青海省玉树州冻土水文与地质灾害耦合关系研究

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青藏高原冻土分布面积高达1.5,占我国冻土总分布面积的70%左右,玉树州位于青海省西南青藏高原腹地的三江源头,平均海拔在4200m以上,冻土是斜坡的主要土体类型。冻土区拥有特殊的水文地质特征,冻融作用控制了土壤水和地下水的形成和分布,决定了斜坡土体应力分布状况,影响了斜坡稳定性,成为玉树州地区特殊的热融滑坡、崩塌的首要触发因素。在现今全球转暖的背景下,多年冻土呈现出退化的趋势,又由于西部大开发及灾后重建工程兴起,破坏了冻土斜坡的保温层,导致冻土斜坡灾害频发,因此对多年冻土地区水文及冻融地质特征、冻土斜坡稳定性的研究具有重要的理论意义和一定的应用价值。论文取得的主要研究成果如下:(1)查明玉树地区以冻融作用为主要引发因素的主要地质灾害类型有:热融滑塌、崩塌、冰雪融水型泥石流等;以冻融作用为次要引发因素的主要地质灾害类型有:滑坡、崩塌、泥石流,主要分布在高海拔盆地区及直线型斜坡上;影响斜坡稳定性的主要因素有地形地貌、地层岩性、气候、降水、地表水、地下水、冻融作用;冻融作用通过冻融风化作用、冻胀融沉作用和冻结滞水作用对地质灾害产生了影响。(2)通过玉树州曲麻莱气象站30年的气象资料分析了多年冻土区土壤温度场和水分场的变化规律,在融化期土壤温度随深度的增加递减,冻结期则相反;土体含水量在融化后较冻结前有所增加。(3)对土样设计了6种温度(-20℃、-15℃、-5℃、0℃、2℃、4℃),5种含水率(5%、10%、15%、20%、25%)下的正交抗剪强度试验,试验结果表明,随温度升高土体由完全冻结至完全融化的过程中,抗剪强度随含水量的增大而减小,当温度小于0℃时,抗剪强度随温度的升高而降低,当温度大于0℃时,抗剪强度随温度的升高略有回升。(4)基于有效应力分析方法计算绘制出渗流作用影响下不同含水条件、不同融化深度的斜坡稳定系数分析图表:完全饱水斜坡比干土坡的稳定系数低一倍左右;斜坡容易在融化深度为44~80cm之间时发生热融滑塌;在冻结状态下斜坡稳定系数较高,融化过程中,斜坡稳定系数随含水量增大而减小,其中斜坡温度为0℃时,斜坡稳定系数最低。(5)通过FLAC3D软件编辑Fish语言访问温度项,模拟了斜坡的融化过程。模拟结果表明:土体温度、孔隙水压力、稳定系数都呈现出季节性的变化规律,其中5月斜坡稳定性最差,季冻土活动层完全融化,孔隙水压力值和影响范围也增大,斜坡稳定系数最小为0.91。(6)选取热融滑塌易发的5月,模拟斜坡达到临界状态时,斜坡内部的应力、应变和速度矢量关系,结果表明斜坡在融化期可能沿季节冻土活动层和永冻土层的交界面处发生滑动。
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