赣南地区人工切坡降雨致灾机制现场模型试验

赣南地区滑坡等地质灾害频发,降雨和人工切坡是该地区地质灾害的最主要诱发因素,物理模型试验尤其是现场模型试验是揭示滑坡发生机制的最有效手段。以赣南地区某风化变质岩人工切坡为研究对象,自主设计降雨模拟系统,布设有4个含水率、孔压监测孔及两处位移监测点,开展现场人工模拟降雨试验。研究边坡土体含水率、孔隙水压力以及位移与降雨过程的响应关系,探索持续强降雨作用下风化变质岩边坡的入渗规律,并揭示变质岩风化土坡的变形失稳模式。结果表明:降雨后土体含水率的变化存在滞后,雨水开始入渗后含水率持续增加,含水率增大幅度随其深度增大而减小;各测孔浅层土体孔压值降雨入渗过程响应明显,表层1 m以下土体一直处于非饱和状态;监测点位移与含水率变化速率呈明显的正相关,边坡变形主要集中于含水率变化明显的边坡一侧;边坡位移与孔压值变化响应明显,边坡内部土体发生剪胀变形现象使得孔压值降低,边坡变形速率随即减小;强降雨条件下陡峭人工切坡的变形破坏过程可归纳为3阶段:陡峭坡面分散坍滑,平台形成拉裂缝,边坡大范围垮塌。     

地下水浅埋条件下毛乌素沙地农田土壤水分动态特征

为揭示毛乌素沙地春玉米农田在地下水浅埋条件下土壤水分动态特征,本文进行了多年春玉米生长期内农田土壤含水率与地下水埋深监测.监测结果表明:毛乌素沙地种植区浅层土壤含水率随深度增加而变小,深层土壤含水率随深度增加而变大,在枯水年浅层和深层的分界线为50 cm;浅层土壤含水率变化主要受降雨、蒸发、灌溉等外界因素影响,含水率波...     

黄土路堑边坡土体水热变化特征现场监测研究

基于现场监测资料,对黄土路堑边坡坡面下土体水热变化规律进行分析研究.结果表明,左边坡坡面下土体温度高于右边坡,左边坡冻结期和冻结深度小于右边坡;右边坡含水率变化深度大于左边坡,水分在边坡5 cm以上浅层土体中迁移速度基本相同,在边坡坡面25 cm以下土体渗透性差异较大,左边坡迁移速度低于右坡;冬季左边坡坡面下浅层土体和右边坡观测范围内地温低于0℃,右边坡坡面25 cm以上对应的含水率为零,而左边坡浅层土体和右边坡25 cm以下土体含水率并不为零;干湿循环和冻融循环在左右边坡土体中的显著程度和影响深度不同.     

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。     

基于高密度电法的天然边坡水分运移规律研究

地下水是滑坡变形与失稳的重要影响因子,目前关于天然边坡水分运移过程的研究多借助传感器监测或数值模拟,但尚不能充分满足无扰、快捷的测量要求。针对该类问题,以天然边坡为研究对象,利用高密度电法结合时域反射技术,通过测量边坡土体含水率与电阻率,构建两者的对应关系,据此反演并分析边坡介质地下水的分布特征及迁移规律,验证高密度电法技术在探究天然边坡水分运移规律的有效性。现场试验结果显示:研究边坡土体含水率与电阻率呈明显对数关系;该边坡有效入渗或蒸发深度为2 m,大于该深度范围内,边坡土体含水率随深度增加逐渐减小;中雨强度下埋深为1.3~2.0 m范围内土体含水率激增的主要原因在于后缘裂缝的优势流补给;边坡高含水率(低电阻区)与低含水率(高电阻区)过渡区与后期滑坡滑动面位置高度吻合。     

浅层地下水氮污染的影响因素分析--以松嫩盆地松花江北部高平原为例

研究区浅层地下水中的NO-3质量浓度在时间分布上与降雨(包括降雨期、降雨量)和施肥(包括施肥期、施肥量)存在较大的相关性.同一年内9月份(丰水期末)浅层地下水中NO-3质量浓度大于5月份(枯水期末)的质量浓度.年际间总体变化趋势随年降雨量的变化而变化.在空间分布上主要受地下水水位埋深、水力坡度、含水层岩性及厚度的影响,水位埋深越大、含水层渗透性越强、水力坡度越小,浅层地下水中NO-3质量浓度增高的趋势越明显.为验证上述定性分析所得结论的可靠性,采用因子分析法对上述时空变量进行了定量评价.结果表明,研究区浅层地下水中的氮污染主要是上述时空变量共同影响的结果,其中降雨和水位埋深对其影响程度相对较大.     

