三峡库区降雨型滑坡入渗特征及变形机制——基于一维和二维模型试验研究

强降雨诱发古滑坡的浅层变形是三峡库区最为严重的地质灾害,因此,探索暴雨作用下滑坡土体的入渗规律及其浅层变形机制具有重要的研究意义。以三峡库区的降雨型滑坡为研究对象,统计了降雨型滑坡土体的渗透特性分布特征,考虑强降雨作用,分别开展一维土柱入渗试验和二维滑坡模型试验,研究了不同降雨强度条件下滑坡土体的入渗特征以及对应的滑坡浅层变形机制。降雨入渗试验结果表明：降雨入渗土体的速度取决于降雨强度与土体渗透系数的相对大小,当降雨强度小于或等于土体渗透系数时,入渗能力随降雨强度增大而增大。当降雨强度大于土体渗透系数时,入渗能力反而随之减小。模型试验结果表明：强降雨入渗时,会造成地表土体暂态饱和,表层土体以下非饱和区内的气体被暂态封闭并受到表层孔隙水压力作用而压缩,导致孔隙气压力随降雨入渗迅速增大。对于三峡库区的降雨型滑坡,短时的暴雨会产生瞬态饱和区。封闭气体,这也是影响强降雨入渗能力的主要原因;同时封闭气体传递水压使得浅层土体的孔隙水压力骤增,这也是许多滑坡发生浅层变形和破坏的主要原因。     

降雨入渗对裂隙岩质边坡稳定性影响分析

既往,降雨入渗对边坡稳定性的影响研究,主要集中在土质边坡,对裂隙发育的岩质边坡在降雨条件下的稳定性研究相对较少。本文以大理海东新城开发某地段的边坡工程为背景,基于有限元软件Midas GTS模拟降雨条件下该边坡的应力场和渗流场的变化,并运用强度折减法,采用数值方法计算出降雨入渗后的边坡稳定性系数,结合孔隙水压力和饱和度的变化分析,综合评价边坡稳定性变化情况。模拟结果发现:在降雨条件下,考虑裂隙发育时的计算结果与宏观观察结果基本一致;裂隙发育的岩质边坡在降雨条件下,降雨通过裂隙渗入到边坡深部,此时边坡的稳定性系数和基质吸力都会显著、迅速降低,从而导致边坡极易发生失稳破坏;在降雨条件下,采用预应力锚索+排水沟+裂隙处理的方案对边坡进行综合处理,稳定性系数从原始的1.25上升到1.58,避免了边坡发生失稳破坏造成的安全隐患。该研究结果将为降雨条件下裂隙岩质边坡的工程治理提供了参考和依据。     

采煤塌陷裂缝对沙蒿吸水来源影响试验研究

采煤塌陷引起的地裂缝不仅造成地质灾害,还会影响矿区植被的生长发育,破坏矿区生态系统。为深入探讨采煤塌陷裂缝对沙蒿吸水来源的定量影响,在神东矿区活鸡兔井田22312工作面选取了受采煤塌陷裂缝影响程度不同的3个试验区进行同位素标记水模拟降水试验。3个试验区根据沙蒿与裂缝的距离不同划分,其采煤塌陷情况分别为未开采区(试验样地内沙蒿距离裂缝大于50 m)、受采煤塌陷影响但无明显裂缝区(简称无明显裂缝区,试验样地内沙蒿距离裂缝大于5 m)以及裂缝区(试验样地内分布有宽度15 cm左右的裂缝通过,且距离沙蒿0~20 cm)。本次试验选择6株沙蒿作为研究对象,划分6个土壤剖面,采用液态水同位素分析仪LGR和Isoprime 100同位素比值质谱仪IRMS分别计算不同土层土壤水和植物样本木质部水的δ18O和δ2H同位素含量,并利用R脚本的MixSIAR贝叶斯混合模型量化降水后不同土层对沙蒿吸水的贡献,探讨土壤水分补给机制和植物水分来源。结果表明:(1) 裂缝区的优先流比例为18.2%;(2) 在未开采区,沙蒿吸收的59.7%的水分来自10~20 cm的土层;(3) 在无裂缝区,沙蒿主要从40~60 cm土层(46.6%)和0~10 cm土层(39.4%)吸水;(4) 在裂缝区,沙蒿吸收的85.9%的水分主要来自40~60 cm的土层。研究结果对揭示采煤塌陷裂缝区土壤水补给机制以及沙蒿吸水模式具有重要意义。      

