不同雨强下黄土边坡降雨入渗测试与分析

黄土边坡的失稳问题是岩土工程中迫切需要解决的工程难题之一。首先,选取陕北黄土边坡为研究对象,开展4种雨强条件下的野外人工模拟降雨试验,通过测试边坡两侧开挖隔离槽并埋设隔离布从而改进测试边坡两侧的边界条件,实测不同雨强条件下边坡浸水深度以及土体含水率变化;然后分析不同雨强条件下降雨入渗过程和边坡应力变化特征,并比较不同雨强条件下入渗规律之间的差异。试验结果表明,不同雨强条件下的黄土边坡入渗深度均呈现坡脚最深、坡顶次之、坡中最浅的规律,入渗速率则是坡顶最快,其次是坡脚,最后是坡中;且随着深度的增加,雨水入渗能力逐渐减弱。随着雨强的增大,同一埋深处测点的体积含水率及土压力变化幅值变大,且含水率及土压力突变时间相应缩短,边坡的冲刷效果愈加明显。最后基于Geo-studio软件进行渗流分析,验证了现场试验结果的正确性,明晰了雨强对黄土边坡降雨入渗的影响。     

黄土斜坡内部水分二维成像研究——以黑方台罗家坡滑坡为例

黄土高原地区受构造活动及河流侵蚀形成的大量黄土斜坡, 在降雨及农业灌溉等条件影响下, 每年会有大量黄土滑坡发生, 因此, 准确揭示黄土斜坡内部水分空间分布规律及运移特征对于理解黄土滑坡机理和预警预报极其重要。本文利用电阻率层析成像技术(ERT)及模型模拟的方法对斜坡内部电阻率与含水量关系进行量化, 并结合surfer软件进行斜坡内部水分二维成像。黄土电阻率与地层物理化学参数相关性分析表明:黄土斜坡中地层含水率是地层电阻率发生变化的主导因素;基于Archie公式的模型拟合结果能更准确地量化电阻率与含水量特征关系;地层水分二维成像结果可以直观地显示斜坡内部水分时空演化。本研究定量化且更直观地对黄土斜坡内部的水分分布特征进行描述, 可为黄土滑坡预报预警提供最直接有效的数据资料。     

土壤侵蚀的中子活化示踪法研究

利用中子活化示踪法研究坡面土壤的侵蚀过程,发现坡面的相对侵蚀量从坡脚到坡顶随坡长的变化符合Weibull分布,其形状参数主要受降雨量、降雨历时和径流深度的影响,尺度参数主要与平均雨强、I₃₀相关.坡面在侵蚀的同时也发生沉积,一般来说短历时高强度的降雨沉积量较小,而长历时低强度的降雨沉积量较大,某一部位侵蚀产沙的沉积量与其距离之间有y=axb的关系.坡面径流直接影响着坡面的输移比,当径流深和径流系数较高时,输移比接近于1,否则输移比降低.     

古尔班通古特沙漠树枝状沙丘土壤水分时空变异特征

认识沙漠土壤水分的时空变异性,是揭示沙漠生态系统生态-水文格局的基础。利用中子土壤水分仪的实测数据,对古尔班通古特沙漠树枝状沙丘土壤水分时空变异进行了系统分析。研究表明:① 沙丘不同部位土壤水分随时间具有一致性变化规律,上层土壤和下层土壤的变化趋势有所不同。0~1 m土层坡顶>坡中>坡脚,1~2 m土层坡脚>坡中>坡顶。② 土壤水分具有明显的季节变化和分层变化特征。春季是古尔班通古特沙漠土壤水分最丰富、变化最迅速的时期;0~40 cm、40~140 cm、140~200 cm土层土壤水分变异系数分别为13.56%、5.35%和0.80%,与不同土层水分来源和消耗以及植物根系分布相对应;不同土层土壤水分的变异强度要大于不同部位土壤水分的变异强度。③ 植被和地形对土壤水分的空间分异作用明显,沙丘坡脚处以及荒漠灌木梭梭根区始终存在土壤水分相对富集区。     

