黄土边坡降雨入渗规律及其对边坡稳定性的影响

以位于青海西宁盆地的某黄土边坡为例,选取较为典型的3次天然降雨,研究了坡体土壤含水量变化和不同降雨历时、降雨强度下的降雨入渗规律,重点分析了降雨入渗对黄土边坡稳定性的影响。结果表明,降雨过程中黄土边坡土壤含水量逐渐增加,降雨结束后随着雨水的继续入渗和蒸发,含水量又逐渐减小;在相同的降雨历时条件下,降雨强度12.50 mm/h时边坡土壤含水量及入渗深度均较降雨强度4.28和0.88 mm/h时大,且坡脚处含水量的增加幅度略大于坡顶;边坡土壤含水量从12.74%增加到27.91%,黏聚力从23.47 kPa降低到9.93 kPa,边坡安全系数从1.67降低到1.31,坡顶和坡脚处的剪应力值分别增大了1.76和17.24 kPa,说明坡脚处应力集中现象与降雨入渗密切相关。     

持续降雨条件下黄土边坡稳定性试验研究

滑坡是黄土丘陵沟壑区常见的重力侵蚀,降雨是黄土边坡失稳的主要诱因。为了研究持续降雨条件下黄土边坡的稳定性,采用人工降雨装置进行室外现场试验,测量土体含水率、密度、滑坡剪切带位置以及裂缝的发育等情况,并使用FLAC3D软件计算模拟持续降雨条件下裂缝发育对边坡稳定性的影响。结果表明:随着降雨历时的增加,黄土边坡土体的含水率逐渐增大,土体强度降低,而且自重增大,坡面冲蚀沟逐渐发育,坡脚出现滑塌,坡顶出现拉裂缝,裂缝加剧了降雨的集中入渗,使得裂缝周边土体强度快速降低,最终导致在降雨历时至308.8 h时发生滑坡,持续降雨和裂缝引起的集中入渗加速了土体强度的降低,导致了滑坡,裂缝发育得越深、数量越多,对边坡稳定性危害越大。研究结果为降雨条件下的黄土边坡稳定分析研究和地质灾害防治提供方法和技术支撑。     

降雨非饱和入渗对土壤热量运移变化的影响

高温季节土壤表层温度非常高，土壤内部含水率较低，突发性降雨对于土壤温度动态变化和水热交换运移影响极大。为了揭示降雨非饱和入渗对土壤热量运移变化的影响，该研究建立了反映降雨入渗过程的土壤热量运移数学模型，编制了有限元数值计算程序，针对南京雨花台区典型土壤，开展了降雨非饱和入渗对土壤热量运移影响的数值计算与分析研究。结果表明：不考虑降雨入渗情况下，土壤温度变化与热量运移主要是表层土壤与环境之间的热交换作用引起，热量运移影响深度约0.2 m；降雨强度45 mm/h作用下，随降雨历时增加，雨水全部自由入渗到土壤内部，土壤内部基质吸力呈线性递减趋势，湿润锋面逐渐下移，土壤体积含水率快速增加；湿润锋过后的土壤体积含水率逐渐接近于饱和体积含水率，土壤入渗能力逐渐下降，直至趋于饱和入渗率；在降雨非饱和入渗影响下，入渗到土壤孔隙中的低温雨水与土壤颗粒发生热量交换，进而改变了原有土壤温度场分布，并随着降雨入渗深度的持续增加，降雨入渗过程对土壤热量运移的影响呈现逐渐减弱趋势。经过现场实测数据与模拟计算结果验证，随着降雨历时增加，土壤体积含水率实测值和数值计算值相对误差保持在±3.99%以内，均方根误差RMSE为0.01 cm3/cm3；土壤温度实测值和数值计算值的相关误差保持在±2.72%以内，均方根误差RMSE为0.55℃，模拟计算结果和现场实测数据均吻合较好，表明该模型对描述降雨非饱和入渗过程土壤热量运移规律的适应性较强，数值计算程序合理。研究成果可为农业水利工程与水土保持、土壤水文水资源的分布与利用、城市水资源控制与生态环境保护等领域提供重要参考。     

