黄河大堤非饱和土边坡渗透分析

利用改进的非饱和土三轴仪,对取自黄河大堤开封段的土样进行了土水特性和渗透性试验,根据试验结果对非饱和土的渗透性进行分析,推导出了适合黄河大堤的渗透函数方程,并应用二维饱和-非饱和有限元渗流分析程序得出洪水时期黄河大堤中的含水量、浸润线的变化、水头分布,为拟定必要的渗流控制和堤坝的补强、加固措施提供理论依据。     

三维饱和-非饱和瞬态渗流的ANSYS模拟

利用ANSYS热分析模块进行三维饱和-非饱和瞬态渗流分析.提出了适用于ANSYS非饱和瞬态渗流的迭代算法和动边界处理技术,在初始迭代步中,将逸出面作未知边界处理,而在后续迭代步中通过计算边界流通量修改边界条件.给出了容水度计算的修正公式,根据每次迭代的渗流场结果不断修正介质相对透水率和容水度,并自动调整时间步长.采用ANSYS二次开发平台APDL语言编制三维饱和非饱和非稳定渗流程序,公开了程序的部分代码.最后通过算例分析验证了程序的正确性.     

多元结构地基抬田饱和非饱和渗流模型试验

结合江西峡江枢纽控制工程中的库区抬田研究课题,开展多元结构地基上抬田饱和非饱和渗流模型试验研究。结果表明,在稳定渗流条件下,防渗层内部的天然水头势随时间变化属于饱和-非饱和渗流,孔隙水压力总体较小,负压水头势在防渗层以上部分表现为随埋深增加而增大;在有地下水顶托时抬田结构渗流量稍有增加。但均符合设计规范对地基渗流的要求,用试验结果修正的三维有限元计算模型对抬田结构进行模拟计算,大量减少了试验工作量,且结果满足实际工程需要。     

破碎花岗岩非达西渗流的试验研究

为研究破碎岩体的渗流特性和非达西流的判别准则,利用Triaxial Cell三轴试验系统将3组饱和完整花岗岩进行破碎,获取破碎岩体,开展不同围压条件下高水力梯度的渗流试验。试验结果表明,采用Forchheimer方程拟合水力梯度▽P与渗流流量Q的实测数据点,相关系数趋近于1,渗流表现出显著的非线性;随着围压的增大,Forchheimer方程拟合系数A与B呈上升趋势,即岩样渗透性降低,渗流非线性增强,并且破碎花岗岩的非达西系数β随着固有渗透率k的减小近似呈幂函数关系增大。利用该幂函数关系式提出一类能直观判定达西流和非达西流的指标参数——水力梯度比Φ_P和流量比Φ_Q,指标参数的选择和临界值的确定取决于不同工程的目标需求。     

黄河滩地砂卵石介质非达西渗流参数预测

以黄河中游河床自然沉积砂卵石介质为研究对象,通过室内较大尺度物理模型的系统渗流试验,建立了基于不均匀系数、曲率系数和有效孔隙率预测非达西渗流参数渗透率和惯性系数的BP神经网络模型并进行模型验证。结果表明,黄河滩地砂卵石介质中渗流的水力梯度与渗透流速之间不能很好地符合达西定律,而呈非线性关系,Forchheimer方程能很好地描述这一阶段的水流运动过程;建立的关于预测渗透率和惯性系数的BP神经网络模型能够给出比较满意的Forchheimer方程中的渗透率和惯性系数。     

强降雨条件下坝肩边坡抗滑稳定性分析

基于饱和-非饱和渗流理论和非饱和土强度理论,建立降雨条件下边坡稳定性分析有限元数值模拟模型,研究考虑强降雨条件下渗流场变化导致饱和区渗透力变化而影响边坡稳定性的强度折减分析法。将此方法应用于广东省乐昌峡左岸坝肩边坡,进行降雨过程边坡渗流变化情况及稳定性变化分析。分析结果表明：在强降雨条件下,地表水入渗将直接导致非饱和区范围缩小、压力水头升高及局部暂态饱和区出现;考虑饱和区渗透力变化的影响,降雨入渗时边坡稳定性将会下降,但由于边坡开挖使得坡角较为平坦,而且上层强风化层的渗透系数较低,故此时边坡仍然处于稳定状态。     

