非饱和土壤渗透特性及饱和入渗机理试验研究

论文摘要

非饱和渗透系数的确定与土中水—气运动规律是非饱和土壤水分入渗问题研究的关键。由于非饱和土中水的渗透性难以测定,许多学者提出的渗透性函数形式又极为不统一,使得目前还没有一种仪器或函数形式得以推广,也无法满足非饱和土理论研究以及工程实践的要求。土壤积水入渗过程中土中气体压力的变化规律及对入渗过程的影响对节水灌溉和水土保持等的实施具有重要的指导意义。本文试图通过试验研究、理论推导两个方面,对非饱和渗透系数的确定及积水入渗过程中土中水—气运动规律进行较为全面、深入地研究。主要研究成果如下:(1)本文从非饱和土渗透特性研究的需要出发,针对目前研制的非饱和土渗透仪的不足,根据非饱和土稳态渗流试验装置量测非饱和渗透系数的主要特点及存在的问题,提出了新型非饱和土稳态渗流试验装置研制开发的整体思路,完成了重要内容的研制。采用稳态水压力发生器作为水压力控制系统,实现了压力的稳定控制和渗透水量的精确测定。针对新型稳态渗流试验装置工作原理,总结出了一套行之有效的操作方法。通过对试验结果的拟合分析,明确了土壤非饱和渗透系数随土壤饱和度的变化关系。(2)运用邵龙潭相介质的相互作用原理并结合水力学中层流阻力中渗透流速的概念重新推导了饱和与非饱和土壤水分的运动方程,给出了单一均质饱和与非饱和土壤渗透系数的理论表达式。根据饱和土渗透系数方程,考察了土水相互作用力系数的物理基础。由稳态渗流方法量测非饱和渗透系数的水力条件,分析了非饱和渗透系数理论表达式的应用。(3)通过理论分析了非饱和土积水入渗条件下,土中气体压力对入渗区土体平衡的影响,并建立了理想状态下土体平衡的临界条件。通过试验验证了土体平衡状态的存在形式。试验结果表明,入渗土体孔隙率和初始含水量决定着入渗初始阶段土中气体的运动形态和入渗过程。土体的孔隙率越大、初始含水量越小,入渗初期作用水层对土中气体的封闭作用越弱,气体越容易逸出,逸出过程中对土表附近土体的扰动程度和范围越大,土中气体压力的波动幅度和频率越大,并导致入渗率出现阶梯状变化;反之,入渗初期作用水层对土中气体的封闭作用越强,气体越难逸出,入渗土体内越易出现裂缝,且气体逸出时只对裂缝以上土体有扰动,而裂缝以下土体则几乎不受扰动,气体压力波动的幅度和频率也越小,入渗率显著减小,并可能造成入渗过程的停止。(4)通过试验发现,入渗土体内存在两个明显的分界面,将湿润锋以外的另一锋面给出了定义,将其定义为饱和锋,通过对破坏土体的平衡分析说明了定义的合理性。试验结果表明,饱和锋的位置与入渗过程有关。对于结构较疏松的土体,饱和锋的位置随着土体扰动深度的增加而增加。对于结构较牢固的土体,饱和锋的位置随着裂缝深度的增加而增加。从饱和锋的位置出发,研究了土体结构出现整体破坏的过程,并将土体破坏分为三个阶段,对应三种不同的状态:临界状态、过渡状态和稳定平衡状态。(5)对于不同类型的土,当入渗土柱内出现裂缝时,裂缝的形状不同。对于具有一定粘性的土(硅微粉),土体出现裂缝时,因为土颗粒之间存在粘性,裂缝面多不规则。对于砂性土(粉煤灰、细砂),裂缝面则多是规则的。对于颗粒比重不同的土,裂缝的发展情况不同,颗粒比重较小的土(粉煤灰),气体逸出时对土体的扰动会使裂缝很快消失;颗粒比重较大的土(硅微粉和细砂),气体逸出造成的扰动并不会使裂缝消失,且会随着气体压力的波动而频繁重现。(6)试验结果表明,入渗水流进入到土层后,在向下运动的同时,也在不断地向两侧运动,土表处土体饱和度逐渐增加,随着入渗的不断进行,其饱和的范围也不断地延伸。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 引言
