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植被发育斜坡土体物理力学特性

山地学报 2015年第2期33卷 240-248页

作者：张磊徐则民张露月张燕廷侯汝几昆明理工大学地球科学系昆明理工大学土木系

头寨植被发育斜坡土体具有高含水率、大孔隙比、富含有机质等类似软土的基本物理性质。然而,与不同沉积相软土的压缩性对比,头寨土e-lgp曲线没有明显的结构屈服强度,e-p曲线不适用双曲线模型,也没有"倒大"的现象,压缩模量极小且有随深... 详细信息

头寨植被发育斜坡土体具有高含水率、大孔隙比、富含有机质等类似软土的基本物理性质。然而,与不同沉积相软土的压缩性对比,头寨土e-lgp曲线没有明显的结构屈服强度,e-p曲线不适用双曲线模型,也没有"倒大"的现象,压缩模量极小且有随深度递增的规律。头寨土剪应力-剪切位移曲线普遍无峰值,属于土样应变硬化的情况,年最低含水率>100%、平均>150%的超高含水率,使得土体具有极强的延性和变形性能。利用Image J对团聚体SEM照片分析表明,团粒的圆形度平均65%、复杂度平均42%、各向异性率平均25%,主定向角在0360°之间变化,具有很好的"支架"结构,但团粒的"支架"作用并未体现。高含水率及团粒结构的特点,决定了头寨土压缩过程中孔隙水压力自始至终起到双重作用,即增大抗压性的同时也使得土中孔隙连通性增大,更容易压缩变形。

关键词：植被发育斜坡滑坡物理力学特性有机质

植被发育斜坡土体大孔隙分布特征的染色示踪法研究

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山地学报 2015年第1期33卷 1-7页

作者：张家明徐则民李峰昆明理工大学土木工程学院昆明理工大学国土资源工程学院

植被发育斜坡土体中广泛存在由各种大孔隙组成的大孔隙网络系统,其分布特征影响斜坡水文行为和孔隙水压力场,对斜坡稳定性有重要影响。运用亚甲基蓝溶液分别在木本植被群落斜坡和草本植被群落斜坡土体进行染色示踪渗透试验。通过对垂直... 详细信息

植被发育斜坡土体中广泛存在由各种大孔隙组成的大孔隙网络系统,其分布特征影响斜坡水文行为和孔隙水压力场,对斜坡稳定性有重要影响。运用亚甲基蓝溶液分别在木本植被群落斜坡和草本植被群落斜坡土体进行染色示踪渗透试验。通过对垂直剖面大孔隙分布模式的分析和对整个试验区大孔隙的深度分布的统计分析,研究大孔隙分布的非均匀特征。研究结果表明:1.大孔隙在垂直方向和横坡方向上的分布都表现出非均匀性,顺坡方向表现出明显的变异性;2.大孔隙分布表现出显著的各向异性特征,横坡方向的非均匀性比顺坡方向的非均匀性显著;3.草本植被群落斜坡土体大孔隙分布的非均匀性和变异性比木本植被群落斜坡显著;4.在100 cm×100cm的尺度下研究大孔隙分布特征是合理的。

关键词：植被发育斜坡染色示踪渗透试验大孔隙互相关函数分析异质性

植被发育斜坡土体干缩裂缝发育规律的实验研究

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山地学报 2015年第2期33卷 227-232页

作者：徐宗恒徐则民裴银鸽李凌旭昆明理工大学土木系云南师范大学旅游与地理科学学院云南大学滇池学院

为了得到斜坡非饱和带土体失水过程中干缩裂缝的发育规律,实验室条件下,将不同粒度组成的四组植被发育斜坡非饱和带土样饱和以后恒温失水,获取裂缝形成和发展过程中形态特征,并计算分析其裂隙率和裂缝盒维数的变化规律;基于Image J软件... 详细信息

