【摘要】：黃土高原位于我國第二級階梯,是中華民族發(fā)祥地之一,孕育悠久的中華文明和農(nóng)耕文化。同時黃土高原也是世界上典型的、獨具特色的地貌單元。長期的水土流失,造就了黃土高原地貌破碎、溝壑縱橫,大量的斜(邊)坡發(fā)育,在外界因素誘發(fā)下,常常導致災害的發(fā)生。誘發(fā)黃土高原區(qū)地質災害的主要因素為降雨、人類活動、凍融等方面,許多學者在研究降雨和人類活動等因素誘發(fā)的地質災害進行了大量的研究并取得了諸多成果,然而在研究季節(jié)性凍融型黃土災害的破壞機理和主導因素研究稍顯薄弱。據(jù)統(tǒng)計甘肅省永靖縣黑方臺滑坡發(fā)生主要集中在1-4月,季節(jié)性凍融作用明顯,歷次災害造成了重大的人員與經(jīng)濟損失,季節(jié)性凍融型滑坡較其他誘發(fā)型滑坡更具隱蔽性、突發(fā)性和不可預測性。因此開展季節(jié)性凍融過程黃土斜坡水文效應及其穩(wěn)定性影響研究具有理論和實踐意義。論文在分析國內(nèi)外研究現(xiàn)狀的基礎上,以甘肅省黑方臺黃土斜坡為研究對象,以季節(jié)性凍融過程黃土斜坡水文效應及其引起的穩(wěn)定性變化為主線,以飽和-非飽和水熱運移機理和斜坡穩(wěn)定性評價原理為指導,綜合利用野外補充調查、原位定點高精度觀測、室內(nèi)實驗模擬和數(shù)值模擬等方法,深入分析了季節(jié)性凍融過程黑方臺黃土斜坡地下水文效應,評價了黃土斜坡在季節(jié)性凍融過程中不同階段穩(wěn)定性變化規(guī)律,為季節(jié)性凍融型黃土滑坡防治提供了科學依據(jù)。主要研究成果如下:(1)研制加工了不同溫度下非飽和-飽和水力參數(shù)測定裝置,可以實時測定流量、正負壓力、含水率和溫度;通過達西定律和Van Genuchten公式等獲得了飽和滲透系數(shù)、給水度和非飽和土壤水分特征曲線、滲透系數(shù)、比水容量和擴散率等參數(shù);該實驗裝置所用試樣大,減少了小試樣測試結果的隨機性,且測定參數(shù)多、自動化程度高。(2)通過室內(nèi)實驗和理論分析,建立了黃土非飽和滲透系數(shù)K_((S))、擴散率D_((S))和比水容量C_((S))與溫度t和含水率?的數(shù)學關系式,得出黃土水力參數(shù)與溫度呈非線性關系,黃土飽和滲透系數(shù)是溫度的函數(shù),隨著溫度的增加飽和滲透系數(shù)逐漸升高,其中水的粘滯系數(shù)是影響滲透系數(shù)的關鍵因素;隨著凍融交替循環(huán)次數(shù)的增加,黃土結構出現(xiàn)重構,飽和滲透系數(shù)呈現(xiàn)先增加后穩(wěn)定的趨勢。(3)通過一個季節(jié)性凍融過程的野外氣溫、含水率與地下水位動態(tài)監(jiān)測和綜合分析,確定監(jiān)測點黃土斜坡凍結深度為52cm左右。根據(jù)剖面溫度梯度變化規(guī)律,從地表到地下水位面將剖面溫度依次劃分為三個影響帶:0-0.3m溫度交替顯著帶、0.3-1.5m溫度變動帶、1.5-2m溫度穩(wěn)定傳遞帶。融解后凍結層水分向下運移,在地面以下1.2m處形成近飽和狀態(tài),土壤含水量達到0.32cm~3/cm~3,是凍融作用下黑方臺淺層黃土失穩(wěn)的主要因素之一。黃土斜坡季節(jié)性凍融過程對水分具有控制性作用,包氣帶含水量隨溫度變化劃分為三個階段:第一階段,溫度小于2℃時,包氣帶含水量隨溫度呈現(xiàn)非線性遞增趨勢;第二階段,溫度在2℃~6℃之間時,包氣帶含水量隨溫度呈現(xiàn)波動性下降趨勢;第三階段,溫度大于6℃時,含水量由小幅增加至穩(wěn)定,溫度影響權重減小。(4)基于飽和-非飽和水分運移及熱傳導原理,建立了季節(jié)性凍融過程中非飽和黃土水熱運移數(shù)值仿真模型,模擬了季節(jié)性凍融過程黃土非飽和帶溫度和水分的變化過程,為進一步預測季節(jié)性凍融過程黃土溫度-水分分布提供了基礎。(5)構建了季節(jié)性凍融過程黃土斜坡地下水響應數(shù)值模型,模擬了季節(jié)性凍融過程黃土斜坡水分運移和溢出量變化規(guī)律。在凍結前期,地下水溢出帶溢出量減少,坡腳地下水水位整體略有上升,幅度約1.5m;在凍結期,黃土斜坡凍結深度擴大,溢出帶部分阻塞,地下水位在坡腳抬升,坡腳地下水位最高上升達8.18m,飽和區(qū)持續(xù)擴大;在融解期,全天溫度達到零度以上,溢出帶逐漸恢復排泄,斜坡整體地下水位下降,幅度小于2m,坡腳地下水水位下降顯著,飽和區(qū)縮小,最終基本恢復至凍結前水平。斜坡溢出帶及溢出量受季節(jié)性凍融過程控制,溫度降低溢出帶范圍增大,溢出量反而減少;溫度升高溢出帶范圍逐漸減少,溢出量增大。(6)采用傳統(tǒng)條分法和有限元數(shù)值法對季節(jié)性凍融過程黃土斜坡穩(wěn)定性進行了分析,研究得到斜坡孔隙水壓力隨地下水水位波動擴縮;隨著地下水位不斷抬升,斜坡體內(nèi)剪應力集中帶狀展布、剪應變增量帶貫通,塑性區(qū)也從斜坡坡腳、中后部發(fā)育逐步發(fā)展為坡體內(nèi)連接貫通,斜坡極易失穩(wěn)致災。季節(jié)性凍融過程中,斜坡穩(wěn)定性狀態(tài)與坡腳地下水位高程呈現(xiàn)出負相關性,斜坡穩(wěn)定性狀態(tài)可分為三個階段:2012年10月2日-2013年1月9日穩(wěn)定性系數(shù)降低階段;2013年1月9日-2013年2月10日可能破壞階段;2013年2月10日以后穩(wěn)定性系數(shù)回升階段。上述研究成果,為季節(jié)性凍融型黃土斜坡穩(wěn)定性評價和防治提供了理論依據(jù)和技術支撐,對黃土高原區(qū)滑坡綜合防治也具有重要的參考價值。
【圖文】：

