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)鍵問題。非飽和土中水分入滲是一個水氣相互驅(qū)替的過程，孔隙氣體的存在對入滲有著不可忽視的影響。弄清降雨入滲過程中水、氣耦合入滲機(jī)理，探究不同因素影響下降雨入滲的運(yùn)動規(guī)律，對了解強(qiáng)降雨誘發(fā)邊坡失穩(wěn)的機(jī)制，提高滑坡預(yù)報和防治的水平具有重要意義，對農(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值。
　　本課題基于非飽和土水、氣

2、兩相滲流理論，開展了降雨入滲數(shù)值分析和降雨入滲試驗研究，主要工作及結(jié)論如下：
　　1）通過數(shù)值計算研究了初始飽和度對降雨入滲的影響。結(jié)果表明降雨入滲初期孔隙氣壓會逐漸增大，入滲強(qiáng)度會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，最大值通常會出現(xiàn)在初始飽和度為0或1時，而最小值所對應(yīng)的飽和度與土體非飽和特性有關(guān)。

3、　　2）通過數(shù)值計算進(jìn)一步研究了土體基質(zhì)吸力和滲透特性對穩(wěn)定入滲強(qiáng)度的影響。結(jié)果表明土水特征關(guān)系變化對低飽和度土體的入滲強(qiáng)度影響較大而對高飽和度土體的入滲強(qiáng)度影響較小，而水相對滲透關(guān)系變化對入滲強(qiáng)度有明顯影響。入滲強(qiáng)度極小值受水相對滲透關(guān)系影響較大，受土水特征關(guān)系影響相對較小。
　　3）通過數(shù)值計算進(jìn)一步分析了邊界透氣性變化對氣體阻滲規(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驅(qū)動雨水入滲，與入滲

4、方向相反時阻滯水分入滲。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，其對水分的阻滯效果越明顯。
　　4）開展室內(nèi)降雨入滲試驗對數(shù)值分析主要結(jié)論進(jìn)行驗證并進(jìn)一步探究了降雨入滲過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因雨水入滲擠壓而增大并對入滲產(chǎn)生阻滯作用，顯著降低水分下滲速率。受擠壓的孔隙氣會不斷突破表層土體并達(dá)到相對穩(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）開展了室外降雨入滲試驗。成功監(jiān)測到自然降雨條件下坡體內(nèi)部孔隙氣壓力的變化過程。監(jiān)測表明坡體內(nèi)部孔隙氣壓對降雨有著良好的響應(yīng)，且雨后孔隙氣壓消散時間可達(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程不同，對坡體淺層而言，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