遼西地區(qū)黃土邊坡坡面沖刷破壞機(jī)理的研究結(jié)題摘要

黃土邊坡沖刷破壞問(wèn)題是黃土地區(qū)公路等工程建設(shè)中一個(gè)亟待解決的實(shí)際問(wèn)題。項(xiàng)目以遼西地區(qū)黃土邊坡為研究對(duì)象，運(yùn)用土質(zhì)學(xué)、土力學(xué)和水力學(xué)的理論，綜合采用現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查、試驗(yàn)測(cè)試、物理模擬和數(shù)值分析的方法，對(duì)黃土邊坡坡面降雨沖刷破壞問(wèn)題進(jìn)行了深入的研究。系統(tǒng)地研究了遼西黃土的工程地質(zhì)特性，獲得了黃土的物理力學(xué)性質(zhì)、結(jié)構(gòu)特征等方面的大量資料，提出了黃土抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的建議值，建立了豎向應(yīng)力、豎向應(yīng)變和初始含水率之間的關(guān)系，為黃土地基濕陷變形的計(jì)算提供了一種新方法?；跀_動(dòng)狀態(tài)概念，構(gòu)建了一個(gè)可統(tǒng)一描述應(yīng)變軟化和應(yīng)變硬化特性的本構(gòu)模型。采用微結(jié)構(gòu)定量化技術(shù)和分形幾何方法分析對(duì)比了黃土濕陷前后的微觀結(jié)構(gòu)演變規(guī)律，結(jié)果表明：濕陷后孔隙形狀分形維數(shù)、表面起伏分形維數(shù)均增大，說(shuō)明濕陷是一個(gè)孔隙復(fù)雜程度增加的過(guò)程。自制人工降雨模擬裝置，對(duì)3種降雨條件、5種不同坡角的邊坡進(jìn)行了降雨沖刷模擬試驗(yàn)。全程數(shù)字化監(jiān)控與量測(cè)邊坡降雨沖刷過(guò)程中坡面水分入滲與演進(jìn)、坡面顆粒運(yùn)動(dòng)與坡面形態(tài)變化之規(guī)律，獲得了黃土邊坡坡面沖刷破壞的特征與規(guī)律。研究表明，坡形、降雨情況、入滲速度和土的抗剪強(qiáng)度是影響黃土邊坡坡面沖刷破壞的重要因素。根據(jù)黃土邊坡坡面沖刷破壞的特征，可將其劃分為侵蝕初期、中期和后期3個(gè)階段。侵蝕初期以片蝕為主，中期則主要體現(xiàn)為細(xì)溝作用，至侵蝕后期則是切溝作用，引起坡面土體崩塌直至邊坡破壞。為此，從力學(xué)機(jī)制上將降雨引起的黃土邊坡坡面沖刷劃分為雨滴濺蝕及產(chǎn)流、徑流引起的土體顆粒分離以及顆粒的輸移3個(gè)動(dòng)力學(xué)過(guò)程。根據(jù)坡面上土顆粒的土-水作用機(jī)制，建立了坡面沖刷臨界狀態(tài)的判別模式，認(rèn)為36.5°~44°的坡角可作為遼西黃土邊坡沖刷破壞的臨界坡角，為黃土邊坡的設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。建立了坡面沖刷破壞的水-土力學(xué)耦合模型，通過(guò)顆粒流程序進(jìn)行數(shù)值計(jì)算分析表明，坡面上的土顆粒運(yùn)動(dòng)狀態(tài)、坡面形態(tài)的變化均與模擬試驗(yàn)的結(jié)果具有良好的一致性，為黃土邊坡坡面沖刷破壞的進(jìn)一步研究奠定了基礎(chǔ)。上述成果豐富了邊坡坡面沖刷破壞的研究?jī)?nèi)容和相應(yīng)的計(jì)算分析理論，為遼西地區(qū)黃土公路邊坡的設(shè)計(jì)與防護(hù)提供科學(xué)依據(jù)，也填補(bǔ)了遼西地區(qū)乃至東北黃土地區(qū)在該研究領(lǐng)域的空白。 2100433B

遼寧西部地區(qū)發(fā)育的黃土具有不同于西北等地黃土的工程地質(zhì)特性和特殊的水敏感性，從而使邊坡坡面沖刷破壞成為公路邊坡工程中尤為突出的問(wèn)題。以遼西黃土邊坡為研究對(duì)象，通過(guò)土質(zhì)學(xué)、土力學(xué)和水力學(xué)多學(xué)科有機(jī)結(jié)合的途徑，綜合現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查、物理模擬，采用多種先進(jìn)的測(cè)試技術(shù)和試驗(yàn)方法，研究黃土物質(zhì)組成、結(jié)構(gòu)特征、濕陷變形規(guī)律等工程特性，分析影響坡面沖刷破壞的主要因素及其相互作用，揭示坡面沖刷破壞的微觀機(jī)理，并建立坡面沖刷破壞的水-土耦合力學(xué)和數(shù)學(xué)模型及相應(yīng)的邊坡穩(wěn)定性分析方法。從而達(dá)到豐富和完善黃土邊坡坡面沖刷破壞計(jì)算理論、為遼西地區(qū)黃土公路邊坡的設(shè)計(jì)與防護(hù)提供科學(xué)依據(jù)之目的。項(xiàng)目的開(kāi)展將填補(bǔ)我國(guó)對(duì)遼西黃土乃至東北黃土在該方面研究的空白。

近年來(lái)在黃土地區(qū)由于灌溉水誘發(fā)的流滑（Flow slide）型高速滑坡時(shí)有發(fā)生，這種滑坡具有速度快、滑程遠(yuǎn)、沖擊破壞力強(qiáng)的特點(diǎn),往往會(huì)造成重大的災(zāi)害事件。本研究將以2006年發(fā)生的陜西華縣高樓村滑坡和甘肅省永靖縣黑方臺(tái)塬邊滑坡群為背景，通過(guò)在大應(yīng)變條件下黃土的三軸剪切試驗(yàn)研究，建立黃土穩(wěn)態(tài)強(qiáng)度理論的基本模式和流滑破壞的判別方法。還對(duì)黃土在高速剪切過(guò)程中,摩擦系數(shù)與土體結(jié)構(gòu)剪損破壞時(shí)產(chǎn)生的孔隙水（氣）壓、剪切速度的相互關(guān)系，以及摩擦熱引起的孔隙水汽化壓力效應(yīng)進(jìn)行試驗(yàn)研究，探討黃土邊坡流滑破壞的機(jī)理。在此基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)可模擬滑動(dòng)速度、滑動(dòng)距離和橫向擴(kuò)散范圍的三維數(shù)值計(jì)算方法，為黃土地區(qū)滑坡災(zāi)害的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估提供依據(jù)。本研究的成果不僅能豐富黃土力學(xué)和高速滑坡發(fā)生機(jī)理的理論內(nèi)涵，具有重要的學(xué)術(shù)價(jià)值。而且對(duì)黃土地區(qū)土地利用規(guī)劃、大型水利水電工程、交通樞紐設(shè)計(jì)時(shí)的災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估也具有重要的實(shí)際意義。 2100433B