种植土-碎石绿化带雨水入渗的数值分析

摘要

为分析理论解析法求解种植土-碎石绿化带雨水入渗问题的合理性,建立了非饱和种植土-碎石绿化带雨水入渗的有限元模型,模型上边界设置储水表皮,模拟雨水入渗和积蓄,下边界为饱和排水,模型两侧不透水.首先,利用有限元模型模拟了均匀降雨条件下的雨水入渗特征,与理论解析解对比,验证了模型的正确性.然后,利用有限元模型计算石家庄市2年重现期3 h设计暴雨雨型条件下种植土的雨水入渗,地表开始积水时间、降雨结束后积水深度、雨量径流系数分别为0.75 h,13.6 cm和0.24,均匀降雨理论解析解计算结果分别为0.72 h,14.4 cm和0.17,两种方法计算结果相差不多.再次,利用有限元模型计算了下边界孔压变化、上边界孔压变化条件下的种植土地表开始积水时间,结果表明随着下边界孔压降低,地表开始积水时间延长,随着上边界孔压降低,地表开始积水时间延长,当下边界孔压为0 kPa时,初始上边界孔压分别为-6 kPa和-12 kPa,地表开始积水时间分别为45 min和50 min,地表开始积水时间有一定差异;当初始上边界为-6 kPa,下边界分别为0 kPa,-1 kPa,-2 kPa和-3 kPa时,地表开始积水时间分别为45 min,45 min,46 min和47 min,下边界条件对地表开始积水时间影响较小.地基土渗透系数为6.5×10-9 m/s,地基土孔隙水压力分别为0 kPa,-4.5 kPa,-9 kPa,-13.5 kPa和-18 kPa,利用有限元模型求解获得种植土地表开始积水时间分别为54 min,54 min,55 min,55 min和56 min,地表积水深度分别为11.9 cm,11.7 cm,11.5 cm,11.4 cm和11.3 cm,随着地基土孔隙水压力降低,种植土地表开始积水时间略有延长,种植土地表积水深度略有降低,总体上地基土孔隙水压力对种植土地表积水时间和积水深度影响不大.地基土孔隙水压力0 kPa,渗透系数分别为6.5×10-9 m/s和6.5×10-7 m/s,利用有限元模型计算获得种植土地表开始积水时间均为54 min,积水深度均为11.9 cm,地基土渗透系数对种植土地表积水时间和积水深度基本无影响.从上述研究结果可以看出,可以使用平均降雨强度和理论解析法计算地表开始积水时间和积水深度;下边界条件对地表开始积水时间和积水深度影响不大;地基土的饱水渗透系数、地基土的初始含水率对地表积水开始时间和地表积水深度影响不大;使用理论解析解求解种植土-碎石绿化带雨水入渗问题是合理的.