岩土力学年内模拟降雨装置研究 3 种孔隙比的非饱和粉质黏土土坡在不同雨强坡角下的入渗规律降雨入渗研究存在的问题. 坡面入渗模型当坡面产生积水时, 要准确确定土体

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1 第 36 卷增刊岩土力学 Vol.36 Supp. 年 6 月 Rock and Soil Mechanics Jun. DOI:.68/j.rsm..S.9 非饱和粉质黏土坡面降雨非正交入渗试验研究王成华, 万正义 ( 天津大学建筑工程学院, 天津 37) 摘要 : 传统降雨入渗分析是以降雨强度在坡面上的正交分量作为边界条件, 不符合实际降雨的非正交入渗规律为了研究非饱和粉质黏土的非正交入渗规律性, 首先通过对正交入渗理论的综述, 揭示并分析目前降雨入渗理论在坡面流模型和边界条件方面的缺陷采用自行研制的室内降雨试验装置对非饱和粉质黏土进行不同降雨强度坡角和孔隙比的降雨入渗试验, 结果表明, 非饱和粉质黏土坡面降雨入渗是并非简单正交分解入渗而是非正交入渗 ; 对于坡角和孔隙比为定值的土坡, 具有最大坡面入渗的最优雨强 ; 土的孔隙比越小, 降雨初期入渗率随时间变化越快, 入渗率趋于稳定状态越快 ; 入渗率和累积入渗量并不是随坡角的增大呈单调变化, 而存在对应入渗水量最少的最优坡角关键词 : 非饱和土 ; 非正交入渗 ; 降雨试验 ; 入渗率中图分类号 :TU443 文献标识码 :A 文章编号 :-798-() 增 Experimental researches into non-orthogonal rainfall infiltration on surfaces of unsaturated silty clay slopes WANG Cheng-hua, WAN Zheng-yi (School of Civil Engineering, Tianjin University, Tianjin 37, China) Abstract: The traditional rainfall infiltration boundary, decomposing the rainfall intensity according to the slope direction, does not conform to the actual non-orthogonal rainfall infiltration. Firstly, for the purpose of studying the rules of non-orthogonal rainfall infiltration on the unsaturated silty clay slopes, the defects of the slope infiltration models and boundary conditions now available were revealed and analyzed by the review of infiltration theories. Secondly, the infiltration tests of unsaturated silt clay slopes under different rainfall intensities, slope angles, and void ratios were carried out by designing an artificial rainfall device. The test results indicate that the rainfall infiltration on surfaces of unsaturated silt clay slopes is non-orthogonal infiltration rather than simply decomposed orthogonal infiltration; for a given soil slope with a definite angle of and a void ratio, there exists an optimum rainfall intensity at which the maximum infiltration can be achieved; the smaller the void ratio is, the faster the infiltration rate changes at the beginning stage of a rainfall and quicker to come to its stable state. There is an optimum slope angle at wich the amount of infiltration is the smallest, which indicate that the rate and total amount of infiltration are not vary with the slope angle monotonically. Keywords: unsaturated soil; non-orthogonal infiltration; rainfall test; infiltration rate 引言降雨入渗是指雨水通过地表或入渗界面进入土壤的过程降雨入渗是自然界水循环中的一个重要环节, 土壤水分入渗特性研究涉及土壤农业水利水文气象及地质等学科目前得到较普遍共识的入渗过程是 : 对于降雨强度不变的较大稳定降雨, 降雨初期非饱和土坡面吸力梯度较大, 入渗能力大于坡面降雨雨量, 雨水全部进入土体内, 为非积水入渗 ; 随着坡面土含水率升高, 入渗能力减小, 当入渗能力等于坡面降雨雨量时, 坡面处于积水极限状态, 此后出现坡面径流, 为积水入渗 [] 在降雨过程中, 根据土的特性还可能发生优先流表层流等现象 [-3] 对于非稳定降雨, 非积水入渗和积水入渗交替产生为研究实际降雨入渗的非正交入渗现象和规律, 探讨非饱和粉质黏土的降雨入渗边界条件, 本文讨论了目前降雨入渗理论存在的问题, 并采用室收稿日期 :-3- 基金项目 : 国家自然科学基金 (No. 7839) 第一作者简介 : 王成华, 男,99 年生, 博士, 教授, 主要从事岩土工程地下工程等领域的教学与科研工作 chwang@ tju.edu.cn

