降雨入渗-地表径流下延安卸荷黄土边坡侵蚀演化特征

明确卸荷黄土边坡降雨侵蚀规律对地质灾害防治和流域生态治理具有重要意义。以延安卸荷黄土边坡降雨侵蚀灾害为研究背景,利用自行开发的降雨入渗-地表径流黄土边坡试验平台,研究降雨强度、降雨历时对卸荷黄土边坡入渗量、径流量、土壤流失量以及坡体含水率的影响,揭示降雨作用下卸荷黄土边坡侵蚀演化规律。研究结果表明：1）降雨初期坡面雨水以入渗为主,入渗量约为地表径流量的2～8倍;随着降雨历时增加,地表径流量呈增加趋势,雨水入渗量呈减少趋势;短历时强降雨条件下地表径流量小于入渗量,而持续强降雨条件下地表径流量大于入渗量。2）坡面侵蚀产沙量与降雨强度呈正相关关系,持续强降雨条件下的土壤流失量约为短历时强降雨的10.81倍。3）地表土体含水率随降雨次数增加呈现快速增长到缓慢增长再到平稳状态的发展过程,随降雨强度降低呈减小趋势;相同雨强下,持续强降雨下的地表土体含水率较短历时强降雨增长了9.62%;坡面中、底部浅层土体含水率增长速率高于坡面顶部。4）持续强降雨下边坡侵蚀灾变演化过程为雨水入渗→浅表层土体增湿→坡面密集溅蚀坑→地表径流→浅、细、短的侵蚀沟槽→深、宽、长的侵蚀沟槽→坡体浅层滑塌,坡面侵蚀破坏范围表现...     

人工降雨条件下坡积层斜坡入渗与地表径流监测

利用人工降雨模拟器模拟了不同历时、不同强度的降雨,对坡积层滑坡体内部的孔隙水压力、土体含水量、地下水位和斜坡表层的地表径流进行长时间序列监测,分析了近饱和坡积层斜坡入渗与地表径流的规律,揭示了监测指标对土体的变形和破坏可能的影响机制.     

泥石流启动的临界地表径流深度研究

暴雨过程形成的地表径流导致坡体表面和前缘松散物质向下输移,汇入沟道,演变成危害性较大的泥石流,因此,对于泥石流的启动机理和启动临界条件的研究十分必要.根据下渗曲线法,得出了地表径流深度、入渗率以及降雨强度的关系,并运用牛顿定律、水文学以及土力学等理论,建立了泥石流单颗粒启动、局部启动和整体启动的临界地表径流深度的求解模型,从而可推得临界降雨强度,此可为泥石流的泥石流预警提供了有用的理论基础.     

降雨型滑坡现场模拟试验研究

通过现场模拟人工降雨条件下诱发滑坡,在整个过程中,对坡面裂隙、土体深部位移、孔隙水压力、地表径流等进行实时监测,探求在降雨情况下的滑坡成灾特征及机理.试验得出了土体抗剪强度指标、滑动面形态特征等物理力学参数.降雨使土体吸水饱和,渗透性降低,抗剪强度降低,进而产生边坡失稳.通过数值模拟,得到降雨入渗过程中边坡稳定性、应力场和位移场的变化趋势.流一固耦合情况下边坡稳定系数比非耦合时降低5%,说明动水力对降雨型滑坡具有影响作用.     

黏粒含量对泥石流源区砾石土体强度影响的实验研究

泥石流源区砾石土的黏粒颗粒含量对砾石土孔隙水压力和强度的影响是泥石流形成机理中的重要问题之一.采用室内静三轴实验研究云南东川蒋家沟支沟大凹子沟源区的砾石土体强度、孔隙水压力、湿陷性与黏粒颗粒含量的关系,发现黏粒的质量分数在3.75％～7.50％范围内的砾石土试样湿陷性较大;黏粒的质量分数为5％左右的砾石土湿陷性最大;黏...     

坡度对膨胀土边坡径渗流特性的影响规律探究

为了探究坡度对膨胀土边坡径渗流特性的影响规律,开展了膨胀土边坡的人工降雨模型试验,对不同坡度边坡的径渗流分配特性及土体含水量随时间的变化特征进行分析。结果表明:(1)在相同的降雨条件下,坡度小的边坡,地表径流出现的时间越晚,雨水在边坡上以入渗为主、地表径流为辅的现象越明显;(2)随着坡度的增加,地表径流在降雨中的比例增大,边坡同一深度土体含水量在相同降雨时间下的增量越小,坡度对产流时间、径渗流分配特性、边坡土体含水量的影响不断减弱;(3)随着降雨入渗时间的增加,边坡不同深度的土体含水量变化在时间上呈现出一定的滞后性现象。     