为了得到斜坡非饱和带土体失水过程中干缩裂缝的发育规律,实验室条件下,将不同粒度组成的四组植被发育斜坡非饱和带土样饱和以后恒温失水,获取裂缝形成和发展过程中形态特征,并计算分析其裂隙率和裂缝盒维数的变化规律;基于Image J软件计算裂缝发育稳定时被裂缝切割形成的块区个数和各块区面积。研究结果表明:在裂缝发育过程中,土样的裂隙率和盒维数呈上升的趋势,且两者呈显著正相关关系,裂隙率总体上符合三阶段变化规律;颗粒组分越粗,裂缝发育越缓慢,其盒维数越小,裂缝形态相对规则;裂缝发展稳定时裂缝块区面积分布范围越广,块区面积越不均匀,裂缝切割土样形成块区个数越少。本文仅主要考虑了土样颗粒组成对裂缝发育的影响,其他影响因素有待进一步试验分析。

关键词：植被发育斜坡干缩裂缝发育规律盒维数裂隙率

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植被发育斜坡土体中根-土间隙的导流特性

山地学报 2015年第3期33卷 257-267页

作者：王帮团徐则民王帮圆昆明理工大学地球科学系昆明理工大学土木系

水分或溶液在土体中的迁移具有空间和时间上的异质性。以植被发育斜坡云南昭通头寨沟和昆明呈贡段家营为研究试验区,分别运用亚甲基蓝和罗丹明B溶液进行了多次染色示踪渗透试验,发现根-土间隙的导流现象十分明显,其导流作用很可能已经... 详细信息

水分或溶液在土体中的迁移具有空间和时间上的异质性。以植被发育斜坡云南昭通头寨沟和昆明呈贡段家营为研究试验区,分别运用亚甲基蓝和罗丹明B溶液进行了多次染色示踪渗透试验,发现根-土间隙的导流现象十分明显,其导流作用很可能已经超过了传统的三类土体大孔隙。然而,国内外研究者对根-土间隙方面的研究还比较欠缺。为此,对根-土间隙宽度为0.5;.0 mm,步长为0.5 mm流道内单相流体摩擦阻力系数和入渗速度进行了理论计算,并讨论了在同一流道和不同间隙流道内影响水分下渗速度的因素,结果表明:根-土间隙的大小对根-土间隙通道内流体的流动特性有着重要影响,随着间隙的减小摩擦阻力系数也相应减小;间隙对流动阻力系数的影响还依赖于Re的大小,其影响随Re的减小而减小。在昭通头寨植被发育斜坡土体中,根-土间隙宽度主要集中在0.5;.0 mm,间隙内水分下渗的速度分布在区间0.014;.203 mm/s;相同面积上,头寨试验区渗透速率是呈贡段家营试验区的26.28倍。由于根-土间隙的存在,大大地促进了土体水分的快速下渗,对滑坡孕育的贡献是显著的。

关键词：植被发育斜坡滑坡降雨入渗根-土间隙

基于CT扫描的植被发育斜坡土体大孔隙和渗透性研究

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自然灾害学报 2015年第5期24卷 112-118页

作者：侯汝几徐则民张磊张燕庭徐宗恒昆明理工大学土木工程学院土木系云南昆明650500 昆明理工大学地球科学系云南昆明650093

山区流域植被发育斜坡的失稳往往尾随着强降雨而发生,降雨入渗引起的地下水位上升是导致斜坡失稳的主要原因,而饱和渗透系数是评价土体渗透特性的主要参数。以植被发育斜坡土体为研究对象,应用CT扫描技术获得了土体孔隙尺寸分布,发现孔... 详细信息

山区流域植被发育斜坡的失稳往往尾随着强降雨而发生,降雨入渗引起的地下水位上升是导致斜坡失稳的主要原因,而饱和渗透系数是评价土体渗透特性的主要参数。以植被发育斜坡土体为研究对象,应用CT扫描技术获得了土体孔隙尺寸分布,发现孔隙成圆率随着等效直径的增大有减小的趋势,即孔隙截面积越大,其形状越复杂。根据毛细管束模型预测出饱和渗透系数,再与环刀法测得的饱和渗透系数对比,发现预测值和实测值在相同数量级范围内,但还是存在一定的偏差。进一步对模型优化,修正孔隙形状系数后,模型的预测精度得到了显著提高。

关键词：植被发育斜坡滑坡 CT扫描大孔隙渗透系数毛细管束模型

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植被发育斜坡降雨入渗的数值模拟

植被发育斜坡降雨入渗的数值模拟

作者：罗建杰昆明理工大学

学位级别：硕士

近年来,强降雨引起的滑坡灾害越来越严重。研究斜坡降雨入渗过程对于研究整个滑坡孕育过程是极其重要的。选取两个典型的植被发育斜坡区域进行研究,即呈贡段家营试验区和昭通头寨沟试验区。在这两个试验区内开展了双环渗透、含水率测定... 详细信息

