三峡库区黄土坡滑坡降雨入渗作用过程

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三峡库区地质条件复杂,暴雨、洪水频繁,是滑坡、崩塌等地质灾害的频发区。水库蓄水及移民工程更是加剧了降雨诱发滑坡,这也将成为三峡库区在正常运营以后最重要的问题之一。降雨诱发滑坡是一个古老的科学问题,降雨诱发滑坡的机理及评价方法历来备受工程界关注,但仍然是一个悬而未决的问题。因此,开展三峡库区顺层滑坡降雨入渗作用过程研究具有重要的理论和实践意义。本论文以黄土坡为研究对象,在分析滑坡勘察资料和大量野外工作的基础上,对三峡库区顺层滑坡降雨入渗作用过程开展了研究。主要研究内容如下:在广泛搜集黄土坡滑坡最新地质资料及监测资料的基础上,选取具有代表性地区进行了双环渗透试验、安装了浅层水分水势监测仪器,获取了黄土坡区降雨规律及水分水势变化规律;然后分析了黄土坡区降雨入渗规律,并建立了适用于黄上坡地区的降雨入渗模型,对黄上坡区降雨入渗过程进行了探讨;最后联合使用改进降雨入渗模型和无限边坡模型,对黄上坡滑坡稳定性及其影响因素进行了评价。通过上述研究,论文主要取得了如下成果和结论:(1)分析了黄土坡滑坡基本特征,归纳了降雨对黄土坡滑坡影响特征,得出在单一降雨影响下,黄土坡滑坡不会发生整体滑动,而主要表现为浅层地表变形。(2)双环渗透试验表明四道沟东侧土体饱和渗透系数为4.81e-5m/s,并对试验结果进行拟合得湿润锋基质吸力为68cm。(3)在地表浅层布置了水分水势监测仪器,获取了黄土坡区降雨入渗规律及其影响特征。①含水率变化的总体趋势是随着时间的消逝而减小,局部段内受降雨影响而升高,直至饱和,最大体积含水率为0.45;基质吸力变化的总体趋势是逐渐增大,最大基质吸力为76Kpa降雨使其减小,甚至到0,降雨过后又逐渐增大。②不同深度处含水率和基质吸力变化趋势不同,表层土体更易受气候影响,表现为含水率和基质吸力更为频繁,但深部土体较浅部土体变化更为剧烈,含水率和基质吸力变化幅度更大。③含水率和基质吸力具有很好的对应性,含水率越高,基质吸力越低,采用VG模型对含水率和基质吸力关系进行拟合得其土水特征曲线参数为θs=0.453,θr=2.12,a=13.35, b=1.58, c=0.37。④当降雨强度较小时,水分储存在上部土体,导致湿润锋在深度上的弥散;在高强度降雨条件下,湿润锋所到之处,土体迅速饱和,湿润继续向下传播,1.5m处传感器在降雨后变化并不明显,表明不存在深层裂隙或其他软弱面时,降雨通常诱发浅层滑坡。⑤短历时强降雨对上部土体基质吸力影响更大,而低强度持续降雨对下部土体基质吸力影响更为明显。⑥雨季和旱季基质吸力和湿润锋变化规律不同,雨季表层土体含水率(基质吸力)变化频繁,旱季含水率(基质吸力)稳定,雨季平均含水率为0.304,干燥季节平均含水率0.206;不同季节下降雨反应不同,干燥条件下,土体需要吸收大量水分,表层土体很难达到饱和,湿润锋下移速度很慢,湿润条件下,前期降雨增大土体含水率,表层土体瞬间达到饱和,形成暂态饱和区,湿润锋迅速向下传播。(4)推导了考虑坡角影响和小强度降雨影响的Green-Ampt模型,并得出了适用于黄土坡滑坡区的降雨入渗模型,模型参数为Sf=60cm,θS=0.453,θi=0.266.运用该模型对不同坡角,不同渗透系数条件下黄土坡入渗过程进行了研究。研究表明:①在雨强较小时,坡角对入渗没有影响;随着雨强增大,坡角影响开始凸显,表现为积水时间延迟,更多的降雨入渗到坡体内部;随着入渗时间的增加,斜坡增大入渗的效应在逐渐减弱,直至消失。②渗透系数越小,表层土体越容易达到饱和,湿润锋推进速度越慢;入渗能力越大,湿润锋推进速度越快,表现为渗透系数越大,湿润锋推进越快,入渗初始阶段,入渗能力大,湿润锋推移快,随着入渗进行,湿润锋与时间关系斜率逐渐降低,稳定入渗后维持为一常值。(5)联合使用改进GA模型和无限边坡模型,推导了降雨诱发浅层滑坡稳定性评价公式,并对降雨诱发黄土坡浅层滑坡进行了评价。研究表明:①当坡角小于30°时,由于土体内摩擦角作用,降雨不会诱发浅层滑坡,随着坡角增大,稳定性降低,失稳面变浅:②当渗透系数较小时,入渗速率慢,也不会诱发浅层滑坡;当渗透系数较大时,降雨入渗很快,土体虽很难达到饱和,但基质吸力值较低,很容易诱发浅层滑坡;③当降雨强度足够小时,入渗水分很少,不会诱发浅层滑坡,随着降雨强度的增大,入渗增多,稳定性降低,当雨强大于入渗能力时,增大降雨强度并不会降低边坡稳定性;④降雨频繁,强度大的雨季更容易诱发滑坡,当黄土坡区遭遇20年以上重现期降雨时,最大降雨量将达到460mm,倾角大于40°的坡体将发生失稳:当遇到50年重现期以上降雨时,最大降雨将达552mm,倾角大于35°的坡体将会失稳。
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