基于水气两相流的降雨入渗研究

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大多数滑坡与降雨有着密切的关系,降雨过程中水分的入渗是影响边坡稳定最为重要的因素之一,是非饱和渗流研究的关键问题。非饱和土中水分入渗是一个水气相互驱替的过程,孔隙气体的存在对入渗有着不可忽视的影响。弄清降雨入渗过程中水、气耦合入渗机理,探究不同因素影响下降雨入渗的运动规律,对了解强降雨诱发边坡失稳的机制,提高滑坡预报和防治的水平具有重要意义,对农业节水灌溉、污染物质传输等研究也具有十分重要的参考价值。  本课题基于非饱和土水、气两相渗流理论,开展了降雨入渗数值分析和降雨入渗试验研究,主要工作及结论如下:  1)通过数值计算研究了初始饱和度对降雨入渗的影响。结果表明降雨入渗初期孔隙气压会逐渐增大,入渗强度会因孔隙气的顶托作用逐渐减小并最终趋于稳定。稳定后的降雨入渗强度主要取决于土体基质吸力和渗透特性,随土体初始饱和度的增大先减小而后增大。入渗强度存在最大、最小值,最大值通常会出现在初始饱和度为0或1时,而最小值所对应的饱和度与土体非饱和特性有关。  2)通过数值计算进一步研究了土体基质吸力和渗透特性对稳定入渗强度的影响。结果表明土水特征关系变化对低饱和度土体的入渗强度影响较大而对高饱和度土体的入渗强度影响较小,而水相对渗透关系变化对入渗强度有明显影响。入渗强度极小值受水相对渗透关系影响较大,受土水特征关系影响相对较小。  3)通过数值计算进一步分析了边界透气性变化对气体阻渗规律的影响。结果表明气压力梯度是影响水分入渗的关键,气压力梯度与入渗方向一致时驱动雨水入渗,与入渗方向相反时阻滞水分入渗。气压力梯度大小与边界透气性有关,边界透气性越小,气压力梯度越大,其对水分的阻滞效果越明显。  4)开展室内降雨入渗试验对数值分析主要结论进行验证并进一步探究了降雨入渗过程中孔隙气压的变化规律。结果表明在不透气条件下孔隙气压会因雨水入渗挤压而增大并对入渗产生阻滞作用,显著降低水分下渗速率。受挤压的孔隙气会不断突破表层土体并达到相对稳定的状态,气体的突破压力与土体初始含水量相关,土体初始含水量越大,水气相互耦合挤压作用越强,气体的突破压力梯度越大,孔隙气压力越大。  5)开展了室外降雨入渗试验。成功监测到自然降雨条件下坡体内部孔隙气压力的变化过程。监测表明坡体内部孔隙气压对降雨有着良好的响应,且雨后孔隙气压消散时间可达数天。坡体内部孔隙气压的变化与土体孔隙结构有关,孔隙连通性较好时局部区域易形成汇流区,造成孔隙气压的放大效应。不同深度区域土体孔隙气压的变化过程不同,对坡体浅层而言,孔隙气体易于突破土体而溢出,趋于稳定后孔隙气压受次降雨影响较小;对深层土体而言,孔隙气体突破溢出较困难,受次降雨影响较大,易于形成孔隙气压的叠加效应。
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