灯光没O耀眼
当只进行渗流计算时:
1、由于Abaqus中缺乏非耦合的孔压单元，这时可采用耦合单元，但要约束住所有位移的自由度。
2、渗流材料参数选择。在CAE中都是在(Material-creat-other-pore fluid)选项中。
(1)Gel:定义凝胶微粒吸湿膨胀的发育过程，这在一般的岩土分析中应用不多。
(2)Moisture swelling:定义由于吸湿饱和所引起的固体骨架体积膨胀(或负吸力引起的骨架收缩)。
(3)Permeability:定义饱和介质的渗透系数，该渗透系数可以在type选项中定义为各向同性、正交各向异性和各向异性，并且可以根据Void Ratio定义为孔隙比的函数。在Suboptions中选择Saturation Dependent 参数来指定与饱和度相关性系数ks(s)，缺省设置为ks,s3，而非饱和介质渗透系数k’=ksk。选择Velocity dependence参数可以激活Forchheimer定律，缺省的是Darcy定律。
(4)Pore Fluid Expansion:定义固体颗粒与流体体积热变化效应。
(5)Porous Bulk Moduli:定义固体颗粒与流体体积模量。
(6)Sorption:定义负孔隙压力与饱和度之间的相关性。当type=Absorption时，定义吸湿曲线，type=Exsorption时定义排水曲线。 3、载荷及边界条件
(1)通过(Load-creat-step-fluid-surface pore fluid)选项定义沿着单元表面的外法线方向的渗流速度vn，当考虑降雨影响时可采用此载荷 (2)边界条件(Boundary condition-creat-other-pore pressure)选项定义孔压边界条件，此时要先假定浸润面的位置，然后定义浸润面上的孔压为零，Abaqus会在后续的分析计算中自动计算出浸润面的位置。Abaqus默认的是不透水边界。
(3)当渗流自由面遇到临空的自由排水面时，需要定义一个特殊的边界条件。此时可以通过在inp文件中加入*Flow或*Sflow来定义 (4)初始条件的定义。初始条件中一般要定义以下几种:
*initial condition,type=saturation 初始饱和度
*initial condition,type=pore pressure 初始孔压
*initial condition,type=ratio 初始孔隙比
当进行耦合分析时，基本步骤同上，但要去掉除边界条件之外的约束，同时还要在边界上加上流体压力。
Initial void ratio is not supported in ABAQUS/CAE
import的时候CAE不认识*INITIAL CONDITIONS, TYPE=RATIO 这一行，遇到这类cae不支持的关键词，解决办法如下:
1.你可以将这句在cae中手动写进inp，具体方法:使用edit keywords
2.你可以不使用cae来提交job，具体方法:将inp文件放在默认工作目录temp，然后在command 运行abaqus job=(job name).inp，当然也可以使用dos命令改command的默认路径。
3.通过cae提交job，具体方法:打开cae之后，直接建立一个job，然后把source中默认的model改为inp file，再选择路径，然后summit即可。
初始孔隙比对饱和砂土动力特性影响研究
第 卷 第 期::,,, 三峡大学学报自 然科学版 ,,,(,,,,(, 年 月::,,,,, ,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,(,,,,,,,,;,,,;,,,,(,,,,, ,
初始孔隙比对饱和砂土动力特性影响研究
,,,,, ,, ,, , , ,曹久亭孙阳光黄思杰刘夫江刘 辰刘春伟 :,;, 河海大学 岩土力学与堤坝工程教育部重点实验室南京 河 海大学 安全与防灾工程研究所南,(,,,,,,,(
;,;,京 河海大学 岩土工程科学研究所南京 山 东临沂水利工程总公司山 东 临沂 ,,,,,,,(,,,,,,,(,,,,,;,:临沂南水北调办公室山东 临沂 ,,(,,,,,,
:,摘要通过对汶川细砂在不同循环 应力比下的等压固结不排水动三轴试验 着重研究了考虑初始
,,孔隙比对饱和砂土的动强度与孔压特性影响 建 立了不同有效围压下的动抗剪强度表示方法 比
,较了一定振次下的动强度指标 为 抗震设计提供参考与借鉴从孔压随荷载循环次数变化和一定 (
,:振次下液化所需的循环应力比这两种角度研究孔压特性 结 果表明相对密实度对砂土抗液化能
,,,力有着显著影响 孔压的发展取决于初始孔隙比 循环应力比越高时表现得越明显(
:; ; ; ; 关键词饱和砂土循环应力比初始孔隙比动强度孔压
:::::中图分类号文献标识码文章编号,,,,, , ,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,
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; ; ; ; ,,,,,,, ,,,,,,,,,,,,,,;;,,;,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,;,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,, DOI:10.13393/j.cnki.issn.1672-948x.2014.02.015
、、、、砂土的物理状态和初始结构性控制着其强度和 有效上覆压力应 力历史密 度含 水 量颗 粒 级 配 以
,,,,,,,变形特性国内外学者通过实验研究对土 体的动力特 及孔隙比或相对 密 实 度 等土体的强度和变形特
,,,性开展了大量研究工作反映土体的物理 参数主要有 性起主要影响其中孔隙比是一个相对重要的指标尤
:收稿日期 ,,,,,,,,,,
基金项目 :国家自然科学基金面上项目::,,,,,,,,
::,::,,通信作者 曹 久亭,,,,,男 硕士研究生 研究方向为土动力学(, ,,,,;,,,,,,,,,(;,, ,,,,
,第 卷 第 期 曹久亭 等 初始孔隙比对饱和砂土动力特性影响研究 ,,, ,,
,其对于砂土来说孔 隙比或者相对密度可能是影响其 试验过程与方法 ,
,强度的最重要因素目 前大 多数研究是基于 砂 土 的 (,,,,,试验采用直径 ,高度为 的重塑土 ,物理状态变量来 研 究 砂 土 抗 液 化 特 性 因 此 关 于 ,,(,,, ,,,,
物理状态变量对砂土抗液化能力有了很好的认识( ,,样重塑试样的制备为多层湿捣法 分层击实根 据 (,
,此外仅有一些研究是关于初始结构 性对砂土的 土样的干密度和预先设计的含水量确定每层土样 的 ,,,抗液化能力的影响郭莹进行了相对密实度分别为 (,,,重量击实到相 应高度各层接触面刮毛 以 保 证 上 下 ,, ,、的密砂 和 松 砂 液 化 强 度 实 验 曾 长 女 等,,,,,(,接触良好制 备 完 成 后 安 装 到 循 环 三 轴 仪 的 压 力 室
探讨了黏粒含量和粉粒含量对重塑粉土动孔压发展 、内在三轴压力 室内联合抽真空 通 无气水 和 加 反 压 (
,,的影响结果表明细粒含量对粉土动孔压发展影响较 ,两种方法饱和这样避免了试样在放入真 空饱和缸时 ,,,,:大等从 极 限孔隙比和孔 隙 比 范 围 (,,,,,,, , ,,, ,时认,(,,,对试样的扰动当 孔隙水压力系数 值?,
,:,,为试样满足饱和度要求然后进入固结 阶 段 所 有 试 研究砂土 液 化 特 性结 果 表 明 平 均 粒 径 越 小 砂 (,,,,
;,土越容易液化平 均粒径相同或相近时 孔 隙 比 范 围 ,样均为等压固结固结完成后进入振动 阶段试 验计 ((,越小砂土越容易液化( ,算机中适时监视试验过程并记录试验过 程中的轴向
,本文以四川汶川细砂为研究对象 在 等压固结下 、,力应力和孔隙压力破坏标准取孔压等 于围压 对 于 (
对饱和砂土进行了不同围压和循环应力比下的不排 ,密实砂不能液化时取双幅应变达到作为补充,,(
,水动三轴试验研究了考虑不同初始孔隙 比对饱和砂
,土的强度和孔压特性的影响 建立了动抗 剪强度与有 试验结果与分析 , ,效围压之间的关系并比较初始孔隙比和 循环应力比 ,对孔压特性的影响为该地区在实际工程 中的应用和 动强度特性,(,
计算提供借鉴和参考( ,,根据破坏 标 准找 出 试样破坏时对应的循环次 数
,如图所示为动应力随破坏振次 的变化关 系,σ, ,, 试验设备与试样 , ,, 可以看出饱和砂土的动强度随围压 增大而增加在同
,, 一围压下随着应力的降低 破 坏振次 逐 渐 增 大曲线动三轴试验仪器为天水红山试验机有限公司研 ,; 降低速 率 由 快 变 慢 最 后曲 线 趋 于 稳 定在相σ,,,,
,制生产的 动三轴仪器该仪器为电液伺 服闭 ,,,,,, 同的破坏振次下饱和砂土的动强度随围压增 大
,,,、环控制系统其 幅频特性好频 率响 应 快由 主 机液 而增加细 砂 的关 系 可 用 式(,,,，,,,,σ,,, σ, ,
表 ,:、,示式中对 本试验的不同围压为拟合参数、、,, 压源电控系统计算机大部分组成,( 和不 同初始孔隙比细砂试样和见表, , ,( ,土样取自四川汶川某一边坡坡脚 在 汶川地区极
,,具代表性所有 试样为重塑试样 其 颗粒筛分 试 验 结
,果如图 所 示其 不 均 匀 系 数 曲 率 系 数 , (,, ,,(,,
,,,特 征粒径 比 重 ,,,(,,,,,(,,,,,,,(,,;,, ,
,,最大孔隙比最 小孔隙比由 颗 ,,,(,,,,,(,,,,,,,,
,粒筛分试验结果可知该 土定名为细砂采 用 种不(, ,,,、,、,同干密度试样分别为,(,;,,(,;,,(,, ,,, ρ
,图 动应力与破坏振次 的关系 , σ, ,, ,、初始孔隙比分别为和;,,,(,,,(,,,(,,( ::,,:循环应力比定义为 式 中,,,,,,,σ,,σ,σ, ,::为轴向动应力为围压图 为 孔隙比为σ, (,,, ,(,,
,,时不同围压下 关 系 曲 线由 图 可 知不 同 围 ,,,,,,
,压下砂土的试验数据点皆分布在较窄的范围内 围 压 对
,,循环应力比的影响很小可 以近似地归 一 随 着 破
,::坏振次的增大循环应力比 线性减小图 为 当围 (,,
, 压为时 不同初始孔隙比的 关系图,,,,,,,,,,,,
,,,由图可知循环应力比一定时初始孔隙 比越小破 坏
,,振次越高破坏振次一定时初始孔隙比 越大液 化所(
图 汶川砂土颗粒筛分试验曲线 ,
:: 三 峡 大 学 学 报自 然 科 学 版年 月 ,,,,,,,
需的循环应力比越小(
表 拟合参数和参数值, , , σ, ,,,,,, ,,,,,, ,,,,,,
,,,,,,, , , , , , , , , ,
,,, ,, ,,(,, ,(,,, ,,(,, ,,(,, ,(,,, ,,(,, ,,(,, ,(,,,
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, 为相关系数,(
图 细砂的 曲线图 , ,,,,,, 动强度总应力参数,(, 关系图