• 1 绪论
• 1.1 土壤中的水分
• 1.1.1 土壤水的形态
• 1.1.2 土壤水的能态
• 1.1.3 土—水特征曲线
• 1.2 土壤水分研究的意义
• 1.3 非饱和渗透系数的确定
• 1.3.1 非饱和渗透系数测试设备研究现状
• 1.3.2 非饱和渗透系数间接方法研究进展
• 1.4 土壤水分的入渗
• 1.4.1 土壤入渗的概念及研究意义
• 1.4.2 入渗过程
• 1.4.3 土壤水分入渗研究概况
• 1.5 土壤入渗水气二相流
• 1.5.1 入渗过程与空气压力变化
• 1.5.2 入渗方程
• 1.5.3 气体压力对入渗土体的结构的影响
• 1.6 本文的主要研究内容及主要工作
• 1.6.1 研究内容
• 1.6.2 论文的组织结构
• 2 新型非饱和土稳态渗流试验装置的开发与研制
• 2.1 新型非饱和土稳态渗流试验装置的设计及研制背景
• 2.1.1 目前渗透试验中主要存在的问题
• 2.1.2 非饱和土稳态渗流试验装置稳定性研究
• 2.1.3 非饱和土稳态渗透试验装置存在的问题
• 2.2 试验装置组成和结构
• 2.2.1 试样室
• 2.2.2 压力控制系统
• 2.2.3 测量系统
• 2.3 新型稳态渗透试验装置的试验原理
• 2.4 小结
• 3 非饱和渗透系数的试验研究
• 3.1 非饱和渗透系数的影响因素
• 3.1.1 饱和度对渗透系数的影响
• 3.1.2 土中水的变化过程对渗透系数的影响
• 3.1.3 影响渗透系数的其他因素
• 3.2 试验土壤选用及基本特性
• 3.3 试验基本步骤
• 3.3.1 试样的制备
• 3.3.2 试样的饱和
• 3.3.3 试验过程
• 3.3.4 试验注意事项
• 3.4 试验结果与分析
• 3.4.1 试验描述
• 3.4.2 试验结果与分析
• 3.5 非饱和渗透系数与饱和度的关系分析
• 3.6 小结
• 4 非饱和渗透系数理论表达式的推导与应用
• 4.1 土壤水的流动
• 4.1.1 土壤水流动的驱动势能
• 4.1.2 土壤水流动的Darcy定律
• 4.2 相介质的相互作用原理和土壤水动力学平衡方程
• 4.3 土水相互作用力系数的物理基础
• 4.4 非饱和土壤水的运动方程和渗透系数
• 4.4.1 非饱和土壤水的运动方程
• 4.4.2 非饱和土的渗透系数
• 4.5 非饱和渗透系数理论表达式的应用
• 4.5.1 非饱和土壤稳态渗流试验条件分析
• 4.5.2 土壤非饱和渗透系数理论表达式的应用
• 4.6 小结
• 5 非饱和土有压水流入渗过程及对土体结构影响的试验研究
• 5.1 水流入渗过程中入渗土体受力分析
• 5.1.1 土层内气体压力大小
• 5.1.2 湿润锋处土体的垂直应力
• 5.1.3 湿润区土体的平衡分析
• 5.2 试验装置
• 5.3 试验用土的基本特性
• 5.4 试验过程
• 5.5 试验内容
• 5.6 试验结果与分析
• 5.6.1 粉煤灰试样的入渗结果
• 5.6.2 不同类型土的入渗结果
• 5.6.3 入渗结果比较
• 5.7 小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读博士学位期间完成和发表的学术论文
• 创新点摘要
• 致谢