2 岩土力学年内模拟降雨装置研究 3 种孔隙比的非饱和粉质黏土土坡在不同雨强坡角下的入渗规律降雨入渗研究存在的问题. 坡面入渗模型当坡面产生积水时, 要准确确定土体内的水势分布, 必须要确定坡面积水深度 h, 如图所示图坡面流示意图 Fig. Sketch of overland flow 在目前一般的入渗或者边坡稳定分析中简化为坡面积水深度 h [4-], 即不考虑坡面流对降雨入渗的影响, 但在强降雨下的入渗求解中对 h 的计算仍是必要的 z 目前对坡面流的描述主要采用运动波理论扩散波和圣维南方程 [6-9] [] Woolhjiser 等将运动波模型引入坡面水流研究运动波模型是从一维圣维南方程简化而来, 具体方程为连续方程 : q h r x t () 动量方程 : u u h ur u g g( r ) x t x h 式中 : q 为单宽流量 (m /s); h 为水深 (m);u 为流速 (m/s); 为坡面坡降 ; r 为阻力坡降 ;r 为旁侧入流 (mm/h);x t 分别为距离和时间 ;g 为重力加速度 (m /s) x 假设和 r 相等, 并借助 Manning 公式得到流量和水深的关系, 将式 () 进行改进得到 : 连续方程 : 单宽流量 : 积水 h 入渗率 f 雨强 i q h r x t q n 径流 v h / / 3 () 式中 : n 为坡面粗糙度系数, 其他符号意义同前由于式 () 能较好地描述坡面流, 且计算简单, 采用此公式计算的研究者较多 [] 动量方程的推导中斜坡倾角较小, 符合 sin tan 才满足动量方程条件显然越大误差也越大在采用该运动波模型时, 应注意的应用条件, 在岩土工程中研究的土坡的坡度较大, 因此 Yen [] 建立了陡坡地表水流动模型, 对 h 在坡面方向的静水压力修正为 hcos, 则式 () 修正为 q h r x t (3) u u h ur u g cos g( r ) x t x h 式中符号意义同前在数值分析中采用式 (3) 较合适. 入渗边界条件一些研究者对非饱和土坡降雨入渗边界条件进行了较深入的研究 [], 但均是建立在传统的正交入渗边界条件基础上的另外一些研究者正尝试建立符合实际的非正交入渗边界条件 [3-4] 非饱和土坡降雨入渗下二维各向同性土坡面正交入渗边界条件 [] : 雨强控制阶段, 已知流量边界条件 : ( x, y, t) K D( ) k( )cos m m q ( x, y, t) (4) m 入渗能力控制阶段, 已知水头边界 : 入渗率 : ( x, y, t) ( x, y, t) () i cos, ( 边界 ) i( t) (6) D( ) k( )cos, ( 边界 ) m 入渗能力 : R( x, y, t) D( ) k( )cos m b (7) 式中 :K 为渗透系数 ; 为总水势 ; 为体积含水率 ; D( ) 为扩散率 ; k( ) 为对应的渗透系数 ; 为坡角 ;m 为以边界的内法向为正向的单位向量 ; q m 为边界的法向流量, 以流入为正 ; b 为边界总水头 ; R( x, y, t ) 为坡面土体入渗能力通过对实际降雨观察发现, 降雨入渗远非这样简单的正交入渗一方面式 (4) 为非饱和土达西渗

Sketch of overland flow 在目前一般的入渗或者边坡稳定分析中简化为坡面积水深度 h [4-], 即不考虑坡面流对降雨入渗的影响, 但在强降雨下的入渗求解中对 h 的计算仍是必要的 z 目前对坡面流的描述主要采用运动波理论扩