与孔隙比, 图 动内摩擦角, υ ,一定振次下动剪应力与围压的关系可以τ, σ, 抗液化 能 力图 给 出 了 当 为 ,(, σ, 为,,,,,,,,, 表
示为
:,:随 循环次 时种不同初始孔隙比孔压比,,,(,,,σΔ,,,;τ, ,, ,,σ, υ::,:数的变化情况可以 看出对 于孔隙比为 密 ,,(,, ,,,为动粘聚力为动内摩擦角一 般来说式中对 , , (;υ,,实砂孔压发展很慢而孔隙比为中 密砂很容易 ,(,,于饱和砂土 ,,,(;
;液化而孔隙比为中密砂在循环次时发生液 ,(,,,, 根据 不 同 围 压 下 细 砂 的关 系 拟 合 曲 线 表 σ,,,,
、、,达式计算出固定破坏振次分别为 化而孔隙比为的密实砂在循环次时发生液 次时相应 ,,,,,, ,(,,,,
,,,的动应力根据动剪应 力其 中为试σ,τ, ,σ,,τ, ; 为 密 化还可看出即使孔隙 比 为 和 为 均,(,, ,(,,
,动加载过程中试样 面 上的动剪应力幅固 定验 ,,?,砂抗液化能力却表现不同 ( 、破坏 振次分别为和次时动剪应力随 围压,,,,,,
,变化关 系如图所示,(
图 初始孔隙比对饱和砂土孔压的影响 , 图 不同振次下动剪应力随有效围压的变化 ,
、、图给 出 了 围 压 为 时 循 环 次 数 分 别 为 图给出了破坏振次 分别为 时饱 , ,,,,,, ,,, ,,,,,,
,:和砂土的内摩擦角的数值结 果表明孔 隙比一、, 为和时孔压比与循环应力比关系图 由图,,,,,,(, υ
定 ,,,可知随着试样变疏松即随着初始空隙 比的增大 曲 ,,时随着破坏振次的增大 动 内摩擦角降低抗 液 化 能 ,线坡度逐渐增大不同孔隙比的曲线坡度 最大降低值 ;,,力越弱在相同破坏振次下孔隙比越小动 内摩擦角 ;,高达当 循环 次时循 环应力比为 能引 ,,,,, ,(,, ,;,越大砂土的抗液化能力越强在相同振 次下孔 隙比 ,起孔隙比为 砂土液化循 环应力比为 能引 ,(,, ,(, 为的动内摩擦角比孔隙比为 的动内摩擦 ,(,, ,(,, ;,起孔隙比为 砂土液化当 循 环 次 时孔 隙 比 ,(,, ,, 角提高了左右,,,( 为和的 砂 在循环应力比为 和 ,(,,,(,, ,(,, ,(,,
动孔压特性,(, ,,时接近液化当循 环 次 时孔 隙 比 为 和,, ,(,, ,(,,
从孔压随循环次数的变化和一定循环次数液化 的砂在循环应力比为和时接 近液化可 以 ,(,,,(,,(::::所 需的循环应力比 两 种角度 来 研 究 ,,σ,,,,Δ,,看出相对密实 度对砂土液化抗力有着显 著 影 响 孔
,第 卷 第 期 曹久亭 等 初始孔隙比对饱和砂土动力特性影响研究 ,,, ,,
,,:压的发展取决于初始孔隙比 循 环应力比越 高 时 表 参考文献
,现得越明显并且越容易发生液化破坏( ,, ,,,,,, , ,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,(,,,,,;,,,,,, ,,,
,,: ,,;,,,, ,,;,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,, ,,,,,,,,,,,, ,,
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,,::: ,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,(,,, 图 一定循环次数时初始孔隙比和 , 循环应力比
,, 王星华 ,周 海 林 砂土液化动稳态强度分析 ,,岩 石 力 ,(,(对孔压的影响
,,:::学与工程学报 ,,,,,,,,,,,,(,
,, ,,,,,，,,,,,,,,，,,,,,,,, ,,,,,,,, ,(,,,,;,,,，,,,,,, 结 论 , ,,,,,,,,,;,,;,,,,,,,,,,,,,,,(,(,,,,,;,(,,,(,,, ,
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,本文在等压固结下对汶川细砂进行 了不同围压 ,, ,,,,,,,,,,, ,,,,,,,,,,,,,,,,,,，(,,,,,,,,,,,,, ,？
,,,和循环应力比下的不排水动三轴试验 研 究了考虑不 ,,,,,,,,,,,,;,,,,,,,,;,,;,,,,,,,,,,,,,,,( ，,,,
,,:::, ,(,(,,,,,;,(,,,,,,,,,,,,(同初始孔隙比对饱和砂土的强度和孔压特性的影响,
,, ,,,,,,,,, , ,,,,;,,, ,(,,,,,,;,,,, ,,,,,,,,;,,, ？:研究表明
,,,,,,,,,,, ,,, ,,;,,,,,,,,,, ,,,,,, ,, , ,,,,,,, ,,:,饱和砂土的液化强度随围压增大 而增加 在 同 ,,,,,,,,,,,,,, ,,,,,,,,, ,;,,;,,,,,,,,,,,,,,,,一围压下随着动荷载的降低 破 坏振次逐渐 增 大 曲 ,,,,:::,( ,(,,,,,;,(,,,,,,,,,,(,,(,,,,,,,,,,,,,,,;线降低速率由快变慢 最 后曲线趋于稳定 在 相 同 的 ,,( 破坏振次下饱和砂土的液化强度随围压增大而增,,,, ,,,,,,,,,,,,,,,,,(，,,,,,,;,,, ,,,,,,,,,,,,加,( 在一定循环应力比范围内围压对砂土的 循环应,,,,,,,,,,,,,,, ,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,, ,,,,,, ,,
与破坏振次关系曲线影响不明显力比 ( ,,,,:::,,,,,,,,,(,,,(,,,,,;,(,(,,,,,,,,,,,,,
:,,( 通过一系列试验分析了不同初始 孔隙比对饱 ,
,, 郭 莹 ,贺 林 振动频率对饱和砂土液化强度的影响 ,( ,和砂土动力特性的影响建立了动抗剪强 度与有效围
,,,,:::,(防灾减灾工程学报 ,,,,,,,,,,,,,(, ;压之间的关 系动 内摩 擦角 与 初始孔隙比之间 的 关
,, 曾长女 ,刘 汉龙 ,陈 育民 细粒含量对粉土动孔压发展模 ,(,,系孔隙比一定 时随着破坏振次的增大 动 内 摩 擦 角 ,,,,:::式影响 的 试 验 研 究 岩 土 力 学 ,,(,,,,,,,,,,,, ,;,降低抗液化能力越弱在相同破坏振次 下孔 隙比越 ,,,( ,,小动内摩擦角越大砂土的抗液化能力越强 ( ,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,, ,(,,,,,;,,,,,,,,,,,,,,,,,？, :从孔压随 振动次数变化和一定循环次 数 下 液 ,,,;,,,,,,,;,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,, ,,,,,,
,化所需的循环应力比两种角度来研究孔压特性 可 以 ,,,, ,,,,,,,,,,, ,,,, ,,,,, ,,,,(,,,,,,,,, ,,,,,
,,,, :看出初始孔隙 比对砂土液化抗力有着显著 影 响 孔 ,;,,,;,,,,, ,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,
::,,,,,,,,,,,(压的发展取决于初始孔隙比 循 环应力比越 高 时 表 ,
,,,现得越明显并且越容易发生液化破坏责任编辑 周文凯 (
基于SEM图像土样三维孔隙度的计算方法 精灵论文
基于 SEM 图像土样三维孔隙度的计算方法 1,222毛灵涛，袁则循，赵丹
(1. 中国矿业大学煤炭资源与安全开采国家重点实验室;
5 2. 中国矿业大学(北京)力学与建筑工程学院 北京 100083) 摘要:扫描电
镜(SEM)技术已广泛用于土微结构的观测与分析中。以往研究中，通过 SEM 图像提取的都
是孔隙的二维参数，没有充分利用 SEM 图像中蕴含的三维信息。本文基于数 字地形模型
(DTM)的方法给出了由 SEM 图像计算三维孔隙度的方法，该方法计算简便，易 于编程实
现。利用该方法计算了天津港某杂货码头不同深度土样的孔隙度，并与压汞法，土
10 工实验方法和基于图像二维孔隙度的计算结果进行了对比分析。结果表明，二维孔隙度只反
映了孔隙结构的一个剖面的孔隙度，而且阀值的选取对结果影响较大，而基于 DTM 三维孔
隙度计算方法的结果与压汞法、土工实验方法所得的结果相近，反映了孔隙的实际情况。
关键词:岩土工程;土的微结构;三维孔隙度;SEM 图像
中图分类号:TU 411
15
3D porosity computation method of soil based on SEM
image
1,222, YUAN Zexun, ZHAO Dan MAO Lingtao
(1. State Key Laboratory of Coal Resources and Safe Mining;
20 2. School of Mechanics, Architecture and Civil Engineering, China University of Mining and
Technology Bei Jing 10083)
Abstract: Scanning micrescope technique is widly applied in soil microstructure observation and
analysis. As before, 2D parameters of pore structure were acquried from SEM images, and the 3D
information in SEM images were not used fully. In this paper, 3D porosity computation method based 25 on Digital Terrain Model (DTM) is proposed. This method is ease to program. With this method,
different layers’ soil porosity in one cargo dock of Tianjing harbour are caculated. The results are
compared with mercury instrusion method, geotechnic test and 2D porosity based on image. It is shown
that 2D porosity only reflect one slice porosity of pore structure, and the threshold value has bigger
influence on the result. The 3D porosity based on the DTM method is proximate to the results of 30 mercury instrusion method and geotechnic test, which show true pore.