黄土边坡降雨入渗规律及其对稳定性的影响

降雨是诱发土质边坡失稳的主导因素之一,研究降雨入渗对土质边坡稳定性的影响有着重要意义。以陕西富平地区某黄土边坡为例,结合野外现场试验和数值模拟,研究了降雨入渗规律和其对稳定性的影响。研究结果表明,降雨入渗的影响范围在边坡浅层,深度为2~2.5 m。土体的抗剪强度参数受含水率影响较大,在雨水入渗条件下,边坡表层的孔隙水压力变化较大,孔隙水压力的变化区域指示着湿润锋的位置。最大剪应力的应力集中区域为湿润锋区域以及各级边坡坡脚处,降雨后边坡稳定性系数比降雨前降低了12%,显示降雨对边坡的稳定性影响较大。     

非饱和黄土边坡水热变化过程室内模型试验研究

针对黄土边坡在降雨条件下易发生浅层滑塌失稳破坏问题,探讨降雨入渗及日照蒸发条件下非饱和黄土边坡内水热变化过程。利用填筑室内黄土边坡模型,通过控制降雨–日照循环条件,对黄土边坡模型中温度、水分及坡面位移进行监测,结果表明,非饱和黄土边坡模型在外界降雨–日照条件下其内部温度及含水率的影响范围在30~40 cm之间,其影响深度是有限的,说明通常在降雨入渗作用下黄土边坡失稳破坏的深度有限,多为浅层滑塌破坏;边坡模型的表面位移随着降雨日照条件变化而发生轻微膨胀或收缩。     

降雨入渗条件下土质边坡含水率分布与浅层稳定性研究

设计一种可以测量土体体积含水率的降雨入渗试验模型,通过试验得到土体初始含水率分布状态以及降雨入渗条件下土体含水率变化规律。在此基础之上,结合非饱和土抗剪强度理论与极限平衡理论,得到降雨入渗条件下土质边坡浅层稳定性计算方法。对杭新景高速公路七里连接线工程沿线土质边坡稳定性进行分析,具体结论如下：（1）可采用含水率分布参数A、修正系数α、β表征的反比例函数表示自然状态下土体的初始含水率分布规律。（2）含水率分布参数对边坡稳定性影响表现为随着A值的增大,边坡初始稳定性逐渐下降,边坡受降雨影响的敏感程度也随之下降。（3）降雨强度相同时,初始表面含水率越大引起边坡失稳所需的降雨时间越短;降雨时间相同时,初始表面含水率越大引起边坡失稳所需的降雨强度越小。（4）在相同地下水位条件下,边坡降雨强度与导致边坡失稳所需的降雨时间成反比。     

黄土中水分迁移规律现场试验研究

黄土地区降雨诱发滑坡是不争的事实,但黄土地区地下水位很深,降雨入渗地面后如何运移,与地下水有无直接联系,目前还不是很清楚。为此设计了人工滴水试验模拟天然降雨条件,通过在一深度为10 m的探井井壁上埋设土壤水分计,观测人工滴水入渗过程中不同深度土体含水率随时间的变化情况,以确定其入渗影响深度。监测结果显示：降雨量为3.82 mm/d (小雨)时,0.5 m内土体含水率变化明显,0.5 m以下土层含水率几乎没有变化;降雨量为10.31 mm/d(中雨)时,1 m内土体含水率有所增加;降雨量达25.21 mm/d(大雨)时,1 m内土体含水率增长明显,1.0～1.6 m范围内有微弱增长;随着深度增加,土体含水率变化逐渐滞后,增幅逐渐减小。这说明在干旱的黄土地区,若无明显入水通道,短期内降雨的入渗深度有限,很难到达地下水位;但深部古土壤层的观测结果表明,即使在其上部黄土中含水率变化极其微弱的情况下,古土壤中的含水率上升明显,表明黄土中非饱和渗流或水汽迁移是存在的。通过试验还表明,陇东黄土高原地区土壤中水分循环主要发生在浅层0.7 m以内的蒸发带。降雨入渗到蒸发带以内,若无后续降雨补给,则向上蒸发排泄;若入渗至蒸发带以下,则不受蒸发影响,得以继续向下迁移;当遇到不透水面时,会在层面附近富集,有限元模拟也较好地反映了这一规律。     

