野外条件下非饱和土壤水力传导度的确定

本文根据P.L.Libardi等人提出的野外估算非饱和土壤水力传导度的方法,通过在河北省南宫试验场进行的试验,求得了粉壤土的非饱和水力传导度,并用数值模拟验证了参数的可靠性。应用表明,该法简单实用,可作为野外非层状土壤求参数的一种较好的方法。     

土壤水动力弥散系数的室内测定

用粉砂壤土进行了室内非饱和水动力弥散试验,依据质量守恒原理,推导了水动力弥散系数的计算公式,根据垂直土柱法测定的土壤水盐动态数据,计算了非饱和粉砂壤土的水动力弥散系数,并建立了该土壤水动力弥散系数与孔隙流速之间的关系。该方法物理概念清楚,计算公式简单实用。     

非饱和土壤中吸附性溶质运移的基本方程和参数结构

本文应用随机场的谱分析方法，研究了吸附性溶质在非饱和，非均匀土体中运动时平均浓度所遵循的基本方程。当非饱和水分运动以重务为主要作用力时，设经对数变换后的土壤饱和渗透系数，吸附系数和α参数为正态平稳随机场，求得了宏观弥散度的解析表达式。研究结果表明，宏观散度由三部分组成，分别来源于非饱和渗透系数的自相关函数，非饱和渗透系数吸附参数的互相关函数，以及吸附参数的自相关函数。     

非稳定流条件下非饱和均质土壤溶质运移的传递函数解

根据溶质运移的传递函数模型Tromsfer Function Model, TFM理论，研究了非稳定流条件下非饱和均质土壤中表施和原有NO-3 N及原有Cl-的运移。由极大似然法估算了模型参数μ和σ2，求出了溶质运移的概率密度函数，计算了NO-3 -N的淋失量，并利用土壤中原有Cl-的动态，对NO-3 N的迁移过程进行了模拟，同时还估算了溶质的中值迁移时间tm和均值迁移时间相应的运移体积θst和θst。     

沼液中全氮在非饱和均质土壤中的吸附特征试验

为探讨沼液中全氮在非饱和均质土壤中的吸附特征,在室内恒温条件下,对非饱和均质土柱采用一维沼液吸附试验,测定不同沼液浓度、土壤密度及沼液入渗水头条件下渗出液电导率及全氮含量,并应用对流弥散溶质运移模型和CXTFIT2.0软件对试验数据进行拟合,得到了不同试验方案下的全氮平均孔隙水流速和水动力弥散度。试验结果表明:不同试验方案下较大密度土壤的渗出液电导率峰值点均小于较小密度土壤的峰值点;峰值点后渗出液的电导率与峰值点差值随沼液浓度的增大而增大;相同土壤密度及入渗水头条件下,随沼液浓度的增大,吸附曲线逐渐向右偏移,全氮运移吸附转折点对应时间及被截获在土柱中的全氮量增加,而吸附转折点渗出液相对浓度、平均孔隙水流速及水动力弥散度均减小;相同沼液浓度及土壤密度条件下,随入渗水头增大,土壤对全氮吸附达到饱和所需时间减少,平均孔隙水流速及水动力弥散度增大;相同沼液浓度及入渗水头条件下,随土壤密度的增大,全氮吸附转折点对应时间增长,水动力弥散度增大,而平均孔隙水流速减小。     

溶质运移中多孔介质弥散度影响因素的SPH模拟研究

借助光滑粒子流体动力学(SPH)方法,本文从流体质点运动和溶质扩散的物理本质出发,设计并进行孔隙尺度下多孔介质中溶质运移的仿真实验,进而分析多孔介质弥散度影响因素,并讨论弥散度与多孔介质结构参数的关系。通过离散化N-S方程和Fick扩散方程,建立描述孔隙水流动的SPH水动力模型和描述溶质分子扩散的扩散模型,求解出在低Pe数下对流扩散方程的一维定解问题,检验了模型的准确性。在高Pe数流场中,进行了恒定流速的黏性流体穿透多孔介质薄层的仿真实验,计算结果可准确模拟出过水断面上各流体质点的流速差异、流体质点在多孔介质中的弥散过程以及流体质点的迂曲绕流过程;通过建立三段理想化的孔隙通道模型,发现在迂曲路径相同时,速度差对机械弥散度仍有显著影响。最后,为探究弥散度与多孔介质结构参数的关系,生成了多组随机粒径的二维多孔介质进行溶质穿透仿真实验。计算结果表明,弥散度与流速变异系数、迂曲度、迂曲路径差以及不均匀系数大致呈正相关,与孔隙率呈负相关。     