Key words: Geotechnical Engineer; Soil microstructure; 3D porosity; SEM image
0 引言
[1-3]利用扫描电镜(SEM)进行土微结构分析，是一种重要的研究方法。通过 SEM 图像，
35 可以获取土结构，颗粒及孔隙的大小，形状，定向性等参数。以往的研究是将获取的 SEM
图像先进行二值化，选择的阀值不同，得到的颗粒或孔隙的结构也会存在差异，给后期的分
析带来一定的困难。实际上，二维 SEM 图像反映试件表面形貌，蕴含着有关土结构、颗粒
及孔隙形状，大小等三维信息，图像的灰度值反映出成像过程中反射能量平面与成像表面之
间的距离。一般 SEM 图像为 8 位灰度图，即灰度值为 0-255 间的整数值，如果把每一个灰
40 度值都对应一能量平面与成像表面间的距离值，灰度值与距离之间存在一种线性对应关系，
[4,5]那么灰度图像就可以看成是对应不同高度的地形图。文献利用地理信息系统(GIS)中的
数字高程模型(DEM)对土的 SEM 图像进行了三维可视化研究，计算了黏性土的三维孔隙
基金项目:教育部博士点新教师基金(20070290010)
作者简介:毛灵涛(1974-),男,副教授,主要从事实验力学与图像处理方面的研究工作. E-mail:
mlt@cumtb.edu.cn
率与分形维数。
[6]本文介绍利用数字地形模型(Digital Terrain Model, DTM)进行三维孔隙度计算的方
45 法，利用该方法计算了天津港某杂货码头软土基础不同土层的三维孔隙度，并与压汞法，土 工实验法及基于图像的二维孔隙度进行比较分析。
1 基于 SEM 图像三维孔隙率的计算原理
土样的三维孔隙度可以定义为孔隙的体积 V与整个土样体积 V的比值，即E T VE(1) φ =
V T
50 土样的 SEM 图像可以看成是一副数字地形图，不同的灰度代表了数字地形中不同的高 度。在数字地形模型(DTM)中，高度 r和 r之间的地形体积可由下式计算: min max
rmax2 r? rH r V = s a ()()(2)? i min i r r = i min 2 式中:s为图像水平方向像素的面积; a 为竖直方向像素的尺寸; 55 r为与高度相对应的灰度值; i r maxn i H(r)为在[rr]区间 r的直方图，其值为: H (r ) = ，可知:H (r ) = 1 ， nimin, maxi ii ? inr min
为图像中灰度值为 r的个数，n 为图像像素总和;i
如大小为 k×l 的图像，最大灰度值为 r，则长方体 k×l×r的体积 V和由表面形貌 maxmax T 而得的孔隙体积 V分别记为: E
rmax2 60 V= s a (r? r)H (r )(3)T ? max min i r r = i min r max2 (4) V= s a (r? r)H (r) E ? max i i r r= i min 则由(1)可知，孔隙度为 r max (r? r)H (r)? max i i r=0i (5) φ = r max
()rH r? max i r= 0 i
当图像中个别点灰度值较高时，上式计算出来的孔隙度偏大。上式可改写为灰度值 x
65 的函数，即 x (x ? r)H (r) ? i i r=0i () (6) φ x= x
xH (r) ? i r=0 i
式中 x 的取值范围为[r，r]。按(6)式可绘出Φ随 x 变化的曲线。 minmax
图 1 中(a) 为一土样的 SEM 图像，(b)给出了由式(6)所获得不同灰度值对应的Φ曲线，
70 随着灰度值的增加，Φ值增加，在 C 点处存在一极小值，取该值做为孔隙与土颗粒的分界
80000 0.5 D 70000 B60000 0.4 孔隙度 50000频数C0.3 40000 30000 0.2 20000 0.1 10000 0 0.0O0 50 100 150 200 250 A 灰度值 (a) 软土的 SEM 图像 (b) 孔隙率曲线
图 1 软土的 SEM 图像与孔隙率曲线
Fig.1 Soft soil SEM image and porosity curve
点，所对应的Φ值即为三维孔隙度。
2 土样制备
进行土样的微观结构 SEM 观测时，土样的制备质量直接决定图像是否能够真实反映土
[7]样微观结构特征。为了能够保证孔隙的原始状态，本文采用真空冷冻干燥法进行土样的制 75 备。图 2 为天津港某杂货码头不同深度的软土经冷冻干燥法制样后放大 750 倍后的微观结构
图像。
(a) 3m 土层 (b) 6m 土层 (c) 9m 土层
(e) 18m 土层 (d) 12m 土层 (e) 15m 土层 图 2 不同土层微观结构的 SEM 图像
Fig.2 Photos of SEM of different layer microstructures
3 孔隙率的计算与结果分析
80 基于 SEM 图像，对不同层的土样进行二维孔隙度和三维孔隙度的计算，同时通过压汞
实验，土工实验测定孔隙度，结果如表 1 所示。图 3 为四种方法所得结果的比较。压汞法、
土工试验和图像三维孔隙度三种方法实质都是通过孔隙体积来计算孔隙度的，这三者所得的
孔隙度变化趋势较为一致，除在 9m 的土层外，三者所得结果相差都在 5%以内，且图像三 维孔隙度计算值稍小。这是由于 SEM 景深的限制，无法拍全观测表面较深的孔;再者采用
85 掰断法获取观测表面时，会导致某些颗粒与原断面分离，改变孔隙的结构。 由图像所得的
二维孔隙度和其他三种方法所得结果相差较大，而且普遍偏小。二维孔隙
[8]度计算时，需要对图像中的孔隙与土颗粒进行阀值分割，阀值的选择具有一定的主观性， 而且阀值分割后的图像只是相当于孔隙三维结构的一个剖面，因此计算出来的孔隙率普遍偏 小。
90 表 1 不同方法所得的孔隙度
Tab.1 Porosity computation by different methods
土层深度名称压汞法土工试验图像的三维孔隙度图像的二维孔隙度
50.32% 46.30% 44.90% 40.42% 3 米贝壳土
42.00% 46.38% 41.71% 37.41% 6 米粘土
62.56% 52.70% 49.67% 35.46% 9 米淤泥
45.02% 49.24% 41.39% 38.54% 12 米粘土
48.25% 46.84% 45.20% 37.90% 15 米粉质粘土
44.01% 43.88% 43.16% 36.80% 18 米粉质粘土
70.00% 60.00%
50.00% 40.00% 30.00% 压汞试验 土工试孔隙率 验孔隙度 图像的20.00% 三维孔隙度 图像10.00% 的二维孔隙度 0.00% 3 6 9 12 15 18 土层深度/m
图 3 不同方法的孔隙度比较 Fig.3 Comparison of the results of porosity by different methods
4 结论 本文利用数字地形模型(DTM)的概念，将 SEM 所获得的土样微结构的灰度图像看成 一幅数字地形图，介绍了由数字地形模型计算软土三维孔隙度的方法，通过编制的程序计算 95 了不同深度土样的孔隙度，并与压汞法，土工试验方法以及由图像获取的二维孔隙度进行了 比较分析，结论如下: (1) 软土的 SEM 微结构图像含有孔隙与土颗粒的三维信息，利用数字地形模型(DTM) 方法计算所得的三维孔隙度更能体现出 SEM 图像的特点，而且该方法算法简单，易 于实现; 100 (2) 利用数字地形模型(DTM)法、压汞法和土工试验所得的孔隙度都是基于孔隙体积 计算的方法，三者的结果相近，说明了数字地形模型(DTM)法用于计算三维孔隙 度是可行的，其结果能很好的反映实际土体孔隙度; (3) 由图像通过阀值分割来获得的二维孔隙度只反映了孔隙三维结构的一个剖面，因此 计算的孔隙度偏小，与其他方法相比，相差较大; 105 (4) 利用数字地形模型(DTM)法计算孔隙度，SEM 的景深大小与制样时观测表面土颗
粒的剥落，都会影响到计算结果。
[参考文献] (References) [1] 施斌. 粘性土击实过程中微观结构的定量评价[J]. 岩土工程学报, 1996, 18(4): 57-62. [2] 胡瑞林,官国琳,李向东等.粘性土微观结构定量模型及其工程地质特征研究[M].北京:地质出版社,1995 110 [3] 毛灵涛, 薛茹, 安里千等, 软土孔隙微观结构的分形研究[J], 中国矿业大学学报，2005, 34(5): 600-604 [4] 王宝军, 施斌, 刘志彬等. 基于 GIS 的黏性土微观结构的分形研究[J]. 岩土工程学报, 2004, 26(2): 244-247.
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125
孔隙比
e=e0-
孔隙比：s(1+e0)H0
有效应力原理：土体是有土的颗粒骨架和颗粒骨架间的空隙构成的，在外加应力的作用下，土体会产生两种不同性质的应力，一种是通过土颗粒骨架传递的应力，另一种是作用在土孔隙上并由其中的气体和孔隙水所承受的孔隙应力。土中任意点的孔隙压力对各个方向的作用是相等的，因此它只能使土粒产生压缩，并促使孔隙水沿土体的空隙发生渗流，而不能使土颗粒产生位移，使土体发生体积变化和压缩变形。由颗粒承受的折算到单位土体截面面积上的那一部分应力称为有效应力。
饱和土体在外力作用下其孔隙水压力逐渐消散，有效应力同步增长，体积压缩不断发生的过程称为饱和土体的排水固结过程。由此可定义一点的固结度为：
σι(t)σ-u(t)u(t)U(t)===1- σσσ
C和?被称为抗剪强度指标或抗剪强度参数。
土的抗剪强度应表示为剪切破坏面上法向有效应力的函数。抗剪公式为：τf=σ?tan? ιι
σ1=σ3tan(45+对于无粘性土，其极限平衡条件可简化为：2ο?)或σ3=σ1tan2(45ο-) 22?