泥石流源区宽级配砾石土渗透特性试验研究

对泥石流启动机理的研究表明,源地土的渗透特性具有重要的作用。通过原位双环渗水试验,对汶川地区典型泥石流沟源地土进行了原位测试,得到了初渗率与稳渗率值。对张家坪沟源地土入渗过程分析表明试样颗粒粒径较大,块石含量较多,细颗粒含量较少,孔隙裂隙较为发育,土体结构较为松散,是该区域入渗过程中达到稳定渗流的时间较长、渗透率较大的主要原因。各区域渗透系数间的差异主要由土体结构、级配特征和物质来源不同所造成。国内外相关研究根据不同土体的入渗规律提出了Kostiakov模型、Horton模型和Philip模型,使用Kostiakov、Philip和Horton三种入渗模型对入渗过程进行拟合,结果表明Kostiakov模型相关性最好,能准确的反映源地土的渗透过程;同时Kostiakov模型参数计算表明,a值在26.62~65.94之间,表明入渗过程中渗透速率衰减较快。除张家坪沟外,n值均大于0.4,表明入渗过程中土体结构变化较大,张家坪沟土体块石骨架作用较强,因此土体结构变化较小,较为稳定。     

地震和降雨条件下黄土高填方边坡稳定性分析

针对地震和降雨会影响黄土高填方边坡稳定性的问题,采用地震动力计算、完全流固耦合计算和强度折减计算,对正在使用的黄土高填方边坡进行分析,并对边坡土体位移时程、加速度功率频谱、吸力、有效应力和最小安全性系数进行分析,研究地震和降雨入渗条件对正在使用的黄土高填方边坡稳定性的影响.结果表明：地震作用对黄土高填方边坡表层土体作用大于填方基底土体作用;降雨入渗对边坡土体的影响范围为表层土体和浅层土体;降雨入渗使得边坡表层土体的吸力和有效应力减小,而使浅层土体局部吸力增大;降雨过程中边坡表层土体有效应力减小,浅层土体有效应力先增加后逐渐减小;地震后降雨入渗引起边坡最危险滑移面区域发生改变,降雨速率和降雨持续时间均对最小安全性系数有影响,降雨结束后边坡最小安全性系数降低.该研究为三维条件下地震和降雨入渗对正在使用的黄土高填方边坡稳定性研究提供参考.     

不同降雨条件下裂隙性土质边坡渗流特性分析

降雨入渗条件下裂隙性土质边坡稳定性与降雨强度及降雨类型密切相关.为探究不同降雨强度及不同降雨类型对裂隙性土质边坡降雨入渗过程的影响,运用Geo-studio有限元分析软件中的Seep/w模块,研究了不同裂隙深度及孔隙比的裂隙性土质边坡在小雨、中雨及大雨情况下分别经历前锋型、平均型、中锋型及后锋型4种不同降雨类型的渗透特性,得到了裂隙面的孔压与体积含水量变化规律,结果表明:存在临界渗透比ε′,渗透比大于ε′,体积含水率及孔压随埋深增大而增大,反之,随埋深增大而减小.渗透比大于临界渗透比,不同雨强及雨型条件下土体体积含水率及孔压随埋深变化均呈反S型,拐点深度由裂隙深度决定.不同降雨类型使某一时段内土体体积含水量及孔压在数值上产生差异.不同降雨强度决定裂隙边坡土体渗流过程的控制因素,降雨强度大于土体入渗强度时,降雨入渗由土体渗透系数控制,降雨强度足够大时,不同渗透比下的裂隙土体体积含水率变化趋势将会相同.     

黄土高原降水入渗方式与引发滑坡研究——以甘肃黄土地区为例

黄土高原是中国滑坡灾害最为发育的地区,降水是引发黄土滑坡的主要因素之一。黄土包气带厚度大,降水入渗方式与引发黄土滑坡的过程和机理问题长期受到广泛关注。以甘肃黄土地区为例,通过实地调查和综合研究认为,黄土高原地区降水入渗方式多样,受地形地貌、气候和降水类型等因素影响,降水入渗方式与引发滑坡特征之间存在地域性差异。在降水量较小的黄土丘陵区,暴雨所产生的地表径流主要通过落水洞和节理裂隙等宏观优势通道点状短期快速入渗,增大黄土含水率,软化黄土体,降低斜坡稳定性,引发黄土滑坡。在降水量较大的黄土塬、黄土台塬和黄土宽梁区,大气降水、灌溉水主要经由黄土包气带中的孔隙呈面状长期缓慢入渗补给黄土潜水,在丰水年连阴雨可引发群发性黄土滑坡。研究结果对黄土高原降水引发滑坡预警阈值的科学设定具有指导意义。     

