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非饱和黏土路基水汽运移与相变机制研究

土木工程学报 2023年第S01期56卷 152-159页

作者：刘杰陈建斌卢正吴立鹏秦亚琼中国科学院武汉岩土力学研究所岩土力学与工程国家重点实验室湖北武汉430071 武汉市政工程设计研究院有限责任公司湖北武汉430023

在降雨稀少且地下水赋存较深地区,非饱和土路基内部水分运移主要以水汽运移为主,其传输过程中伴随的相变会产生土体内土、水能量和形态的转换,造成路面变形、路基强度衰减。通过开展小尺寸土体多态水分运移室内试验以及复杂环境下路基... 详细信息

在降雨稀少且地下水赋存较深地区,非饱和土路基内部水分运移主要以水汽运移为主,其传输过程中伴随的相变会产生土体内土、水能量和形态的转换,造成路面变形、路基强度衰减。通过开展小尺寸土体多态水分运移室内试验以及复杂环境下路基水汽运移模型试验,系统研究了非饱和黏土路基水汽运移与相变机制。结果表明:影响路基水汽运移的主要因素有:含水率梯度、初始含水率、试验时间及环境温度。气态水运移量在总水分运移量中的占比随试验时间的增加而增加。冻结条件是导致路基浅层土大幅增水的关键,但冻结温度的大小对浅层土体增水量影响不大。同样温度梯度下,当初始含水率较低时,土体气态水运移占主导,反之则以液态水运移为主,当初始含水率大于某一数值时,在重力势作用下,土样会在无温度梯度条件下发生向下输送水分的现象。环境温度对气态水运移驱动力显著大于液态水运移。

关键词：水汽运移相变非饱和黏土路基气态水影响因素

岩质边坡非饱和带水汽运移机制及其生态学意义

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地质科技通报 2020年第1期39卷 53-59,66页

作者：周建伟苏丹辉袁磊温冰冯海波郑晓明尹作聪张安鹏中国地质大学(武汉)环境学院武汉430078 中国地质调查局水文地质环境地质调查中心河北保定071051 生态环境部南京环境科学研究所南京210042

岩质边坡非饱和带水分对于边坡植物生长具有重要的生态学意义.目前对岩质边坡非饱和带水汽运移的系统性研究还很少,现有研究大部分集中在大气与岩体的接触面和凝结水能否生成的定性层面,而未将边坡非饱和带作为一个系统整体来研究.为了... 详细信息

岩质边坡非饱和带水分对于边坡植物生长具有重要的生态学意义.目前对岩质边坡非饱和带水汽运移的系统性研究还很少,现有研究大部分集中在大气与岩体的接触面和凝结水能否生成的定性层面,而未将边坡非饱和带作为一个系统整体来研究.为了阐明岩质边坡非饱和带的水汽运移机制及其与边坡植物生长之间的关系,运用热力学和系统科学的理论,开展边坡温湿度监测试验,进行了详细的水汽运移机制的研究.研究发现,岩质边坡非饱和带内的水汽运移驱动力为水汽分压梯度,水汽从水汽分压大的位置向水汽分压小的位置运移.冬季时,水汽从边坡深部向浅部运移,夏季时,水汽从大气向边坡深部运移.岩质边坡非饱和带内存在水汽饱和带,夏季范围较大,冬季范围收缩.同时,通过对岩质边坡复绿植物的成活率进行监测分析,论述了岩质边坡非饱和带内的水汽内循环机制及其生态学意义.本文对于研究岩体非饱和带水文学、探索植物水分来源、指导岩质边坡复绿乃至干旱半干旱带的生态修复都有极为重要的理论和现实意义.

关键词：岩质边坡非饱和裂隙水水汽运移水汽分压内循环边坡复绿

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寒区工程锅盖效应病害调查与防治研究进展

科学技术与工程 2021年第19期21卷 7863-7873页

作者：张明礼张瑞玲冯德刚严艳锋周志雄郝东苗李广兰州理工大学土木工程学院兰州730050 甘肃省科学院地质自然灾害防治研究所兰州730000 中交三公局桥梁隧道工程有限公司北京100012

寒区大温差环境下封闭工程结构层覆盖于地基上,导致水分聚集在结构层底部形成“锅盖效应”,引起地基承载力降低,加剧工程冻融病害。随着“一带一路”的推进,寒区高等级公路、油气站场、机场跑道建设涉及的锅盖效应病害亟需解决。调查了... 详细信息