对应于直接剪切试验的快剪、固结快剪和慢剪试验，三轴压缩试验按剪切前的固结程度和剪切时的排水条件，可以分为一下三种试验方式：（1）不固结不排水剪切试验：试样在施加周围压力和随后施加竖向压力直至剪切破坏的整个过程中都不允许土中水排出，实验自始至终关闭排水阀门。（2）固结不排水剪切试验：在施加周围压力的过程中，打开排水阀门，允许土样排水固接，待土样的排水固结完成后再关闭排水阀门，施加竖向压力，直至试样在不排水条件下发生剪切破坏。（3）固结排水剪切试验：试样在施加周围压力时允许土样排水固结，待土样固结稳定后，再在排水条件下缓慢施加竖向压力，直至试件剪切破坏。
当无粘性土的坡角与土的内摩擦角相等时，作用于土坡坡面上任意质点的抗滑力等于滑动力，即土坡处处于极限平衡状态。无粘性土坡稳定的极限坡脚等于土的内摩擦角，并称其为无粘性土坡的自然休止角。
土压力的定义：挡土墙后的填土因自身重力或外荷载作用在墙背上产生的侧向压力称为土压力。
朗肯土压力理论：朗肯研究了竖向在自重应力下，半无限土体内各点应力从弹性平衡状态发展为极限平衡状态的应力条件，假定挡土墙直立，光滑无摩擦，在此基础上提出了计算挡土墙土压力的理论。
无粘性土主动土压力沿墙高为直线分布，即与深度成正比，若取单位墙长计算，泽主动土压力Ea为：Ea=12?1γHtan2(45ο-)=γH2Ka Ea通过三角形的形心，作用在距墙底222
H/3处。
地基的破坏形式有三种：整体剪切破坏，局部剪切破坏，冲剪破坏。
整体剪切破坏：在荷载试验的p-s曲线中有较明显的拐点，随着荷载增加，剪切破坏区不断增大，最终在地基中形成一贯通地面的连续滑动面，基础急剧下沉或向一侧倾斜，与此同时基础四周地面隆起。
局部剪切破坏：p-s曲线从一开始就呈非线性变化，荷载下土体的剪切破坏也是从基础边缘开始，随着p增加，极限平衡区相应扩大，加荷终了时，极限平衡区发展到基底下一定范围内，但尚未形成贯通至地面的连续破裂面。地基破坏时，荷载板两侧地面只是略微隆起，但变形速率增大，总变形量很大局部剪切破坏是渐进的，即破坏面上土的抗剪强度未能完全发挥出来。
冲剪破坏：其变形发展速率更快。试验中，荷载板几乎是垂直下切，两侧不发生土体隆起，地基土沿荷载板侧发生发生垂直剪切破坏面。
地基极限承载力是地基单位面积上所能承受的最大荷载。
实际基础的买只深度和基础宽度对地基承载力的有利影响：fa=fak+ηbγ(b-3)+ηdγm(d-0.5)
式中：fa-修正后的地基承载力特征值
fak-地基承载力特征值，按前述方法确定
ηb,ηd-分别为基础宽度和埋深地基承载力修正系数
γ-基础底面以下土的重度，水位以下取浮重度
b-基础底面宽度，m，当基宽小于3m按3m取值，大于6m按6m取值
γm-基础底面以上土加权平均重度，水位以下各土层γi取浮重度
d-基础埋置深度，m，一般自室外地面标高算起。
按施工方法的不同，桩可被分为预制桩和灌注桩两大类。
群桩基础中的每根桩称为基桩，竖向荷载作用下的群桩基础，由于桩、土和承台之间的相互作用，其基桩的承载力和沉降性状往往与相同地质条件和设置方法下的同尺寸单桩有显著差别，这种现象被称为群桩效应。
桩基负摩阻力验算：符合下列条件之一的桩基，当桩周土层产生的沉降超过基桩的沉降时，应考虑桩侧负摩阻力。
（1）桩穿越较厚松散填土、自重湿陷性黄土、欠固结土层进入相对较硬土层时。
（2）桩周存在软弱土层，邻近桩侧地面承受局部较大的长期荷载，或地面大面积堆载时。
（3）由于降低地下水位，桩周土中有效应力增大，并产生显著压缩沉降时。
考虑桩周土沉降可能引起桩侧负摩阻力对桩基承载力和沉降的影响时，应根据具体工程情况具体对待。当缺乏可参照的工程经验时，可按下列规定验算
（1）对于摩擦型基桩，取桩身计算中性点以上的累计侧阻力为零，再按下式验算基础承载力。γsafN≤R
（2）对于端承型基桩除应满足上式要求外，上应考虑负摩阻力引起基桩的下拉荷载，并验算基桩承载力。γsaf(N+1.27Qg)≤1.6R
软土的主要工程特征：（1）多属于中液限与高液限无机粘土，其液限值大部分在34%~43%之间，塑性指数大部分在20左右，在塑性图上主要位于A线以上，C线以外。
（2）含水量w为34%~89%，个别地区的泥炭质软土含水量更高，达299%，多数大于土的液限，属于流动状态，天然孔隙比e=1.0~2.45，最高达7.0，都是淤泥和淤泥质土，以淤泥质土为主。 n
（3）压缩系数a1-2=0.51~2.33MPa-1，属高压缩性土。
（4）抗剪强度低。无测限抗压强度qu=5~48kPa，最大不超过80kPa左右，快剪的粘聚力cq=5~13kPa、
（5）渗透性小
（6）灵敏度一般为3~5，即完全扰动后期强度可降低70%~80%，属于灵敏性土。因此这类地基土场地施工时应尽量减小对基底土的扰动，以发挥土的天然强度。
（7）具有吸附力
（8）在剪应力的长期作用下，软土具有明显的流变特性。在一定条件下，流变可导致地基土的破坏。土的塑性越大，长期强度降低就会越多。
地基处理的目的：主要是改善地基上部土体的工程性质，使地基能够达到和满足建筑物对地基强度，稳定性和变形的要求。按照各地基处理方式的基本原理，可以将地基处理方法的机理分为三大类：土质改良，土的置换和土的加固或补强。
最有含水量和最大干密度：对粘性土而言，在一定压实机械的功能条件下，存在一个含水量，在该含水状态下土最易被压实，并能达到最好的压实效果，该含水量被称为该夯击能量下最优含水量，相对应的最密实状态下的干密度则称为最大干密度。
压实系数：土土的控制干密度与最大干密度的比例称为压实系数，压实系数是工程中用以评价土体是否被压实的重要指标。
土样初始状态对红壤坡面水文过程的影响研究（可编辑）
分类号 密级
学校代码 学号????
曼堡
土样初始状态对红壤坡面水文过程的
影响研究本论文得到了国家自然科学基金
“胀缩粘土的动力水文过程及影响因素研究的资助 研究生姓名 刘小梅
指导教师姓名、职称 吕殿青教授
学 科 专 业 自然地理学
方 向 环境评价与规划
研 究
湖南师范大学学位评定委员会办公室
二零一三年五月摘 要
红壤地区水土流失引起了一系列的生态环境问题,已成为制约该 地区农业可持续发展的重要因素之一,因此有效防治土壤侵蚀已
经迫
在眉睫。本研究以湖南省丘陵红壤为研究对象,采用室内人工模
拟降
雨试验,研究不同初始容重.、.、.、.、.
/、
初始含水量风干土、%、%、%的土样初始状态对坡面降
雨入渗过程、产流过程、降水与地表水和壤中流之间的转化规律及土
壤侵蚀过程的影响,揭示裸露坡地的水文过程变化规律。通过数据分
析,得到以下结论:
.不同初始容重对坡面水文过程的影响
容重是影响坡面水文过程的重要因素之一,不同的土壤初始容重
条件对坡面产流、产沙、入渗和土壤含水量空间变异的影响为:有壤
中流情况,在低容重时产流强度和产流速度随容重的增加而增加,在
高容重时随容重的增加而减小;产沙速度随着容重的增加先增大后减
小,总产沙量和泥沙溅蚀量无明显规律变化;初始入渗速率随容重的
增加而减小。无壤中流情况,产流强度、产沙速度、总产沙量和泥沙
溅湿量随着容重的增加而增加。容重.和.
/,.和.
/之间无显著差异,容重. /含水量变异产生显著差异。
.不同初始含水量对坡面水文过程的影响不同的初始含水量使得土壤结构不同,进而影响坡面水文过程:
有壤中流时,随含水量的增加产流时间减慢,总产沙量和泥沙溅蚀量
减小。平均入渗率随含水量的变化衰减速度依次为:风干土
%%%;无壤中流时,初始含水量%、%和%随含
水量的增加,产流强度增加,总产沙量增加,产沙速度先减小后加快,
风干土的产流速度随含水量增加先加快后减慢,并以稳定的速率下
渗。
.有无壤中流水文过程比较分析
初始容重相同时,有壤中流的初始产流速度比无壤中流慢,总产
流量变化范围也小于无壤中流,同一时刻容重.‖平均入渗率
无壤中流小于有壤中流,其余种容重无壤中流大于有壤中流。初始
含水量相同时有壤中流产流速度快于无壤中流,初始产沙速度稍快于
无壤中流,平均入渗率小于无壤中流。有壤中流和无壤中流含水量的
变异系数都属于中等变异,有壤中流随着初始含水量的增加变异系数
逐渐减小,无壤中流比有壤中流的变异小。
关键词:红壤,初始含水量,初始容重,水文过程
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目
摘 要?
第一章绪论??一
.研究背景及意义?
.国内外研究现状?
.研究内容?
.技术路线?
.研究工作概括第二章试验设计与方法.. .试验方案?
.试验装置与材料?
.试验过程?
.指标测试方法?..
第三章初始容重对坡面水文过程的影晌.初始容重对坡面产流影
响??..
.初始容重对坡面产沙影响??.. .初始容重对入渗的影响..
.小结?.
第四章初始含水量对坡面水文过程的影响? .初始含水量对坡面产流影响?.. .初始含水量对坡面产沙的影响.. .初始含水量对入渗的影响??.. .小结?.
第五章土样初始状态对坡面土壤含水量空间变异的影晌?.不同
初始容重对土壤含水量空间变异的影响..
.不同初始含水量对土壤含水量空间变异的影响??..
.小结??..
第六章结论及创新??.
.主要结论..
.创新之处?
参考文献?.
附 录?..