3 增刊王成华等 : 非饱和粉质黏土坡面降雨非正交入渗试验研究流理论, 降雨具有时间和空间上的不连续性, 将降雨等效为时间和空间上都连续的雨强进行计算是否符合实际尚无定论另一方面, 坡面土的实际降雨入渗能力的确定缺少理论研究, 以坡面土体含水率饱和作为边界条件与的转化条件, 显然具有理论缺陷综上可得, 对坡面降雨入渗边界条件转化和坡面入渗率变化的研究仍不成熟本文通过非饱和粉质黏土的室内降雨入渗试验, 对降雨非正交入渗规律进行研究 3 试验装置和方案 3. 试验装置根据试验要求, 笔者等自行研制了降雨入渗试验装置, 如图所示土样室尺寸 ( 长宽高 ) 为. cm 3 cm. cm, 角度调节范围为 ~4 该装置可以测量降雨过程中土体的坡面径流量侧面渗流量及底面渗流量喷淋器支架底座实验槽 3. 试验方案点胶针头可调节支座图降雨入渗试验装置 Fig. Artificial rainfall device 试验所用粉质黏土相对密度 ds.7, 孔隙比控制为 e.6.7.8, 对应饱和渗透系数 k s 分别为 m/s 试验土样初始含水率控制为 w 3%, 以试验前实测为准, 坡角取值为 3 4, 流量计控制为 4 ml/min, 具体方案见表 4 试验结果分析喷淋器喷淋器土样室底渗流收集室导水管 3 4. 不同降雨强度试验结果侧渗流收集室雨水收集盒径流雨水收集室量杯 () e.6 3 试验结果如图 3 所示, 入渗能力控制初始阶段, 流量控制为 ml/min 的降雨试验入渗率变化速率最快当降雨历时超过 A 点, 入渗率 ƒ ƒ ƒ 4 相近,A 点为曲线交点,3 条曲线并不交于同一点, 表明在 4 量杯流量计供水管坡角 /( ) 表试验方案设计 Table Test scheme design 流量 q /(ml/min) 实测坡面承雨强度 i /(m/s) 初始质量含水率 w /% 注 :i 为垂直于坡面的等效雨强即承雨强度雨强控制阶段, 随降雨历时延长, 入渗率趋于稳定, 3 组试验稳定值相近累积入渗量试验结果如图 4 所示入渗率 ft /( -6 m/s) A 饱和渗透系数 q ml/ min q ml/ min q 4 ml/ min 9 k s 7.3 m/s 图 3 e.6 3 时入渗率随时间的变化 Fig.3 Variation of infiltration rate with time ( e.6, 3 ) 累积入渗量 Q /ml q ml/ min q ml/ min q 4 ml/ min 图 4 e.6 3 时累积入渗量随时间的变化 Fig.4 Variation of cumulative infiltration with time ( e.6, 3 ) 降雨开始 Q 与 Q 4 相近, 均大于 Q, 随降雨延续,3 组试验结果交于 B 点,B 点之后累积入渗 B

研究 3 试验装置和方案 3. 试验装置根据试验要求, 笔者等自行研制了降雨入渗试验装置, 如图所示土样室尺寸 ( 长宽高 ) 为. cm 3 cm.