近年来,强降雨引起的滑坡灾害越来越严重。研究斜坡降雨入渗过程对于研究整个滑坡孕育过程是极其重要的。选取两个典型的植被发育斜坡区域进行研究,即呈贡段家营试验区和昭通头寨沟试验区。在这两个试验区内开展了双环渗透、含水率测定、土颗粒粒径组成测定和染色示踪等试验,得到的试验数据可作为数值模拟参数设定的依据。大孔隙的存在性以及几何形态、降雨条件和土体初始含水率会对土体降雨入渗造成影响。通过软件HYDRUS-2D对这些影响植被发育斜坡土体降雨入渗的因素进行数值计算。对数值计算结果进行分析并得出以下结论： (1)植被发育斜坡土体中存在大孔隙时,能够加快降雨垂直入渗,减弱表土层地下径流,延缓表土层出现暂态饱和区的时间,导致湿润前锋形态不规则;大孔隙直径增大时,优先流流速会减小,大孔隙积水响应时间(稍微)推迟,有压入渗面积增大致使大孔隙内的积水弥散速度更快;(2)大孔隙长度越长,斜坡剖面湿润前锋形态越不规则,降雨入渗深度越深,大孔隙底部积水响应时间延长,大孔隙内积水高度越小,大孔隙长度对优先流的流速影响不大;大孔隙弯曲率增大,大孔隙内部积水响应时间先增大后减小,降雨垂直入渗深度减小,大孔隙内积水长度增大,优先流最大流速先增大后减小。大孔隙弯曲率对湿润前锋形态的影响主要在降雨初期,随着弯曲率增大,湿润前锋形态不规则性逐渐减小;(3)大孔隙群密度越大,湿润前锋形态越复杂,降雨下渗越快,大孔隙积水响应时间延缓,大孔隙之间的相互作用越显著;随着大孔隙群轴向与斜坡倾向之间的夹角减小,斜坡坡面湿润前锋形态不规则性减弱,优先流最大流速增大。当大孔隙位于表土层且大孔隙轴向与斜坡方向近似平行,在高强度降雨条件下大孔隙流可能溢出地表产生回归流,不利于降雨入渗;(4)在降雨雨型和降雨历时相同的情况下,降雨强度越大,斜坡土体的含水率变化越大,且降雨入渗的速度越快;在降雨雨型和降雨强度相同的情况下,降雨历时越长,降雨入渗后含水率增加值越大,而湿润前锋的深度也越深,但差距并不明显;在降雨强度和降雨历时相同的情况下,递增式雨型的斜坡土体含水率变化值最小,递减式雨型的斜坡土体含水率变化值最大。在其他条件完全相同的情况下,雨水入渗土体后,土体初始含水率越大的斜坡降雨入渗深度越深,且入渗速度和湿润锋面运移速度越快。

关键词：植被发育斜坡降雨入渗 HYDRUS-2D 大孔隙降雨条件初始含水率本论文得到国家自然科学基金-云南联合基金重点项目资助(项目编号 U1033601)

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植被发育斜坡根土间隙降雨入渗模拟

植被发育斜坡根土间隙降雨入渗模拟

作者：张有为昆明理工大学

学位级别：硕士

植被发育斜坡频繁发生滑坡现象,给人民生命财产安全造成了难以估量的损失,引起学者广泛重视,然而相关研究以定性居多,定量化研究少之又少。随着滑坡事件增多,土体水分下渗以及优先流现象对滑坡孕育过程的作用引起广泛重视。大孔隙是产... 详细信息

