水热耦合作用下季节冻土边坡降雨入渗规律及入渗机理

摘要

为研究春融期降雨工况下季节冻土边坡水热迁移规律及降雨入渗机理，选取季节冻土区高速公路路堤边坡为研究对象，基于非饱和冻土水热迁移耦合模型结合降雨入渗边界条件，提出了降雨入渗条件下冻土边坡水热耦合理论与数值计算方法，并通过COMSOL有限元仿真软件对冻土边坡降雨入渗过程进行计算，分析不同降雨强度、初始含水率对冻土边坡体积含水率、温度、入渗率、湿润锋变化影响规律，同时开展冻土边坡降雨入渗模型试验研究，并将试验结果与数值模拟结果对比分析，验证了数值方法合理性。研究结果表明：中雨、大雨强度降雨持续12 h后，降雨入渗深度可达50 cm,受非饱和状态及孔隙冰阻碍渗流通道影响，降雨初期冻土边坡入渗率极低，随着冻土逐渐融化，入渗率逐渐提高；水热迁移耦合模型可较好体现降雨强度、初始含水率对于冻土边坡水热状态变化的影响规律，降雨强度越大，冻土边坡含水率上升越快；初始含水率越高冻土边坡中体积冰含量越高，降雨前期边坡体积含水率变化较慢，后期变化速度加快，初始含水率越大，温度上升迟缓现象越明显；相较于常温边坡降雨入渗规律，冻土边坡湿润锋增长速度呈现明显的初期缓慢-加速-放缓三段式发展，湿润锋深度在10 cm以内变化缓慢，湿润锋深度增大至10 cm后增长迅速，超过20 cm时增长再次放缓。