非饱和黄土边坡安全系数变化分析

依据非饱和黄土抗剪强度随土壤质量含水量的变化关系,采用Morgenstern-Price法,分析了黄土边坡不同边坡高度、不同体积含水量情况下边坡安全系数的变化规律,并进一步研究了降雨对黄土边坡安全系数的影响。结果表明:边坡安全系数随边坡高度和体积含水量(以土壤饱和度反映体积含水量的变化)的增大而减小,安全系数=1.5是边坡安全系数随边坡高度、土壤饱和度变化的临界值,对于本研究中的边坡模型,1 m边坡高度变化与1百分点体积含水量变化对安全系数的影响相近;降雨过程中,安全系数随降雨历时增加而降低,安全系数变化速率与雨强成正比,雨强越大,安全系数随降雨历时减小得越快。     

降雨入渗下残积土坡的失稳机理与加固治理

针对典型非饱和花岗岩残积土边坡,基于饱和—非饱和渗流理论,分析了降雨入渗条件对残积土边坡渗流场与稳定性的影响,以及相应的加固治理方案。研究结果表明,边坡近坡表处的最大孔隙水压力和体积含水率均随降雨历时和降雨强度的增大而增大,从坡顶往下呈现大—小—大的变化趋势,且影响深度均随之增大;边坡稳定性在降雨初期下降比较显著,随着降雨历时增大,边坡稳定性下降趋势变缓并逐渐趋于一稳定值;当降雨历时较短时,降雨强度仅改变了近坡表附近的孔隙水压力分布及含水量,降雨强度对于边坡浅层溜方的影响不容忽视。鉴于基质吸力对边坡稳定影响很大,建议在工程设计中应考虑基质吸力对边坡稳定性的影响。     

室内模拟降雨条件下黄土植被边坡径流试验研究

通过室内人工模拟降雨,分别对种植柠条锦鸡儿、披碱草的两个坡面土槽及一个裸地坡面土槽进行不同降雨强度、降雨历时以及不同季节的降雨试验,试验得出边坡种植柠条锦鸡儿和披碱草后降雨的产流量、产流历时、径流转化率等指标,按柠条锦鸡儿、披碱草、裸地顺序递增,雨后土壤含水量的变化是按裸地、柠条锦鸡儿、披碱草顺序递减。该项试验结果,对于进一步研究黄土植被边坡护坡水文效应、评价草本和灌木植物护坡贡献,以及有效防治水土流失、滑坡等浅层地质灾害的发生,具有重要的理论研究价值和实际指导意义。     

深层干化黄土自然降雨入渗特征试验研究

为探讨自然降雨在黄土区干化土壤中的入渗性能,研究干化黄土的降雨入渗机制,在陕北米脂试验站,建立野外10 m大型土柱模拟枣林地深层干化土壤,利用CS650-CR1000土壤水分自动监测系统对2014-2019年的土壤水分状况进行了连续定位监测。结果表明:(1)日降雨量为33.6,35.6 mm的大雨(降雨强度分别为3.73,2.97 mm/h,降雨历时9.0,12.0 h)状况下,最大入渗深度为140,100 cm,累积入渗量达20.05,16.10 mm;日降雨量为19.0,16.8 mm的中雨(降雨强度分别为2.24,1.53 mm/h,降雨历时8.5,11.0 h)状况下,最大入渗深度为90,60 cm,累积入渗量达8.12,9.77 mm;日降雨量为9.6,8.8 mm的小雨(降雨强度分别为1.48,0.76 mm/h,降雨历时6.5,11.5 h)状况下,最大入渗深度为30,20 cm,累积入渗量仅为1.05,0.23 mm。(2)降雨入渗的湿润锋运移深度(Z_i)随时间(T)呈幂函数Z_i=aT^b增加。(3)雨水的入渗历时包括降雨历时、自降雨停止至入渗结束两个时段。6次降雨(33.6,35.6,19.0,16.8,9.6,8.8 mm)在降雨停止后时段内的入渗深度分别为100,60,70,40,30,20 cm,入渗量依次为9.86,10.78,2.09,8.42,1.05,0.23 mm。在总入渗历时内,6次降雨入渗补给系数分别为0.60,0.45,0.43,0.58,0.11,0.03。黄土区降雨入渗深度受降雨量、降雨强度、入渗历时影响较大,提高单次降雨的雨量有助于提升雨水入渗补给系数,促进干化土壤得到有效水分修复。     

