小雨量条件下粉质壤土土—水特征曲线研究

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小强度喷灌降雨是非饱和土典型的一维非充分供水渗流常见研究情形之一。由降雨引起的地下水位变化会引起非饱和土中相关水力特征参数发生相应的变化,尤其是其中的吸力与含水率的变化最为明显。且这两者之间的相关变化关系可以用土-水特征曲线进行很好的描述。目前粉质壤土以其分布广泛、结构性强、力学性能差、稳定性差、承载性能差等受到工程界广泛关注和研究。至此,进行本课题的研究有助于解决在工程建设中遇到有关粉质壤土的非饱和土水力学和土力学问题。本论文以国家级重点实验室团队重点课题(SKLGP2011Z001)《非饱和带溶质迁移转化规律试验研究》为支撑,选择均质粉质壤土为研究对象,采用室内土柱试验与理论研究相结合、软件的数值模拟与理论分析相结合的研究方法,对比研究了小雨量喷灌条件下粉质壤土下垫面封闭与否时土壤水分入渗特性、土-水特征曲线的不同;充分利用已有土壤资料使用HYDROUS-1D软件对粉质壤土的土-水特征曲线进行预测和反演;鉴于目前大多数建立起来的研究模型都是以学者的经验、土体的结构特征和基于曲线形状为依据的,本文试图以试验数据为基础选择最佳非线性参数方程进行拟合,分别选取国内外以及二次多项式参数方程对试验数据、模型预测和反演数据进行土-水特征曲线拟合并且比较各自的拟合度。主要的成果和结论如下:(1)对比分析了小雨量喷灌条件下土柱下垫面封闭与非封闭时粉质壤土的湿润锋、土壤含水率、土壤基质吸力随入渗时间的变化特性。其中,土壤含水率、土壤基质吸力随入渗时间呈二次多项式函数关系,湿润锋与入渗时间之间的关系呈线性相关;由于入渗与蒸发的原因使得研究获取的变化曲线上存在阶梯型跳跃;且当下垫面开放时土壤含水率变化、土壤基质吸力变化以及湿润锋变化均较下垫面封闭时的变化速率快;(2)对实测表征参数值进行Williams、包承纲参数方程及二次多项式参数方程拟合,进行拟合度对比发现,本文采用的二次多项式参数方程能更好的拟合利用现代工艺量测的小雨量喷灌条件下粉质壤土的土-水特征曲线;(3)对比分析利用实测的相关表征参数值拟合出的土水特征曲线图形来看,Williams参数方程和二次多项式参数方程拟合可以对土-水特征曲线在有台阶式或波浪起伏时进行很好的拟合,而国内的包承纲教授提出的土-水特征拟合参数方程对土-水特征曲线的进气值与残余含水率段有较好的拟合效果。(4)通过对HYDROUS-1D数值模拟结果进行数值转换后进行土-水特征曲线的Williams、包承纲参数方程及二次多项式参数方程拟合,从拟合的度对比结果发现,在拟合土-水特征曲线时采用二次多项式参数方程拟合仍能取得很好的拟合效果。(5)对比采用现代量测工艺、软件模拟及反演获取的表征参数值拟合比较来看,均显示出二次多项式参数方程的拟合比Williams参数方程、包承纲参数方程拟合效果好。这说明本文提出的利用二次多项式参数方程拟合小雨量喷灌条件下粉质壤土的土-水特征曲线是可行的,建议在今后对试验数据拟合中可采用。
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