遼西地區(qū)黃土邊坡坡面沖刷破壞機理的研究項目摘要

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題。以遼西黃土邊坡為研究對象，通過土質(zhì)學、土力學和水力學多學科有機結(jié)合的途徑，綜合現(xiàn)場調(diào)查、物理模擬，采用多種先進的測試技術(shù)和試驗方法，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理，并建立坡面沖刷破壞的水-土耦合力學和數(shù)學模型及相應的邊坡穩(wěn)定性分析方法。從而達到豐富和完善黃土邊坡坡面沖刷破壞計算理論、為遼西地區(qū)黃土公路邊坡的設計與防護提供科學依據(jù)之目的。項目的開展將填補我國對遼西黃土乃至東北黃土在該方面研究的空白。

黃土邊坡沖刷破壞問題是黃土地區(qū)公路等工程建設中一個亟待解決的實際問題。項目以遼西地區(qū)黃土邊坡為研究對象，運用土質(zhì)學、土力學和水力學的理論，綜合采用現(xiàn)場調(diào)查、試驗測試、物理模擬和數(shù)值分析的方法，對黃土邊坡坡面降雨沖刷破壞問題進行了深入的研究。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，提出了黃土抗剪強度指標的建議值，建立了豎向應力、豎向應變和初始含水率之間的關系，為黃土地基濕陷變形的計算提供了一種新方法?；跀_動狀態(tài)概念，構(gòu)建了一個可統(tǒng)一描述應變軟化和應變硬化特性的本構(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，說明濕陷是一個孔隙復雜程度增加的過程。自制人工降雨模擬裝置，對3種降雨條件、5種不同坡角的邊坡進行了降雨沖刷模擬試驗。全程數(shù)字化監(jiān)控與量測邊坡降雨沖刷過程中坡面水分入滲與演進、坡面顆粒運動與坡面形態(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個階段。侵蝕初期以片蝕為主，中期則主要體現(xiàn)為細溝作用，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，從力學機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個動力學過程。根據(jù)坡面上土顆粒的土-水作用機制，建立了坡面沖刷臨界狀態(tài)的判別模式，認為36.5°~44°的坡角可作為遼西黃土邊坡沖刷破壞的臨界坡角，為黃土邊坡的設計提供了依據(jù)。建立了坡面沖刷破壞的水-土力學耦合模型，通過顆粒流程序進行數(shù)值計算分析表明，坡面上的土顆粒運動狀態(tài)、坡面形態(tài)的變化均與模擬試驗的結(jié)果具有良好的一致性，為黃土邊坡坡面沖刷破壞的進一步研究奠定了基礎。上述成果豐富了邊坡坡面沖刷破壞的研究內(nèi)容和相應的計算分析理論，為遼西地區(qū)黃土公路邊坡的設計與防護提供科學依據(jù)，也填補了遼西地區(qū)乃至東北黃土地區(qū)在該研究領域的空白。 2100433B

近年來在黃土地區(qū)由于灌溉水誘發(fā)的流滑（Flow slide）型高速滑坡時有發(fā)生，這種滑坡具有速度快、滑程遠、沖擊破壞力強的特點,往往會造成重大的災害事件。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塬邊滑坡群為背景，通過在大應變條件下黃土的三軸剪切試驗研究，建立黃土穩(wěn)態(tài)強度理論的基本模式和流滑破壞的判別方法。還對黃土在高速剪切過程中,摩擦系數(shù)與土體結(jié)構(gòu)剪損破壞時產(chǎn)生的孔隙水（氣）壓、剪切速度的相互關系，以及摩擦熱引起的孔隙水汽化壓力效應進行試驗研究，探討黃土邊坡流滑破壞的機理。在此基礎上開發(fā)可模擬滑動速度、滑動距離和橫向擴散范圍的三維數(shù)值計算方法，為黃土地區(qū)滑坡災害的風險評估提供依據(jù)。本研究的成果不僅能豐富黃土力學和高速滑坡發(fā)生機理的理論內(nèi)涵，具有重要的學術(shù)價值。而且對黃土地區(qū)土地利用規(guī)劃、大型水利水電工程、交通樞紐設計時的災害風險評估也具有重要的實際意義。 2100433B