碱坪沟泥石流运动模型

针对碱坪沟特殊的地理环境和地质条件,通过室内模型实验,研究不同降雨强度下入渗强度变化规律。结合入渗规律,建立适用于碱坪沟泥石流的一维运动模型。该模型在圣维南方程组的基础上,考虑沟谷两侧向中心汇流和入渗因素,并用Preissmann四点隐格式差分方法对方程组进行计算。根据"8.13"碱坪沟泥石流爆发当天的小时降雨量,计算泥石流爆发过程中的流速和流深变化情况,并与监测资料进行对比验证。研究结果表明:该模型较好地反演了"8.13"碱坪沟泥石流运动过程中的参数变化情况。     

黄土沟壑区流域重力侵蚀模拟

重力侵蚀是土壤侵蚀的主要形式之一．在黄土高原地区,重力侵蚀对土壤侵蚀总量、高含沙水流特性和水沙过程的尺度现象等都具有重要贡献但由于重力侵蚀机理复杂、发生随机性强以及缺乏直接观测资料,对重力侵蚀过程的模拟研究一直是土壤侵蚀领域的薄弱环节．笔者将一个基于土体失稳的沟坡重力侵蚀理论模型在数字流域模型框架下与坡面降雨径流和土壤侵蚀模型、沟道不平衡输沙模型耦合集成,并解决了重力侵蚀模型在流域中应用的一些具体问题,使重力侵蚀模型能够根据沟坡的几何形态、黄土的力学特性、降雨导致的土体含水量及力学性质变化、沟道水流对沟坡的淘刷等物理因素的影响,合理模拟流域中的重力侵蚀过程．将模型系统应用于岔巴沟流域和无定河流域,得到了重力侵蚀的分布及其占总侵蚀量的比例,模拟结果基本可信．     

降雨自由入渗阶段试验研究及其过程的水势描述

研究降雨自由入渗阶段土体内的水势变化规律具有重要的工程意义。讨论了现有的入渗模型及降雨非饱和渗流计算方法。认为其不能满足工程渗透稳定性分析的需要,且不符合实际的降雨物理过程。设计了室内降雨自由入渗负压测试试验,结果显示:土体负压在入渗阶段的变化规律符合Boltzmann函数曲线,降雨强度越大负压值变化越快。结合土壤水能态理论,分析了自由入渗阶段土体内水势的变化和分布规律,并指出非饱和渗透系数随着降雨强度的增大而增大。该研究为低降雨强度条件下岩土工程的渗透稳定性问题的分析提供了参考依据。     

不同降雨强度下滑坡表面冲蚀体积试验

在山区,降雨导致的土壤冲蚀是产生堆积物、改变地貌地形的主要因素。其过程复杂并且受如降雨强度、地表粗糙度等多种因素影响。为研究不同降雨强度条件下降雨对滑坡表面冲蚀的体积指标特性,采用实验室模拟降雨试验平台进行实验,Golden Surfer软件直接读取堆积体体积、3D模拟模型研究降雨与输出数量关系等方法,再现了以体积量直接输出的堆积物与降雨之间的关系。结果表明:降雨过程中,坡体深部土壤体积含水率变化较小,浅层土壤孔隙水压与含水率变化较大;降雨初期,降雨入渗有效提高表层孔隙水压力,地表径流小,带沙能力弱;随降雨时间增加,地表径流强度增加是提高水流冲刷力的主要因素,累计冲蚀堆积体体积随降雨强度增加而增大,但是增速减小,其主要原因是降雨后期,地表形成冲刷沟壑,累计冲蚀堆积体体积受地表粗糙程度限制;通过对降雨时间、降雨强度以及冲蚀堆积体体积进行三维拟合,发现三者幂函数曲线的拟合较好。     

某缓倾角膨胀土滑坡的成因机制及稳定性的分析

以成都凤凰山滑坡为地质原型,通过成因机制及数值模拟分析,再现了一个近水平层状的膨胀土斜坡的变形破坏过程.研究结果表明:膨胀土斜坡的失稳破坏主要受坡体内部发育的裂隙以及降雨入渗的影响,裂隙的发育使降雨入渗向坡体深部发展,并使土体的强度随降雨过程不断降低,而滑坡后缘裂隙的充水对坡体产生了较大的静水压力.在这两种因素的影响下,斜坡发生了类似于平推式滑坡的失稳破坏.     