植被发育斜坡频繁发生滑坡现象,给人民生命财产安全造成了难以估量的损失,引起学者广泛重视,然而相关研究以定性居多,定量化研究少之又少。随着滑坡事件增多,土体水分下渗以及优先流现象对滑坡孕育过程的作用引起广泛重视。大孔隙是产生优先流的主要路径,大孔隙的种类繁多。国内外也已有许多针对传统大孔隙导流现象(腐烂根系通道、虫孔通道和土体干缩裂缝)的研究,并对其在降雨入渗过程中产生的积极作用表示认可。然而相关研究还远远不够,像根土间隙这样的新型环状大孔隙,需深入全面分析。基于CT扫描数据,运用Volview软件重构土体三维图及根系分布图,了解土体根系分布情况;应用Navier-Stokes方程计算横向根土间隙物理概念模型,分析横向间隙流速分布情况,并通过C语言结合格子Boltzmann方法进行编程,分析得到流速云图,从而全面分析横向根土间隙在降雨入渗过程中的渗流场情况;用二值化方法处理CT扫描原始数据,得到试验需要的CT切片,采用格子Boltzmann方法,并结合Matlab程序,读取之前经过一系列处理过的CT切片,得到速度云图和流速时程变化情况,实现纵向渗流场细观模拟。综合以上研究方法,深入分析根土间隙对植被发育斜坡降雨入渗过程影响,得到结论如下:(1)CT扫描技术结合Volview软件,能够很好还原根系在土体中分布的真实情况,并且应用于土体渗流分析,能够为根土间隙导流奠定基础。采用取点法、隔离法以及综合法对各物质的CT值分类,最终确定砾石的CT值在1500到3071之间,根系的CT值在(-1200)到(-800)之间,风化壳的CT值为800到1200之间。(2)横向根土间隙流速分布情况,中心线位置流速最大,为平均速度的1.5倍,沿两边逐级递减,到两边壁面处流速为零。纵向根土间隙流速分布为,随着深度的增加,渗流速度逐渐降低,主要依赖于一些连通性好的间隙通道。(3)平板间隙流中实现的是模拟根土间隙数值模拟,得到流速变化分布规律,最大流速从中线位置向两端递减,就是泊肃叶流。(4)不同植被根土间隙纵向流速分布为,流速、流量均随深度增加而减小,木本植被群落土体各层流速、流量均大于草本植被群落,两种植被群落土体中根土间隙导流贡献率均随深度增大而增大,木本土体各层占比均大于草本,其值范围分别为40.91～93.33%、15.00～50.00%。

关键词：根土间隙大孔隙植被发育斜坡 CT扫描格子Boltzmann方法

植被发育斜坡土体中根—土间隙对降雨入渗的贡献

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植被发育斜坡土体中根—土间隙对降雨入渗的贡献

作者：王帮团昆明理工大学

学位级别：硕士

在自然界中,滑坡与大气降雨有着密切的关系,降雨入渗成为了非饱和土体斜坡失稳主要的诱发因素。据统计数据显示,上世纪中期以来,在强降雨作用下植被发育斜坡区发生失稳事件的频率越来越高,不仅极大的破坏当地的生态平衡、打乱了人们正... 详细信息

在自然界中,滑坡与大气降雨有着密切的关系,降雨入渗成为了非饱和土体斜坡失稳主要的诱发因素。据统计数据显示,上世纪中期以来,在强降雨作用下植被发育斜坡区发生失稳事件的频率越来越高,不仅极大的破坏当地的生态平衡、打乱了人们正常的生活规律,而且对人们的生命财产安全构成了严重威胁。随着国民经济和地区基础设施建设的不断发展,涉及斜坡稳定性方面的问题越来越引起工程界的重视。然而,仅仅考虑在降雨条件下植被边坡及浅层稳定性的研究是不完善的,本文以云南省昭通头寨、呈贡段家营以及个旧象冲三个植被发育自然斜坡为研究对象,采用现场和室内试验、统计分析以及数学模型等手段研究植被发育斜坡土体中根-土间隙的导流特性及其对降雨入渗的贡献,同时分析由根-土间隙引起的植被抑制浅层边坡稳定性的变化。本文研究取得的主要成果如下：(1)土体中根系密度随着土层深度增加而急剧减少这一规律普遍存在,其空间分布受植被类型、地质条件、生长时间和气候条件等因素的影响。根-土间隙是植物根系伸展的一种普遍现象,其导流现象具有普遍存在性,不受地域、植被类型、气候条件以及地质条件的限制而广泛存在于斜坡土体中,且随着土体深度的不断增加根-土间隙的导流特性随根系的衰减而减弱。(2)头寨试验区和呈贡段家营试验区土体的物理特征差异明显,且季节的变化对土体的物理特性影响不大。头寨试验区非饱和带土体孔隙度、质量含水率、有机质含量及根系生物量集度均比段家营试验区高,头寨试验区土体具有高孔隙度-低容重-高含水率的物理性质和高有机质含量有关。相同土层深度处,头寨试验区土体的渗透速度始终高于段家营试验区土体的渗透速度,头寨试验区土体的饱和渗透速度与初始渗透速度差异较大,而段家营试验区土体的饱和渗透速度与初始渗透速度波动幅度不大。(3)根-土间隙尺寸的大小对水分下渗的阻力特性的影响与Re有关,间隙尺寸大小对摩擦阻力系数的影响与Re呈正相关性。相比传统的阻力计算经验公式和模型一,改进的KAYS阻力模型对研究根-土间隙流道的阻力特性更贴近实际情况,具有一定的实用性;另外,基于纳维埃-斯托克司方程式二次积分化解得到不同根-土间隙流道内水分下渗速度分布,其结果基于水分动态测量过程,从一定程度上反映了土体水分与根-土间隙的关系。(4)在降雨过程中,植被发育斜坡土体中根-土间隙具有很强的导流特性。头寨试验区和呈贡段家营试验区土体中根-土间隙的导流量分别占总入渗量的72%～82%和54%-70%,由于根-土间隙的存在促进了土体水分的下渗,从而消弱或抑制了地表径流的产生。