其滑坡發(fā)生頻率月統(tǒng)計如圖1.1。季節(jié)性凍融型滑坡較其他誘發(fā)型滑坡更具有隱蔽性、突發(fā)性和不可預測性，至災后常常造成巨大的人員與經(jīng)濟損失。圖 1.1 永靖縣黑方臺歷年滑坡統(tǒng)計表季節(jié)性凍融作用是凍結層水力參數(shù)性質變異的主要因素，改變了斜坡區(qū)地下水富存條件，地下水的補徑排條件發(fā)生改變，引起斜坡區(qū)的靜、動水壓力季節(jié)性的增大或減少，，降低了土體強度，從而影響斜坡體的應力狀態(tài)和穩(wěn)定性，是黃土斜坡破壞的重要外動力之一[7~12]。上世紀七十年代，學者開始研究季節(jié)

從而導致地下水在坡體內(nèi)部聚集壅高。黃土高原，處在大陸性季風氣候區(qū)，屬中溫帶半季分明，春季降雨少，干旱多風，夏季極端高溫溫度低干燥寒冷（馬建全，2012）。東部季風濕潤區(qū)與西北內(nèi)陸干旱區(qū)和青藏高原高年際降水較少，蒸發(fā)大。據(jù) 1970-2010 年降水降水量 281.2mm，多年平均蒸發(fā)量 1532.6mm（。降水在年內(nèi)分配極不均勻， 70-80%的降水集落。
【學位授予單位】：長安大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TU444

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本文編號：2622069