4 岩土量 Q >Q> Q4 由于孔隙比较小渗透能力小 3 组试验在整个试验过程中的累积入渗量差异不力学 4. 不同孔隙比试验结果 3 q ml/min 试验结果大表明在较小孔隙比下雨强对非饱和粉质黏土坡面降雨入渗影响较小年坡角 3 流量 q ml/min 不同孔隙比的试验结果如图 7 所示图中表明了入渗率随时 e.7 3 试验结果间的变化关系显然在整个降雨历时过程中孔隙对于孔隙比 e.7 坡角 3 的试验结果比越大入渗率越大达到稳定阶段的时间越长在如图所示降雨初始阶段流量为 ml/min 时整个试验历时中 3 组试验曲线没有交点表明达入渗率下降最快同一时刻的入渗率ƒ<ƒ4<ƒ,当到稳定状态坡面入渗能力随孔隙比的增大而增大降雨历时超过 A 点入渗率ƒ<ƒ4<ƒ m/s) q ml/ min q ml/ min q 4 ml/ min 6 入渗率 ft /( 9 6 入渗率 ft /( m/s) 饱和渗透系数 ks.36 8 m/s e.6 e.7 e 图 7 图 e.7 3 时入渗率随时间的变化 Fig. Variation of infiltration rate with time (e.7, 3 ) 累积入渗量随时间变化曲线如图 6 所示在整个试验降雨历程中 q ml/min 试验累积入渗量最多表明对于 e.7 3 的试验 q ml/min 的雨强的坡面土体入渗能力强进入坡面的降雨量最多试验结束时流量为 ml/min 的试验累积入渗量值最大与其他组试验差异较大同 q ml/min 时入渗率随时间的变化 Fig.7 Variation of infiltration rate with time ( 3, q ml/min) 累积入渗量随时间变化曲线如图 8 所示孔隙比为.6 的试验累积入渗量最小孔隙比对土体的渗透能力有决定性的影响试验结束孔隙比为.7 和.8 的累积入渗量相近而孔隙比为.6 的结果小差异大表明孔隙比对入渗量的影响不仅在于试验初始阶段对稳定入渗数值影响大入渗量与孔隙比并不是简单的相关关系需深入研究时累积入渗量曲线最平缓即入渗率最小表明累积入渗量 Q /ml 短时间降雨累积入渗量 Q 值最大但在长时间的降雨下雨强较大的 Q 和 Q4 进入坡面土体的水量更多累积入渗量 Q /ml 8 6 e.6 e.7 e q ml/ min q ml/ min q 4 ml/ min 图 8 3 q ml/min 时累积入渗量随时间的变化 Fig.8 Variation of cumulative infiltration with time ( 3, q ml/min) 4 图 6 e.7 3 时累积入渗量随时间的变化 Fig.6 Variation of cumulative infiltration with time (e.7, 3 ) 3 q ml/min 试验结果坡角 3 流量 q ml/min 不同孔隙比试验结果见图 9 所示入渗率随时间的变化关系降雨入渗初期孔隙比越小入渗率下降越快

7 坡角 3 的试验结果比越大入渗率越大达到稳定阶段的时间越长在如图所示降雨初始阶段流量为 ml/min 时整个试验历时中 3 组试验曲线没有交点表明达入渗率下降最快同一时刻的入渗率ƒ<ƒ4<ƒ,当到稳定状态坡面入渗能力随孔隙比的增大而增大降雨历时超过 A 点入渗率ƒ<ƒ4<ƒ m/s) q ml/ min q ml/ min q 4 ml/ min 6 入渗率

