浅层非饱和带降雨入渗规律的试验与数值研究

摘要

降雨引起浅层滑坡的预测、面源污染的评估、农业水土的保持、水资源的评价等都要求对降雨边界条件下的入渗规律有充分认识,合理计算入渗雨量方法的选择是掌握降雨入渗规律的关键.本文针对计算入渗雨量合理方法的确定及浅层非饱和带降雨入渗机理的掌握为研究目的,开展了如下的工作:1、通过自行设计的室内人工降雨土柱试验,揭示了降雨入渗量的变化过程,分析了主要因子对入渗量的影响.试验结果表明:①大于饱和渗透系数的降雨的入渗过程可分为降雨控制入渗阶段、非饱和入渗阶段和饱和入渗阶段,积水点和饱和点是三者的分界点.②降雨强度和初始含水量是影响入渗量的主要因素.2、在室内人工降雨试验结果的基础上,对计算入渗雨量的Mein-Larson模型的应用进行了评价.解析方法(Mein-Larson模型)只能在恒定降雨和均匀初始含水率的条件下求解,且主要参数ψ<,f>严重影响结果的稳定,所以此方法实际应用中有缺陷.3、在降雨入渗能力研究的基础上,改进了降雨入渗边界的计算方法,并对影响计算结果的非饱和特征参数和该方法的适用范围进行分析.仅用表层土的极限入渗率作为入渗能力存在一定的问题,文中改用计测表层土体基质吸力的方法判断表层土体是否由流量边界进入定水头入渗边界.通过试验对计算结果的验证表明,该计算方法可以对降雨入渗的过程进行比较符合实际情况的模拟.4、利用改进的降雨入渗边界计算方法,通过数值计算对降雨入渗能力影响因子及降雨入渗与水分运移的关系进行分析.①土粒粗细和压实度与降雨入渗能力之间关系密切,降低土粒的细度和增加压实度可以降低水分渗透.②当降雨强度小于土体的饱和渗透系数时,表层土体达不到饱和状态,最终的稳定入渗只能达到一个非饱和入渗状态.

目录

文摘

英文文摘

第1章绪论

1.1引言

1.2研究现状及存在问题

1.3研究目的和内容

1.4研究的技术路线

1.5本论文章节构成

第2章降雨入渗及入渗能力土柱试验

2.1概述

2.2降雨入渗试验

2.3降雨入渗过程中的饱和-非饱和渗透现象

2.4降雨入渗主要影响因子的分析

2.5极限降雨下入渗规律的研究

第3章垂直入渗的支配方程及降雨入渗试验的Green-Ampt理论解析

3.1概述

3.2饱和-非饱和渗流支配方程以及初始条件和边界条件

3.3支配方程的理论解析

3.4降雨入渗试验的Green-Ampt(1973)理论解析

3.5结论

第4章降雨入渗试验的有限元数值模拟

4.1概述

4.2有限元分析方法(Finite Element Method)

4.3非饱和土样特征参数的测定与推定

4.4降雨入渗边界的计算方法

4.5降雨入渗数值模拟的初步验证

4.6非饱和特征参数对数值模拟的影响

4.7降雨入渗数值模拟与室内试验的比较及误差分析

4.8结论

第5章降雨入渗能力影响因素分析

5.1概述

5.2表层土体水分状况与入渗能力的关系

5.3土体压实度对入渗能力的影响

5.4土的种类对入渗能力的影响

第6章土柱内水分运移与降雨入渗的关系

6.1土柱内水分运移对降雨入渗过程的影响

6.2不同降雨强度对水分运移的影响

6.3湿润锋面下移距离对边界入渗的影响

第7章结论与展望

7.1结论

7.2展望

参考文献

致谢

附录