Field measurements and numerical modelling of infiltration and matric suctions within slopes

Abstract

This work presents an analysis of the matric suction and seepage conditions within two residual soil slopes in Singapore. The analysis is based on field measurements and on numerical modelling using a finite element software capable of modelling transient unsaturated flow. The field measurements consist of rainfall data, runoff data and matric suctions changes during infiltration at several depths and locations on the two slopes. The field measurements indicated that the infiltration mechanism is complex and that matric suctions are affected not only from rainfall pattern but also on the initial conditions within two slopes. The objective of the numerical modelling of the field measurements was to couple all the available field information into one complete model. The numerical analysis reflects the complexity of the infiltration mechanism and confirms that infiltration is controlled by the initial conditions within a slope. It was seen that a slope appears to have a limiting capacity for how much rainfall water can become infiltration, regardless of how high or low the permability value of the surface may be. This was explained in terms of hydraulic gradient. That means that large amounts of rainfall do not automatically lead to high infiltration.

Η διατριβή παρέχει μία ανάλυση των αρνητικών πιέσεων πόρων και των συνθηκών ροής νερού σε δύο πρανή από πλήρως αποσαθρωμένο έδαφος στη Σιγκαπούρη. Η ανάλυση βασίζεται σε μετρήσεις υπαίθρου ενός χρόνου και σε αριθμητική ανάλυση με χρήση πεπερασμένων στοιχείων. Οι μετρήσεις υπαίθρου αποτελούνται από μετρήσεις βροχής, απορροής και μεταβολής των αρνητικών πιέσεων πόρων σε διάφορα σημεία και βάθη των πρανών. Οι μετρήσεις δείχνουν ότι ο μηχανισμός εισροής νερού είναι πολύπλοκος και ότι οι πιέσεις πόρων μεταβάλλονται τόσο από την ποσότητα και ένταση της βροχής όσο και από τις αρχικές συνθήκες. Ο σκοπός της αριθμητικής ανάλυσης ήταν να συνδυάσει όλες τις πληροφορίες υπαίθρου σε ένα αριθμητικό μοντέλο. Η ανάλυση περιγράφει τον πολύπλοκο μηχανισμό εισροής νερού στο πρανές και επαληθεύει τον κύριο λόγο που έχουν οι αρχικές συνθήκες. Από την ανάλυση φάνηκε ότι το πρανές έχει περιορισμένη ικανότητα απορρόφησης νερού ανεξάρτητα του πόσο αυξημένη ή μειωμένη είναι η υδατοπερατότητα στην επιφάνεια του εδάφους. Το φαινόμενο εξηγείται με την υδραυλική ακτίνα και τις μεταβολές της με το χρόνο. Συμπερασματικά, μεγάλες ποσότητες νερού δεν οδηγούν αυτόματα σε μεγάλη εισροή.