改进的Green-Ampt入渗模型拟合,求得导水度系数和进水吸力值。分析发现导水度系数变化较小,为简化计算,取其平均值0.95。在此基础上,提出了由土壤物理特性参数进气值倒数估算进水吸力的计算公式。利用秦王川地区的夹砂层土壤积水入渗试验及已有文献资料验证所建模型的有效性,结果表明所建模型待定参数少,计算误差基本在5%以内,且试验设计较简单,可为农田水分管理及工程防渗技术提供理论依据。

用水平土柱和修正的Green-Ampt模型确定土壤的入渗性能

土壤入渗能力和降雨产流过程及地下水密切相关。土壤入渗过程决定了灌溉/降雨过程中水分进入土壤的过程,影响了化肥、农药及其他污染物随水分迁移过程以及坡面水文与土壤侵蚀过程等。该研究根据水流在水平土柱中运动的能量要求以及实际测量得到的土壤水分分布,对Green-Ampt模型中含水率分布呈活塞运动推进(即湿润锋内部土壤水分为恒定值)的假定进行了修正。采用更符合实际的呈线性分布的土壤水分分布模型,基于水量平衡和土壤水动力学原理,提出了对应的土壤入渗性能的计算模型。给出了利用修正模型估计土壤入渗性能的方法,计算模型以及计算过程。结果表明,利用修正模型估算得到的土壤入渗性能回归的入渗水量与实际供水量的相对误差为0.66%,说明该修正模型和计算方法具有很高的精度。该文提出的修正模型很好地描述了水分在土壤中的分布,较Green-Ampt入渗模型中的活塞模型更符合土壤水动力学中关于土壤水分运动的分析。将该修正模型与水平土柱试验结合,可以大大地提高土壤入渗性能计算的精度,为以后的土壤水分运动,地表产流计算以及土壤侵蚀等方面的研究提供非常有效的工具。

适用于斜坡降雨入渗分析的修正Green-Ampt模型

降雨入渗分析是预测降雨诱发滑坡的关键因素之一。Green-Ampt模型原理简单、使用方便,在浅层滑坡的降雨入渗分析中有很大的应用潜力,但该方法主要适用于初始含水率为均匀分布的情况。基于这一不足,推导了初始含水率为非均匀分布条件下降雨入渗深度和时间的关系,并给出了基于Runge-Kutta原理的数值解法。当初始含水率为均匀分布时,提出的方法可简化为文献中已有的Green-Ampt模型。当初始含水率为非均匀分布时,Richards方程预测所得的孔隙水压力分布图中土体饱和区和未受降雨影响的非饱和区之间存在一个较窄的过渡段,由新模型计算所得的湿润锋穿过这一过渡段,且靠近饱和部区的底部。总体而言,新方法计算所得的孔隙水压力分布与Richards方程求解结果类似。

基于图形特征的Green-Ampt入渗模型关键参数S_f和K_s的简化求解

Green—Ampt入渗模型应用广泛，是模拟坡面降雨入渗、产流过程常用的手段，湿润锋平均基质吸力S和表征导水率K是模型中的关键参数。对地表积水入渗过程中湿润区内平均含水率增量△θ（t）进行了定义，对烟台棕壤土积水入渗试验分析表明，在入渗过程中△θ（t）为一常量0．34。根据水量平衡原理得到了Greer-Ampt入渗模型中概化湿润锋磊和实际湿润锋Z^αf的定量关系，并通过对Green．Ampt入渗模型的分析，提出了利用i（t）～I（t）或i（t）-Z^αf之间图形特征关系来确定湿润锋平均基质吸力Sf，和表征导水率Ks的方法。同实测资料相比，利用基于i（t）-I（t）和i（t）-Z^αf图形关系所获Sf和Ks预测的累计入渗量和湿润锋精度较高，整体相对误差小于6％。

考虑禁锢空气影响的层状土壤Green-Ampt入渗模型及试验验证

为考虑土壤孔隙中禁锢空气对入渗水流的阻滞作用,引入饱和度系数Sa(Sa小于1)来量化湿润区的饱和程度,建立了改进的层状土壤Green-Ampt入渗模型(MGAM),并提出了由土壤物理特性参数估算Sa的计算公式。为检验MGAM的适用性,分别在室内长土柱和田间进行层状土壤的积水入渗试验,并采用MGAM、传统的Green-Ampt模型(TGAM)和由Bouwer法修正的Green-Ampt模型(BGAM)对入渗过程进行模拟。结果表明:估算得到的Sa反映了湿润区的真实饱和程度与持水能力;TGAM模拟的入渗速率和累积入渗量均明显大于实测值,BGAM则低估了入渗速率和累积入渗量,而且TGAM和BGAM预测的湿润锋位置明显滞后于实测值;与TGAM和BGAM相比,MGAM的模拟结果与入渗试验结果更加吻合,表明MGAM对层状土壤中水分入渗过程的模拟具有较高的精度。

