Laboratory experiments were conducted with two different soil conditions to investigate rainfall infiltration characteristics. The soil layer materials that were tested were weathered granite soil and weathered gneiss soil. Artificial rainfall of 80 mm/hr was reproduced through the use of a rainfall device, and the volumetric water content and matric suction were measured. In the case of the granite soil, the saturation velocity and the moving direction of the wetting front were fast and upward, respectively, whereas in the case of the weathered gneiss soil, the velocity and direction were slow and downward, respectively. Rainfall penetrated and saturated from the bottom to the top as the hydraulic conductivity of the granite soil was higher than the infiltration capacity of the artificial rainfall. In contrast, as the hydraulic conductivity of the gneiss soil was lower than the infiltration capacity of the rainfall, ponding occurred on the surface: part of the rainfall first infiltrated, with the remaining rainfall subsequently flowing out. The unsaturated hydraulic conductivity function of weathered soils was determined and analyzed with matric suction and the effective degree of saturation.
It is possible to understand rainfall infiltration characteristics by identification of wetting front in the soil. The wetting front by rainfall infiltration has close relationships among soil density, grain size distribution, and permeability coefficient in the soil. The infiltration velocity is a similar concept of permeability coefficient in the soil. In this study, infiltration velocity of rainfall was calculated by a field monitoring of volumetric water contents at the depths of 50 cm and 80 cm below the surface in the gneiss weathered soil. The calculated field infiltration velocity was compared with a permeability coefficient by a laboratory soil test using undisturbed soil samples in the study area. The permeability coefficient of the soil sample is $3.15{\times}10^{-3}cm/sec$, while the field infiltration velocity is $1.87{\times}10^{-3}cm/sec$. It is interpreted that the lower infiltration velocity is induced by complicate condition of porosity and grain size distribution of soil in the field. The rainfall intensity which influences on the volumetric water content and infiltration velocity is more than 20 mm/day resulting in expansion of wetting front in the soil.
Kim, Hoon;Shin, Ho-Sung;Kim, Yun-Tae;Park, Dug-Keun;Min, Tuk-Ki
Journal of the Korean Geotechnical Society
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v.28
no.2
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pp.71-78
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2012
Rainfall infiltration test under one dimensional condition is conducted to evaluate the effect of rainfall intensity on seepage velocity and infiltration characteristics for initial unsaturated sediment. Experimental results are compared with those numerical simulations with respect to variations of pore water pressure, degree of saturation and discharge velocity with time, and both results give good agreement. High rainfall intensity tends to increase seepage velocity almost linearly. But it shows rapid increase as rainfall intensity approaches saturated hydraulic conductivity of the sediment. In addition, the upper part of wetting front depth is partially saturated, not fully. Therefore, actual wetting front depth is considered to advance faster than theoretical prediction, which leads to slope instability of unsaturated slope due to surface rainfall.
We applied a slope-stability analysis method, considering infiltration by rainfall, to the construction site where an express highway is being extended. Slope stability analysis that considers infiltration by rainfall can be classified into three methods: a method that considers the downward velocity of the wetting front, a method that considers the upward velocity of the groundwater level, and a method that considers both of these factors. The results of slope stability analysis using $Bishop^{\circ}{\Phi}s$ simplified method indicate that the safety factor due to the downward velocity of the wetting front decreases more rapidly than that due to the upward velocity of the groundwater level. For the third of the above methods, the safety factor decreases more rapidly than for the other two methods. Therefore, slope stability during rainfall should be analyzed with consideration of both the downward velocity of the wetting front and the upward velocity of the groundwater level.
Unsaturated soil column tests were performed for weathered gneiss soil and weathered granite soil to assess the relationship between infiltration velocity and rainfall condition for different rainfall durations and for multiple rainfall events separated by dry periods of various lengths (herein, 'rainfall break duration'). The volumetric water content was measured using TDR (Time Domain Reflectometry) sensors at regular time intervals. For the column tests, rainfall intensity was 20 mm/h and we varied the rainfall duration and rainfall break duration. The unit weight of weathered gneiss soil was designed 1.21 $g/cm^3$, which is lower than the in situ unit weight without overflow in the column. The in situ unit weight for weathered granite soil was designed 1.35 $g/cm^3$. The initial infiltration velocity of precipitation for the two weathered soils under total amount of rainfall as much as 200 mm conditions was $2.090{\times}10^{-3}$ to $2.854{\times}10^{-3}$ cm/s and $1.692{\times}10^{-3}$ to $2.012{\times}10^{-3}$ cm/s, respectively. These rates are higher than the repeated-infiltration velocities of precipitation under total amount of rainfall as much as 100 mm conditions ($1.309{\times}10^{-3}$ to $1.871{\times}10^{-3}$ cm/s and $1.175{\times}10^{-3}$ to $1.581{\times}10^{-3}$ cm/s, respectively), because the amount of precipitation under 200 mm conditions is more than that under 100 mm conditions. The repeated-infiltration velocities of weathered gneiss soil and weathered granite soil were $1.309{\times}10^{-3}$ to $2.854{\times}10^{-3}$ cm/s and $1.175{\times}10^{-3}$ to $2.012{\times}10^{-3}$ cm/s, respectively, being higher than the first-infiltration velocities ($1.307{\times}10^{-2}$ to $1.718{\times}10^{-2}$ cm/s and $1.789{\times}10^{-2}$ to $2.070{\times}10^{-2}$ cm/s, respectively). The results reflect the effect of reduced matric suction due to a reduction in the amount of air in the soil.
