大型天然黄土洞穴系统现场冲刷试验

摘 要:通过现场冲刷试验,结合勘探、调查及室内含泥率测定等手段对大型天然黄土洞穴系统的三维空间展布特征、水文特性及侵蚀特征进行了研究。结果表明:黄土洞穴系统侵蚀过程具有明显的期次性;洞穴过水流量过程曲线可分为增加阶段、相对稳定阶段和减小阶段三个特征流量段,其中在第一阶段普遍存在滞流效应,第二阶段具有小幅波动的特性,并发现洞穴内的总渗流损失量随设计注水流量的增大而有所增加;根据含泥率随时间变化曲线,分析了不同流量过程段含泥率的变化特点,通过不同工况的累积侵蚀量对比发现洞穴的侵蚀速率与流量显著正相关。从机理上对产生上述过程、现象及结果的原因进行了合理解释,为黄土潜蚀机理及潜蚀速率的研究提供了可靠的现场试验数据。     

晋西黄土洞穴成因研究

在野外调查、室内实验基础上,对晋西黄土洞穴的成因进行了分析,研究表明:晋西黄土洞穴的形成是多种内外因素综合作用的结果,主要因素包括黄土的土性、微观结构、节理裂隙、地层结构厚度、水文气候、地形地貌等,其中黄土土性和微观结构是黄土洞穴形成的内因,节理裂隙和地层分布状况为洞穴发育提供了空间和物质基础,水成为黄土洞穴形成的源动力,地形地貌则控制着黄土洞穴的分布。     

再论洞穴石笋的沉积速率

通过对滇、黔、湘、桂洞穴石笋大型剖面的综合研究、,以代表性剖面和典型时（笋）段系统测年和沉积速率研究为例,初步认为,石笋沉积速率大小是气候演变、暖气候、冷气候的识别指标之一,沉积速率为10mm／100a以上是冰后（间冰）期温暖气候的沉积,趋于10mm／100a或以下者,是温暖期气候的冷转变,或冷期（阶）的沉积;1mm／100a左右是冰期寒冷气候的沉积,趋于1mm／100a或以上者是冰期寒冷气候的暖转变或间冰期的沉积;沉积速率极小,往往是冷气候显示,甚至是沉积间断,或是气候和地质、灾害事件的突变点。沉积速率具多变性,引用和识别时应避免以单一速率推算长时（笋）段年序和确定气候或地质事件的年代,不宜跨旋回计速,以避免遗漏沉积间断和气候、地质、灾害事件。石笋沉积间断很普遍,特别是寒冷的冰期气候间断更频繁,观测和测年表明,沉积间断时间累计占成笋期的28．92％～76．26％,全新世温暖气候的沉积间断时间累计,只占成笋期的13．80％以上。     

黄土边坡降雨侵蚀特征的物理模拟试验研究

黄土边坡的侵蚀破坏是引起黄土地区公路边坡自然灾害的主要诱因。通过建立室内边坡降雨冲刷物理模型, 进行黄土边坡侵蚀破坏的模拟试验, 再现边坡溅蚀、片蚀、沟蚀、坍塌的基本破坏过程, 并对坡面降雨冲刷的演变过程和侵蚀机理进行了细致的描述和分析。试验表明:在一定的降雨雨强下, 径流TSS(携砂能力)和单位面积侵蚀泥沙量随着试验坡度的增加逐渐增加, 而径流总量、侵蚀干泥沙量随着坡度的增加而相应变小。同时, 黄土边坡侵蚀冲刷过程中的主要侵蚀能力参数如坡面径流总量、汇流干泥沙量、侵蚀干泥沙量等与降雨雨强之间存在相应的关系。     

黄土高原地区黄土洞穴的分类及发育规律

黄土高原地区广泛发育的黄土洞穴既是一种典型的水土流失现象,又是一种新的地质灾害。黄土洞穴具有多种类别,其分布的地域规律具有由黄土高原的西北向东南发育密度呈递减趋势;陇西地区黄土洞穴最发育,陇东地区较发育,陕北局部地区较发育。黄土洞穴在深度上具有表、浅、中、深、超深5个层次;其空间发育明显受地层厚度、土性、地质构造、微地形地貌、水文地质及气候条件等因素所控制。     