致谢??.土样初始状态对红壤坡面水文过程的影响研究
第一章绪论
.研究背景及意义
土壤是一种自然资源,具有一定的肥力,承担着农业、林业、畜牧业等各种
生产活动,也是人类生存和发展的重要物质基础【】。土壤资源的质量严重制约着
一个地方的农业生产发展。土壤侵蚀是导致土壤质量退化的重要原因之一,严重
的土壤侵蚀使大量肥沃土层流失,破坏土地,污染水资源,危及生态环境安全。
据统计,全球水土流失面积约.×心,占地表总面积的.%。因此防
治土壤侵蚀己成为全球关注的严峻环境问题。
湖南省是长江中下游和红壤丘陵区坡耕地水土流失较严重的地区之一。根据
湖南省第二次土壤侵蚀遥感普查湖南省水利厅《湖南省水土流失与治理公告》,
结果,全省总共有水土流失面积约.× ,占全省土地面积的%。
其中中轻度的侵蚀占.%,强度和极强度侵蚀占到.%,主要集中分布在
湖南省中部和西北部。此外,该省以山地丘陵地形为主,为该省土壤侵蚀提供了
基本的地形条件。加上该省夏季降水较集中,且多暴雨,为土壤侵蚀提供了强有
力的动力条件。因此该省份土壤侵蚀以水力侵蚀为主,但是部分区域还伴随有其
它土壤侵蚀类型,土壤资源侵蚀问题已经严重制约了该省农业的可持续发展。其
中,长沙市位于湖南省东部,湘江下游长浏盆地西缘,属于亚热带季风气候,自
然资源丰富,水热条件组合较好,具有巨大潜力进行农业生产【。但是随着经济
发展,生态环境破坏加剧,再加上不合理的利用土地资源,导致该地区水土流失
较严重,尤其是大量的工程建设带来的人为水土流失更加严重。
鉴于上述存在的问题,根据该区土壤、降水和地形特征,通过室内模拟人工
降雨,研究了不同的初始容重和不同初始含水量在下垫面产生壤中流和不产生壤
中流两种情况下对亚热带红壤土坡面降雨、入渗、产流、侵蚀产沙及土壤水分分
布的空间变异特征的影响。这对于揭示土壤侵蚀过程机理和合理利用资源提供了
一定理论科学依据,并对指导水土保持工作具有重要科学意义,同时为开展坡面
水土流失控制及流域治理等生产实践提供帮助。
.国内外研究现状硕士学位论文
水文过程一般指水文要素在时间上持续变化或周期变化的动态过程,它主要
包括降雨过程、蒸散发过程、入渗过程、产流过程、产沙过程以及水流运动过程
。水文过程在裸坡地上通常表现为降水对坡面土壤的侵蚀作用。
..坡面土壤侵蚀过程
土壤侵蚀是指土壤及其母质层在水力、风力、冻融、重力等外力作用下,被
破坏、剥蚀、搬运和沉积的过程【】。按土壤侵蚀外力的不同分为三种类型:水蚀、
风蚀和重力侵蚀,其中水力侵蚀是目前全球分布最广泛、危害最为普遍一种土壤
侵蚀类型。它是指组成土壤表面物质在降水、径流等作用下被剥蚀、冲蚀、剥离
搬运和沉积的过程【】。大部分水力侵蚀发生在山地丘陵区、坡地和沟谷,其中低
坡地水力侵蚀是最明显。水蚀过程主要包括雨滴溅蚀和径流侵蚀两种。
...雨滴溅蚀
雨滴在降落过程中所产生的动能,直接打击土壤表面,使土壤颗粒剥离、分
散,当一些颗粒被击溅到空中而产生位移的这种现象,即为溅蚀【.】。在国外,
】研究了溅蚀过程中的溅蚀高度、溅蚀宽度、溅蚀角和片蚀角等参数的
变化及它们之间的相关性。..和..】等人提出了将雨
滴动能和最大雨强为时的乘积作为降雨侵蚀力的指标。
研究得出,雨滴打击地表的溅蚀过程时间为七十分之一秒,因受雨滴打击土粒发
生位移,位移大小决定于雨滴动能、地面坡度和土壤的抗剪强度。以
的研究为基础得出了通用测定土壤溅蚀量的方法。在国内,陈一兵【】用
多种不同的方法测定溅蚀量,得出各种方法之间存在显著的差
异。高学田【】等选
用黄土高原区域的安塞和绥德黄绵土及杨凌农地耕层土进行人工降雨溅蚀试验,
研究了降雨特性和土壤结构对雨滴溅蚀的影响,研究出降雨溅蚀力和雨滴溅蚀量
】等研究了
成线性相关关系,扰动土的溅蚀量明显大于原状土的溅蚀量。赵晓光【
不同的雨滴动能、土壤含水量、土壤颗粒直径对土壤溅蚀粗细及溅蚀量的影响。
韩学坤【等通过地表坡度、植被覆盖度、土壤层结构和降雨强度四个方面对土壤
溅蚀的影响进行了研究。
...径流侵蚀
坡面径流是指在重力作用下沿坡面运动的薄层水流,也称坡面漫流,它是坡土样初始状态对红壤坡面水文过程的影响研究
面侵蚀产沙的直接动力。
年建立了第一
最早进行研究坡面侵蚀的是德国土壤学家,他于
个试验小区并就植被覆盖度、坡度等因素对土壤侵蚀的影响进行了定性研究。在
定性的基础上,创建了径流小区,对土壤侵蚀进行了定量研究。在
此基础
上,建立土壤试验站,获得了大量的土壤定量侵蚀资料。后人在他们的
基础上对土壤坡面侵蚀过程进行了大量的研究。】采用径流强度表述径流
侵蚀力。随着径流侵蚀的发展它的侵蚀演化过程变得尤为重要,和
明将土壤侵蚀概括为四个阶段:雨滴对土壤的溅蚀:径流侵蚀;雨
滴对溅蚀土粒的搬运;径流对土粒的搬运。从这四个侵蚀过程来看,土壤溅蚀
是土壤侵蚀的第一步,也是非常重要的一步,溅蚀量的多少在很大程度上决定着
土壤被侵蚀量的多少。赵晓光【也从能量的角度对降雨击溅分散起动与输移、径
流冲刷起动与输移能力进行了研究。进一步研究指出土壤水力侵蚀不仅
包括降雨和径流引起的分离和输移过程,还包括当径流挟沙能力不足时发生的沉
积过程【。其他研究者针对径流侵蚀其它方面进行了研究,李书钦针对坡面水力
侵蚀比尺模拟试验存在的选沙困难、侵蚀过程验证不充分的问题,在前人研究的
基础上,就降雨条件下选沙对黄土坡面水力侵蚀比尺模拟试验侵蚀过程相似的影
响进行了研究【】。根据土壤侵蚀中雨滴和径流的相互作用建立了土壤侵
蚀的输沙系统】。高建恩利用流体动力学及相似论的基本原理,探讨了黄土高原
水力侵蚀的特点,确定了水力侵蚀模拟遵循的基本相似准则和比尺关系【。吴文
波综合介绍了影响土壤水蚀的降雨侵蚀力、植被覆盖与水土保持措施、地形、土
壤可蚀性因子,并定性分析了各因子对土壤侵蚀的影响。于泳针对红壤地区水
土流失的严重性,对该区域的水力侵蚀进行了研究【】。
..土壤侵蚀影响因子
影响土壤侵蚀的因子很多,从国内外的研究来看,目前主要通过雨滴动能、
降雨特性、土壤结构、土壤容重、土壤含水量、土壤颗粒直径、地表坡度、植被
覆盖度、降雨强度、地形和地貌等因素对土壤侵蚀进行了研究,本次试验主要选
取了土壤初始含水量和土壤初始容重这两个因素对坡面侵蚀的影响进行研究。
...初始含水量
土壤初始含水量是影响土壤水文过程的一个重要的物理量,它影响土壤的入硕士学位论文
渗能力和产流产沙过程。
国外对于产流理论研究较早,法国工程师通过试验研究了土体的渗流
规律,并于年提出了著名的达西定律【。世纪年代霍顿产流理论的
建立,阐明了超渗产流及地下水产流机制【。世纪年代赫魏尔特等通过大
量室内实验与野外工作,提出了饱和坡面流机带。世纪年代初柯克比【】
等提出了“山坡水文学产流理论”,这极大地推动了坡面产流理论的深入发展。国
外对于入渗研究始于世纪年代左右,提出了毛管势理论,
导出了关于非饱和流的方程,并开始把土壤物理学的方法运用到土壤水
研究领域,这极大的促进了土壤入渗这个领域的研究发展。国外关于初始含水量
对坡面水文过程的研究还比较少见。
国内学者关于初始含水量对坡面产流、产沙及土壤入渗影响的研究还比较
多。安晓庆【】等研究了弃渣初始含水量在不同的降雨条件下,对土壤坡面入渗、
产流和产沙特性的影响。得出了在较小雨强和较大雨强下,含沙率峰值出现的时
间会出现明显的不同,并定量的得出土壤流失量最少的最优初始含水量为
.%。王辉【】等分别确定出填土和砂黄土坡面土壤流失量最少的初始含水量值
为.%和.%。贾志军、陈洪松等、孔刚【。】等研究了土壤初始含水量对
坡面产流及入渗的影响。一致得出初始含水量越高产流时间越早,产流量越大。
袁建平【】等在不同的降雨条件下,将雨强与初始含水率组合因子对产流历时的影
响进行定量研究。得出裸地土壤起始产流时间随土壤初始含水率的变化反映最为
明显,农地次之,林地变化最慢。彭亿【等以亚热带红壤区个典型坡地生态系
统为研究对象,系统研究了红壤的入渗过程,得出稳定入渗率与土壤容重及初始
含水量呈显著负相关,而与孔隙度呈正相关。入渗过程主要受孔隙度和粘性含量
的影响。张向炎等将红壤的前期含水量分为低含水区干态和稍干和高含水区
稍干和湿态,得出低含水区的土壤径流系数和入渗滤都与降雨时间呈线性关
系,并在内达不到稳定;高含水区的土壤径流率、入渗率及产沙速率和降
水历时的关系都和波尔兹曼方程相符。
...初始容重
很多研究者探究初始容重对坡面水文过程的影响,近几十年来国内外学者的
研究也得到了一些重要的进展。土样初始状态对红壤坡面水文过程的影响研究
国外学者美国最早进行了关于坡地降雨入渗的研究。根据自
己的研究成果,最早提出了关于产流和下渗的理论,探讨了降雨强度与下渗率之
间的关系。】等研究了土壤的入渗,不仅确定了地表径流还确定了在一定
降雨条件下进入土体的水量,用于补充地下水,减小地表径流或转化为作物吸收
利用的土壤水。】研究还认为在雨滴打击作用下,土壤表层团聚体遭到破
坏,分散的小颗粒填充了土壤的表面孔隙,土壤表面被压实,土壤
入渗能力低。
在小面积流域上通过对表层土壤形成的结皮与其下层耕作层土壤渗透
率的测定,得出耕作层土壤的渗透率是淋溶层的倍,是结皮层的倍。
】通过试验证明,结皮层是下部耕作层渗透率的/。等研究表明,
土壤结皮对裸坡地入渗的影响远远超过其它因素,使得降雨的入渗量减少量可达
%。
国内学者温以华、潘云【】等通过室内采用一维土柱易混置换实验研究不同
容重对入渗率、累积入渗量的影响,得出土壤溶质水动力弥散系数和入渗滤、累
积入渗量随容重的下降而减小的结论。时新玲、张振华】等通过实验得出非水
相污染物在土壤中的入渗与水分入渗率相类似,都是随着土壤容重的降低,累积
入渗量曲线上移,即入渗率增加。说明土壤容重对任何相态物质的入渗都有阻碍
作用。吕殿青【】等通过石蜡固定容积法,得出土壤压实使得其对水分的调节能力
下降,降低水分的存储能力,而且在相同的吸力下容重越大的土
壤持水特征的饱
和度越大,且这种差异随着土壤质地的变粘也逐渐增大。段喜】等研究了添加
粉煤灰降低土壤容重,增加了孔隙度,土壤的平均入渗率和稳定入渗率都明显提
高,产流、产沙明显减少。王辉【】等研究了黄土坡面随土壤容重增大,初始产流
时间提早,径流系数增大土壤流失量增多,坡面产流强度增大,平均入渗速率呈
相反变化。陈永强【】等研究了个不同方式的实验小区,得到个容重:裸地
桔园草地混交林杉木林阔叶林,这个小区的年径流流失量:裸地桔园
草地混交林杉木林阔叶林。除了混交林和杉木林意外其它几个都是随容重增
大年径流流失量增大。
容重作为土壤的基本物理性质,在整个陆地水循环蒸发、降雨、地表径流、
入渗等过程中,土壤的容重不断发生变化,特别是粘性较高的土壤,同时也在影
响着陆地水循环各个过程之间的转化。随着经济的发展,人类对下垫面的改变方硕士学位论文
式越来越多,范围越来越广,不同的下垫面导致土壤有不同的容重,在天然降雨
条件下在各种下垫面容重的影响下,降雨的入渗和地表径流的变化引起了一系列
的生态问题、农业问题,同时也带来了一定的经济问题。因此,近几十年来各国
学者对土壤容重的研究越来越深入。
..关于壤中流
大部分的壤中流发生在透水性较弱的土层中,它是在临时饱和带内的非毛管
孔隙中侧向运动的水流,其运动规律服从达西定律。
土壤壤中流是在上世纪年代末才在欧美等国家兴起的。国内付智勇【】等
通过原位人工模拟降雨试验,运用数理统计方法对描述土壤壤中流过程的参数进
行了分析,定量研究了降雨强度和表土结皮程度对薄层紫色土坡面壤中流的影
响,得出结皮是阻碍壤中流发生发展的主要原因。王玉霞【】等研究了壤中流中、
养分流失随地面坡度、降雨强度和土壤改良剂聚丙烯酰胺施用量的不同而变化
的特点。王峰【】等在红壤丘陵区,对自然降雨条件下坡地降雨
壤中流产流过程进
行了研究,得出壤中流随土层加深,滞后时间延长,峰值型降雨壤中流产流过程
滞后时间较小并且产流类型多为驱赶型。尹忠东‘‘】等不仅以土壤表面植被覆
盖、死地被物敷盖、裸地三种类型的坡面为研究对象,研究江西红壤表层和底层
壤中流的特征,还运用数理统计方法分析壤中流流量、流速、历时与降雨、径流
因子的相关关系。吴伟【等对坡面地表径流产流和壤中流产流这两种产流机制现
状进行了研究和分析。刘延玺【对包气带土层钙化后用饱和下渗理论和非饱和下
渗理论分析了等强度降雨的垂直入渗过程及壤中流的形成过程,继而总结出壤中
流的形成机制及其产生的必要条件。
.研究内容
不同初始容重对坡面水文过程的影响
土壤容重的大小和土壤孔隙的大小有密切关系,孔隙状况的不同对土壤水分
的运动有不同的影响,本文研究了五种不同初始容重.、.、.、.、.