施加生物质炭对盐渍土土壤结构和水力特性的影响

以江苏省沿海围垦区盐渍土为研究对象,基于Micro-CT图像扫描技术,分析施加生物质炭后改良盐渍土土壤孔隙度、土壤水分特征曲线以及非饱和导水率等土壤特性的变化,并建立分形模型预测土壤水力性质,以此揭示施用生物质炭对于海涂围垦区盐渍土土壤结构和水力特性的影响。试验设置0、2%、5%(与表层0～20 cm土壤质量比) 3个生物质炭添加水平,重复3次。结果表明:施加5%生物质炭显著降低盐渍土土壤容重,增加土壤总孔隙度和大孔隙度;大于0. 25 mm水稳性团聚体质量分数显著增加,增加土壤孔隙分形维数;提高土壤饱和含水率和饱和导水率;结合Micro-CT图像扫描技术和孔隙分形理论预测改良盐渍土土壤水分特征曲线和非饱和导水率,预测效果精度高,能够用于实际问题的研究。     

土壤容重变化与土壤水分状况和土壤水分检测的关系研究

以湖北地区黄棕壤、水稻土、潮土为供试土壤,通过土壤在脱水干燥过程中客重增大和模拟不同容重级别土壤所引起的土壤水分状况变化,研究了土壤容重与体积含水量、土壤水分类型、土壤水分利用、土壤水分运动相伴变化的关系以及土壤容重与土壤水分检测的关系.试验结果表明,随着土壤容重增加,其饱和含水量、重力水含量、有效水含量减小,其凋萎含水量、无效水含量增加;其饱和导水率减小,非饱和导水率增加;同时土壤容重变化影响土壤水分运动参数的表述和土壤水分运动方程的应用以及土壤水分检测及其结果的应用.     

生物炭对不同坡度坡耕地土壤水动力学参数的影响

在3种地形坡度条件下,开展了施加生物炭后连续两年的土壤水动力学效应试验研究,探究不同坡度坡耕地施加生物炭当年和次年对土壤水分常数、土壤水分特征曲线、比水容量、非饱和导水率K(h)和非饱和扩散率D(θ)的影响。结果表明:施用生物炭当年和次年均使土壤田间持水率和饱和含水率增大,且随坡度增加其增率变大,生物炭因子两年内对土壤水分常数的影响显著(P <0. 015),而坡度因子影响不显著(P> 0. 05),即生物炭因子作用更明显;施用生物炭两年内,在各个土壤吸力条件下土壤含水率均增大,土壤持水性增强,且同地形坡度呈正相关关系、同年限呈负相关关系;生物炭在两年内均增大土壤比水容量,使其供水能力加强,最大增量1. 830 207×10^-3cm^3/cm^4;地形坡度对K(h)无明显影响,但施加生物炭可使K(h)增大,土壤导水性增强,2016、2017年K(h)最高分别增加239. 61%、164. 04%;施加生物炭可降低D(θ),抑制土壤水分的水平运动,随地形坡度增加抑制效果增强。生物炭施用当年对各土壤水动力学参数的影响大于施用次年。研究结果可为东北黑土区坡耕地农业水土保护和利用提供理论依据。     

密集排水孔幕饱和-非饱和全精细

对于有密集排水孔幕的工程渗流问题，只进行稳定饱和渗流分析往往是不够的，饱和-非饱和排水子结构分析方法正是解决了这一问题，同时为了全面精细地模拟排水子结构的实际渗流状态，首次提出了全精细数值模拟的理论和方法。在针对2类不同排水孔提出不同的完整水力学模型的基础上，详细讨论了不透水边界、已知结点水头边界、饱和逸出面边界、降雨入渗边界、非饱和蒸发入渗边界等有关子结构排水孔及其它表面可能存在的边界条件的分类处理方法，特别针对顶排型排水子结构排水孔内部水位提出了严密的数学处理方法。工程算例表明，本文提出的针对密集排水孔幕的全精细数值模拟方法是正确的，可以解决相关的工程渗流问题。     