关键词：植被发育斜坡降雨入渗滑坡根-土间隙

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植被发育斜坡土体降雨入渗特性

植被发育斜坡土体降雨入渗特性

作者：张燕廷昆明理工大学

学位级别：硕士

随着全球变暖,极端气候频现,滑坡灾害日益严重,对斜坡失稳的研究迫在眉睫。渗透系数是评价植被发育斜坡土体性质的重要参数,对斜坡稳定性研究意义重大。本文通过对植被发育斜坡试验区土体进行原位双环渗透试验、室内环刀渗透试验以及土... 详细信息

随着全球变暖,极端气候频现,滑坡灾害日益严重,对斜坡失稳的研究迫在眉睫。渗透系数是评价植被发育斜坡土体性质的重要参数,对斜坡稳定性研究意义重大。本文通过对植被发育斜坡试验区土体进行原位双环渗透试验、室内环刀渗透试验以及土体的物理特性测定试验,测定了试验区土体0-1m深度内饱和渗透系数、入渗曲线、根系含量、有机质、颗粒组成、孔隙比、含水量等参数。文中分析了植被发育斜坡土体渗透性与各土体性质的关系以及降雨入渗特性和其影响因子。在优化Brooks-Corey模型的基础上根据Bloemen提出的孔径分布参数计算方法推求土体的非饱和渗透系数,该方法只需获得土体饱和渗透系数、颗粒组成、重量含水量和有机质含量就可以计算得到预测值,同时比较了计算结果与HYDRUS-2D计算值。研究表明： (1)对于植被发育斜坡土体,植被覆盖度越高,土体的含水量空间变异性越大,天然密度、干密度、比重越小,孔隙比越大,有机质含量越高。 (2)植被发育斜坡土体入渗曲线波动较大,入渗开始渗透速度远大于稳定后的速度,速度达到稳定的时间一般为2-3小时;室内环刀试验土体的入渗曲线相对平缓,开始速度和稳定速度相差不大,稳定时间为1小时左右。 (3)植被发育斜坡土体接受降雨能力强,持续30分钟、60分钟以及稳定接受降雨的能力均大于特大暴雨的强度,具有强吸、强贮、高渗的特性,植被覆盖度、孔隙比、有机质和根系含量对浅层土体渗透性影响显著。 (4)浅层土体渗透性随深度呈现先减小后增大再减小的规律,渗透系数最小值以上部分土体易产生局部滞水现象。 (5)本文通过对BC模型改进优化得到的非饱和渗透系数估算公式考虑了有机质对渗透系数的影响,适用于植被发育斜坡土体非饱和渗透系数的预测,与HYDRUS-2D计算值的均方根误差为10064cm/s,精度较高,提高了非饱和渗透系数的计算效率。

关键词：植被发育斜坡入渗特性渗透系数影响因子预测模型