溯源侵蚀引发的拉裂-倾倒型黄土崩塌形成机制

溯源侵蚀是黄土丘陵区最强烈的动力地质作用。常导致沟头后退、坡脚掏蚀,进而引发崩塌灾害。文章通过对研究区崩塌灾害的统计分析,厘定出溯源侵蚀作用引发崩塌的典型类型为拉裂-倾倒型。该类型崩塌具有后壁陡直、粗糙、规模大、分布广、危害范围广,潜在危险性大等特点。分析认为溯源侵蚀引发拉裂-倾倒型崩塌是水力侵蚀和重力侵蚀耦合作用的结果。该类型崩塌的形成,主要是由于斜坡在地表水力侵蚀和重力作用下,坡体内拉应力分布区、剪应力分布区和强烈水力侵蚀区三个区发生了转化,经历了斜坡应力重新分布、拉应力的增大与范围扩大,剪应力状态改变与范围集中、坡顶拉张与孔隙水压力耦合作用下的崩塌体倾倒破坏三个阶段。控制和影响拉裂-倾倒型黄土崩塌稳定性主要因素包括:斜坡几何特征、土体物理力学参数及裂隙中的静水压力。随着土体含水率的上升,坡顶拉张裂缝深度加深,侵蚀凹槽深度加深,崩塌体稳定性逐渐降低。     

新疆伊犁加朗普特黄土滑坡泥石流降雨诱发机理

新疆伊犁谷地黄土广泛分布,黄土滑坡灾害严重,其数量占新疆全区滑坡的80%,其中大型黄土滑坡-泥石流灾害链造成的损失尤为显著。与我国西部典型黄土斜坡相比,伊犁谷地黄土斜坡具有坡体结构复杂和降雨非饱和渗流失稳的特征,黄土滑坡降雨诱发机制复杂。以新源县则克台加朗普特大型滑坡泥石流灾害为例,在建立黄土滑坡坡体结构模型的基础上,基于非饱和渗流理论,计算分析坡体非饱和渗流场变化,研究降雨诱发黄土坡体结构渗流破坏过程与机制,采用渗流-稳定性耦合计算方法,分析非饱和渗透诱发坡体结构失稳过程,揭示新疆伊犁谷地大型黄土滑坡降雨非饱和渗流失稳机理。     

斜坡降雨入渗的改进Mein-Larson模型

土壤初始含水率分布是影响湿润锋下移的重要因素之一.传统的降雨入渗模型仅假定初始含水率均匀分布,并没有考虑非均匀分布的情况.以Mein-Larson降雨入渗模型为基础,假定初始含水率随垂直于坡面方向深度呈线性分布,推导了一种新的滑坡降雨入渗函数,弥补了原模型只能用于初始含水率均匀分布情况下的不足.研究结果表明:初始含水率分布对湿润锋下移有较大影响,在初始含水率呈线性分布的情况下,坡体表面含水率越大,含水率随垂直于坡面方向深度的变化率k值越接近零,湿润锋下渗速度越快,当k=0时,新模型退化为Mein-Larson降雨入渗模型,证明Mein-Larson降雨入渗模型是新模型的一个特例.与有限元法得到的结果对比表明,提出的降雨入渗新模型计算的湿润锋下渗深度与数值解结果相接近,证明了该方法的可靠性.      

基于渗水试验的寨头村黄土边坡土壤含水率变化规律研究

研究包气带含水率的变化特征,对于防治陕西泾阳南部黄土台塬黄土滑坡具有重要意义。通过室外原位渗水试验,测定不同导管处土壤体积含水率和土水势能,实验表明:随着时间推移,包气带土壤含水率最大值所处位置逐渐向下运移,且土壤最大体积含水率减小;黄土包气带深度为1 m时土壤体积含水率达到最大;随深度的增加,含水率变化幅度逐渐变小。     

降雨条件下黄土边坡现场试验研究

黄土边坡的变形破坏多发生于降雨期间,由此也造成了大量的损失。为减小降雨诱发黄土滑坡的影响,开展降雨型滑坡现场实验研究,具有现实意义。本文选取泾阳一天然黄土边坡为研究对象,利用自行设计的模拟降雨系统,设计并进行了3组不同雨强下的大型黄土边坡人工模拟降雨试验,旨在研究不同雨强条件下天然黄土边坡的入渗规律及变形破坏模式。通过对边坡内埋设的土壤水分传感仪、土压力盒和张力计管的读数变化及试验现象进行分析,进而得出降雨条件下大型黄土边坡现场试验的变形破坏规律,总结出该类边坡的水分入渗规律和变形破坏模式。试验结果表明,边坡入渗呈现一定的规律:降雨条件下,坡肩入渗深度和速率最大,坡脚次之,坡面最小;同时,降雨强度越大,雨水入渗速率越快,入渗时间越长,边坡相同位置处体积含水率和土压力增大幅度越大,基质吸力减小的幅度越大。降雨条件下天然黄土边坡的变形破坏模式为:坡肩侵蚀及侵蚀扩展→坡面裂隙形成扩展→坡肩裂隙形成扩展→局部滑塌;若继续降雨,则坡肩局部裂隙逐渐贯通进而形成滑面,最终导致滑坡发生。     

