植被根系影响下边坡渗流场分析VIP免费

第23卷第3期2005年6月水电能源科学WaterResourcesandPowerVo1．23NO．3Jun．2005文章编号：1000—7709(2005)03—0046—03植被根系影响下边坡渗流场分析姜志强孙树林黄勇(河海大学地质及岩土工程系，江苏南京210098)摘要：植物根系同时存在边坡的饱和与非饱和区，根系通过吸收和蒸腾坡体内的水分对渗流场的重布产生明显的影响，是一个涉及饱和非饱和渗流的复杂问题。将根系吸水效应考虑为渗流控制方程中的源汇项，建立考虑根系吸水效应的饱和一非饱和渗流控制方程，并通过一个算例分析其对坡体渗流场的影响。关键词：植被根系；饱和一非饱：和渗流；吸水模型中图分类号：P641．2文献标志码：A1概况山地地区经常在雨季诱发滑坡，而且以浅层滑坡见多，这类滑坡产生的机理是由于近地表浅层多为非饱和粘性土，雨水入渗改变了坡体渗流场的分布，由于坡体中渗流场和应力场的耦合关系，地下水的运移将改变边坡的应力状态，从而对边坡的瞬态稳定性产生影响。作为一种特殊的筋材，植物根系对坡体的加筋效应已经得到认同，国内外诸多文献发表了相关的研究成果[1]。事实上，植物根系同时存在边坡的饱和与非饱和区，根系通过吸收和蒸腾坡体内的水分对渗流场的重布产生明显影响，是一个涉及饱和非饱和渗流的复杂问题。定量化评判边坡系统的稳定性中植被的水文效应成为一个不可忽视的因素，然而关于此类研究的文献相对比较少见。本文旨在建立考虑根系吸水效应的饱和一非饱和渗流控制方程，并通过一个算例对比分析其对坡体渗流场的影响。2饱和一非饱和土体渗流的控制方程及定解条件当地下水位埋藏较浅或有雨水入渗时，非饱和区土壤水分运动与饱和区地下水运动是相互联系的，应该将两者统一进行研究，此即所谓饱和一非饱和流动问题。研究这类问题时，宜以土水势为因变量。当用压力水头表示土水势时，饱和一非饱和渗流方程为J：c(^)一(忌(，1)^)--k鱼(1)亦即c(^)=丢[忌(^)]+[忌(^)]+]+㈤式中，为Hamiltm算子；c(^)为容水度，c(^)一o81ah，为体积含水量，该参数反映了毛细压力和饱和度的关系；k(h)为非饱和水力传导系数(渗透张量)，h为基质势。控制方程式(2)的定解条件为：初始条件：h(x，Y，z，￡)lo—ho(z，Y，z)(z，Y，z)∈n第一类边界条件：h(x，Y，z，￡)lr_一^1(z，Y，z，￡)(z，Y，z)∈r1，￡>0第二类边界条件：一忌(^)[Oh++(Oh’1)-q0((z，Y，z)∈，t>0其中，l=(，，，)为边界的单位外法向矢量。需要指出，采用以上定解问题求解饱和一非饱和问题时，认为土体骨架和空隙水是不可变形的，亦即未考虑渗流和固结变形的耦合影响。3根系吸水条件下渗流控制方程在土壤水动力学中，描述有根系吸水条件下收稿日期：2005—01-20作者简介：姜志强(1976一)，男，博士研究生，研究方向为深开挖工程及生态保护坡，E-mail：JZQ7894@126．corn维普资讯http://www.cqvip.com第23卷第3期姜志强等：植被根系影响下边坡渗流场分析·47·的水分运动方程通常分为单根吸水的微观模型和以整个根系吸水为基础的宏观模型[6]。微观模型虽然能够定量描述根区内土壤水分运动规律，但是导水率在非饱和渗流中随吸力而变，土壤本身的性质也随深度而变，根系生长及吸水性能随着土层深度而均匀分布的情况是极其少见的，甚至是没有的，故单根的微观模型不适宜用于根系统，因此不能将这种理想化的模型用于整个根区土壤水分动态变化的模拟中。解决实际问题的途径宜采用宏观模型。每个根系都可以看成一个微型抽水井，整个土体根系区看成许多个微型抽水井的组合，宏观模型是把整个根系看作扩散吸水器，各土层中的根系是均匀分布的，而在整个根区根系分布密度可以不同。整个根系以不同的速率从不同体积的土壤中吸收水分。宏观法避免了以微观尺度分析水流通量和水势梯度的复杂关系。由于蒸腾作用导致的根系吸水作用，可将之考虑为渗流场中的“源汇项”，亦即在饱和非饱和渗流方程中添加一个根系吸水项S，其方程为[6]：c(^)Oh—(是(^)^)+一S(3)式中，S为根系吸水项，即单位时间内根系从单位体积土壤中吸水的水量。宏观模型的初始条件和边界条件无须严格地假定，求解宏观模型的关键就是要确定根系吸水模式S(x，Y，，￡)。根系吸水模式有多...