隔离边界条件下连续降雨诱发黄土边坡开裂试验研究

为了对连续降雨诱发黄土边坡破坏过程有更直接深入的认识,在陕北大型均质黄土边坡设置隔离边界并开展人工模拟降雨现场试验.总结了边坡开裂破坏特征,分析了坡顶裂缝及坡体破坏过程的力学机制,研究了水分入渗以及隔离边界对边坡开裂破坏的影响.结果表明:降雨侵蚀及雨水径流是坡顶土体开裂的必要条件,边坡浅层土体产生的竖直拉张裂缝及深层土体的剪切破坏倾斜裂缝贯通至坡面,坡体最终呈"L"型开裂面,坡顶的开裂宽度与开裂深度的发展变化趋势呈现一定相关性;降雨期间坡顶部位较易触发一定规模的浅层滑坡,降雨结束后水分下渗可能引发边坡深层破坏;隔离槽对降雨边界的物理隔离和阻断效应导致坡顶呈"一"型开裂线,并且边界土体-隔离布薄弱区裂缝剧烈发育扩展,易导致边坡更大规模破坏.     

路基边坡降雨试验及基于神经网络的水分场研究

为了研究降雨条件下路基边坡土体含水率的变化规律及雨水入渗过程,进行一系列不同降雨强度、不同坡度条件下的室内降雨模拟试验。以土体含水率受降雨历时、土体空间位置、坡度和降雨强度这4个因素作为输入单元,体积含水率作为输出单元,选取试验数据输入训练,建立含水率的遗传算法神经网络预测模型。预测检验后,利用神经网络对2.7 mm/min降雨强度下40°边坡的降雨入渗过程进行预测研究。研究结果表明:对于路基边坡,当土的性质、压实度、排水等条件相同时,土体含水率受降雨历时、土体空间位置、坡度和降雨强度这4个因素共同影响;随降雨的进行,土体含水率逐渐增加,浸润范围不断增大,受空间位置影响距入渗面越远则含水率变化滞后,增长速率及幅度减小;在相同雨强下,不同坡度边坡坡顶土体含水率变化过程相似,而随坡度的增大,坡脚土体含水率的增长速率及幅度逐渐减小;随雨强的增加同一边坡相同位置处土体含水率越早开始增大,其增长速率及幅度也随之增加;利用所建立的含水率遗传算法神经网络预测模型所得入渗结果与试验观测结果接近,表明该神经网络方法能较好地描述路基边坡土体含水率的变化情况及雨水的入渗过程。     

佳禾沟泥石流堆积物的粒度与强度关系分析

佳禾沟位于云南省维西县中路乡佳禾村,历史上曾多次发生不同规模的泥石流,并造成了人员伤亡和财产损失。通过对沟道流域沿线不同位置取样,用泥石流颗粒标度分析法并结合强度实验,发现佳禾沟泥石流松散堆积物的颗分参数μ与P(D_2)之间存在线性关系,这说明μ影响了泥石流的启动;物源区中的细颗粒的迁移、上游泥石流部分物质的随机性停歇和沟道支沟和主沟陡坡物质的随机性补给导致了颗分参数(μ,D_c)的波浪式发展。黏聚力c与μ之间的关系为线性关系,c随着μ的增加而增加。这说明细颗粒的组成控制了黏聚力c的大小,因此推断黏聚力受到细颗粒之间的胶结作用和静电作用等因素的影响。内摩擦角φ与Dc之间的关系为负线性相关,而φ随着D_c的增加而变小,粗颗粒决定了φ的发展。因此,在相同条件下,较大的μ和较小的D_c组合的土体,其强度较大;这从定量的角度上验证了颗粒级配与土体强度的关系。以上结论是否适用于其他流域需进一步验证。此外,还应结合颗粒形状,土动力学,渗透理论分析泥石流发生机理。     

泥石流堆积体复活预测模型研究——以栾川县柿树沟为例

通过对柿树沟泥石流的地形地貌、物源、降雨条件的分析,结合现场调查,得出柿树沟泥石流的特征及该泥石流为沟道内老堆积体复活启动形成的结论。根据实际情况,结合曼宁公式,以临界降雨条件为预测参数,建立基于启动机理的沟道泥石流堆积体复活预测模型。计算得出柿树沟2010年7月24日的降雨强度完全达到了泥石流堆积体复活启动的临界条件,即临界流深0.30 m,临界流速1.82 m/s;当天径流流速接近4 m/s,未达到堆积体完全复活的临界流速7.20 m/s,与实际情况相符。     

开孔铺面土柱入渗试验及对地表径流削减作用分析

对开孔铺面的土柱入渗试验结果是：在充分供水条件下,下渗强度和下渗量的大小与土壤性质、土壤含水量及淹水深度有关,利用试验结果对典型城市设计暴雨分析表明,开孔铺面对地表径流确有削减作用,但不同的土壤性质、土壤含水量,降雨强度、降雨历时的削减作用有显著的判别。