典型斜坡非饱和带优先域及其降雨入渗机制研究

This research will be carried out from the high-frequency and large-scale phenomenon of well vegetated slope instability disasters in mountainous watershed. We will take typical slopes covered by vegetation for research objects. By means of field and laboratory experiments, commission tests, mathematic model establishment and numerical analysis, the following scientific problems that are material conditions for rainfall infiltration will be in-depth studied and worked out: formation mechanism-evolutionary feature of preferential-domain in vadose zone, preferential-domain control factors and their commutative intertexture –interaction evidences, vadose zone hydro-physical property evolution affected by preferential-domain. Moreover, the issues about spatial data field of preferential-domain, soil macropore fractal growth model based on Diffusion Limited Aggregation, modified one-dimensional rainfall infiltration empirical model, three-dimensional numerical simulation based on Lattice-Boltzmann method can expound cooperative- coupling response and dynamic change process of turbulent preferential-flow and slow matrix Darcy-flow. Systematic rainfall infiltration mechanism will be found out. Above all, the research results can put forward fundamental significance and academic value for rainfall-induced landslides.

以当前频发、群发性的山区流域植被发育斜坡失稳灾害为背景，选取典型斜坡为研究对象，采用现场和室内试验、送样检测以及模型建立和数值模拟等手段，通过对斜坡非饱和带优先域的发育基础及其演化特征、优先域的控制因素及其相互交织-动态互动过程、优先域影响下非饱和带水理行为的演替等问题深入研究，查明非饱和带降雨入渗的物质条件；同时，优先域空间数据场的建立，基于扩散限制凝聚的土体分形优先域生长模型、修正的一维降雨入渗经验模型等数学模型的建立，以及基于Lattice-Boltzmann方法的非饱和带三维降雨入渗过程的数值模拟，揭示降雨条件下非饱和带紊态优先流和缓慢基质达西流的协同-耦合响应及其动态变化过程，系统得到植被发育斜坡非饱和带降雨入渗机理，研究成果对降雨型滑坡的研究具有重要的现实基础意义和和学术价值。

项目以云南省昆明市呈贡区和昭通头寨典型母岩斜坡为研究对象，综合采用现场和室内试验、送样检测以及模型建立和数值模拟等手段，旨在得到植被披覆斜坡在降雨条件下土体内优势流的形成-演化背景，同时研究优势流产流机制和渗流过程。（1）典型斜坡非饱和带内优先域结构通道主要为植物根系及其腐烂后形成的通道以及根-土不协调变形形成管状通道、动物通道等。植被对优势通道形成-演化的决定作用主要由植被根系为基础形成的系列优先域来体现。（2）斜坡土体有机质对优先域的形成和演化具有重要的贡献。灼烧法测定有机质含量时灼烧温度和灼烧时间是关键因素，若对准确度要求较高，可以采用化学法；若确定有机质含量较高且要快速测定时，推荐使用灼烧法，灼烧温度为550℃，灼烧时间为2h。（3）植被根系对土体的优先域结构的形成和演化有重要的影响，同时对土体的力学性质也有重要影响，在根-土复合体中，植被根系对土体抗剪强度有明显的增强效应，但这种增强效应是有限的。植被根系发挥作用的时间与根系密度有关，根-土复合体的根系密度越高，剪切时根系发挥作用的时间越靠前。经典库仑定律不适用于含有高密度植被根系的高含水率根-土复合体土样。（4）利用无损检测技术试验所得试验点土柱内孔隙度最大、优先域通道数量最多的位置为表层，分别为28.08%和992个，表明优先域广泛存在的，决定着降雨条件下水分的入渗，与与渗透试验结果相符合的。（5）格子Boltzmann方法研究结果表明，优势通道对水分的入渗过程控制明显，在下渗过程中，水分主要在连通性较好、孔径较大的优势通道内流动，优先流效应明显，优势通道控制着优先流的湿润前锋的推进过程，格子Boltzmann数值方法能定量模拟优先流的产生机制和渗流过程研究。项目研究成果系统得到典型斜坡在降雨条件下水分入渗的物理基础条件、优先域内优势流产流机制和渗流过程，对降雨型滑坡的研究具有重要的现实基础意义和和学术价值。