5 增刊王成华等 : 非饱和粉质黏土坡面降雨非正交入渗试验研究 3 孔隙比越大, 入渗率越大 ; 随降雨的延续,3 组试验入渗率差异性较小, 分别达到稳定入渗状态, 与图 7 相比,3 组试验结果差异小累积入渗量试验结果如图所示随着降雨入渗的延续, 累积入渗量随时间变化变缓后渐趋于直线变化, 表明降雨入渗达到稳定状态孔隙比越大, 达到稳定状态越早, 试验结束入渗量越多, 但入渗量差异较小入渗率 ft /( -6 m/s) e.6 e.7 e 图 9 3 q ml/min 时入渗率随时间的变化 Fig.9 Variation of infiltration rate with time ( 3, q ml/min) 累积入渗量 Q /ml 8 6 e.6 4 e.7 e 图 3 q ml/min 时累积入渗量随时间的变化 Fig. Variation of cumulative infiltration with time ( 3, q ml/min) 4.3 不同坡角试验结果坡角直接决定了坡面接受雨量的多少, 同时影响着入渗能力的大小, 因此也是影响非饱和土坡降雨入渗的重要因素, 设计了 3 4 的各组试验, 以探究坡角对降雨入渗的影响 () e.7, q ml/min 试验结果孔隙比 e.7 流量 q ml/min 的试验结果如图所示图中,A 点之前 ƒ 4 <ƒ <ƒ, 表明降雨初期,3 组试验中坡角越大大, 坡面土体入渗能力越小 ;A 点以后, 入渗率大小发生变化,ƒ 最大, 表明随着坡面土体含水率不断增长及含水率梯度的变小, 入渗能力越来越小, 后趋于稳定降雨初期, 坡角越大入渗能力变化越快, 降雨延续到达 C 点,3 组试验入渗率相近, 趋于定值整个历时中, 坡度越大, 初始阶段 f t 下降得越快, 越快趋于稳定, 坡角对最终稳定值的影响不明显, 表明在此试验条件下, 坡角对稳定入渗能力的影响不显著入渗率 ft /( -6 m/s) 图 e.7 q ml/min 时入渗率随时间的变化 Fig. Variation of infiltration rate with time ( e.7, q ml/min) 累积入渗量结果如图所示 4 下的累积入渗量相近, 而坡角为下的累积入渗量大于其它两组试验, 表明水平状态的垂直入渗更有利于雨水进入非饱和土坡内累积入渗量 Q /ml 图 e.7 q ml/min 时累积入渗量随时间的变化 Fig. Variation of cumulative infiltration with time ( e.7, q ml/min) () e.7, q ml/min 坡角试验结果对于 3 4 连续坡角变化的入渗试验结果如图 3 所示入渗率 ft /( -6 m/s) 图 3 入渗率随时间的变化 ( 连续变化坡角 ) Fig.3 Variation of infiltration rate with time

8 6 8 4 3 36 4 图 9 3 q ml/min 时入渗率随时间的变化 Fig.9 Variation of infiltration rate with time ( 3, q ml/min) 累积入渗量 Q /ml 8 6 e.6 4 e.7 e.8 6 8 4 3 36 4 图 3 q ml/min 时累积入渗量随时间的变化 Fig.