苏南丘陵区毛竹林坡面土壤水分对降雨的响应

[目的]研究苏南丘陵区毛竹林涵养水源机制,降低由于毛竹集约经营而导致水土流失的影响。[方法]选取南京市铜山林场的毛竹林,采用ECH2O土壤含水率检测系统于2012年6月5号至2013年8月28号以每0.5h监测1次的频率在坡面土壤深度为10,15,40,60cm的4个深度层次进行土壤水分定位监测,分析了不同降雨强度条件下苏南丘陵区毛竹林地各土壤层次水分变异过程,得到各土壤层次体积含水率变化过程对降雨强度的响应曲线,并提出侧向流以及分析其对不同雨强的响应特征。[结果]10,15cm层次土壤含水率变化趋势与降雨量变化趋势具有一致性,40,60cm层次土壤含水率的峰值相对延迟0.5~1.5h;小雨条件下,土壤含水率的变化幅度自表层到40cm土层呈现逐渐减小的趋势,中雨和大雨条件下,15—60cm层次土壤含水率的变化幅度表现出随深度增加而增大的趋势,大雨条件下此趋势更加明显;小雨、中雨和大雨条件下最大侧向流分别为10.17,60.26和95.92mm。[结论]随着深度的增加,土壤含水率与降雨量的同步性呈现下降趋势;不同雨强条件下各层土壤含水率的变化幅度存在明显差异;降雨入渗表现为非饱和入渗,每场降雨垂直面上都有不同程度的侧向流存在,主要集中在40—60cm层次,其主要受土壤结构和降雨强度的影响。     

不同土地利用方式下农地土壤侵蚀与养分流失

利用人工模拟降雨装置对影响坡耕地土壤入渗的诸因素进行了研究。发现坡面产流历时与土壤容重、初始含水率、坡度、降雨强度、耕作管理措施呈负相关;土壤稳渗速率与降雨强度、耕作管理措施呈正相关,与土壤容重、初始含水率、坡度呈负相关。通过综合因素分析可知,影响坡面土壤入渗和产流历时的主要因子为土壤物理性质和耕作管理措施。     

北方土石山区坡面水土流失特征研究

[目的]揭示北方土石山区坡面水土流失规律，为山区土壤侵蚀防治和生态建设提供科学依据。[方法]利用1988—1991年坡面径流小区观测数据，运用统计和相关分析等方法，对不同下垫面条件下坡面水土流失特征进行了分析，并探讨了坡面径流深度、土壤侵蚀模数、土壤入渗率与有效降雨量、平均降雨强度、降雨历时、降雨等级的关系。[结果](1)在5°08′～24°08′坡度范围内，坡面径流深度随坡度增加逐渐减小，土壤侵蚀模数和土壤入渗率随坡度增加逐渐增大；(2)在2.18～33.19 m坡长范围内，坡面径流深度随坡长增加逐渐减小，土壤侵蚀模数和土壤入渗率随坡长增加呈现先增后减的变化趋势，存在临界坡长；(3)随着植被覆盖度增加，坡面径流深度、土壤侵蚀模数迅速减小，土壤入渗率逐渐增加；裸地的坡面径流深度和土壤侵蚀模数显著高于30%植被覆盖度坡面，但植被覆盖度由30%增加到60%,90%时，坡面水土流失过程的影响差异并不明显，说明在水土流失治理中存在临界植被覆盖度；(4)坡面径流深度、土壤侵蚀模数主要受到有效降雨量和平均降雨强度影响，且均呈显著正相关；而土壤入渗率主要受到平均降雨强度和降雨历时影响，与平均降雨强度...     

黄土丘陵区柠条人工林土壤水分动态变化特征及降雨特征对其影响

明确黄土丘陵区降雨对土壤水分影响，对准确评估降雨格局变化对生态系统结构和功能的影响具有重要意义。以陕北黄土丘陵区退耕地栽植后自然撂荒23年的柠条人工纯林为研究对象，通过土壤湿度传感器监测不同土层土壤体积含水量，探讨不同土层土壤水分补充增量对降雨特征(降雨量、降雨历时和降雨强度)的响应。结果表明：(1)土壤水分消耗和补充主要集中于0-500 cm土层，其月变化在垂直剖面呈“双峰”(4—5月)、“单峰”(6月)和“双峰”(7—10月),随土层深度增加变化率减弱；(2)当降雨量>4 mm时表层土壤水分得到有效补充，当其超过142.8 mm时补充深度可到达200 cm土层，其中长历时强降雨较短历时强降雨对土壤水分补充增量小，但其补充深度较深，达到峰值时间长，但小降雨长历时则土壤水分补充增量较小；(3)降雨特征对土壤水分影响随土层深度增加而减弱，其中降雨量和降雨历时对土壤水分影响主要在0—50 cm土层，而降雨强度对其影响主要在0—30 cm土层。降雨量(降雨历时)和土壤水分补充增量对数拟合最优，而降雨强度与其则表现为幂函数拟合最优，其可分别解释土壤水分补充增量的39%～76%(降雨量)、...     