寒区大温差环境下封闭工程结构层覆盖于地基上,导致水分聚集在结构层底部形成“锅盖效应”,引起地基承载力降低,加剧工程冻融病害。随着“一带一路”的推进,寒区高等级公路、油气站场、机场跑道建设涉及的锅盖效应病害亟需解决。调查了寒区公路路基、高铁无砟轨道基床、机场跑道、输油站场面临的锅盖效应病害,从病害特征、形成机理、理论模型、防控技术等四个方面,综述了寒区工程锅盖效应形成机理及病害防治的最新进展。同时,在总结当前锅盖效应研究不足的基础上,提出了今后寒区工程锅盖效应理论研究和灾害控制措施的方向:①关注水汽含量的测试和多年冻土区锅盖效应形成条件研究;②构建考虑空气-水汽两相流和土体变形规律的水-汽-热-力耦合模型,以此来预测工程构筑物的稳定性;③开展基于“阻-通-截”理念的综合防治措施研究,以期为寒区工程设计和病害防治提供理论支持和科学对策。

关键词：寒区工程锅盖效应病害调查防治措施水汽运移

北京地区高中压调压站调压传热特性及其保温设计研究

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北京地区高中压调压站调压传热特性及其保温设计研究

作者：郭一平北京建筑大学

学位级别：硕士

调压站冻胀问题危害天然气输配的安全和稳定,现有的关于调压站冻胀问题的研究通常聚焦于调压站出站埋地管道与周围土壤的换热过程,忽视了调压器的调压过程对调压站冻胀问题的影响;在研究出站埋地管道与周围土壤的换热过程时,又往往忽视... 详细信息

调压站冻胀问题危害天然气输配的安全和稳定,现有的关于调压站冻胀问题的研究通常聚焦于调压站出站埋地管道与周围土壤的换热过程,忽视了调压器的调压过程对调压站冻胀问题的影响;在研究出站埋地管道与周围土壤的换热过程时,又往往忽视出站埋地管道周围土壤水汽运移对调压站冻胀的影响;针对埋地管道保温的相关研究,通常视保温材料导热系数为定值,忽视了实际工程中保温材料因导热系数受环境温度影响致使其实际保温性能发生变化。本文对北京地区高中压区域调压站的调压过程进行简化分析,构建调压器绝热节流数学模型,同时在考虑埋地管道周围土壤水汽运移的基础上,构建埋地管道周围土壤水汽耦合数学模型;利用COMSOL MultiPhysic s软件进行数值模拟,分析不同调压条件对土壤冻胀的影响,并在考虑埋地管道保温材料导热系数随周围环境温度变化的基础上,对调压站出站埋地管道的保温设计提出建议。本文的主要研究内容及成果如下:(1)对北京地区高中压调压站的调压过程进行简化建模,通过分析北京地区高中压调压站的调压过程,计算模拟条件下调压器阀口的开度,建立了北京地区高中压区域调压站调压器-埋地管道的简化几何模型。(2)对影响北京地区调压站调压的条件进行分析,以准确模拟北京地区调压传热过程;对北京地区代表性地面气象台站近三十年的实测气象数据进行分析,得到了北京地区气象数据年变化情况,获得北京地区近三十年间具有代表性的大气温度、降水量以及风速数据;分析了北京地区地-气能量平衡规律,利用代表性大气温度、降水数据以及风速得到北京地区土壤表面温度、土壤深层温度数据,以及土壤温度、湿度边界条件;利用相关文献的实验数据,通过回归分析得到聚氨酯及岩棉导热系数与温度的线性回归方程。(3)考虑土壤发生冻胀时液态水、汽态水的运移以及相变,对土壤中水热分布的影响。本文对出站埋地管道周围土壤建立了考虑水汽运移及相变的能量和质量守恒方程,并通过建立方程中未知参数与土壤含水量θ以及温度T的关系,实现了水热方程的耦合求解,建立了土壤水汽运移耦合数学模型;对调压器内天然气气体的流动建立了绝热边界条件下的湍流数学模型,以模拟其在调压器内的绝热节流过程;为实现对上述两个数学模型的联合数值模拟,使用有限元分析软件COMSOL MultiPhysics中流固耦合模块模拟调压器绝热节流过程,使用PDE模块自定义土壤中水汽迁移微分方程,通过建立联系变量实现两个模型之间的数据实时调取,得到了上述数学模型的数值分析模型。(4)为分析调压器的调压特性及土壤冻胀时水热分布的规律,利用数值分析软件分别模拟了天然气入口温度、天然气入口压力对调压器内速度场、温度场、压力场,以及土壤中温度场和水分场分布的影响,掌握了调压站调压器内速度、压力、温度以及土壤中水分、温度与天然气入口温度、入口压力之间的客观规律;同时模拟了不同水分条件、不同管道埋深时出站埋地管道周围土壤中水热分布的特点,掌握了水分条件及管道埋深对土壤中水热分布影响的客观规律。(5)为考虑聚氨酯、岩棉导热系数随环境温度变化时的实际保温效果,本文分别模拟了天然气入口温度与入口压力对土壤中水热分布的影响,对工程设计阶段聚氨酯保温层、岩棉保温层的优化设计提出建议。