河西寒旱区盐渍土地层温湿度变化模式

盐渍土病害的发生与发展在很大程度上取决于土体内水、热变化状况。笔者以甘肃酒泉瓜州地区戈壁盐渍土为原型,利用硅半导体温度测量方式和时域反射技术（TDR）实时监测了盐渍土地层温度和湿度变化情况,分析了河西寒旱区盐渍土地层温湿度的变化模式。结果表明：研究区地层温度的日变化和年变化分别表现为一定周期的正弦曲线,地表处温度变化最剧烈;随深度增加温度变化幅度呈指数衰减,对环境气温的滞后效应也明显增加,日温度变化影响深度为40~50 cm,年温度变化影响深度为500~600 cm。因强烈的蒸降比和较深的地下水位,研究区地层基本无外界水分补充或损耗,地层湿度在一定时期内基本不发生明显变化,仅降水时期在浅表部有所波动。分析表明,研究区浅部100~150 cm深度范围内温度变化较大的地层中存在发生盐渍土病害的可能性,这也在很大程度上取决于地层的湿度情况,因此工程建设中应做好浅表层的防排水措施。     

土体-大气相互作用下土质边坡稳定性研究

土体-大气相互作用是指在多种气象要素共同驱动下,地表浅层土体与大气之间进行物质交换与能量传递的复杂过程.受全球气候变化影响,近年来极端气候事件频发.土体的工程性质在日益严峻的气候环境下发生剧烈变化,产生了大量滑坡灾害,给岩土和地质工程领域带来许多新挑战.系统总结了降雨、气温、空气湿度、风以及太阳辐射5个主要气象要素影响边坡稳定性的机制,分析了土体龟裂、地表植被和土体-大气相互作用之间的关联效应.通过介绍各因素在改变边坡稳定性过程中发挥的作用,构建了一个包括气象要素、土体龟裂以及地表植被的土体-大气相互作用分析体系.该体系为今后土体-大气相互作用下土质边坡稳定性研究确定了关键研究问题,所揭示的作用机理可为今后同类研究提供参考.针对该课题的研究现状,笔者提出了今后的研究方向和重点,包括土体-植被-大气相互作用的理论模型、气候作用下冻土坡体失稳机理、极端气候工程地质作用的生态调控措施三个方面.      

岩溶关键带土壤—洞穴系统CO2运移的时空变化——以河南鸡冠洞为例

为了了解豫西鸡冠洞岩溶区不同尺度下水-土-气的中CO2的变化特征,探究CO2在岩溶关键带系统的运移关系,2019年5月至2020年10月,利用固态传感器对河南鸡冠洞上覆土壤取样点进行高时间分辨率监测,每隔15 min采集一次数据。结合每月采集洞内空气CO2浓度数据、每月测定洞穴水水化学指标数据及每月监测的降水、气温数据进行全面系统地分析。结果表明:①土壤CO2浓度、洞内空气CO2浓度和洞穴水水化学指标具有明显的季节性变化特征,均表现为夏秋高冬春低;②土壤CO2浓度在昼夜尺度下,白天高于夜晚,夏季的昼夜差值最大,冬季的昼夜差值最小,且昼夜变化滞后气温、土温变化约6 h;③洞内CO2浓度变化、洞穴水离子浓度和水化学指标在昼夜变化上具有同步性;④强降雨条件下（单场降雨量为42.2mm）,土壤水分和土壤温度能及时响应降雨变化,而土壤CO2浓度对降雨的响应滞后2 h。洞穴水、洞穴CO2浓度对降雨的响应与土壤CO2具有相似性;⑤基于月均值的土壤CO2浓度与土壤温度、土壤湿度的相关系数分别为0.67、0.031。垂直方向上,CO2浓度变化依次为土壤>洞穴>空气。昼夜尺度上,土壤CO2浓度变化滞后于气温、土壤温度变化,其原因是受上覆植被光合作用强度影响。CO2在洞穴水运移中以脱气沉积为主,补给洞内空气CO2浓度。在强降雨过程中,土壤CO2浓度变化受控土壤的温度和湿度;而在更长时间尺度上,土壤CO2浓度变化更多地受土壤温度影响,土壤湿度对其影响较小。      

土坡失稳的有效降雨量研究

降雨易引起花岗岩残积土边坡失稳。在分析降雨对边坡土体含水率影响的基础上,通过饱和度和含水率的关系推求出土体从非饱和过渡到饱和的有效降雨量。结果表明：对土质边坡,并非所有的降雨都会引起边坡的失稳,降雨入渗使边坡土体从非饱和向饱和状态发展,当边坡土体饱和度达到一定程度的时候易产生边坡失稳;土坡存在饱和区和非饱和区的临界深度,降雨对边坡的影响即为使得该深度以上的土体从非饱和过渡到饱和的过程,须采取不同的抗剪强度来计算处于临界深度上下两部分土体的稳定状态。研究结果对确定土坡失稳的降雨量阀值、进一步认识滑坡失稳机制,对滑坡的预测预报具有理论及实际意义。     