/对坡面水文过程的影响,通过采取径流、泥沙样品和采集铝盒样
品,探
讨了坡面水分径流、入渗和产沙之间的相互关系及随降雨时间的变化规律。
不同初始含水量对坡面水文过程的影响
通过室内模拟降雨试验,研究了四种不同初始含水量风干土.%、%、土样初始状态对红壤坡面水文过程的影响研究
%、%下坡面水文过程的现象,通过样品的采集和数据的分析,探讨了在
其它条件一致的情况下,坡面水分入渗、产流和产沙规律。
下垫面有壤中流与无壤中流的差别
本研究设置了两种不同产流方式的土槽,一种为有壤中流产生土槽,另一种
为无壤中流产生土槽,在两种不同的产流方式下,土壤底层的通透性会有很大差
别,进而影响坡面的水文过程。
不同初始容重和含水量分别对坡面土壤含水量分布状况的影响
五种不同的初始容重.、.、.、.、.
/和四种不同初始
含水量风干土.%、%、%、%条件试验后用铝盒进行土壤破坏性
采样,通过烘干法测定降雨后的土壤含水量分布状况,分析其空间变异性。
.技术路线
本文通过室内人工降雨试验,探讨了不同的初始含水量和容重在有壤中流和
无壤中流两种情况下对坡面水文过程的影响,设计了如下技术路线:
图技术路线
.?
硕士学位论文
.研究工作概括
本研究项目来源于“胀缩粘土的动力水文过程及影响因素研究”国家自然科
学基金及湖南省“十二五”重点学科建设项目地理学,主要研究了土
壤初始容重和初始含水量对粘土水文过程的影响。硕士学位论文期间主要工作如
下表:
表研究工作统计一览表
.. 土样初始状态对红壤坡面水文过程的影响研究
第二章试验设计与方法
.试验方案
试验设计共分为组,第一组:无壤中流情况,初始容重的变化.、
.、.、.、.‖岔;第二组:有壤中流情况,初始容重的变化.、
.、.、.、.
/。两组试验土壤初始含水量均为%,降雨历时,
坡度为,雨强为. /。第三组:无壤中流情况,初始含水量的变化
风干土.%、%、%、%:第四组:有壤中流情况,初始含水量的
变化风干土.%、%、%、%。两组试验土壤初始容重均为.
/,
降雨历时 ,坡度为,雨强为. /。
表 试验设计方案
.四组试验均是在相同坡度。、降雨强度./和降雨时间下进行
注:由于试验降雨设备的限制,雨强很难调为定值,只能控制在一定范围内。
.试验装置与材料
降雨装置。室内模拟降雨装置采用中科院水土保持研究所研制的侧喷式
降雨设备,这种降雨器由一根单独直立管和一根延伸管构成整个喷管以及延伸管
末端的喷头和底部稳定的三角支架构成,降雨高度为 ,雨滴有效降落高度为
. ,并在项部设有直径为
/的铁丝网,如图.,有利于保证雨滴降落的
最终速度,满足天然降雨的特性【。三脚架的下端装有水阀和压力表,试验采用
两个喷头斜对角对喷,通过调节压力表、水阀和挪动三角架位置
来控制降雨强度。
硕士学位论文
同时还配有蓄水池以供存储试验所需用水和压力水泵提供产生降水的动力。
图降雨装置
追.
土槽。试验土槽采用的尺寸规格为:长×宽×高为: ,
坡度设计为。无壤中流产生的土槽只在上面末端设置了簸箕型集水口,如图
.,用于收集地表径流。有壤中流产生的土槽上面末端和下面末端都设置了簸
箕型集水口,上端集水口用于收集地表径流,下端集水口用于收集产生的壤中流,
如图.。
图无壤中流试验土槽 图有壤中流试验土槽. .
供试土壤。试验供试土壤采自湖南省长沙市东郊浏阳河边,属于第四
纪红粘土母质发育的红壤,其粘粒含量.%,粉粒含量.%,砂粒含量
土样初始状态对红壤坡面水文过程的影响研究
.%,质地较粘重,该土壤类型为粉粘壤土,富含铁、铝氧化物,呈酸性,一
/筛,
般具有粘性较高,吸水性强,但田间持水性不高的特点。试验用土过
自然风干至初始含水量为%,初始装土容重为. /,样品土壤原有自然
结构被破坏,属于被扰动土壤。
.试验过程
..填装土槽
在有壤中流试验设置的土槽里均匀填装 天然细沙,铺上透水纱布,模
拟天然透水层,便于壤中流出流。在细沙上再填装 的供试土壤。无壤中流
的试验用土。为保证试
试验设置的土槽底部只铺设透水纱布,在其上填装
验土壤容重均匀,根据设定好的土壤含水量和容重采取分层填装的方法,每
一层,边填充、边压实,为防止土层之间出现分层现象,在填装上层土之前进行
打毛。为防止延长初始产流时间,表层土壤与槽口必须处于同一水平位置。最后
将表层土壤用塑料薄膜覆盖,以防试验降雨之前表层土壤由于水分蒸发初始含水
量降低。
..降雨
正式试验之前,先用雨量筒对雨强大小和均匀度进行测定。在降雨装置能侧
喷到的范围内放置个雨量筒,先降水 待降雨均匀后,揭开雨量筒盖降
雨 ,取平均值计算降雨强度与均匀度,重复进行多次测定。并固定雨量筒
位置,如图.,连续降雨 ,测定持续时间内雨强大小和均匀度,重复多
次测试。试验中一般降雨均匀度均达到%以上,降雨均匀度的计算方法如下公
式:
兰
一上一
式中:为降雨均匀系数;为平均降雨量埘; 为第个测点降雨量;
为测点数。硕士学位论文
图雨量筒位置谵.试验进行时,先降雨 ,待降雨均匀后,揭开塑料薄膜开始试验,记下
时间并密切关注降雨过程中坡面表层土壤的变化。降雨产流后,记录开始产流时
间。
..取样
产流开始则接取径流、泥沙样品,第.个样品间隔第.个样品 间隔 ;第个样品之后间隔 。壤中流的取样时间均间隔,两种 产流方式接样时间均为 ,至试验结束,见图.和图.。试验结束后,
用
铝盒对试验土壤进行破坏性采样,铝盒坡深每一层,每层分别在
坡长、、
、、、、、、
,坡宽、、 处用铝盒采样。每
层取个样品,每土槽合计采样处,见图黑点处,测得降雨后的土 壤含水量,用以分析降雨过程中土壤水分分布状况图。土样初始
状态对红壤坡面水文过程的影响研究
涨
妇
苓血 羚强 芷皿 妇 洄 虹
沁 河
\.
.‘
渡
,
竞 ?
藉口原点
图.铝盒取样坡面分布图
.
.指标测试方法
雨强的测定采用雨量筒。在放置土槽的位置处分别放置个雨量筒,雨
量筒之间的平均值即为本次试验的雨强。
机械组成采用比重计法。
用塑料小桶接取径流样和烘干泥沙样,通过称量重量分别算出径流量和
泥沙量。
用铝盒取样并进行烘干,通过烘干前后质量差求出试验后土壤含水量。
本研究试验中涉及到的土壤含水量为土壤的质量含水量,它是土体中水的质量与
固体质量的比值,用百分数表示。其公式表示为:土样的含水量%湿土
质量.干土质量/干土质量%。硕士学位论文
第三章初始容重对坡面水文过程的影响
土壤容重作为土壤物理状况的指标之一,在土壤质地相同的情况下,土壤容
重反应了土壤的松紧程度,影响土壤孔隙状况,从而改变土壤水分产流和入渗分
配的规律。研究表明土壤容重的变化对坡地产流、入渗、产沙的
规律产生重要影
响【%。
.初始容重对坡面产流影响
降水是产生坡面径流与入渗的物质来源,而径流与入渗之间的关系又相互
制约,而坡面降雨.入渗.径流之间平衡关系受多种因素影响,目前的研究主要集
中在雨强、土壤质地、不同土地利用方式、土壤初始含水量等方面【。本文首
先从土壤初始容重进行分析,研究相同降雨条件、地形坡度及土壤初始水分条件,
不同初始容重对坡面产流的影响。
..初始容重有壤中流情况对坡面产流的影响
初始产流时间和产流强度是描述产流的主要参数,初始产流时间是指坡地白
降雨开始到坡地观测面开始产生径流的时间。产流强度是指单位时间内坡面的产
流量。图.是有壤中流情况不同容重坡面地表产流强度随降雨时间的变化。
,容重.
从产流速度来看,容重.
/的开始产流时间为.
.
的开始产流时间比容重.‖滞后 ,容重.‖比容重.