非稳定渗流作用下土石坝边坡稳定

在对库水位回落条件下土石坝非稳定饱和—非饱和渗流场进行有限元分析的基础上,考虑非饱和土强度、土体密度都随含水量变化的关系及渗透力作用,利用强度折减有限元技术研究了水位降落过程中边坡稳定性的变化规律及渗透系数对边坡稳定的影响。研究成果为土石坝的设计运行、除险加固提供了参考。     

土壤水力参数对点源入渗湿润体形状的影响

为探究点源积水入渗的运移机理,以达西定律和质量守恒原理为基础,利用HYDRUS软件对点源积水入渗过程进行数值模拟分析与验证,分析点源积水入渗条件下土壤水平湿润锋与垂直湿润锋的比值(湿润锋比)和土壤水力参数(进气吸力、形状系数以及饱和导水率)之间的关系,并基于土壤饱和扩散率建立水平湿润锋运移模型。结果表明:细质土壤(进气吸力大于11 cm)的湿润体形状近似为以积水中心为椭圆心、以垂直湿润锋和水平湿润锋为长半轴和短半轴的椭圆体,而粗质土壤(进气吸力小于8.7 cm)湿润体的椭圆心位于积水中心下方,从而导致短半轴大于水平湿润锋、长半轴小于垂直湿润锋;细质土壤的湿润锋比随时间变化较小,可近似为常数,土壤湿润锋比与形状系数和饱和导水率之间无显著的函数关系,但与进气吸力呈线性递增关系,决定系数R^2为0.999;湿润锋运移过程可以采用入渗时间的幂函数进行拟合,且幂函数系数和指数可以分别用土壤饱和扩散率的一次多项式和二次多项式进行估计,经验证得到的模型在误差允许范围内具有较好的效果。本研究可为分析点源积水水盐运移等问题提供机理性依据,也为我国北方干旱半干旱地区合理规划设计滴灌系统、提高农业灌溉用水效率提供科学依据。     

容重对黏壤土土壤水分特征曲线的影响

土壤的容重影响土壤孔隙比,从而影响土壤的渗透特性,为研究容重对黏壤土土壤水分特征曲线的影响,选用淮河王家坝附近4个不同容重的黏壤土,采用压力膜法测定其土壤水分特征曲线,用变水头法测定饱和导水率,应用RETC软件中的van Genuchten模型进行拟合。结果表明:在相同的吸力时,黏壤土含水率随容重增加而增加;饱和导水率与容重呈负线性相关(R2=0.963 5),黏壤土饱和含水率θs、残余含水率θr和参数a值与容重呈显著负相关;田间持水率和有效含水率也随容重增加而增加;不同容重的黏壤土非饱和导水率随含水率而增加,在含水率小于0.4 cm~3/cm~3以内,非饱和导水率曲线呈平直状,说明非饱和导水率变化不大,此时的非饱和导水率非常小。当含水率大于0.4 cm~3/cm~3时,非饱和导水率曲线呈陡直状,非饱和导水率变化很大,非饱和导水率相同时,含水率随容重的增加而减小。研究成果可为黏壤土入渗及蒸发数值计算提供支持。     

田间测定非饱和水力传导度的简便方法

本文提出一种在田间原位测定土壤饱和与非饱和水力传导度的简便方法。用Wooding方程计算稳态自由入渗速率,来推求水力传导度。该方法与实验室单位梯度法所得的饱和与非饱和水力传导度吻合良好。该方法具有快速、简便、土壤孔隙破坏程度小等特点。     

生物炭对东北草甸黑土水力特性影响的数值化研究

为探究生物炭对东北草甸黑土水力学特性的影响,建立适用于添加生物炭后的土壤模型,以5种生物炭体积比(0、2%、4%、6%、8%)施入土壤,对土壤水分运动参数进行了试验和数值分析研究。结果表明,添加生物炭后土壤持水能力的增加主要是生物炭大于2 200 cm吸力范围持水能力的提升,土壤导水性能的改善是由于生物炭在小于35.82 cm吸力段具有良好的导水特性。饱和导水率试验结果表明,添加生物炭后土壤的饱和导水率接近于生物炭层状分布的理论结果,最大偏差为8.9%。采用毛细管模型模拟了添加生物炭的土壤在渗水24 h后的水分分布情况,模拟计算的饱和度与实际测量值相比偏低11%左右,这说明毛细管模型很好地导出添加生物炭后土壤的非饱和导水特性。该研究结果可为不同生物炭施加量、施加面积、地势、渗透时间的土壤水力学特性研究提供方法与保障。     

