基于水氣兩相流的降雨入滲研究.pdf

1、大多數(shù)滑坡與降雨有著密切的關(guān)系，降雨過(guò)程中水分的入滲是影響邊坡穩(wěn)定最為重要的因素之一，是非飽和滲流研究的關(guān)鍵問(wèn)題。非飽和土中水分入滲是一個(gè)水氣相互驅(qū)替的過(guò)程，孔隙氣體的存在對(duì)入滲有著不可忽視的影響。弄清降雨入滲過(guò)程中水、氣耦合入滲機(jī)理，探究不同因素影響下降雨入滲的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，對(duì)了解強(qiáng)降雨誘發(fā)邊坡失穩(wěn)的機(jī)制，提高滑坡預(yù)報(bào)和防治的水平具有重要意義，對(duì)農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉、污染物質(zhì)傳輸?shù)妊芯恳簿哂惺种匾膮⒖純r(jià)值。
　　本課題基于非飽和土水、氣

2、兩相滲流理論，開(kāi)展了降雨入滲數(shù)值分析和降雨入滲試驗(yàn)研究，主要工作及結(jié)論如下：
　　1）通過(guò)數(shù)值計(jì)算研究了初始飽和度對(duì)降雨入滲的影響。結(jié)果表明降雨入滲初期孔隙氣壓會(huì)逐漸增大，入滲強(qiáng)度會(huì)因孔隙氣的頂托作用逐漸減小并最終趨于穩(wěn)定。穩(wěn)定后的降雨入滲強(qiáng)度主要取決于土體基質(zhì)吸力和滲透特性，隨土體初始飽和度的增大先減小而后增大。入滲強(qiáng)度存在最大、最小值，最大值通常會(huì)出現(xiàn)在初始飽和度為0或1時(shí)，而最小值所對(duì)應(yīng)的飽和度與土體非飽和特性有關(guān)。

3、　　2）通過(guò)數(shù)值計(jì)算進(jìn)一步研究了土體基質(zhì)吸力和滲透特性對(duì)穩(wěn)定入滲強(qiáng)度的影響。結(jié)果表明土水特征關(guān)系變化對(duì)低飽和度土體的入滲強(qiáng)度影響較大而對(duì)高飽和度土體的入滲強(qiáng)度影響較小，而水相對(duì)滲透關(guān)系變化對(duì)入滲強(qiáng)度有明顯影響。入滲強(qiáng)度極小值受水相對(duì)滲透關(guān)系影響較大，受土水特征關(guān)系影響相對(duì)較小。
　　3）通過(guò)數(shù)值計(jì)算進(jìn)一步分析了邊界透氣性變化對(duì)氣體阻滲規(guī)律的影響。結(jié)果表明氣壓力梯度是影響水分入滲的關(guān)鍵，氣壓力梯度與入滲方向一致時(shí)驅(qū)動(dòng)雨水入滲，與入滲

4、方向相反時(shí)阻滯水分入滲。氣壓力梯度大小與邊界透氣性有關(guān)，邊界透氣性越小，氣壓力梯度越大，其對(duì)水分的阻滯效果越明顯。
　　4）開(kāi)展室內(nèi)降雨入滲試驗(yàn)對(duì)數(shù)值分析主要結(jié)論進(jìn)行驗(yàn)證并進(jìn)一步探究了降雨入滲過(guò)程中孔隙氣壓的變化規(guī)律。結(jié)果表明在不透氣條件下孔隙氣壓會(huì)因雨水入滲擠壓而增大并對(duì)入滲產(chǎn)生阻滯作用，顯著降低水分下滲速率。受擠壓的孔隙氣會(huì)不斷突破表層土體并達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)，氣體的突破壓力與土體初始含水量相關(guān)，土體初始含水量越大，水氣相互耦

5、合擠壓作用越強(qiáng)，氣體的突破壓力梯度越大，孔隙氣壓力越大。
　　5）開(kāi)展了室外降雨入滲試驗(yàn)。成功監(jiān)測(cè)到自然降雨條件下坡體內(nèi)部孔隙氣壓力的變化過(guò)程。監(jiān)測(cè)表明坡體內(nèi)部孔隙氣壓對(duì)降雨有著良好的響應(yīng)，且雨后孔隙氣壓消散時(shí)間可達(dá)數(shù)天。坡體內(nèi)部孔隙氣壓的變化與土體孔隙結(jié)構(gòu)有關(guān)，孔隙連通性較好時(shí)局部區(qū)域易形成匯流區(qū)，造成孔隙氣壓的放大效應(yīng)。不同深度區(qū)域土體孔隙氣壓的變化過(guò)程不同，對(duì)坡體淺層而言，孔隙氣體易于突破土體而溢出，趨于穩(wěn)定后孔隙氣壓受次降