/滞后. ,容重.加相比容重. /的开始产流速度明显加
快,提前了. ,容重. 产流。
/比容重. /提前了.
种容重产流速度整体趋势表现为:初始容重小于.
/时随着容重的增加,
初始产流速度减慢:初始容重大于.‖时,随着容重的增加,初始产流速
度加快,表现规律基本与产流强度相一致。特殊地,在容重为./时,产
流速度最慢且产流强度最小,其中.
/和. /、. /和. /
容重之间产流速度和产流强度变化幅度也较明显,说明容重在。‖左右对
坡面水文过程的影响会发生转变,形成一个突变的过程。土样初始状态对红壤坡面水文过程的影响研究
种不同初始容重下的地表产流强度在降雨初期随降雨时间迅速增长,之后
产流 后逐渐趋于稳定。其中, 初始容重.
/、. /和.
/在降雨后期产流强度稳定最明显, 容重./时的稳定产流强度最
大,
/,.
达到. /。初始容重.
/的稳定产流强度也达到.
咖在降雨后期产流强度逐渐减小,初始容重. /在整个过程中产流强
度一直增加。当初始容重小于.
/时,随着容重的增加产流强度减小,这
主要是由于容重为. /和.
/较小值时,装土过程中对土壤压实力度
不大,表层土壤较松软,在降雨击溅的作用下,表土更容易成团、凝结,又由于
红壤粘性大,团聚体凝结快,则会在较短时间内堵塞土壤表层孔隙,从而影响下
渗,增强地表产流强度;又由于表层土壤松紧程度的差别,则受相同降雨动能的
打击程度不同,形成不同的致密层,一般情况下,土壤容重越小抗打击能力越弱,
则致密层厚度越大,从而使得坡面产流强度随容重减小而增大。但当初始容重大
于.眺时随着容重的增大产流强度增大,这可能因为随着容重的增加,初
始状态下表层土壤的土壤孔隙度减小,土壤本身存在一定紧实度,不利于雨水下
渗,则产流强度又逐渐增强。
图有壤中流地表产流强度过程线.?从图.不同容重的壤中流强度随降雨时间变化来看,初始容重.眺
在整个降雨过程中无壤中流产生,其它初始容重随着容重的增加壤中流产流速度
,
减慢,但相差不大,具体表现在.‖的产流速度比. /慢.
. ,.
,
/比. /慢.
/的产流速度比.‖慢.硕士学位论文
说明土壤初始容重越大,土壤紧实度越大,则土壤内部孔隙度减小,不利于雨水
下渗,因此产生壤中流时间越晚。
从产流强度来看,容重. /和.
/的壤中流产流强度随降雨时间
较稳定,且产流量较小;容重.
/和. /的产流强度随降雨时间的变
化率较大,但产流量较大。其中,容重.‖的总壤中流产流量是容重.
/的.倍,容重.
/和.‖的总壤中流产流量相等,均是.
/的.倍。所以,随着容重的增加壤中流产流强度先增加后减小,因为较
低容重时,疏松表土在雨滴打击下团聚能力加强,加上红壤粘性大,阻塞表土孔
隙,减小下渗,而容重增大到一定程度后,表层土壤紧实度增加,则孔隙度的减
小,增加了对降雨水分的阻碍作用,减少了水分的入渗,相应的壤中流也会减少。
图壤中流产流强度过程线
.根据水量平衡原理,地表径流的产流强度和壤中流的产流强度有很大的相
关性,对比图.和图.可知,地表产流强度与壤中流产流强度存在负相关关
系,即地表产流强度越大壤中流产流强度就越小,这说明壤中流的形成主要是受
坡面的入渗强度影响;此外,壤中流的产流速度明显小于地表径流的速度,因为
从地表径流的形成到坡面底部壤中流的形成,中间有一个水分入渗的过程,因此
壤中流的产流速度比地表径流慢,存在一定滞后性。
..初始容重无壤中流情况对坡面产流的影响
坡面地表产流强度的大小很大程度上决定了坡面受侵蚀的程度。
无壤中流情土样初始状态对红壤坡面水文过程的影响研究 况下,红壤坡地地表产流过程见图.。从坡面产流速度快慢来看,
容重.
/
的产流速度最慢为. ,容重. 产流,.
提前
/比.
,.
产流,.
/比. /快.
‖比.‖又滞后.
产流。种容重的整体趋势为容重小于.
/比. /提前. /
时,产流速度无明显规律,容重大于.
时,随着容重的增加,产流速度
增加。
从坡面产流强度来看,种容重下的地表径流产流后~ 内产流强度
随
降雨时间快速增加,降雨后期产流强度继续增加。容重大于. 时随容重
的增加,产流强度增加,产流速度加快。容重小于.
/时,随着容重的增
加,产流强度和产流速度变化规律不明显。和有壤中流情况比较,无壤中流时整
体情况随容重的增加产流强度增加。表明下垫面无壤中流产生时,初始容重的变
化是影响土壤产流的关键因素,土壤容重越小,土壤孔隙越大,相应的土壤持水
和导水能力就越高,水分入渗率就越大。容重越大,孔隙越小,土壤的持水和导
水能力就越弱,入渗率越小。
另外,容重.
/的产流强度在降雨后期大于容重.、.和.‖
的产流强度,.‖的产流强度整个过程中大于其它种容重的产流强度,
表明容重增大到一定程度,土壤的侵蚀会越加明显。因为尽管容重较大时,土壤
结构紧密,不易被侵蚀,但是一旦产生径流量,由于其入渗量小,径流增加迅速,
侵蚀冲刷的动力强,对坡面的侵蚀作用不容忽视。
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目/?毯墓爆钆
降雨历时
图.无壤中流地表产流强度过程线
.硕士学位论文
..初始容重有无壤中流情况对坡面产流影响对比分析
表不同初始容重有无壤中流产流对比分析
.
根据有壤中流和无壤中流两种情况的总产流量和初始产流时间数据,对比分
析了种容重下的两种产流情况。表.是种不同初始容重有壤中流和无壤中
流两种情况下的坡面地表产流时间和总产流量对比分析。从表.可知,容重.
/和容重. /无壤中流产流速度慢于有壤中流,容重. /、.
和. /无壤中流产流速度快于有壤中流。有壤中流的初始产流速度
整体来说比无壤中流慢,且有壤中流情况初始产流速度随容重增加先减慢后加
快。可能是由于容重较低时,表层土壤非常疏松,在较大雨强的击溅下,表面易
形成致密层,加速了地表产流。从总产流量来看,有壤中流的总产流量变化幅度
范围小于无壤中流,且具有更加明显的规律性,可能是由于有壤
中流土壤底部属
于透水层,相对于无壤中流的弱透水层,水分在透水层的产流规律更具有稳定性,
减弱了土壤孔隙、结构、表层结皮对水分下渗的影响,在稳定的降雨强度下,有
壤中流坡面地表产流强度也更稳定。
.初始容重对坡面产沙影响
地表径流含沙量是土壤侵蚀研究的关键内容之一,本研究在每次产流后间隔
相同的时间收集径流量,带回实验室过滤后烘干,测得不同初始容重下的侵蚀产
沙量变化,为分析不同的初始容重对红壤坡面侵蚀的影响提供可靠数据。
..初始容重有壤中流情况对坡面产沙的影响
从不同初始容重的有壤中流含沙量图中可以看出,产流初期产沙量缓慢
增加,径流含沙量较小。其中,容重.
/的含沙量均值最小.幽:,
.‖的平均含沙量最大. /。含沙量在降雨过程中波动性较明显,但土样初始状态对红壤坡面水文过程的影响研究
基本随降雨时间含沙量逐渐增大;之后在降雨后期有明显减少的趋势。可能是因
为雨滴降落地表后,首先产生的是雨滴的击溅侵蚀,泥沙被溅蚀后粘附在高出的
土槽壁上,反弹到土槽中的泥沙较少,试验开始前一段时间无径流,因而径流含
沙量基本为零;当降雨强度超过入渗率时坡面出现产流,泥沙在水流动力下开始
搬运和输移,含沙量明显增加,而地表产沙动力直接来源于地表径流,且具有一
定滞后性与不稳定性,所以含沙量呈现波动趋势变化;之后,随着降雨时间的延
长,表层土壤受侵蚀程度严重,使得土壤表层高度低于产流出口,所以含沙量减
小,又因为降雨时间延长,地表土壤在雨水打击下致密层厚度增大,抗侵蚀能力
越强,所以含沙量减弱。
从图?有壤中流累积产沙量可知,容重.
/时整个过程累计产沙量
是最小的且产沙率变化也很小,其余四种容重在降雨持续一段时间后,产沙率突
然增大,在降雨后期产沙率趋于零。可能是因为在降雨过程中,降雨初期由于入
渗过程中表土孔隙被堵塞,径流量增加,再加上雨滴溅蚀打击,径
流中泥沙含量 逐渐增加。降雨后期,由于细颗粒物质被降雨侵蚀掉和表层抗侵
蚀和抗冲蚀能力 增加,坡面细颗粒物质补给能力减弱。
?令一.有 ?争一.有
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略
?
.
加
.
.降雨历时 降雨历时
图有壤中流含沙量曲线 图有壤中流累积产沙量曲线
.? .
..初始容重无壤中流情况对坡面产沙的影响
图和.描述了无壤中流时含沙量和累积产沙量随降雨历时的变化过
程。从图含沙量来看,和有壤中流情况比较无壤中流径流在单位时间内产沙
硕士学位论文
量波动性较大。无壤中流情况种容重在不始产流后左右含沙量均较小,
约为. /处达
/左右,之后含沙量陡然增加,最大值出现在容重.
到.
/,容重. /的含沙量除峰值外,其余时刻的含沙量均小于.
/。含沙量的整体变化趋势和有壤中流情况一样,也是降雨初期含沙量较小,
之后迅速增加,降雨后期含沙量减小。对比种容重的含沙量可知,
较低容重含
沙量波动性大于较高容重,表明较低容重表层土壤受降雨的影响
较大,抗雨滴侵
蚀能力比较高容重小。
从图.无壤中流累积产沙量可知,容重.
/的累积
/比容重.
产沙量多.
,容重. /时又减小. ,之后含沙量又增加。径流
累积含沙量和产流强度趋势比较并没有明显的相关性,说明坡面
侵蚀的累积产沙
量还和产流峰值产沙有关,也就是说,含沙量过程波动性越大,随
着容重的变化,
产沙规律越不明显。
钙
?
弘
?
筋
加
屿
删叁一器嚓
降雨历时
图无壤中流含沙量曲线 图?无壤中流累积产沙量曲线. .