持续强降雨对黄土地区滑坡地质灾害的影响——以延安地区为例

2013年7月,延安市发生了自1945年有气象记录以来,强度最大、持续时日最长且间隔时间最短的强降雨。在此过程中,区内沟壑斜坡发育大量的滑坡地质灾害。通过野外调查和典型重大滑坡地质灾害隐患点工程地质勘查,分析了滑坡体形成原因和影响因素。结果显示:坡度角大于28°、坡体形态为阶梯型和复合型、有第四系坡积黄土堆积的斜坡在持续强降雨作用下产生滑坡地质灾害的概率高,同时当降雨量大于100 mm、土体浸湿深度大于55 cm时,产生坡面泥流灾害的可能性大。因此,黄土地区(延安)新建工程应避免在坡度陡、坡形复杂、坡积黄土较厚的斜坡危害区内选址,在降雨期间应密切监测降雨量,及时撤离疏散易发区内群众。     

基于交叉小波与小波相干的黄土高填方体浅表层水分相关关系研究

探究黄土高填方边坡浅表层水分间的复杂关系是防治坡体浅层水土灾害的基础,本文以延安安塞某黄土高填方体为对象,开展了现场原位长时序监测,并通过交叉小波与小波相干分析方法,研究了坡面效应影响下黄土高填方边坡浅表层水分间的相关关系。结果表明:小波分析方法可用于半定量化研究黄土高填方边坡内外部水分间的相关关系,其优势是可在时域和频域上清晰表现两个时间序列的相关性与变化细节;降雨和边坡浅层土壤水之间存在两个主要的共振时间尺度0.06~1.78d和3.56~28.47d,在两时间尺度段内降雨与浅层土壤水的相关性呈增强趋势,即两者的相关性强弱存在明显时间尺度依赖;土壤水间的相关性强弱和交换转化剧烈程度可用显著相干面积百分比(PASC)表示,边坡不同位置PASC的平均值大小为坡顶(36.39%)＜上坡段(37.6%)＜中坡段(39.17%),坡面提高了垂向土壤水间的交换转化程度;边坡坡面效应的存在不利于降雨向土壤水的转化,但增强了浅表层垂向土壤水间的交换转化。     

预设节理条件下降雨型黄土滑坡模型试验研究

中国黄土高原滑坡灾害频发,且大多与降雨有关,而节理构造是导致黄土滑坡发生的重要因素之一。为进一步揭示节理对黄土滑坡的影响作用,本文以节理为研究切入点,基于实地考察,开展了预设节理工况下降雨诱发滑坡的大型物理模型试验。通过实时监测模型边坡内部土体含水率和孔隙水压力等指标参数随降雨过程的阶段性变化,分析了边坡内部节理裂隙的扩张与演化趋势,以及坡体位移和形变特征,对比揭示了节理的存在对于诱发滑坡的潜在机制及坡体响应规律。试验结果表明:节理对雨水在坡体内部的入渗具有明显的加速和促进作用,预设节理侧的边坡相对于不含节理侧,其土体含水率增速更快、增幅更大且影响范围更广;位于模型边坡中部的节理裂隙的张开度最大,含节理侧坡体的裂隙张开度约为不含节理侧的2倍,滑坡发生时,含节理侧的孔隙水压力的上升幅度相对较大;土体含水率对降雨的敏感度和变化幅度与埋深成反比,坡体浅表部含水率的响应较快且波动较大,而深部则相反。研究结果可为进一步厘清黄土滑坡的成因及破坏机理提供试验依据和理论参考。     

黄土高原南北样带不同土层土壤水分变异与模拟

为掌握黄土高原区域尺度土壤水分的时空分异特征及其影响因素,在黄土高原布设一条南北方向样带（N=86）,动态监测0~5 m剖面土壤含水率。采用经典统计学方法分析了土壤蓄水量的分布规律、变异特征及影响因素。结果表明:不同土层土壤水分均呈中等程度变异,并由南向北递减,样带0~5 m剖面平均土壤蓄水量为735 mm;随着土层深度的增加,土壤水分在空间上的变异增强,而在时间上的变异减弱,表明深层土壤水分具有较强的时间稳定性特征。干燥度、黏粒、归一化植被指数和坡度是影响区域土壤水分空间分布的主要因素,可作为一定置信水平上预测区域土壤水分空间分布状况的预测变量。     