关键词：调压站冻胀水汽运移调压器埋地管道管道保温

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降雨入渗条件下的水气响应及边坡稳定性分析

降雨入渗条件下的水气响应及边坡稳定性分析

作者：何健中国地质大学(北京)

学位级别：硕士

自然界中大多数土壤都是非饱和的,降雨入渗会导致土壤的含水率增大,增大的含水率一方面会导致非饱和土的抗剪强度参数降低,另一方面会导致土体孔隙水压力有负值逐渐增大,甚至出现正的孔隙水压力;同时挤压原有孔隙中的空气,导致土坡内部... 详细信息

自然界中大多数土壤都是非饱和的,降雨入渗会导致土壤的含水率增大,增大的含水率一方面会导致非饱和土的抗剪强度参数降低,另一方面会导致土体孔隙水压力有负值逐渐增大,甚至出现正的孔隙水压力;同时挤压原有孔隙中的空气,导致土坡内部的气压力增大,基质吸力降低,从而导致非饱和土的抗剪强度降低,此时非饱和土坡容易失稳。降雨入渗的过程是入渗的水挤压和替代土坡中空气的水-气二相流过程,要精确的分析降雨入渗对非饱和土坡稳定性的影响,首先要明确降雨入渗引起的土坡渗流场的变化情况,即分析降雨入渗引起的孔隙气压力、孔隙水压力、基质吸力、内摩擦角、黏聚力及含水率的变化规律,并在土坡的稳定性分析中予以考虑。主要研究内容及成果如下:(1)根据Wang等人的实验研究结合对土体内部气压的受力分析提出了气体突破压力的修正计算公式,结合Grismer等人的试验结果验证了气体突破压力的修正计算公式比Wang等人提出的计算公式更加精确。(2)Grismer等人认为气体突破之后气压便稳定在这个临界值上,但他们试验中雨水入渗时间和入渗深度都比较短,对入渗深度足够大,入渗时间足够长时气压是否保持稳定不变持怀疑态度。通过SEEP/W和AIR/W模块耦合模拟分析降雨入渗时孔隙气压力、孔隙水压力的变化规律,根据模拟结果拟合湿润锋深度与气体突破压力的函数关系并与提出的理论公式对比分析,结果表明与理论计算公式拟合很好,说明在时间足够长,入渗深度足够大时气压会随湿润锋推进继续增大而不是保持稳定。(3)在降雨入渗条件下对下部为基岩的大面积浅层边坡的稳定性进行分析,结果表明在入渗湿润锋深度相同的条件下封闭气压的存在明显降低了边坡安全系数。结合SEEP/W模块、AIR/W模块以及SIOPE/W模块研究封闭气压力对边坡稳定性的影响。结果表明封闭气压的存在一方面能对湿润锋的推移起阻碍作用,延缓滑坡的发生;同时,在入渗湿润锋深度相同的条件下封闭气压力的存在降低了边坡安全系数。说明在降雨入渗初期气压力对滑坡的发生起阻碍作用,但在降雨时间足够长,雨水入渗深度很大时,气压力的存在反而会减小边坡安全系数。

关键词：非饱和土降雨入渗水汽运移滑坡稳定性

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同位素技术在水环境科学领域的应用研究

农村经济与科技 2017年第21期28卷 1-4页

作者：徐娜陈田庆李俊超陕西省土地工程建设集团有限责任公司陕西西安710075 陕西地建土地工程技术研究院有限责任公司陕西西安710075 国土资源部退化及未利用土地整治工程重点实验室陕西西安710075 陕西省土地整治工程技术研究中心陕西西安710075

水汽稳定氢氧同位素作为水循环中的天然示踪剂,在土壤水、地下水、大气水汽及降水的研究中发挥着重要作用,在水环境污染研究中也成为了一种良好的研究手段,尤其在示踪污染源、探寻地下水来源和径流途径、估测地下水年龄等方面具有准确... 详细信息