..初始容重有无壤中流情况对坡面产沙影响对比分析
土样初始状态对红壤坡面水文过程的影响研究
表.有无壤中流情况对产沙和溅蚀泥沙的影响
.不同的产流方式形成不同的地表产流强度,产流搬运能力相应的不同,从而
影响到坡面的侵蚀产沙,因此本文针对种不同初始容重在有无壤中流两种情况
下的初始产沙时间、总产沙量以及溅蚀的泥沙量进行分析,见表.。
由表.可知,有壤中流时产沙速度随着容重的增大先减慢后加快,其中,
容重为. 。无壤中流时产沙速度随容重变
/时,产流速度最慢为.
化规律性不明显,初始容重为.
/的产沙速度比. /提前了.
,但容重为.
/时,产沙速度又减慢,且初始容重大于. /的产
沙速度随着容重的增加而增加。从泥沙溅蚀量来看,有壤中流的泥沙溅蚀量随着
容重的变化表现出无明显规律性,无壤中流的泥沙溅蚀量随着容
重增加有逐渐增
加的趋势。从总产沙量来看,两种情况下的总产沙量和泥沙溅蚀量变化趋势相一
致。从表.还可知,两种情况的总产沙量在容重.
/处明显减小,说明
在自然状态土壤下容重为.
/左右时,受到的降雨侵蚀最小,有利于防止
坡面土壤水土流失:对比有壤中流和无壤中流两种情况的总产沙量,有壤中流的
总产沙量要明显大于无壤中流,将总产沙量和产流强度进行比较发现产流强度越
大总产沙量也越大,说明坡面产沙受产流影响较大。
.初始容重对入渗的影响
水分入渗性能是土壤固有的一种属性,土壤的质地、结构以及含水量等因素
是影响土壤水分入渗特性的主要因素。在土壤质地和含水量相同的情况下,土壤
结构成为影响入渗能力和入渗参数的唯一主要因素,土壤干容重越大,土壤入渗
速度越小【。土壤水分入渗是指降雨落到地面上的雨水从土壤表面渗入土壤形成
土壤水的过程,它是降雨.径流循环中的关键环节,也是降水、地
表水、土壤水
和地下水相互转化过程中的一个重要环节【。土壤平均入渗率是指一次降雨过程
硕士学位论文
中包括产流前单位时间降雨的入渗量【】。水分入渗受土壤渗透性能控制,壤中
流的产生影响降雨的入渗能力,安娟等人已研究得出结论。
..初始容重有壤中流情况对入渗的影响
有壤中流情况下,红壤坡地地表入渗过程见图.。试验开始产流后,坡面
各个时间段的平均入渗率/,计算方式见公式如下:
卧 ./”
式中:一为产流强度/;时间内产生的径流量;??坡
面实际承雨面积;一降雨历时“;为量纲换算系数;一降雨强
度/;【一地表坡度;??各时段对应的产流量;,??
各时段始末时间。
图.是有壤中流情况种不同初始容重平均入渗率随降雨历时的变化。各
个初始容重平均入渗率变化范围分别为:容重.
/位于.~.
/之间,容重. /之间,容重.
/位于.~. /
位于.~. /之间,容重. /之间,
/位于.~.
容重. /之间,在整个降雨过程中,随着降雨历
/位于.~.
时的变化平均入渗率逐渐减小,降雨后期入渗率有趋于稳定的趋势。对比种容
重可知,容重小于.
/时,容重越大同一时刻的降雨平均入渗率越大。容
重大于.
/时,容重越大同一时刻的降雨平均入渗率越小。在降雨强度和
初始入渗率相一致的情况下,开始入渗时间越晚,平均入渗率变化的时间越短,
变化幅度越小。土样初始状态对红壤坡面水文过程的影响研究
口管\且鼹燃露
降雨历时
图有壤中流平均入渗率随降雨历时变化.
图描述了壤中流的平均入渗率随降雨历时的变化。在有壤中流情况下,
随着入渗的进行,下层土壤逐渐达到至饱和,则产生壤中流,初始产流速度按容
重排序依次为....
/,容重. /在整个降雨过程中无壤
中流产生。容重.‖、. /、. /和. /壤中流的平均入
渗率随着初始容重的增加逐渐减小,种容重的初始入渗率随容重的增加有减小
的趋势。容重.
/和. /壤中流平均入渗率变化幅度较小,容重.
/和. /的壤中流变化幅度较大。这是由于水分入渗是水分在土体内部
不断流动的过程,入渗速率主要的决定因素是土壤孔隙。容重较小时,土壤结构
疏松,孔隙较大,对土壤水分的阻碍作用小,水分在土壤中的下渗速率较稳定,
变化幅度较小。土壤容重较大的,孔隙较小,对土壤水分阻碍作用大,水分下渗
速率慢,变化幅度较大。硕士学位论文
图壤中流平均入渗率随降雨历时变化.
..初始容重无壤中流情况对入渗的影响
无壤中流情况下,红壤坡地地表入渗变化过程见图.。从图.可知,
随着降雨历时的变化,入渗率逐渐减小。因为降水入渗到土壤中,占据部分土壤
孔隙体积,土壤表面的空气被迫溢出,土壤空气压力升高,入渗速度下降。整个
过程中平均入渗率容重. /之间,容重.
/位于.~. /
位于.~. /之间,容重. /之间,
/位于..
容重. /之间,容重.
/位于.~.
/位于.~.
/之间,容重.
/、.
/和.‖的入渗变化幅度在.
/左右,容重.
/和.
/的入渗幅度变化范围分别为.
/和.
/。从平均入渗率变化趋势线能看出容重.‖和. /初始入渗时间晚,入渗变化时间短,入渗波动幅度小。因为入渗
时间越短,
进入土壤中的水分越少,土壤空气被挤压的程度就越小,空气压
力越小,对水分
入渗的阻力越小,土壤的入渗率就越大。 土样初始状态对红壤坡面水文过程的影响研究 薯目锝璐嚣牟
降雨历时
图.无壤中流平均入渗率随降雨历时的变化
.?
..初始容重有无壤中流情况坡面平均入渗率对比分析
图.是不同初始容重有壤中流和无壤中流两种情况下平均入渗率对比分
析。从图.可知,同一时刻容重.
/平均入渗率无壤中流情况小于有壤
中流,其余种容重无壤中流平均入渗率明显大于有壤中流。初始入渗率容重
.
/无壤中流小于有壤中流,容重. /、.
/、. /和.
/无壤中流大于有壤中流。说明初始入渗率除了和初始容重有关外还和下垫
面壤中流的产生有关。在无壤中流时,土壤的平均入渗率随着容重的增加有减小
的趋势,有壤中流时则无明显规律。因为在无壤中流时,当初始含水量均匀且很
低时,入渗率主要受控于基质势梯度,坡面降雨为一维垂直入渗,入渗的强弱主
要和土壤的孔隙程度有关。在有壤中流时,由于上下土层相通,.随着降雨的进行,
各层的土壤水分含量差异显著,入渗形式更多的为多维入渗。容
重.
/的
入渗速率在有无壤中流两种条件下变幅都是最小的,说明容
重.‖处可能
是个临界容重。容重.
/和. /土壤坡面在降雨后期基本达到稳定的 入渗速率,其它种容重在降雨后期入渗速率变化较大。说明较高
容重达到稳定
入渗的时间小于较低容重。硕士学位论文 ..管\目?
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.降雨历时
降雨历时
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.降雨历时
降雨历时
土样初始状态对红壤坡面水文过程的影响研究 .无壤中流
降雨历时
图.有无壤中流情况平均入渗率对比分析 .
.小结
有壤中流时初始产沙速度随着容重的增加先减慢后加快,总产沙
量和溅
蚀泥沙量无规律变化;无壤中流时随着容重的增加初始产沙时间
加快,溅蚀泥沙
量和总产沙量增加。容重小于.
/时无壤中流产沙量大于有壤中流,容重
大于.
/,产沙量无壤中流小于有壤中流。
有壤中流时产流强度在容重.
/时出现明显的拐点,容重大于.
/时,随着容重的增加,产流强度增加,产流越快。容重小于. /时,
产流强度随容重的增加而减小,产流越慢。无壤中流时产流强度随容重的增加而
增加,比有壤中流增加明显,但初始产流时间无规律变化。
有壤中流时坡地土壤只有初始容重.
/达到稳定的入渗速率,初
始产流时间、初始入渗率和壤中流产流速度随容重的增加逐渐减慢。无壤中流条
件下容重.
/的入渗速率变幅最小,较高容重达到稳定入渗的时间小于较
低容重。硕士学位论文
第四章初始含水量对坡面水文过程的影响
土壤初始含水量是影响降雨入渗、产流和产沙的重要因子,一般情况下,土
壤初始含水量越大,入渗率则越小,相应地相同降雨条件下地表
越容易产流;而
且不同初始含水率的表层土壤在雨滴对土壤表层颗粒产生击溅和压实作用下,其
结构发生变化的程度也不相同。因此土壤初始含水量的变化使得坡面土壤的入
渗、产流、产沙与初始含水量的关系变得更为复杂。
.初始含水量对坡面产流影响
裸露土壤表层的产流过程是降雨和地表等多种因素共同作用形成的,形成机
理较为复杂。在降雨初期,雨水主要用于湿润坡面土壤和填充地表土层大孔隙,
所以从开始降雨到产生地表径流中间有明显的时间间隔,地表产流产生所需要的
时间长短反映了开始降雨后坡面产流速度的快慢,是描述产流变化规律的重要指
标之一。坡面开始所需时间的长短受土壤初始含水量的影响较大,裸地土壤产流
时刻随初始土壤含水量的变化反映最为明显【】。
..初始含水量有壤中流情况对产流的影响
坡面产流速度的快慢反应了土壤的蓄水状况。图.是有壤中流情况产流强
度随降雨历时变化趋势。从产流时间来看,除风干土外,坡面产流
速度随含水量
左右,
的增大而增加,其中,初始含水量%的开始产流时间约在降雨后
初始含水量%比初始含水量%推迟. 产流,初始含水量%匕%
滞后. 产流。可能因为红壤粘性大,含水率越高则吸水性越强,饱和含水
率越高,表层土壤对雨水的向下吸力增大,加上垂直重力影响,雨水下渗越快,
所以产流开始越慢。在初始含水量%~%之间波动明显,说明初始含水量达
到一定程度时对坡面产流的影响会发生转变,形成一个突变的过程,使坡面的产
流速度最慢,即在初始含水量%~%左右存在一个最优含水量;此外,风干
,一方面可能因为风干
土开始产流时间最慢为. ,与%相差.
土由于土壤水分非常少,所以对雨水吸收十分快,不利于产生地表径流;另一方
面可能因为土壤初始含水率低,则相同容重下土壤质地较疏松,且初始容重为土样初始状态对红壤坡面水文过程的影响研究
.
/,土样填装无需压实,土壤颗粒分布不均,则土壤孔隙度分布不
均,某
些部位孔隙度较大,则会
