ODP第150航次科研报告——新泽西大陆坡和隆起

间歇10年之后．大洋钻探计划(ODP)第150航次返回到新泽西近海以评价全球海平面变化对被动大陆边缘碎屑沉积物的影响．通过深海钻探计划(DSDP)第93和95航次的初步努力，以及诸多石油公司的研究，为第150航次对新泽西陆缘的重点研究和相关钻探铺平了道路。     

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.      

考虑降雨入渗参数空间变异性的浅层滑坡时效风险分析

降雨条件下边坡所处的滑坡风险状态与土体参数空间分布密切相关,为高效评估降雨诱发滑坡所处的风险等级,应用Python计算平台进行编码,采用修正Green-Ampt入渗模型推导出无限长边坡（infinite slope）的极限状态函数,结合岩土参数随机场理论及一阶可靠度分析方法,得到了降雨诱发滑坡的概率分析结果,并建立了算例边坡的易损性曲线。研究结果表明：相比于传统的边坡稳定性定值分析方法,可靠度分析结果可以较为全面地反映边坡在不同降雨强度以及降雨持时条件下所处的风险状态;当降雨强度超过一定等级后,在相同的降雨持时条件下其强度大小对边坡失效概率的影响不大;在特定研究区域内,当降雨强度已知时,可以通过易损性明确边坡在容许风险等级下的失效时间,为滑坡防控领域的防灾减灾工作提供重要参考。     

河水入渗过程中近岸带地下水中砷的形成与影响因素研究

沈阳黄家水源地是我国北方地区典型的傍河地下水水源地,近岸带地下水中铁(Fe)、锰(Mn)、砷(As)含量严重超标。为查明地下水中As的来源与影响因素,对研究区河水、地下水以及土壤样品进行采集与测试,分析了水样常规指标与碳硫稳定同位素、土样中典型矿物、砷的含量及赋存形态。结果表明,研究区河水中As含量很低,而地下水中As含量普遍超标。河水入渗初期,氧化性河水使部分含As矿物发生氧化而释放As;随着河水入渗,地下水向还原环境转变,含As的Fe/Mn矿物发生还原性溶解,地下水中As含量逐渐升高。研究区典型矿物有黄铁矿、菱铁矿、软锰矿、赤铁矿、针铁矿、菱锰矿等,通过可交换态砷解吸、有机质结合态砷氧化、铁锰氧化物结合态砷还原性溶解等,介质中的As释放至地下水中。地下水中As含量与酸碱度(pH)、氧化还原电位(Eh)呈一定负相关,与溶解有机碳(DOC)、 {\mathrm{HCO}}_3^{-}、Fe、Mn含量呈正相关。     

降雨入渗条件下预应力锚索加固边坡稳定性分析

根据目前边坡失稳案例统计,导致边坡失稳破坏的原因多为降雨入渗,目前大多学者对自然边坡在降雨入渗条件下的失稳机理做了大量研究,但是对于不同降雨入渗条件下边坡加固结构及其稳定性是如何随降雨强度的变化而发生改变的研究却较少。以云南昆明某边坡为研究对象,考虑土体饱和-非饱和渗流理论及非饱和强度理论,通过有限元软件MIDAS-GTS分析研究降雨动态过程中边坡加固结构内力的变化规律及边坡的稳定性变化规律。研究发现:①当降雨时长一定时,降雨强度越大,非饱和区越小,负孔隙水压力降低越明显,安全系数越差;②随着降雨入渗的进行,边坡下滑力增大,抗滑力逐渐变小;③降雨入渗对原始边坡的稳定性影响较大,但是对加固后边坡的稳定性影响相对较小;④预应力锚索轴力随着降雨时长增大而增大,当降雨时长一定时,锚索轴力随降雨强度增大而增大。     

氢氧同位素在地下水流系统的重分布：从高程效应到深度效应

大气降水的氢氧同位素含量具有高程效应,降水入渗后参与地下水循环,其高程效应如何受地下水流系统的影响转化为地下水氢氧同位素的深度效应？现有研究对于这个问题缺少定量认识。文章构建单向倾斜盆地和双峰波状盆地的稳态地下水循环理论模型,采用MODFLOW模拟剖面二维地下水流场、采用MT3DMS模拟重同位素分子的对流-弥散过程,得到地下水D和¹⁸O含量的空间分布,探讨了氢氧同位素高程效应在地下水流系统转化为深度效应的机理。结果表明：在单斜盆地,补给区大气降水D和¹⁸O含量的高程效应转化为排泄区地下水δD和δ¹⁸O值随埋深增大而指数型衰减的深度效应;在双峰波状盆地,当含水层渗透性相对入渗强度较大时(K₀/w=1 000),仅发育一个区域地下水流系统,在区域地下水的排泄区δD和δ¹⁸O随埋深增大呈现S形曲线分布;当含水层渗透性相对入渗强度较小时(K0/w=250),双峰波状盆地发育多个局部地下水流系统,区域地下水的排泄区δD和δ¹⁸O随埋深增大呈现S形曲线,而局部地下水排...     

