黄土优先流渗流特性及斜坡优势滑动面研究

摘要

滑坡是黄土高原主要地质灾害之一，降雨是诱发滑坡地质灾害最主要的因素。在内外营力作用下，黄土中形成了不同规模、不同尺度、不同时期序列的裂隙、节理和孔洞，其种类、结构形态及其连通性决定着黄土渗透性质，直接造成降雨入渗的显著差异。雨水汇聚于优势渗流通道，迅速入渗至斜坡土体深部，控制了潜在滑动面的形成、扩展和贯通。然而黄土地区降雨量不大，降雨集中，入渗途径复杂，优先流控滑机理研究相对薄弱，传统的滑动面搜索方法难以应用于优先流主导的滑坡稳定性研究中。因此，开展黄土优先流渗流特性及优势滑动面搜索研究，对揭示优势流致灾机理过程及滑坡灾害治理具有重要的理论意义和应用价值。本文从微观黄土结构、细观黄土体及宏观黄土斜坡三个尺度对优先流渗流特性进行研究，提出了黄土剪胀角为0情况下黄土塑性区域最大剪切应变带的快速搜索方法，实现了黄土斜坡优势滑动面的确定。
　　本研究主要内容包括：⑴将岩体裂隙渗流分析中的逾渗理论应用于黄土微观空隙连通性分析。重新定义空隙连通率p，引入裂隙长度系数ω，构建黄土双重逾渗模型，并给出该模型参数组合为：f c(n, D, p,λ,ω)?0。黄土逾渗现象除了与所处地层、空间位置有关外，还与黄土空隙率n、分形维数D、空隙连通率p、空隙面积系数λ以及裂隙长度系数ω等有着密切关系。基于蒙特卡洛法和 ARCGIS网络分析方法建立了逾渗阈值判据，即当微观裂隙贯通率pc?0.8时，含裂隙黄土发生逾渗。⑵在泾阳南塬开展黄土体示踪剂试验。通过改进的优先流入渗深度非均匀性系数C?和入渗量非均匀性系数PFIA的计算公式，揭示了黄土优先流的入渗量、入渗深度、含水率、孔隙率、分形等参数的相互关系及其内在规律。结果表明：入渗量的多少对入渗深度的非均匀特征具有明显影响，入渗量越大，优先流入渗深度的非均匀性越来越明显；初始含水率越大，优先流入渗深度的非均匀性越不明显，优先流发育程度越低，优先流通过的速度越快，平均入渗量越大，湿润锋迹线的分形维数则越小；黄土孔隙率大小对优先流入渗深度的相关性系数也有明显影响，孔隙率越大，入渗量系数的非均匀性特征越明显，优先流入渗深度的非均匀性越明显，且深度域值波动范围也相对较大；同一类型的黄土，其试验尺度的大小对湿润锋迹线的分形维数没有明显影响；泾阳南塬0-0.5Zmax黄土深度范围内，分形特征值γ越大，活动流场占整个渗流场的比例越大，优先流非均匀程度越强，优先流越发育。⑶以泾阳南塬为例，基于SEEP/W渗流软件开展黄土斜坡优先流渗流模拟研究。构建3类斜坡模型，分4种情形对优先流渗流特征进行分析，并专门针对古土壤层构建4类斜坡子模型，讨论古土壤层的存在对黄土斜坡优先流渗流的影响。模拟结果表明：灌溉强度是影响黄土斜坡优先流的重要因素，灌溉强度是否大于土体饱和入渗系数是黄土斜坡漏斗流产生的前提；灌溉持时与优先流入渗速度及入渗深度呈正比；黄土斜坡初始含水率是黄土斜坡优先流渗流的敏感因素，初始含水率越大，优先流入渗速度越快、入渗深度也越大；裂缝所处位置不同对斜坡体内部优先流渗流场分布产生明显影响；古土壤层的存在对优先流渗流特征产生明显影响，古土壤层较低的入渗系数使得优先流垂向入渗速度减小，侧向入渗速度增大，从而带来渗流场分布形态的改变。此外，古土壤层表面有明显滞水现象，滞水程度与古土壤层的厚度及倾斜角度有关，厚度越大，滞水现象越明显，反倾角度越大，滞水现象也越明显。⑷以泾阳南塬斜坡为例，开展优先流渗流条件下的优势滑动面研究。提出了在黄土剪胀角为0的情况下，通过搜索黄土塑性区域最大剪切应变带的方法，以此确定黄土斜坡优势滑动面。提出优先流渗流条件下的三种潜在滑动模式，分别是：强灌溉（或降雨）条件下，优先流渗流致使土体内部孔隙水压力剧增的斜坡浅层快速滑动；灌溉（或降雨）强度与土体入渗率大致相等且灌溉持时较长条件下，锁固段突然贯通的整体突发性滑动；一定的灌溉（或降雨）条件下，斜坡前缘在孔隙水压力和自重作用下沿渗流优势结构面蠕变滑动，进而对后缘裂缝产生持续拉张，牵引斜坡整体滑动。其中以锁固段突然贯通情形下的整体突发性滑动模式最为危险，易诱发高速黄土滑坡，危害极其严重。

目录

声明

第一章 绪论

1.1研究目的与意义

1.2 滑坡与水的关系研究现状

1.3黄土微观结构研究现状

1.4 逾渗理论与裂隙分形规律

1.5 优先流渗流理论研究现状

1.6滑动带（面）研究现状

1.7 优势结构面理论

1.8本文的研究内容及技术路线

1.9创新点

第二章 黄土微观结构及其空隙连通性分析

2.1黄土微观结构实验手段与方法

2.2黄土微观结构逾渗模型构建

2.3黄土微观空隙连通性分析

2.4基于ARCGIS网络分析的逾渗阈值判断

2.5 陕西泾阳南塬黄土微观空隙实证研究

2.6本章小结

第三章 黄土体优先流渗流特征研究

3.1优先流渗流特征研究的技术方法

3.2野外试验

3.3优先流渗流特征分析

3.4本章小结

第四章 黄土斜坡优先流渗流模拟

4.1 模拟软件介绍

4.2 试验区概况及参数选取

4.3黄土斜坡优先流渗流特征分析

4.4 本章小结

第五章 基于优先流渗流的黄土斜坡优势滑动面研究

5.1黄土斜坡优势滑动面研究思路

5.2 黄土斜坡优势滑动面形成机理

5.3 黄土斜坡优势滑动面搜索方法

5.4黄土斜坡优势滑动模式

5.5泾阳南塬黄土斜坡实证研究

5.6本章小结

第六章 结论与展望

6.1结论

6.2展望

参考文献

攻读学位期间取得的研究成果

致谢