季节性冻融过程黄土斜坡水文效应及其稳定性研究

发布时间：2020-04-10 09:40

【摘要】：黄土高原位于我国第二级阶梯,是中华民族发祥地之一,孕育悠久的中华文明和农耕文化。同时黄土高原也是世界上典型的、独具特色的地貌单元。长期的水土流失,造就了黄土高原地貌破碎、沟壑纵横,大量的斜(边)坡发育,在外界因素诱发下,常常导致灾害的发生。诱发黄土高原区地质灾害的主要因素为降雨、人类活动、冻融等方面,许多学者在研究降雨和人类活动等因素诱发的地质灾害进行了大量的研究并取得了诸多成果,然而在研究季节性冻融型黄土灾害的破坏机理和主导因素研究稍显薄弱。据统计甘肃省永靖县黑方台滑坡发生主要集中在1-4月,季节性冻融作用明显,历次灾害造成了重大的人员与经济损失,季节性冻融型滑坡较其他诱发型滑坡更具隐蔽性、突发性和不可预测性。因此开展季节性冻融过程黄土斜坡水文效应及其稳定性影响研究具有理论和实践意义。论文在分析国内外研究现状的基础上,以甘肃省黑方台黄土斜坡为研究对象,以季节性冻融过程黄土斜坡水文效应及其引起的稳定性变化为主线,以饱和-非饱和水热运移机理和斜坡稳定性评价原理为指导,综合利用野外补充调查、原位定点高精度观测、室内实验模拟和数值模拟等方法,深入分析了季节性冻融过程黑方台黄土斜坡地下水文效应,评价了黄土斜坡在季节性冻融过程中不同阶段稳定性变化规律,为季节性冻融型黄土滑坡防治提供了科学依据。主要研究成果如下:(1)研制加工了不同温度下非饱和-饱和水力参数测定装置,可以实时测定流量、正负压力、含水率和温度;通过达西定律和Van Genuchten公式等获得了饱和渗透系数、给水度和非饱和土壤水分特征曲线、渗透系数、比水容量和扩散率等参数;该实验装置所用试样大,减少了小试样测试结果的随机性,且测定参数多、自动化程度高。(2)通过室内实验和理论分析,建立了黄土非饱和渗透系数K_((S))、扩散率D_((S))和比水容量C_((S))与温度t和含水率?的数学关系式,得出黄土水力参数与温度呈非线性关系,黄土饱和渗透系数是温度的函数,随着温度的增加饱和渗透系数逐渐升高,其中水的粘滞系数是影响渗透系数的关键因素;随着冻融交替循环次数的增加,黄土结构出现重构,饱和渗透系数呈现先增加后稳定的趋势。(3)通过一个季节性冻融过程的野外气温、含水率与地下水位动态监测和综合分析,确定监测点黄土斜坡冻结深度为52cm左右。根据剖面温度梯度变化规律,从地表到地下水位面将剖面温度依次划分为三个影响带:0-0.3m温度交替显著带、0.3-1.5m温度变动带、1.5-2m温度稳定传递带。融解后冻结层水分向下运移,在地面以下1.2m处形成近饱和状态,土壤含水量达到0.32cm~3/cm~3,是冻融作用下黑方台浅层黄土失稳的主要因素之一。黄土斜坡季节性冻融过程对水分具有控制性作用,包气带含水量随温度变化划分为三个阶段:第一阶段,温度小于2℃时,包气带含水量随温度呈现非线性递增趋势;第二阶段,温度在2℃~6℃之间时,包气带含水量随温度呈现波动性下降趋势;第三阶段,温度大于6℃时,含水量由小幅增加至稳定,温度影响权重减小。(4)基于饱和-非饱和水分运移及热传导原理,建立了季节性冻融过程中非饱和黄土水热运移数值仿真模型,模拟了季节性冻融过程黄土非饱和带温度和水分的变化过程,为进一步预测季节性冻融过程黄土温度-水分分布提供了基础。(5)构建了季节性冻融过程黄土斜坡地下水响应数值模型,模拟了季节性冻融过程黄土斜坡水分运移和溢出量变化规律。在冻结前期,地下水溢出带溢出量减少,坡脚地下水水位整体略有上升,幅度约1.5m;在冻结期,黄土斜坡冻结深度扩大,溢出带部分阻塞,地下水位在坡脚抬升,坡脚地下水位最高上升达8.18m,饱和区持续扩大;在融解期,全天温度达到零度以上,溢出带逐渐恢复排泄,斜坡整体地下水位下降,幅度小于2m,坡脚地下水水位下降显著,饱和区缩小,最终基本恢复至冻结前水平。斜坡溢出带及溢出量受季节性冻融过程控制,温度降低溢出带范围增大,溢出量反而减少;温度升高溢出带范围逐渐减少,溢出量增大。(6)采用传统条分法和有限元数值法对季节性冻融过程黄土斜坡稳定性进行了分析,研究得到斜坡孔隙水压力随地下水水位波动扩缩;随着地下水位不断抬升,斜坡体内剪应力集中带状展布、剪应变增量带贯通,塑性区也从斜坡坡脚、中后部发育逐步发展为坡体内连接贯通,斜坡极易失稳致灾。季节性冻融过程中,斜坡稳定性状态与坡脚地下水位高程呈现出负相关性,斜坡稳定性状态可分为三个阶段:2012年10月2日-2013年1月9日稳定性系数降低阶段;2013年1月9日-2013年2月10日可能破坏阶段;2013年2月10日以后稳定性系数回升阶段。上述研究成果,为季节性冻融型黄土斜坡稳定性评价和防治提供了理论依据和技术支撑,对黄土高原区滑坡综合防治也具有重要的参考价值。
【图文】：

其滑坡发生频率月统计如图1.1。季节性冻融型滑坡较其他诱发型滑坡更具有隐蔽性、突发性和不可预测性，至灾后常常造成巨大的人员与经济损失。图 1.1 永靖县黑方台历年滑坡统计表季节性冻融作用是冻结层水力参数性质变异的主要因素，改变了斜坡区地下水富存条件，地下水的补径排条件发生改变，引起斜坡区的静、动水压力季节性的增大或减少，，降低了土体强度，从而影响斜坡体的应力状态和稳定性，是黄土斜坡破坏的重要外动力之一[7~12]。上世纪七十年代，学者开始研究季节

从而导致地下水在坡体内部聚集壅高。黄土高原，处在大陆性季风气候区，属中温带半季分明，春季降雨少，干旱多风，夏季极端高温温度低干燥寒冷（马建全，2012）。东部季风湿润区与西北内陆干旱区和青藏高原高年际降水较少，蒸发大。据 1970-2010 年降水降水量 281.2mm，多年平均蒸发量 1532.6mm（。降水在年内分配极不均匀， 70-80%的降水集落。
【学位授予单位】：长安大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TU444

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本文编号：2622069