紫花苜蓿对黄土边坡浅层破坏防护时间效应的数值分析

为探究紫花苜蓿对黄土边坡浅层破坏防护的时间效应,该研究考虑降雨入渗条件并以含不同生长期紫花苜蓿的黄土边坡为例,基于室内土工试验获取参数,分别采用含植物根系的无限边坡模型和数值模拟两种方法进行稳定性分析。结果表明：降雨作用使得边坡潜在滑动面位置由坡体内部转移到降雨最大入渗深度处;随着坡面植被的生长,边坡浅层土体的强度逐渐提高,潜在滑动面又逐渐转移到边坡内部。根据数值模拟强度折减法,边坡稳定系数随着植被生长不断增大。对比无限边坡模型与数值模拟方法计算的边坡稳定系数,植物根系生长到1.0 m且不论在天然状态或降雨条件下黄土边坡均处于稳定状态,植物根系在0～0.8 m且在降雨条件下时处于不稳定状态,随着边坡植物生长期的延长,边坡稳定系数总体变化趋势一致,即先降低再逐渐增大。草本植物随着生长期的延长,对降雨条件下黄土边坡坡面侵蚀有明显的抑制作用,从而草本植物根系生长能够提高黄土边坡稳定性。当草本植物生长时间达到150 d时,能够有效防治黄土坡面侵蚀,并提高黄土边坡稳定性,因此草本植物生长的前5个月为关键期。研究成果对于黄土边坡浅层破坏防护以及实现黄土地区可持续发展具有重要的理论意义和应用价值。     

具有未完全解冻层坡面产流历时的影响因素

春季解冻期土壤坡面包含解冻土层和冻结土层,产流过程有别于非冻融土壤.以我国东北白浆土、黑钙土、棕壤、褐土为研究对象,通过室内降雨模拟试验,分析具有未完全解冻层坡面产流历时的影响因素.结果表明：1）初始土壤含水率是影响产流历时最重要的因素,产流历时随初始土壤含水率的增加而明显缩短,其中,白浆土达到了显著水平;2）产流历时与含水率呈对数函数关系;3）在4种土壤坡面上,降雨强度对产流历时影响不大;4）土壤初始解冻深度对产流历时的影响没有表现出规律性;5）多元回归分析后,推荐春季解冻期产流历时采用指数函数回归;6）侵蚀量峰值出现的时间与产流历时呈负相关;7）白浆土、黑钙土和棕壤侵蚀总量与产流历时呈负相关.     

黄土浅层降雨入渗规律研究

[目的]探讨黄土浅层降雨入渗规律,为研究降雨黄土滑坡机理提供理论参考。[方法]以陕西省延安市大路沟滑坡为例,在不同深度裂缝处与非裂缝处布置监测仪器,结合数值模拟手段分析入渗规律。[结果](1)研究区浅层地表通过降雨入渗补给,蒸发排泄。降雨对土体含水量的影响主要体现在土体含水量对降雨的响应时间和响应程度上,存在一定的滞后性,并且随着深度的增加滞后性越明显,蒸发排泄对土体含水量的影响表现在土体的深度和受光面积上,土体的深度越大,土体体积含水量受到蒸发作用影响越小。(2)黄土浅层土体含水量对降雨十分敏感,当降雨量3mm/d时,黄土浅层地表土体含水量基本不受降雨的影响,当3mm/d降雨量40mm/d时,土体含水量随雨水的入渗而变化,并且含水量的变化与降雨量大小成正相关。[结论]由模拟不同工况下雨水入渗过程显示,在雨水入渗过程中,浅层裂缝对降雨入渗深度影响很小,并且研究区黄土入渗深度有限。     