6 4 岩土力学年结论 () 对非饱和粉质黏土坡面降雨入渗的室内模型试验结果表明非饱和土坡面入渗边界具有非正交性 () 对于坡角和孔隙比为定值的土坡, 具有最优雨强, 此时坡面入渗能力在整个试验阶段都较大, 导致在试验结束累积入渗量最多, 此雨强对非饱和土坡土体内土体含水率的影响最大 (3) 孔隙比越小, 降雨初期入渗率随时间变化越快, 入渗率低, 累积入渗量少, 随着降雨的延续, 入渗率趋于稳定状态越快 (4) 坡角对入渗规律的影响显著入渗率和累积入渗量并不是随坡角的增大呈单调变化, 存在最优坡角, 即此坡角下进入非饱和土坡坡面内的水量最少这一点对于研究非饱和土坡在降雨入渗下稳定性具有重要的意义参考文献 [] 樊贵盛, 李雪转, 李红星. 非饱和土壤介质水分入渗问题的实验研究 [M]. 北京 : 中国水利水电出版社,. [] 徐宗恒, 徐则民, 曹军尉等. 土壤优先流研究现状与发展趋势 [J]. 土壤,, 44(6): XU Zong-heng, XU Ze-min, CAO Jun-wei, et al. Present and future research of preferential flow in soil[j]. Soils,, 44(6) : [3] 吴伟, 王雄宾, 武会, 等. 坡面产流机制研究刍议 [J]. 水土保持研究,6, 3(4): WU Wei, WANG Xiong-bin, WU Hui, et al. Study on the mechanism of slopes-runoff[j]. Research of Soil and Water Conservation, 6,3(4): [4] 娄一青. 降雨条件下边坡渗流及稳定有限元分析 [J]. 水利学报, 7, 38( 增刊 ): LOU Yi-qing. Finite element analysis of slope seepage and stability due to rainfall infiltration[j]. Journal of Hydraulic Engineering, 7, 38(Supp.): [] 王协群, 张有祥, 邹维列, 等. 降雨入渗条件下非饱和路堤变形与边坡的稳定数值模拟 [J]. 岩土力学,, 3(): WANG Xie-qun, ZHANG You-xiang, ZOU Wei-lie, et al. Numerical simulation for unsaturated road-embankment deformation and slope stability under rainfall infiltration[j]. Rock and Soil Mechanics,, 3(): [6] 陈力, 刘青泉, 李家春. 坡面降雨入渗产流规律的数据模拟研究 [J]. 泥沙研究,, (4): CHEN Li, LIU Qing-quan, LI Jia-chun. Study on the runoff generation process on the slope with numerical method[j]. Journal of Sediment Research,, (4): [7] 刘俊新, 刘育田, 胡启军. 非饱和地表径流 - 渗流和流固体耦合条件下降雨入渗对路堤边坡稳定性研究 [J]. 岩土力学,, 3(3): LIU Jun-xin, LIU Yu-tian, Hu Qi-jun. Stability of embankment slope subjected to rainfall infiltration considering both runoff-underground seepage and fluid-solid coupling[j]. Rock and Soil Mechanics,, 3(3): [8] 童富果, 田斌, 刘德富. 改进的斜坡降雨入渗与坡面径流耦合算法研究 [J]. 岩土力学, 8, 9(4): TONG Fu-guo, TIAN Bin, LIU De-fu. A coupling analysis of slope runoff and infiltration under rainfall[j]. Rock and Soil Mechanics, 8, 9(4): [9] 张国华, 张展羽, 左长清, 等. 坡地自然降雨入渗产流的数值模拟 [J]. 水利学报, 7, 38(6): ZHANG Guo-hua, ZHANG Zhan-yu, ZUO Chang-qing, et al. Numerical simulation of runoff generation on slope under the condition of natural rainfall[j]. Journal of Hydraulic Engineering, 7, 38(6): [] WOOLHJISER D A, LIGGET J A. Unsteady, one dimension flow over a plane The rising hydrograph[j]. Water Resources Research, 967, 3(3): [] YEN B C. Stormwater runoff on urban areas of steep slope[m]. Environmental Protection Technology Series. US: Environmental Protection Agency, 977. [] 薛禹群, 谢春红. 地下水数值模拟 [M]. 北京 : 科学出版社, 7: -8. [3] 张成林. 非饱和砂土降雨非正交入渗试验研究与数值分析 [D]. 天津 : 天津大学, 3. [4] 金奎. 基于数字图像处理技术的非饱和粉土坡面降雨非正交入渗机理研究 [D]. 天津 : 天津大学, 4. [] 雷志栋, 杨诗秀, 谢森传. 土壤水动力学 [M]. 北京 : 清华大学出版社, 988.

入渗量并不是随坡角的增大呈单调变化, 存在最优坡角, 即此坡角下进入非饱和土坡坡面内的水量最少这一点对于研究非饱和土坡在降雨入渗下稳定性具有重要的意义参考文献 [] 樊贵盛, 李雪转, 李红星.

何秋琳张立春视觉学习研究进展视觉注意视觉感知

何秋琳张立春视觉学习研究进展视觉注意视觉感知第卷第期年月开放教育研究何秋琳张立春华南师范大学未来教育研究中心广东广州随着图像化技术和电子媒体的发展视觉学习也逐步发展为学习科学的一个研究分支得到研究人员和教育工作者的广泛关注基于此作者试图对视觉学习

岩 土 力 学 年 内 模 拟 降 雨 装 置 研 究 3 种 孔 隙 比 的 非 饱 和 粉 质 黏 土 土 坡 在 不 同 雨 强 坡 角 下 的 入 渗 规 律 降 雨 入 渗 研 究 存 在 的 问 题. 坡 面 入 渗 模 型 当 坡 面 产 生 积 水 时, 要 准 确 确 定 土 体

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