不同条件下Green-Ampt模型累积入渗量显函数的适用性

通过分析Green-Ampt模型和Philip模型计算累积入渗量的方程,利用两模型参数之间的转换关系,建立两个Green-Ampt模型累积入渗量的显函数,并对其适用性进行评价.不同土壤质地和田间试验条件下的入渗试验检验表明,显函数Ⅰ计算的累积入渗量的IRE和RMSE分别为0.01%、0.34%、0.33%、0.33%、1.98%和0.13、0.05、0.09、0.09、0.09,显函数Ⅱ计算的累积入渗量的IRE和RMSE分别为1.53%、0.40%、2.11%、0.67%、4.88%和0.15、0.05、0.11、0.09、0.16,显函数Ⅰ和显函数Ⅱ的计算误差都较小,显函数Ⅰ的计算精度相对更高;土壤质地不同时显函数Ⅰ和显函数Ⅱ的计算精度都有较大差别;田间试验条件下显函数Ⅰ和显函数Ⅱ的计算精度都有所降低.此外建立的显函数结构较为简单,具有一定的物理基础,可利用建立的显函数解决入渗问题.

用修正的Green-Ampt模型确定土壤入渗性能的速算方法

土壤入渗性能的确定对水文过程及其相关研究与应用具有重要的意义。该文在土壤入渗性能的水平土柱测量方法和Green-Ampt修正模型的基础上,推导出了Green-Ampt模型与修正模型之间的比例关系,进而提出了土壤入渗性能的速算模型。该计算模型在保证土壤入渗性能计算精度的前提下,计算过程较修正Green-Ampt模型有了很大的简化。将3种方法计算得到的土壤入渗率进行了比较,快速方法计算得到的土壤入渗性能与Green-Ampt修正模型计算得到的土壤入渗性能非常接近。在水量平衡原理的基础上得到3种方法计算结果误差分别为11.5%(Green-Ampt模型),0.66%(修正模型)和2.68%(快速计算模型)。表明快速计算方法具有很高的精度。新方法大大简化了修正模型的计算步骤。该文提出的土壤入渗性能速算法与水平土柱试验相结合,可以方便地应用于室内土壤入渗性能的测量,为水文循环/地表产流等相关研究提供便捷的土壤入渗性能计算工具。

Green-Ampt模型入渗率显式近似解研究

Green-Ampt入渗模型应用广泛,是模拟坡面降雨入渗、产流过程常用的手段,但模型中入渗率i(t)与时间t呈隐式关系为实际应用带来困难。根据对土壤宏观毛管长度λ。与Green-Ampt入渗模型参数S_f的分析,建立了Green-Ampt入渗模型参数与Philip公式参数的关系,并得到了入渗率i的显式近似解。实测资料和近似解的计算值进行对比结果表明,显式近似解具有较高的预测精度,其入渗过程中入渗率整体相时误差仅为0．04％。图4．表1,参17。

基于Green-Ampt模型离子型稀土柱浸试验入渗水头的确定

在离子型稀土原地浸矿过程中,溶浸液入渗水头的合理确定有利于减少入渗时间和提高浸出率。基于Green-Ampt土壤入渗模型,通过离子型稀土变水头入渗试验,建立入渗率与入渗水头和湿润峰深度以及渗流时间与累积入渗量和入渗水头之间的关系,并对两关系式进行分析。结果表明:离子型稀土原地浸出注液井积水入渗时,入渗水头并非越高越好,随着入渗水头的增加,入渗率呈先增大后减小的趋势,存在最优入渗水头;对赣南某离子型稀土进行柱浸试验,得到的最优入渗水头为26.69 cm;入渗界面的入渗率一定程度上决定溶液在矿体内的渗透效果。

基于Green-Ampt模型的饱和-非饱和黄土入渗改进模型及其参数研究

黄土中水分入渗理论分析对预测土体附加变形及强度弱化十分重要,但现有针对均质地基的Green-Ampt入渗分析模型运用于黄土区还有较多不足。基于黄土入渗饱和-非饱和分层假定,考虑入渗过程中土体实际渗透系数随深度的变化,对Green-Ampt模型进行修正,并用实例进行了验证;通过测量累积入渗量和含水率的时变规律,并结合Philip模型与Green-Ampt模型的相关关系及实际渗透系数随时间的变化关系获取模型参数。结果表明,相比于WGAM和Kostiakov模型,修正模型在黄土区的应用效果更好。在修正模型基础上,分析了饱和渗透系数、饱和含水率、初始含水率以及基质吸力对水分入渗深度的影响规律,并对参数的敏感指数进行了分析与对比。发现土体初始和饱和含水率变化对模型计算结果产生较大影响。该模型的建立对黄土地区水分入渗规律相关研究有一定的积极作用。

降水头垂直入渗Green-Ampt模型显式近似解研究

在分析降水头入渗过程的基础上,应用Green-Ampt入渗模型,并假定降水头垂直一维入渗也适用于Philip入渗模型的前提下,通过二模型参数间的转换关系建立了适用于降水头垂直一维入渗的累积入渗量的显式函数,并利用3种不同土壤进行了检验。结果表明,降水头垂直一维入渗的累积入渗量可适用于Philip入渗模型,所建立的降水头垂直一维累积入渗量显函数的整体相对误差分别为1.89%、0.02%、0.10%;均方根误差分别为0.13、0.07、0.08,模型的模拟精度较高,能有效地模拟连续降水头条件下的入渗过程。