地震与强降雨作用下堆积体滑坡变形破坏机理及防治方案分析

位于西南山地堆积体滑坡常受到地震和强降雨的双重作用,查明此类滑坡变形破坏机理是地质灾害防治和风险防控的基础。文章的研究对象是鲜水河断裂带附近的炉霍县马居滑坡。研究表明,地震作用对位于斜坡地带堆积体滑坡体结构损伤明显,不但使滑坡整体稳定性下降,还促使坡体内裂隙大量发育,利于降雨入渗,进一步恶化滑坡的水文地质条件。强降雨形成的大规模洪水和泥石流下切坡脚沟道,牵引滑坡体整体向下。长历时强降雨入渗影响坡体稳定性,且在降雨结束后较长时间持续影响坡体稳定性。因此,对此类滑坡防治的对策应考虑坡脚防护和抗滑支挡设置。在对防治方案的有效性分析后,表明防护方案在极端条件下仍然能保障安全性,达防治和风险管控的目的。     

广西凌云县地下水资源量评价

为研究广西凌云县地下水资源状况,在分析区内地质构造、岩溶发育特征、含水介质及水动力条件的基础上,采用降水入渗系数法和枯季径流模数法分别对凌云县地下水天然补给量和可开采资源量进行评价,并对地下水资源空间分布特征进行分析。结果表明: 全区地下水多年平均天然补给量112 619.73万m³/a,其中岩溶地下水多年平均天然补给量69 797.68万m³/a,基岩裂隙水多年平均天然补给量为42 822.05万m³/a,可开采资源量为9 840.37万m³/a。区内岩溶发育较强烈,岩溶形态丰富,岩溶发育在垂向上具有一定分带性,高程跨度大,地下水资源空间分布总体相对较为均匀。研究成果为凌云县地下水资源可持续开发利用提供了科学依据。     

不同类型表层岩溶泉水源划分及对降雨的响应

表层岩溶泉的水文水化学特征是认识岩溶含水介质结构的重要手段。基于泉域水文地质调查,2018年对广西环江木连小流域内降水和泉水流量及电导率进行监测,利用端元模型与电导率频率分布分析方法,解析表层岩溶泉径流来源及对降雨的响应特征。结果表明：（1）年尺度上,受驱替作用排泄的水流分别占季节泉、常流泉总径流的32.3%和23%;(2)次降雨过程季节泉和常流泉径流均以驱替含水层中未联通的“旧水”为主,强降雨条件下存在的雨水稀释现象仅约占3.6%;(3)季节泉在次降雨过程中受多重水流补给且对降雨响应敏感,其中管道流和壤中流分别占23%、34.2%,以基质或岩溶裂隙释放的重力水流仅占10.5%,导致持续供水能力较差;（4）常流泉补给来源单一,次降雨过程中主要受到以基质或岩溶裂隙排泄的重力水补给（77%）,具有较高的有效涵养地下水资源功能及供水可持续性能力。     

地下水机器学习方法研究

随着我国地下水监测工作的高速发展,高频率高密度水位监测数据的出现催生了对其进行深入信息挖掘的需求。在传统地下水模型研究中,地下水水位监测值常位于模型构建过程的下游,当水位监测的时空密度逐渐增大时,新增信息无法有效传导至模型的规划阶段并指导概念模型的修订。文章提出了一种地下水系统补排边界的识别方法,在不建立地下水数值模型的前提下,以监测井空间位置为节点,按照德劳内原则建立三角网格。在此网格系统中,首先定义一个水力梯度变换函数gradF,以求取网格中任意位置的水力梯度;借鉴机器学习领域的优化算法,使用水力梯度场驱动含水层中随机分布质点的运行轨迹,并以此推断和识别区域内地下水补给和排泄边界。在环境地学计算平台EnviFusion-CGS中实现,并构建了详细工作流程。以山东省青岛市大沽河中下游含水层为示范区,对含水系统的补给区和排泄区的空间分布及其动态变化进行了分析,取得了良好效果。本研究为构建和修订已有含水层概念模型提供了新思路。     