氮污染物在非饱和土壤中迁移过程对地下水水质影响分析

根据邢台市平原区土壤环境状况,分析氮污染源在非饱和土壤中迁移规律,根据地下水监测资料,定量分析地下水中各类氮污染物的分布特征。氮类污染物在土壤中转化特征为：氨氮随地下水下移过程中,大部分被土壤吸附;亚硝酸盐氮中间产物,存在时间有限,对地下水的影响不明显;硝酸盐氮溶于水,入渗到地下水中,对地下水造成污染。通过对氮类污染物在非饱和土壤中的迁移规律分析,为合理使用化肥,保护地下水源提供科学依据。     

非饱和土中镉离子迁移规律的实验研究

采用实验室土柱法研究了重金属镉离子在非饱和土壤中的迁移规律。通过微机控制真空系统，使得土柱出流端维持稳定负压，从而使土样获得比单靠重力自流更低的饱和度。实验过程通过分时加污及加水，模拟了实际污染及清洗过程。针对9种来自比利时和葡萄牙的土样进行了实验，得到了相应的穿透曲线。在实验结果及有限元法正演的基础上，利用梯度正则化方法反演确定镉离子在相应非饱和土样中迁移的相关参数：纵向弥散度、吸附速度、裂解速度和相对最大沉淀量，得到了具有应用价值的参数结果。     

考虑体积变化的非饱和膨胀土土水特征

为探讨吸力作用下膨胀土体变特征对土水特征的影响规律,开展了一系列完整的脱湿阶段试验,获得了5种不同初始孔隙比的荆门压实膨胀土各级吸力下的重力含水率与体积变化。试验结果表明：不同初始孔隙比下的重力含水率－吸力曲线有交叉与聚拢现象;体积含水率－吸力曲线的交叉现象更为显著;而饱和度－吸力曲线未出现交叉,相同吸力下初始孔隙比大的土样具有更低的饱和度,体现出土水特征与体变特征的耦合效应。基于试验成果,从土的基本体积－质量关系出发,以初始孔隙比与吸力为变量,在一个统一的框架内,构建了吸力作用下的体变方程、分别用重力含水率与饱和度表征的SWCC方程,方程能够描述任意初始孔隙比条件下膨胀土干缩过程中重力含水率、孔隙比与饱和度随吸力的变化规律。     

考虑体积变化的非饱和膨胀土土水特征

为探讨吸力作用下膨胀土体变特征对土水特征的影响规律,开展了一系列完整的脱湿阶段试验,获得了5种不同初始孔隙比的荆门压实膨胀土各级吸力下的重力含水率与体积变化。试验结果表明：不同初始孔隙比下的重力含水率一吸力曲线有交叉与聚拢现象;体积含水率一吸力曲线的交叉现象更为显著;而饱和度一吸力曲线未出现交叉,相同吸力下初始孔隙比大的土样具有更低的饱和度,体现出土水特征与体变特征的耦合效应。基于试验成果,从土的基本体积一质量关系出发,以初始孔隙比与吸力为变量,在一个统一的框架内,构建了吸力作用下的体变方程、分别用重力含水率与饱和度表征的土水特征曲线方程,该方程能够描述任意初始孔隙比条件下膨胀土干缩过程中重力含水率、孔隙比与饱和度随吸力的变化规律。     

Solute Transport in Soils: An Algorithmic Approach

An algorithmic approach is proposed for the problem of solute transport in soils. The algorithm is based on the assumption of steady-state water flow conditions and it is applied to both processes of salt accumulation and salt removal (leaching). Soil-solute interactions are also included in the algorithm. A basic assumption of the model is that the rate of salt accumulation or removal follows a first-order kinetic equation. The involvement of a piston-flow mechanism, observed frequently in laboratory or field experiments, may be accounted for, by the present model, through sub-dividing the soil column and applying a convolution integral to the various soil sections. Breakthrough curves calculated by the present approach could be adjusted so as to bring them in close proximity with the experimental ones already presented by other researchers.     

非饱和膨胀土边坡破坏机理与稳定性分析

膨胀土具有胀缩性、裂隙性、超固结性,其工程性质特殊,即使很缓的边坡也可能失稳,南水北调中线工程膨胀岩土渠段长达340 km,渠坡的处理技术、分析方法与长期稳定性是关键问题.分析了非饱和膨胀土边坡的破坏特点、破坏机理与影响因素,并对处理措施的作用机理与模拟方法进行了分析,在此基础上探讨了非饱和膨胀土边坡稳定性的分析方法,并对南水北调中线工程新乡段膨胀岩土渠坡进行了分析,得到了初步成果.     