晋西公路黄土洞穴的危害及三维数值分析研究

黄土洞穴是晋西黄土高原发育的一种特殊地质灾害。文章在晋西黄土区调查基础上得出,黄土洞穴对公路的危害主要包括对路基路面的破坏、对路堤路堑边坡的破坏及对排水设施的破坏。文章运用三维有限元法分析黄土洞穴在自重环境下对公路路基路面的危害情况及洞穴周围剪应力的变化,得出基于洞穴位置与洞径大小双变量情况下的洞顶临界埋深求解方法,为公路洞穴的有效防治措施提供依据。     

洞穴石笋沉积速率研究中值得注意的几个问题

众多大型石笋纵剖面观测、测年和纹层沉积计率(沉积速率计算)表明,速率差异是石笋沉积特征的重要数据,也是古气候环变化的重要反映,但以往诸多资料不好引用、无从对比。通过筛选石笋的全(正)心纵剖面,沿纹层轴(中)部采样,测年值和计率可信度大,具时空对比意义。为提高精度和分辨率,提倡按石笋沉积特征段,特别是纹层组测年计率。      

陕西关中地区离石黄土崩解速率实验研究

本文以陕西关中地区离石黄土为研究对象,研制土体崩解实验仪器,进行室内小尺寸浸水实验,测定土体崩解过程中的各项参数,以探索该区域的离石黄土的崩解速率特性,为区域内离石黄土边坡失稳的时间预测研究提供参考。实验结果揭示了崩解过程中的一些现象和规律: (1)离石黄土在不同浸水条件下,整个崩解过程可分为从浸水开始-拟定浸水深度时的快速崩解阶段与浸水水位稳定后的趋稳崩解阶段。(2)黄土体崩解速率的大小与浸水深度、接触面关系密切,崩解速率与时间呈折线关系,从浸水开始拟定浸水深度,崩解速率出现峰值之后快速降低到0.21~0.25kgmin-1,直至浸水水位稳定后崩解速率稳定在0.08~0.14kgmin-1。(3)黄土试样浸水范围固定时,随着浸水深度的增加,土样的趋稳崩解速率线性增加,并呈现一定的线性相关性。     

岩石侵蚀速率测算方法研究综述及展望

讨论了目前应用比较广泛的几种测算岩石侵蚀速率的方法,将目前岩石侵蚀速率测算方法分为2类:一类为质量测算法,包括公式计算法、流域水化学监测法、样品称重法;另一类为几何测算法,包括微侵蚀测量仪法、对比计算法和宇宙成因核素法.探讨了各方法的测算原理、优缺点及其适用领域,质量测算法中的公式计算法和流域水化学监测法比较适用于大面积的国土监测工作;样品称重法和3类几何测算法适用于尺度较小的地学研究和文物保护、工程技术等应用领域.最后,总结了岩石侵蚀速率研究者和案例地的地理分布规律,并对岩石侵蚀速率测算研究进行了展望.     

宇宙成因核素~(10)Be揭示的北祁连山侵蚀速率特征

山脉侵蚀速率的大小和时空分布信息是研究山脉构造—气候相互作用和地貌演化的关键切入点,其大小是受气候还是构造控制争论已久。宇宙成因核素10Be方法为从千年至万年尺度上定量研究流域平均侵蚀速率提供了一种先进和快捷的技术手段,为揭示侵蚀速率与现代气候和构造地貌因子的关系并进行相关分析提供了基础。利用该方法对北祁连山近现代侵蚀速率进行了研究。所采集的9个流域现代河沙样品,结合前人数据进行共同分析,结果显示该区侵蚀速率的变化范围为18.7~833 mm/ka,北祁连山中段的侵蚀速率约为323 mm/ka,该区侵蚀速率与降雨量没有明显的对应关系,但与流域平均坡度呈现很好的非线性关系,揭示坡度是该区侵蚀速率的最主要控制因素。通过对比北祁连山地表平均侵蚀速率和该区域的断层垂直滑动速率发现整体上该区域地表侵蚀速率要低于祁连山北缘断层的垂直滑动速率,反映了北祁连山正处于地形抬升和生长的过程之中。     

