非饱和土坡面降雨非正交入渗机理及渗流分析边界条件

降雨是导致非饱和土边坡失稳的常见且重要的原因之一。降雨入渗作为土坡的渗流边界条件，是研究非饱和土坡渗流及稳定性状最重要的外界环境因素。鉴于传统的饱和土正交入渗理论并不符合实际降雨非正交入渗实际的事实，本项目开展了非饱和土坡面降雨非正交入渗机理及渗流分析边界条件问题的研究。 采取模型试验与数值分析相结合的技术路线，开展了九十组室内降雨入渗模型试验及三十余组室外大比例尺降雨入渗模型试验，同时进行了大量的基于常规渗流理论以及基于降雨非正交入渗概念的饱和-非饱和渗流有限元数值分析。 主要研究两个方面内容：（1）研究降雨边界非正交入渗的现象和机理。具体研究了降雨特性（降雨强度及历时、降雨模式等）及非饱和土特性（土的类型、孔隙比、饱和度、含水量等）对降雨在非饱和土坡面上非正交入渗机理和规律性的影响；(2) 研究降雨非正交入渗边界条件。在降雨入渗机理和规律性研究的基础上，进一步研究能反映降雨非正交入渗特点的非饱和渗流分析第二类边界条件。 研究工作初步揭示了非饱和土坡面降雨非正交入渗的机理和规律性。研究结果表明，非饱和土坡面的降雨非正交入渗的机理有多种物理力学作用，其中主要的是大孔隙的优先流作用及吸力的去矢量化作用两个方面。研究工作提出了反映非饱和土降雨非正交入渗特点的渗流边界条件多种拟合方法及按不同降雨入渗阶段确定入渗量的处理方法。 降雨非正交入渗机理及边界条件等研究成果具有重要学术价值和工程意义。研究成果为非饱和渗流分析提出符合降雨入渗实际的边界条件，也是对非饱和土渗流理论的新发展。通过考虑降雨非正交入渗问题，可以提高降雨条件下渗流分析结果的合理性，进而提高降雨条件下边坡稳定性预测的准确性。 2100433B

现有考虑非饱和土坡面降雨入渗的渗流边界条件是基于数学中正交通量的原理所建立的，将降雨量简单机械地按坡面正交方向分解作为入渗的边界条件，但这并不符合非饱和土坡面降雨非正交入渗的现象和机理。.本课题拟通过室内与现场模型试验与实测研究非饱和土坡坡面上降雨的非正交入渗现象和影响因素，揭示非饱和土坡降雨非正交入渗的复杂机理和规律性，建立符合实际坡面降雨非正交入渗规律的非饱和渗流分析边界条件方程。.研究成果具有明确的原始创新性，是对非饱和渗流理论和数值分析方法的新发展，不但可提高非饱和土坡降雨入渗渗流分析的合理性和准确性，而且在非饱和土坡的渗流-变形-稳定性耦合分析等数值分析中具有明确的应用前景，具有很高的实用价值和科学意义。

水力侵蚀是最主要的土壤侵蚀方式，坡面水蚀过程是其关键环节。虽然降雨移动方向在坡面水蚀过程有着非常重要的作用，但是目前其影响机理还没有得到应有的充分研究。本项目拟以物理模型实验提供不同降雨移动条件下的坡面尺度降雨-产流-产沙过程基本数据，以基于物理概念的数值模拟补充完善实验数据，为理论分析提供坡面水动力学及侵蚀特征参量的详细时空变化，研究不同降雨移动方向对坡面水蚀过程的影响机理，揭示降雨-产流-土壤侵蚀-泥沙搬运-沉积过程的动力学机制。本项研究不仅对于探讨坡面尺度上的侵蚀机理具有重要科学价值，而且还将能为其他尺度下土壤侵蚀研究提供数据资料和理论基础。

本研究系统探究了坡面尺度上降雨移动方向对坡面产流与水蚀过程的具体影响，分析其控制机理，同时考虑了不同降雨特性组合及坡面坡度对坡面泥沙侵蚀过程的影响。采用物理模型实验和理论分析方法，详细分析了降雨特性及坡面坡度对坡面产流过程线、产沙过程线及坡面流阻力的定性定量影响，结合先进的基于物理概念的数值模拟方法InHM模型，较全面的呈现坡面水文响应过程，探究其内部物理特性。将土壤结皮发育用模型模拟实现，探讨其在不同降雨特性下及不同尺度下对降雨产流和泥沙侵蚀过程特有的时间与空间影响，对深入认识产流规律、推动坡面产流机理研究、改进传统产流理论具有重要科学意义，同时在水土保持、环境保护等方面具有很好的工程应用前景。 2100433B

青藏高原多年冻土在秋末时的季节融化深度最大，同时在降雨的诱发作用下，冻土边坡常在这个时期出现失稳。暖季降雨入渗致使多年冻土冻融交界面的含水量增加、基质吸力降低、抗剪能力降低、融化深度加大，从而导致边坡失稳。项目从研究降雨入渗机理出发，自行研制设备，模拟在不同坡面条件（坡度、初始含水量、干密度、融化深度）、不同气象特征（雨强、降雨历时、雨水温度）下，冻土边坡的渗流规律，为冻土边坡稳定性评价提供依据。改进常规的直剪仪，测试冻融交界面上的抗剪强度；在直剪过程中压入水分模拟降雨入渗，测试冻融交界面上水分增加时，强度折减规律；根据多年冻土的热-流-固三场的物理意义，编制用户材料程序，采用强度折减法，模拟降雨入渗时冻土边坡失稳过程。