非饱和膨胀土的现场观测技术

非饱和土的吸力测试是非饱和土研究中最重要也是最基本的测试技术.回顾了非饱和土现场试验的历史,结合近年开展的膨胀土渠道现场观测实践,从观测设备的原理出发,介绍了现场观测仪器及其埋设方法、观测试验成果,其经验可供岩土工程师在非饱和土现场实践中参考.     

非饱和土力学理论在南水北调工程中的应用

简要回顾了非饱和土力学的研究历史及研究意义.结合南水北调中线工程中的膨胀土问题,探讨了非饱和土理论在渠道工程设计中的应用前景,重点论述了非饱和土抗剪强度理论及其简化计算方法,并从膨胀土的破坏机理、变形特点和强度特征出发,探讨了膨胀土渠坡工程处理措施和处理原则,为南水北调中线工程膨胀土渠段的设计和施工开拓了新的思路.     

Meshless Local Strong Form-based Method for Transport Simulation of Nonlinearly Adsorbing Solutes in a Highly Heterogeneous Confined Aquifer

A meshless simulation model based on the radial point collocation method (RPCM) is developed in this study to simulate contaminant transport in heterogeneous aquifers with nonlinear adsorption. The nonlinear adsorption is represented using popularly used Langmuir’s isotherm. The nonlinear governing equation of the contaminant transport is solved utilizing linearization through timesteps. The directional derivatives of hydraulic conductivity field through vectorization are used to simulate flow in highly heterogeneous aquifers. Multiquadrics radial basis functions (MQ-RBF) are used for the approximation of heads and concentrations and their gradients. The relevant equations are solved locally using the domain decomposition technique, which avoids the ill-conditioning issue associated with globally supported domains. The developed models are named RPCM-NA (for only transport) and RPCM-CNA (for coupled flow and transport). The RPCM-NA model is validated against semi-analytical solutions, and its advantages over the Finite Difference Method (FDM) are demonstrated. Two case studies are considered. The performance of the RPCM-CNA model is compared to that of FDM-based MODFLOW and MT3DMS models, with the maximum percentage error for head estimation being 0.25%. For contaminant transport simulation in the mobile and adsorbed phases, the maximum values of Normalized Mean Absolute Error obtained are 0.02 and 0.0385 respectively, showing the effectiveness of the proposed model.

     

非饱和土PS加固方法的初步分析

非饱和土在实际工程中分布广泛,其工程特性复杂。在非饱和土力学中,应力理论和强度理论是非饱和土变形与稳定性分析理论中的重要基础。目前,非饱和土力学的理论框架、实验技术还处于基础研究阶段。在非饱和土的加固保护方面,有较为熟悉的常规的保护和加固方法,诸如换土处理、密实处理、排水处理、加筋处理、热学处理、灌浆法、搅拌法等。但这些常规的方法在对土遗址的保护和加固上有局限性。通过对比国内外对土遗址的保护,认为PS溶液的加固方法是比较合适的,其既可以改善土的力学强度,又不会改变土体的特性,从而保持了土遗址原有的面貌。     

污染物及土壤水动力迁移的数值模拟

本文在分析水分及污染物在土壤中迁移物转化规律的基础上，建立了水分及污染物迁移的耦合数学模型。采用有限差分法离散水分方程和污染浓度方程，得到了数值计算模型。运用分散平均方法估算水力传导率，并用中心差分和隐式差分格式并存的系数矩阵求解方法，加快计算的收敛性。利用该数值计算模型，模拟计算了具有应用背景的水分及污染物在非饱和土壤中的迁移规律，数值计算成果得到了试验资料的验证，两者吻合良好，为研究和解决地下水污染问题提供了有效的手段     

Research on Expansive Soils Encountered in Middle Route Project of South-to-north Water Transfer Canal

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南水北调中线工程中的膨胀土研究

The main canal of the Middle Route Project of South-to-North Water Transfer totals more than 1 240 km in length. In Henan Province and Hebei Province, there will be a section of more than 120 km passing through an expansive soils area. Expansive soils is a special kind of tenacious clay, which swells when meeting with water and shrinks when losing water. With complicated mechanical properties, it changes with the variation of water content. As a result, expansive soils become the key object of study on unsaturated soils mechanics for the project. From the status of study on unsaturated soils at home and abroad, this paper covers an analysis on stability analysis method of expansive soils slope, determination of expansive soils strength, rational design of canal slope ratio and support, and forecast of landslide for the Middle Route Project of South-to-North Water Transfer.