物质组成特征对碎石土斜坡变形破坏影响研究

为研究物质组成空间分布特征对降雨下碎石土斜坡变形破坏的影响,以不同成因碎石土斜坡的特点为依照,进行了4种物质组成空间分布的碎石土斜坡模型及1种均质斜坡模型试验。结果表明,物质组成空间分布特征对降雨下碎石土斜坡变形破坏所发挥的作用与降雨入渗方向和应力调整方向有重要关系。当土料变化方向与入渗方向大角度相交且与应力调整方向相同时,斜坡渗透性为土料各自的渗透性,斜坡力学性质偏向于组成土料力学性质的最大值。当土料变化方向与入渗方向相同且与应力调整方向大角度相交时,斜坡渗透性接近组成土料渗透性的最小值,斜坡变形破坏受控于其中的软弱土料。降雨下斜坡各处均发生变形,且变形向周围调整并产生影响。破裂面更易发于软弱土料中。该研究有助于斜坡灾害勘察、预测评价及防治向精细化方向发展。     

间歇循环荷载作用下饱和砂土累积塑性变形及孔压特性研究

长期列车荷载作用会引起砂土地基和填料的强度衰减、累积沉降过大甚至沉陷等病害问题,严重者危及行车安全。揭示病害机制需探明间歇荷载作用下饱和砂土累积塑性变形及孔压特性。对此开展了不同围压、动力幅值下连续加载与间歇加载的动三轴试验,试验结果表明：（1）饱和砂土累积塑性变形-振次曲线呈现锯齿状发展。间歇效应导致卸荷回弹,并显著降低了后加载阶段砂土累积塑性变形,可使连续加载条件下的破坏型“转换”为稳定型。（2）对于塑性安定和塑性蠕变型,孔压-振次关系曲线呈台阶状,第1加载阶段的孔压随振次迅速累积增长,而间歇阶段排水,孔压消散接近或降至0,土体趋密实;在后续加载阶段,孔压累积幅值大幅降低。对于增量破坏型,孔压在第1加载阶段快速增大,试样破坏。（3）建立了表征间歇加载下砂土累积塑性应变两阶段发展特征的预测模型,预测效果良好。（4）间歇效应提高了砂土抵抗塑性变形的能力,连续加载会高估砂土累积塑性应变和低估其动强度。该研究结果对深刻认识间歇循环荷载下饱和砂土的累积变形特性和机制具有重要参考价值。     

基于事件的非周期间歇牵制控制线性复杂网络的同步分析

本文将事件激发和非周期间歇牵制控制进行有机结合,分析了一般线性复杂网络的全局同步问题.通过设计事件激发条件和受控节点选择规则,使受牵制控制节点集在满足一定条件下实现更新,从而不仅极大提高网络实现同步的效率,而且避免现有研究中受控节点集随机选取导致保守性.构造简单的Lyapunov函数,应用稳定性理论和微分不等式,经过严格的数学理论分析得到了使该网络达到渐近指数同步的充分条件,同时也证明了受牵制节点集不可能在有限时间内进行无限次快速切换.     

青藏高原多年冻土区活动层土壤入渗特征及机理分析

青藏高原多年冻土区活动层土壤的入渗规律研究是高寒区土壤水循环过程研究的主要内容。以青藏高原多年冻土区高寒沼泽草甸、高寒草甸和高寒草原的活动层土壤为研究对象,裸地为参照对象,分析了不同植被类型土壤的入渗规律及其主要影响因子。结果表明：不同植被类型土壤的入渗能力排序为高寒草原>裸地>高寒草甸>高寒沼泽草甸。高寒草甸土壤中致密的根系对土壤水分的运移具有强烈的阻滞作用,降低了土壤的入渗性能,而高寒草原土壤层根系较为稀疏,对土壤入渗的阻滞作用较弱,土壤水分向深层的渗漏速率较大。通过对比4种土壤入渗模型的模拟结果,发现Horton模型更适用于描述高寒草地土壤水分的入渗过程。另外,不同入渗模型对裸地入渗过程的模拟均优于其他植被类型草地,说明植被类型及植物的生长状况影响土壤入渗过程的模拟效果。全球变暖条件下,多年冻土区土壤入渗研究将为青藏高原多年冻土区陆地水文过程模型提供参数支持,为未来水资源变化研究提供基础数据。