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。     

树根桩在黄土隧道基底加固中的现场试验研究

当隧道基底处于软弱地层时,基底的承载力通常较难满足结构的受力要求,为保证隧道结构稳定性,提高隧道基底承载力的地基加固设计至关重要。本文针对树根桩具有承载力高、可以在狭小空间内作业并最大限度的减少开挖对隧道洞身地层的扰动等特点,将树根桩应用于隧道软弱基底的地基加固中是一次有意义的探索和尝试。本文结合神朔铁路复线新小则沟隧道的情况,通过风积砂和黄土地段的现场载荷试验,分别比较了不同骨料、不同桩长、不同桩径、不同桩身配筋情况下树根桩单桩承载力的变化规律,经比较得出此类地层条件下单桩承载力的确定方法,从而为黄土地区树根桩的设计提供科学依据,也可为相关工程提供参考。     

Subsidences and erosion in loess soils

The properties of loesses are very peculiar. The formation of loess is stable in the dry state, but under the effect of moisture it could present great subsidence. Sometimes in loess some processes are in progress. Similar to karst formation in the water-soluble rocks, but chiefly connected with mechanical suffosion (loess pseudokarst). In the water saturated condition loess soils are of a lower bearing capacity. Locally the loess is characterized by some self-progressing processes of underflooding by underground waters. Provoked by earthquakes and explosions some thixotropical liquefaction of loess soils may occur. All these processes have drawn the attention of researchers, engineers and agronomists of different countries to loess. In the first part of this paper we consider the collapse deformations and wash-outs of loess (Savvateev 1974), in the second part — pseudokarst processes (Kriger; Lavrusevich; Petrov 1983).     

侵蚀作用诱发黄土滑坡的机制研究

侵蚀作用诱发的黄土滑坡是黄土高原区域内一种主要的滑坡类型,对其破坏机制开展深入研究具有重要实际意义。以陕西省耀州区的庵里滑坡为例,对该类黄土滑坡的发生机制进行分析和探讨,建立了滑坡发生前侵蚀作用的不同阶段边坡的有限元模型,计算了相应的应力场和位移场,在此基础上求得各模型沿最终滑面上的正应力、剪应力和抗剪强度分布,采用极限平衡法计算边坡整体稳定系数。结果表明,随着侵蚀作用的不断加深,沿滑动面上的剪应力增大,抗剪强度减小,整体稳定性降低至最终破坏。试验结果表明,小的应变在饱和黄土中会产生显著的超孔隙水压力,因此,基岩面上饱和滑带中的超孔隙水压力加剧了该类滑坡的发生。比较滑面上的剪应力和抗剪强度发现,自前滑坡破坏从坡脚开始,向后逐步扩展,表明该类滑坡具有牵引式破坏特点。     

黄土边坡暗穴对公路桥梁的致灾机理分析

根据黄土暗穴空间走向的不同,将黄土边坡桥基下伏暗穴对桥梁的危害归纳为倾倒破坏模式和滑塌破坏模式。采用二维有限元方法,对黄土边坡顺沟向桥基下伏暗穴对桥梁的致灾机理进行了数值模拟分析后得出:黄土暗穴引起的桥梁变形以垂直下沉变形为主,水平方向的变形不明显;随着黄土暗穴的发展,其半径由0.2m逐步增大至0.5m、1.0m时,桥梁失稳主要表现为桥基下伏黄土暗穴周围的舌状塑性区沿45°方向放射性扩展,与桥基附近土体塑性破坏区相贯通导致桥梁不均匀沉降并向沟外侧倾倒破坏。同时,通过有限元法进行模拟计算,得出了桥梁安全时顺沟向桥基下伏黄土暗穴的临界埋深与其半径之间关系可用对数函数关系式表示,其相关系数反映拟合关系具有很高的精度。     