Park, Kyu-Bo;Chae, Byung-Gon;Kim, Kyeong-Su;Park, Hyuek-Jin
Economic and Environmental Geology
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v.44
no.1
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pp.71-82
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2011
The unsaturated soil column tests were carried out for weathered gneiss soil and weathered granite soil in order to obtain the relationship between rainfall intensity and infiltration velocity of rainfall on the basis of different unit weight conditions of soil. In this study, volumetric water content and pore water pressure were measured using TDR sensors and tensiometers at constant time interval. For the column test, three different unit weights were used as in-situ condition, loose condition and dense condition, and rainfall intensities were selected as 20 mm/h and 50 mm/h. In 20 mm/h rainfall intensity condition, average rainfall infiltration velocities for both gneiss and weathered granite soils were obtained as $2.854{\times}10^{-3}$ cm/s ~ $1.297{\times}10^{-3}$ cm/s for different unit weight values and $2.734{\times}10^{-3}$ cm/s ~ $1.707{\times}10^{-3}$ cm/s, respectively. In 50 mm/h rainfall intensity condition, rainfall infiltration velocities were obtained as $4.509{\times}10^{-3}$ cm/s ~ $2.016{\times}10^{-3}$ cm/s and $4.265{\times}10^{-3}$ cm/s ~ $3.764{\times}10^{-3}$ cm/s respectively. The test results showed that the higher rainfall intensity and the lower unit weight of soil, the faster average infiltration velocity. In addition, the weathered granite soils had faster rainfall infiltration velocities than those of the weathered gneiss soils except for the looser unit weight conditions. This is due to the fact that the weathered granite soil had more homogeneous particle size, smaller unit weight condition and larger porosity.
We constructed a model test apparatus to evaluate the dependence of the saturation velocity (Vs) in soils on rainfall intensity (IR). The apparatus comprises a soil box, a rainfall simulator, and measuring sensors. The model grounds (60 cm × 50 cm × 15 cm) were formed by Joomunjin standard sand with a relative density of 75%. The rainfall simulator can control the rainfall intensity to reenact the actual rainfall in a soil box. Time Domain Reflectometer (TDR) sensors and tensiometers were installed in the soils to measure changes in the volumetric water content and matric suction due to rainfall infiltration. During the tests, the soil saturation was determined by raising the groundwater table, which was formed at the bottom of the soil box. [Please check that the correct meaning has been maintained.] The wetting front did not form at the ground surface during rainfall because the soil particles were uniform and the coefficient of permeability was relatively high. Our results show that the suction stress of the soils decreased with increasing volumetric water content, and this effect was most pronounced for volumetric water contents of 20%-30%. Based on a regression analysis of the relationship between rainfall intensity and the average saturation velocity, we suggest the following equation for estimating the saturation velocity in soils: Vsavg (cm/sec) = 0.068IR (mm/hr).
In this study, the RDII impact on sewer designing in the upstream monitoring area (A site) was considered. Based on the long-term (1/1/2011~12/31/2011) rainfall and flow data consisting of 10-min interval sampling in the nearby design area (B site), the maximum RDII/DWF ratio was selected. The sewer network system at B site was evaluated by the Manning equation. Scenario 1 considering the hourly maximum flow with respect to the flow velocity showed that none of the sewer pipes satisfied the minimum flow velocity condition (0.6 m/s), and 40 pipes did not achieve half of the velocity condition. In scenario 2 considering I/I, 1 the pipes satisfied 0.6 m/s, and 35 pipes showed 0.3 m/s. Scenario 3 reflected the effect of RDII. Velocities in 26 pipes were less than 0.3 m/s, and 4 pipes satisfied the velocity condition. With respect to the allowance rate, 17 pipes were shown to have more than 99%, and none of the pipes satisfied less than 95% of the allowance rate in scenario 1. In scenario 2, 17 Ed: Per the Table pipes showed more than 99% and one pipe showed less than 95%. In scenario 3, 16 pipes showed more than 99% of the allowance rate, and 19 pipes showed less than 95%. Based on these results, it is predicted that deposition would occur due to the slow flow velocity; however, capacity would not be a problem.
Journal of The Korean Society of Agricultural Engineers
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v.53
no.6
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pp.129-136
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2011
To measure effects of surface cover on runoff and sediment discharge reduction using rainfall simulator, four(5 m${\times}$30 m scale) plot experiments were conducted in this study. Surface covers made with straw mat, Polyacrylamide (PAM), chaff, and sawdust were simulated 4 times under 31.1~44.4 mm/hr rainfall intensities. Compared with results from control plot, the time of runoff generation is delayed and outflow volume decreased with surface cover. Effects on runoff reduction of straw mat, PAM, sawdust and chaff ranged 4.7~81.5 % and runoff rate reduced by 6.5~76.1 % respectively, when compared with those from control plot. The percentage of decrease in sediment discharge were 99.7~99.8 % from straw mat+sawdust+PAM plots, 85.9~95.6 % from straw mat+PAM plots, and 98.5~99.4 % from straw mat+chaff+PAM plots. The runoff, sediment discharge, and SS concentration reduction efficiencies of the cover materials were outstanding when compared to control plot. It was analyzed that reduction of runoff and sediment discharge were mainly contributed by decrease in rainfall energy impact and flow velocity and increase of infiltration due to the surface cover materials. The results could be used as a base for the development of best management practices (BMPs) to reduce runoff, sediment discharge from sloping field.
A prompt subsurface runoff producing mechanism whih creaters a depletion curve of direct runoff hydrograph is simulated by a dead zone dispersion model technique. Runoff processes are carried out by routing of the outflow resulted from previous linear channel and effective rainfall from its corresponding subwatershed through a series of conceptual linear channels representing subwatersheds of a catchment. Working rules are explained for evaluation the model parameters such as translatory velocity, diffusive factor, and parameters concerning the infiltration and relative magnitude of the prompt subsurface flow region.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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