张蔚榛

张蔚榛张蔚榛．河北省丰润县人，中共党员，１９４５年毕业于北京大学工学院土本系。现任武汉水利电力大学教授。张蔚律教授长期从事农田水利的教学和科研工作，在农田排水、渗流计算、地下水文学、饱和非饱和土壤水运动和溶质运移等方面取得了大量开拓性的研究成果。１９...     

土壤渗透特性的圆盘张力入渗法测定研究

以川中丘陵区紫色土为研究对象,采用圆盘张力入渗法,测定坡耕地和林地土壤在5个水头下(0、-1、-3、-6、-9cm)的导水率曲线,并对比分析野外圆盘张力入渗法和环刀土样室内降水头法测得的土壤饱和导水率的差异。结果表明,土壤稳定入渗率和非饱和导水率随负压绝对值的增大而降低,且坡耕地的变化幅度大于林地。野外圆盘张力入渗法测得的饱和导水率明显高于环刀土样降水头法的测定值。基于研究结果,推荐使用圆盘张力入渗法测定导水率曲线和饱和导水率。     

金沙江白鹤滩水电站左岸雾化区边坡稳定性分析

为研究泄洪雾化雨对白鹤滩水电站左岸边坡稳定性的影响,通过分析坝址区工程地质条件,确定了左岸雾化区边坡稳定性的计算条件,基于一次典型泄洪雾化降雨过程的三维饱和非饱和渗流有限元计算成果,考虑暂态饱和区的渗透荷载、非饱和区的负孔隙水压力及结构面遇水软化降低其抗剪强度等,采用FLAC3D软件对左岸边坡在不同时刻的横河向位移、应力、剪切应变率及塑性区进行计算.通过与天然状态比较分析可知,降雨入渗将显著抬高坡面浅部的压力水头,在坡脚处会出现大范围的暂态饱和区,坡体变形、应力、剪切应变率的量值均有显著提高,降雨入渗还可能诱发坡体深层滑动破坏,致使坡体局部稳定性恶化.     

非全流土壤排渗过滤装置对黄河含沙水过滤和滴灌堵塞的影响研究

为解决黄河含沙水滴灌过滤粘粒不易去除的问题,采用对比试验方法,设置了竖直地埋管式(V)、水平地埋管式(L)、辐射井管式(R)、渗水井管式(S)4种非全流土壤排渗过滤装置,进行了非饱和土壤处理(V2、L2、R2)与饱和土壤处理(V1、L1、R1和S)条件下的黄河含沙水过滤性能试验.试验结果表明:V1、L1、R1处理比V2、L2、R2处理两次过滤的平均滤水量分别提高3.73％、9.52％和10.56％,平均滤水含沙量分别降低2.74％、3.95％和1.84％;S处理滤水量最大,L处理滤水含沙量最小.各处理稳渗滤水含沙量均小于0.3 kg/m3,大于0.1 mm且小于0.129 mm的颗粒仅占0.58％.通过滴灌试验验证,S、V、L处理灌水器的相对流量和均匀系数分别大于75％和80％,均满足滴灌使用.综合考虑,建议在实践应用中推荐渗水井管式(S)和水平地埋管式(L)非全流土壤排渗过滤装置,可以为引黄灌区高效节水灌溉的黄河高含沙水过滤提供技术支撑.     

用对流扩散方程确定非饱和土壤水动力弥散系数

用非饱和土壤水动力弥散方程及其解析解 ,在室内试验的基础上 ,研究了非饱和土壤在不同初始含水量、不同入渗方式及不同加肥方式下的水动力弥散系数。研究结果表明 :土壤初始含水量、灌水方式对非饱和土壤水动力弥散系数影响大 ,而加肥方式对土壤水动力弥散系数影响小。所述方法 ,理论性强 ,概念清楚明潦 ,试验操作简便 ,结果正确可靠