降雨形式对毛细阻滞覆盖层防渗性能的影响研究

毛细阻滞覆盖层的防渗性能对于控制渗滤液和减轻垃圾填埋场周边环境的污染具有重要意义,因此得到广泛研究。前人在研究中多采用恒定降雨强度来模拟降雨气象条件,而对降雨形式对毛细阻滞覆盖层防渗性能的影响关注较少。因此,采用自主研发的土柱降雨入渗试验系统,分别对短时强降雨和长时弱降雨两种降雨情况下,降雨形式对毛细阻滞覆盖层防渗性能的影响开展了研究,并揭示了最不利降雨形式。同时,采用SEEP/W软件对各试验工况进行数值模拟,以使模拟结果与试验结果能够相互印证。研究结果表明：试验结果与模拟结果基本一致,最大误差不大于3%;在短时强降雨情况下,降雨形式仅对覆盖层上部的体积含水率和孔隙水压力有较大影响;而在长时弱降雨条件下,降雨形式对整个覆盖层的体积含水率和孔隙水压力均有显著影响;降雨形式对覆盖层突破时间及渗漏量均有影响,前锋型降雨的突破时间最短,产生的渗漏量最大,后锋型降雨的突破时间最长,产生的渗漏量最小;前锋型降雨更易造成覆盖层突破失效而产生较大的渗漏量,为最不利降雨形式。该研究结果可为毛细阻滞覆盖层设计提供参考依据。     

考虑优势流作用的降雨入渗边坡可靠度分析

降雨诱发滑坡是世界上最普遍的地质灾害,而关于降雨入渗对边坡的可靠度分析,优势入渗的影响被长期忽视。使用Comsol Multiphysics对降雨条件下优势入渗做数值求解,利用无限边坡模型计算边坡安全系数;并应用改进Cholesky分解法生成空间相关随机场,使用蒙特卡洛方法分析降雨过程中边坡的可靠度。结合确定性与可靠度计算对比均质入渗与优势入渗在降雨过程中边坡安全性变化：（1）降雨强度较低时,优势入渗安全性较好,而降雨强度较高时,均质入渗更稳定;（2）均质入渗中参数空间变异性是边坡失稳破坏的关键因素,而优势入渗的边坡失稳则由湿润峰快速推进所导致;（3）针对优势入渗模型研究,发现基质域与优势域水力交换强度较大时边坡有更大概率失稳,而较小的水力交换强度可能影响边坡底部的失稳破坏。     

基于原位双环、试坑浸水试验和数值模拟反演的Q3黄土饱和渗透系数对比研究

为准确获取原状Q3黄土的竖向和水平饱和渗透系数,进行了原位、室内试验测试以及数值模拟反演,并应用大型试坑浸水试验检验了所获饱和渗透系数的可靠性。进行了不同内径尺寸的原位双环入渗试验,获取了竖向饱和渗透系数,并应用室内试验测试了竖向和水平饱和渗透系数以及持水曲线;应用COMSOL软件对双环入渗试验进行数值模拟,检验了所测饱和渗透系数的可靠性,利用正交试验获得了最优的竖向和水平饱和渗透系数取值,并利用反演结果对试坑进行数值模拟,将其水分入渗情况与实测值对比。研究结果表明：在现场进行双环入渗试验时选取较大内径的双环获得的竖向饱和渗透系数更为合理。针对双环入渗试验,数值模拟反演所得最优饱和渗透系数在竖向上接近于原位试验所得竖向饱和渗透系数、水平向上接近室内所测水平向饱和渗透系数,竖向饱和渗透系数比水平向饱和渗透系数更加显著地影响水分入渗过程。通过对大型试坑水分入渗情况的验证,检验了反演所得最优饱和渗透系数的可靠性。