喀斯特洞穴旅游研究综述

自20世纪80年代以来,国内外对喀斯特洞穴的研究主要集中在洞穴景观形成机理、洞穴景观旅游价值评价、旅游洞穴类型划分、旅游活动对喀斯特洞穴环境影响、喀斯特洞穴景观保护等方面,并主要取得了几个重要认识: ( 1)喀斯特洞穴的发育以溶蚀作用为基础,但也存在着机械侵蚀、生物侵蚀、空气与气蚀以及各种沉积作用。( 2)按照洞穴成因,洞穴可分为渗流带洞穴、地下水位洞穴、潜流带洞穴和深潜流带洞穴,以及一些特殊成因的洞穴。( 3)对喀斯特洞穴旅游价值的评价可采用定性与定量相结合的方法进行,定性评价考虑的主要因素有区位、知名度、规模、景观的丰度、价值和功能、容量等; 定量评价则多采用层次分析法和模糊数学模型。( 4)旅游活动对洞内环境有很大的影响,洞穴温度、CO2 含量与客流量呈正相关关系; 灯光植物滋生主要源自洞穴灯光照明、游客带进的孢子及细菌。( 5)实行游客分批进入制,将有利于保护洞穴环境和保育洞穴景观。( 6)实行区域旅游组合开发、增加喀斯特洞穴型旅游目的地的旅游产品、加大景区保护力度与市场营销力度、加强从业人员培训等,可延长喀斯特洞穴旅游地的生命周期。已有研究大多从地学和旅游学的角度入手,且偏重于开发和评价方面。今后,应加强现代技术在洞穴旅游开发中的应用、洞穴旅游的管理、洞穴医疗旅游、洞穴旅游环境容量量测、洞穴旅游形象塑造和洞穴旅游开发时序等方面的研究。      

浅埋黄土隧道三层支护结构力学特性现场测试

为研究浅埋黄土隧道锚喷初支+初衬+二衬构成的3层支护体系力学特性,以某黄土隧道为依托,采用钢弦式传感器对围岩压力、初衬与二衬接触压力、二衬钢筋轴力、二衬混凝土应变、钢拱架应力等进行了系统测试与分析。结果表明：(1) 作用在左拱腰处的围岩压力较大,且稳定值为240 kPa;(2) 浅埋段按不同围岩压力计算公式得到压力值均大于围岩压力实测值,其中采用太沙基公式得到的压力值与实测值相对接近;(3) 该黄土隧道二衬全部受压,其分布形态呈明显的猫耳形,初支、初衬、二衬承受的荷载比例分别为51.34%、37.29%、11.38%;(4) 钢拱架整体以受压为主,在拱顶和拱腰处受力较大,接近屈服状态;(5) 初支发挥了一定的围岩自承能力,其与初衬共同承担了大部分围岩荷载,二衬主要为结构安全储备。     

雨滴溅蚀下压实黄土变形破坏规律研究

针对工程建设中存在的裸露黄土路堤边坡水土流失现象,为进一步研究降雨条件下雨滴击溅对路堤边坡的破坏作用,本文通过室内模拟单雨滴溅蚀试验,观测试件表面溅蚀坑深度随时间的变化情况,分析不同地表压实度和雨滴击溅速率两种因素作用下压实黄土的溅蚀破坏规律。在此基础上,研究了压实度、含水率对黄土耐溅蚀性的影响,分析了降雨强度与土体溅蚀破坏的关系。结果表明:当溅蚀坑内存在薄层积水时,短历时降雨易使土体发生表层破坏;反之,容易产生二次溅蚀,二次溅蚀易造成黄土路堤边坡的深层破坏。     

湿陷性黄土试验方法探讨

对湿陷性黄土试验方法进行了探讨，分析了现行试验方法的不足，提出了改进办法。     

陕北黄土丘陵区威胁窑洞民居的地质灾害问题—以陕西延安地区为例

窑洞是陕北黄土丘陵区民居的一种主要形式。在介绍区内窑洞的类型、分布的基础上,阐述了滑坡、崩塌、塌窑、窑洞透水等主要窑洞民居地质灾害的发育特征。从沟谷发育期、斜坡结构类型、地形特征等方面分析了窑洞灾害形成的主要原因,认为黄土的工程地质特性是灾害发育的物质基础,人类工程活动和降雨是灾害形成的主要诱发因素。最后从窑洞的选址、斜坡的设计、窑洞的防水等几个方面提出了灾害的防治措施。