水汽稳定氢氧同位素作为水循环中的天然示踪剂,在土壤水、地下水、大气水汽及降水的研究中发挥着重要作用,在水环境污染研究中也成为了一种良好的研究手段,尤其在示踪污染源、探寻地下水来源和径流途径、估测地下水年龄等方面具有准确的指示作用。围绕同位素技术在水环境科学方面的应用研究展开,重点介绍了液态水稳定氢氧同位素的观测分析方法,汇总了大气水汽氢氧同位素的不同收集方法之间的差异及其优缺点,明确了目前同位素技术在水循环研究过程中的应用现状。为了能够使同位素技术最大化的实现科学价值,在今后的研究中应进一步补充完善采集样品的时空尺度,筛选典型样品代表,并着重于大气水汽循环的统一整体展开氢氧稳定同位素研究,获得整体循环过程中水汽同位素的运移规律和蒸散过程。

关键词：氢氧同位素水循环 LGR液态水同位素分析仪水汽运移

红粘土路基水汽运移特性及防排水优化设计研究

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红粘土路基水汽运移特性及防排水优化设计研究

作者：付强长沙理工大学

学位级别：硕士

路基水分迁移主要是毛细作用下、降雨作用下产生地表径流和高水位造成路基内部产生渗流及日照温度场作用下产生的路基水汽迁移。路基在（裂缝）渗流作用、毛细作用以及温度场作用下,内部土体含水量、孔隙水压会发生变化,使得土体抗剪强... 详细信息

路基水分迁移主要是毛细作用下、降雨作用下产生地表径流和高水位造成路基内部产生渗流及日照温度场作用下产生的路基水汽迁移。路基在（裂缝）渗流作用、毛细作用以及温度场作用下,内部土体含水量、孔隙水压会发生变化,使得土体抗剪强度降低,土体产生湿陷和变形,从而引起一系列的路基水毁破坏。本文主要研究非饱和土路基的水作用机理以及非饱和土路基水汽迁移特征、迁移规律及影响因素。其中包括毛细水、降雨渗流、裂隙流、水位升降等因素下的非饱和土路基水汽迁移规律,比如孔压、水分分布的发展变化,引发的路基强度稳定、路面结构安全等公路病害。结合南方高液限、膨胀土类路基用红粘土性质,进行非饱和土水汽运移的室内试验研究,包括毛细水上升试验、常规固结剪切试验渗透试验以及土水特征曲线测定试验。利用有限元分析软件Geo-studio,进行非饱和土水汽运移的模拟研究。建立非饱和土路基有限元模型,模拟水汽运移中的毛细迁移过程中水分分布变化、毛细水上升高度等。研究非饱和土路基在不同边界条件下水分和孔压动态变化。模拟路基在不同降雨历时、不同降雨边界条件、路基表面有无裂缝等情况下的水分运移规律,得出路基土内部水汽运移规律。针对非饱和土路基水汽运移模拟分析结果,引出路基路面防排水处理措施必要性。

关键词：红粘土水汽运移毛细水土水特征曲线数值模拟

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浅层包气带地温与含水量昼夜动态的实验研究

地学前缘 2006年第1期13卷 52-57页

作者：曾亦键万力王旭升曹文炳中国地质大学(北京)水资源与环境工程北京市重点实验室北京100083

西北荒漠化地区，包气带中的水分除来自大气降水外，还来自凝结水。凝结水对维持荒漠地区的植被生态环境起到至关重要的作用，而凝结水的形成机制又反映在包气带地温与含水量的昼夜动态过程中。文中报告了室外沙坑浅层包气带地温与含水... 详细信息

西北荒漠化地区，包气带中的水分除来自大气降水外，还来自凝结水。凝结水对维持荒漠地区的植被生态环境起到至关重要的作用，而凝结水的形成机制又反映在包气带地温与含水量的昼夜动态过程中。文中报告了室外沙坑浅层包气带地温与含水量观测的实验结果。土壤含水量变化采用原位测试的方法观测，避免了传统称重法产生的干扰和不确定性。实验中对深度0～30cm范围的土壤温度进行了高密度观测。结果表明，温度梯度对水汽的运移起到主控作用，温度梯度方向向下，土壤含水量增加，反之，含水量减少。通过热传导方程对土壤中的传热过程进行分析，得到傅立叶级数表示的温度波方程，用于预测不同深度土壤响应地表条件而产生的温度变化。实验中还对近地表微气象以及土壤负压等因素进行了观测。

关键词：干旱区包气带凝结水水汽运移温度梯度