Incorporating hydro-mechanical coupling in an analysis of the effects of rainfall patterns on unsaturated soil slope stability

Rainfall-induced landslides can cause loss of life and damage to property, infrastructure, and the environment. Rainfall patterns affect the pore-water pressure of unsaturated soil slopes, and are related to the slopes’ stability. Four rainfall patterns were chosen to represent natural rainfall patterns for an examination of rainfall infiltration into soil slopes using numerical models incorporating coupled water infiltration and deformation in unsaturated soils. Our analysis showed that rainfall patterns play a significant role in the distribution of the pore-water pressure in soil slopes, and influence the slope stability. The pore-water pressure profile of soil slopes and the factor of safety are affected by the ratio of rainfall intensity and the coefficient of permeability. The depth and shape of the shallow sliding plane of the landslide is closely related to the rainfall pattern; moreover, the results showed a correlation between the factor of safety of the slope and the rainfall intensity. This relationship can be described by a dimensionless rainfall intensity. The nonlinear relationship can be used to estimate the slope stability resulting from rainfall infiltration when the hydro-mechanical coupling in unsaturated soil slopes is considered.     

基于原位监测的浅层黄土斜坡水分运移规律分析

降雨诱发的浅层黄土滑坡是黄土高原重要的地质灾害类型之一.斜坡水分空间分布和变化趋势是导致斜坡失稳的重要因素,但基于此的剖面监测数据较少.依托延安黄土地质灾害野外观测基地,选择典型黄土斜坡,在坡面布设两条5m深的水分探测纵剖面,观测在降雨过程中斜坡水分的空间特征.监测结果显示:1)降雨引起的土壤含水率变化深度有限,与降雨...     

Distribution Characteristics of Formed Region of Condensate in Slope Fractured Rock Mass

Taking a high and steep rocky slope in Jixianguan, Anqing city as the research object, combining with the temperature and relative humidity monitoring data within a depth of 4 m in the spring, summer, autumn and winter of the fractured rock mass, we divided the formed region of condensed water by studying the water vapor and heat migration in the fractured rock mass and the changing characteristics of supersaturated frequency of relative humidity. The results showed that the frequency of water vapor supersaturation in fractured rock increased gradually along its migration direction. In summer, from shallow to deep, the fractured rock mass is in the order of water vapor unsaturated zone, near-saturated zone and supersaturated zone and condensate is mainly formed in the deep; in autumn and winter, from shallow to deep, there are unsaturated zones of water vapor, supersaturated zone, near-saturated zone and unsaturated zone and condensate is mainly formed in the shallow part; in spring, the water vapor undersaturated zone, near-saturated zone and supersaturated zone are in order and the distribution range of condensate formed region is large.     

峰丛洼地表层岩溶动力系统季节变化规律

峰丛洼地表层岩溶动力系统与土壤CO₂密切相关.土壤CO₂体积分数变化受气温和降雨影响, 其季节变化特征表现为: 冬季的波谷、夏季的波峰交替出现, 秋季出现次波谷和次波峰.受降雨影响, 表层岩溶动力系统运行强度春、夏季较强, 秋、冬季较弱.从冬至夏, 在土壤CO₂逐渐增多时, 系统溶解、转移碳的能力也逐渐增强.在土壤CO₂和温度双重支配下, 系统由冬季的沉积趋势转为春、夏季的溶解趋势.      

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。     

开放洞穴环境变化特征及其影响因素:以桂林凉风洞为例

通过对桂林凉风洞洞穴内、外温湿度、pCO2进行连续高频监测,发现洞穴温度受大气度温影响呈现出季节性变化规律。由于受到洞穴结构的阻隔作用影响,洞穴由外向里的温度变化幅度逐渐变小,并且响应的时间存在季节性差异。监测数据表明:洞穴内部温度的季节性变化幅度明显低于洞外气温变化幅度。比较洞内、外温度的时间序列发现,在季节尺度上洞穴温度升温阶段滞后时间长（与外部通风的气温流动交换慢）,降温阶段滞后时间短（与外部通风的气温流动交换快,呈现突变特征）,这可能与不同季节洞穴内部结构的“缓冲作用”的强弱变化有关。该洞穴空气中pCO2存在明显的夏季高、冬季低的季节性变化特征。并且外界大气环境季节性变化和洞穴上覆动植物的季节性活动,使得洞穴pCO2主控因素也存在季节性差异。