黄土高原地区鱼鳞坑坡面侵蚀演化过程及水力学特征

为明确鱼鳞坑坡面抗侵蚀演化过程及其水流水力学特性,采用间歇性人工模拟降雨实验,对鱼鳞坑坡面水流水力学特性以及阻力规律进行了系统分析。结果表明:(1)鱼鳞坑坡面侵蚀演化过程表现为:雨滴溅蚀—片蚀—股流冲刷—跌坑—细沟侵蚀—下切侵蚀—溯源侵蚀—崩塌。(2)随着降雨历时的增加,由于鱼鳞坑的层层拦截与蓄满,其下方的坡面径流流速、水深均呈波动式增长趋势,坑内出现旋涡,坡面径流呈现断续股流。降雨累积历时为58 min左右,总降雨量达到87 mm时,鱼鳞坑侵蚀量急剧增加,拦蓄径流作用失效。(3)五场降雨过程中,上坡和中坡水流流态为层流,下坡由于鱼鳞坑蓄满后径流出现波动,水流流态由层流变为紊流且时而为缓流时而为急流。(4)鱼鳞坑坡面水流阻力来源于降雨阻力、颗粒阻力、形态阻力叠加,在整个降雨过程中阻力总和呈下降趋势;其中,受地形高低起伏、地表糙度的影响,形态阻力一直居于主导地位。     

砒砂岩-黄土沟谷土壤含水量的时空变化

以晋、陕、蒙交界地区常见的砒砂岩-黄土丘陵沟谷为研究对象,分别于2005年7月和lO月对沟谷不同部位土壤含水量进行了测定.结果表明,其时空变化特征明显.(1)沟谷不同部位土壤平均含水量大小为7月份:沟谷底部14.44%,阳坡顶部9.29%,阴坡顶部9.01%,阴坡中部8.25%,阳坡中部6.36%;10月份:沟谷底部9.96%,阴坡顶部9.81%,阳坡中部9.48%,阴坡中部9.09%,阳坡顶部8.06%.(2)砒砂岩平均含水量季节变幅小,属稳定型;黄土及有冲积层的黄土平均含水量季节变化较大,属波动型.(3)在砒砂岩剖面上,泥岩含水量显著大于砂岩,砒砂岩坡面平缓的地段贮水能力比陡的地段大.(4)在黄土剖面上,明显出现土壤干层现象,在夏季、秋季降雨较少的情况下,土壤水分会严重降低,土壤水分处于负补偿状态,土壤干层距地表更深.在半干旱地区的砒砂岩-黄土丘陵沟壑区,黄土剖面土壤干层的发生是一个自然现象,随降雨量的多寡,呈消长状态.     

草甸土冻融环境与春季解冻期降雨侵蚀模拟研究

以我国东北草甸土为研究对象,采用人工模拟降雨方法,分析试验区冻融环境及春季解冻期室外降雨侵蚀过程。结果表明:温度大体经历了降温、稳定和升温3个阶段,对应地表土壤经历了冻结、稳定冻结和融化3个过程;表层土壤在冻结和融化的两个过程中都经历了冻融作用,其中10月末至12月初和2月中下旬至3月上中旬均是地表土壤经受冻融交替作用强烈的时期,特别是融化阶段是控制春季解冻期土壤侵蚀的关键时期;冻融前后土壤含水率减小19%、土壤容重减小8.9%;整体土壤侵蚀速率表现为增加趋势;小雨强解冻深度浅的处理,侵蚀速率增加幅度不大,坡面细沟以宽浅型为主;大雨强侵蚀速率波动性增强。     

喀斯特地区黄壤坡面土壤水分对降雨的响应

土壤水分是喀斯特地区水文生态环境的重要因素。通过在不同土地利用设置试验点,对降雨和20,40,80,100 cm深度土壤水分进行监测分析,揭示不同土地利用条件下土壤水分在降雨过程中的变化规律。结果表明:(1)植被盖度、土壤前期贮水量等因素对土壤水分的降雨补给量和土壤水分在土壤剖面上的再分配具有明显的影响。(2)土壤水分的降雨补给量在土壤剖面上的分布具有一定的层次性,随土层深度的增加整体表现为先增加后减少再增加的趋势;表层降雨补给量最小,最大降雨补给量多出现在100 cm深度。(3)土壤水分对降雨的响应具有滞后效应,并随土层深度增加而增强,随盖度增加而减弱。(4)在降雨影响阶段,可将土壤水分变化分为滞后期、上升期和消退期3个阶段;降雨过程中,植被盖度越高,降雨强度越大,土壤水分变化越快,并随着土层深度的增加减缓。研究结果为水资源的合理利用和配置以及水土保持提供参考和理论依据。