降雨诱发直线型黄土填方边坡失稳模型试验

近年来,随着“治沟造地”和“固沟保塬”等工程在黄土高原的陆续开展,出现了许多直线型黄土填方边坡。降雨是诱发边坡失稳的重要因素,但对降雨诱发直线型黄土填方边坡变形演化特征和破坏模式的研究较少。以直线型黄土填方边坡为研究对象,通过传感器监测、三维激光扫描和人工降雨,开展室内降雨模型试验,记录了降雨入渗下边坡内部水文响应特征和边坡失稳破坏过程,并对湿润锋、土颗粒运移、坡体内部变形响应、裂缝演化特征及破坏模式进行了分析。试验结果表明:随着降雨入渗,湿润锋达到后,体积含水率增加,并在峰值后保持稳定,而基质吸力则减小,到达最低点后保持稳定。冲沟对填方边坡的影响较大,它的发育改变了坡体内含水率特征,同时也是控制边坡整体滑动的边界;边坡变形响应区域主要是以填方边坡前缘堆积区和后缘滑塌区为主;裂缝演化方向由边坡前缘向后缘发展,它的发育为雨水入渗提供优势通道,同时也加剧边坡的变形破坏;降雨形成的水动力驱使坡体中细颗粒从填方边坡后缘向前缘流失,减弱了土体颗粒之间的胶结能力,使其抗剪强度降低,进而使边坡失稳破坏。因此,在降雨入渗下,直线型黄土填方边坡的变形破坏模式为:坡顶冲沟破坏、坡脚软化→局部牵引坍塌、整体失稳→块体分割、流滑破坏。研究结果可为直线型黄土填方边坡的工程建设和滑坡灾害防治提供理论参考。     

强降雨作用下堆积碎石土渗流规律研究

强降雨致堆(残坡)积碎石土渗透特性改变是触发滑坡、泥石流等降雨诱发型灾害的关键因素。为探究降雨入渗诱发滑坡的动态机制, 通过自制一维渗透仪与二维边坡降雨入渗模型, 对水竹湾隧道旁具有级配代表性的碎石土进行强降雨入渗试验, 并通过Seep/w软件进一步分析堆积碎石土湿润锋迁移入渗规律。研究结果表明:一维入渗深度-时间曲线存在阶梯状趋势, 即湿润锋迁移速度首先随表层土含水率的突增迅速增加至最大值, 然后缓慢减小, 最后湿润锋迁移速度略微增大; 湿润锋平均迁移速率随雨强的增大趋近线性增长; 碎石土沉降变形在入渗过程中经历缓慢增长、急剧增大、逐渐停滞3个阶段; 坡顶、坡腰及坡脚处入渗速率与一维入渗速率分别满足指数关系、对数关系及线性关系; 雨水最终入渗深度由大到小依次为坡脚、坡顶、坡腰。     

小降雨事件对土壤水分及植物水势空间差异性的影响

本文以云南省蒙自市断陷盆地高原面上典型封闭式岩溶洼地小流域为研究对象,研究小降雨事件对土壤水分及植物水势的影响。结果表明:（1）在研究区内小降雨事件一般只能补给10 cm以上的土壤,因此在旱季（强降雨事件发生前）,土壤水分随着深度的增加整体呈变小的趋势;受洼地地形影响,整个土壤剖面（0 ~ 80 cm）的土壤水分存在从坡顶到洼地底部逐渐增加,苹果树叶水势逐渐升高的现象;受地质背景的影响,土石质坡地平均土壤水分比石质坡地土壤水分高2.67%,相对应的土石质坡地苹果树受干旱胁迫的程度要低于石质坡地。（2）通过观测对比发现,8天内12次的小降雨事件可以使0~10 cm土壤水分整体上略有升高,但并未能完全改变0~10 cm土壤水分洼地底部大于两侧坡地,而土石质坡地高于石质坡地的特征。（3）小降雨事件虽然只能补给0~10 cm的土壤水分,但由于坡地地区苹果树根系分布较浅（5~30 cm）,部分浅层分布的苹果树根系已能吸收到水分,另一方面小降雨事件具有降温、增湿,减少太阳辐射的作用,可以减小苹果树蒸腾作用,从而降低苹果树叶水势,因此推测小雨事件可以明显减轻苹果树受干旱胁迫的程度      

挡土墙填土边坡水文响应过程分析以赖屋山挡土墙填土边坡为例

深圳赖屋山的一挡墙表面出现数条裂缝,为了深入研究其变形破坏机制,在挡墙背后填土区布置自动监测仪器,主要包括渗压计、张力计与水分计及固定式测斜仪。通过对渗压计、张力计和水分计的监测数据分析表明:填土内地下水位埋深大,降雨对其影响小; 土体中孔隙压力和体积含水量对强降雨响应随着埋深存在不同程度的滞后性,强降雨入渗深度大于3m,并且在3m处形成瞬态饱和地下水,抗剪强度降低,易于引起边坡的浅层变形破坏。 