降雨作用下砾石土斜坡坡面形态及临界特性

砾石土因其级配宽、不均匀系数大、透水性强等特点在工程防渗中得到广泛的应用,其强度和力学性质受粗细粒含量和粒间咬合程度、黏接状态等影响。通过人工降雨原型试验、模型试验、室内试验及理论分析,研究松散砾石土斜坡在降雨作用下坡面土体的形态特征和土体性状的变化以及斜坡稳定性和该过程中可能出现的临界状态,探索坡面松散砾石土触变液化的过程和机理。试验结果表明,砾石土斜坡在降雨过程中,坡面土体形态、坡面径流泥沙含量具有阶段性特性;各典型现象土体含水量分布具有区段性;土体强度和斜坡稳定性随着土体含水量的增加均存在明显的临界特征。

腾格里沙漠东南缘沙丘表面气流与坡面形态的关系

对腾格里沙漠东南缘格状沙丘主、副梁和新月形沙丘断面风速的野外观测结果表明，迎风坡风速放大率、背风坡气流的方向和强度随区域气流、坡面形态而不同。迎风坡风速放大率对沙丘形态的作用在于增加丘顶区域的输沙率和活动性；背风坡气流不仅影响沙丘形态而且控制沙丘动力学过程。在横向气流条件下，风速放大率使沙丘迎风坡随区域气流强度的增加变长变缓，背风坡受分离流控制使沙丘迁移；在双向－斜向气流条件下，沙丘丘顶处于侵蚀亚环境而两坡变陡变短，背风坡受附着偏向流控制使沙丘纵向延伸。

坡面形态对边坡动力变形破坏影响的模型试验研究

采用自主制作的单向振动试验台,对不同坡面形态土质边坡进行了失稳破坏过程的模型试验研究。试验设计了凹面坡、凸面坡和凹凸面组合型3类边坡共8个模型,通过单向振动试验台施加初始位移,触发模型边坡失稳破坏,利用摄像机对模型边坡破坏过程进行跟踪记录,并对变形破坏特征进行分析。试验表明:凹面坡主要由坡面上形成的横向裂隙带动整个坡体发生破坏,而凸面坡则是由于坡顶上形成的横向裂隙带动整个坡体发生变形破坏,凹凸面组合型边坡的破坏则是受坡面凸起部位所控制;进一步研究发现,凹凸程度越强的边坡越容易发生变形破坏,其变形破坏的程度越大。研究成果有助于了解不同形态坡面边坡的破坏特征,为工程边坡设计提供借鉴意义。

降雨对黄土裸坡坡面形态影响的室内模型试验

黄土高原坡面的侵蚀主要发生在降雨集中的6—9月,坡面会遭到严重破坏,更甚者造成滑坡。建立了黄土裸坡的室内模型并模拟人工降雨,通过综合监测来观察降雨过程中坡面形态的变化并分析降水入渗对黄土滑坡的影响。试验结果表明:(1)降水入渗速率由快到慢;径流量/入渗量的值随时间先增长,再减小,最后稳定;坡顶的降水入渗速率始终大于坡面;(2)坡顶首先产生贯通的拉裂缝,然后坡体内部产生局部微小竖向裂缝,位移方向为坡顶下方竖直向下,坡面下方略大于45°;(3)坡面侵蚀经历了"片蚀—沟蚀—沟间坡面面蚀向深切和侧蚀发展"的过程,最终沟岸发生崩塌,坡面因受侵蚀呈整体下降趋势;(4)坡面崩滑从坡趾处自下而上发展。

黄土坡面侵蚀过程实验研究Ⅱ．坡面形态过程

伴随着黄土坡面上的产流产沙过程，黄土坡面形态亦在经历一个迅速变化的过程。该文主要研究坡面平面形态及其纵剖面形态的变化与侵蚀类型及微地貌形态的关系。对于具有特殊意义的平衡状态下的坡面侵蚀机理之探讨，该文结合前文［１］中的各类过程对面蚀与沟蚀机理分别进行了研究，从而初步揭示了黄土坡面侵蚀过程中坡面形态变化的机理。

腾格里沙漠东南缘横向沙丘粒度变化及其与坡面形态的关系

腾格里沙漠东南缘的横向沙丘因断面形态不同可分为凸形和凹形两种类型。横向沙丘丘顶至落沙坡为风沙堆积区，沙粒沿滑落面作重力下滑时，较粗颗粒先到坡脚，背风坡的沉积物下粗上细。沙丘迎风坡则因断面形态不同而影响沙丘表面过程。其中，凸形沙丘迎风坡为高饱和风沙流环境，下部有大量蚀余粗颗粒，上部发生加积，故下粗上细；而凹形沙丘的迎风坡则为低饱和风沙流环境，表面普遍风蚀，前积纹层出露表面，沉积物下粗上细，实际上是背风坡沉积物重力分异结果的重现。沙丘高度与平均粒径和分选参数之间具有良好的一致性。风成床面作为一种地形，对风沙地貌表面过程产生了重要影响，这是风沙地貌尚须努力开拓的领域之一。

井下采煤影响矿区坡面形态及侵蚀的数值模拟分析

针对井下采煤产生的大范围岩移必然最终改变原有地表形态并影响坡面侵蚀特征及规律这一特殊性,从井下与地表相结合的新视角,结合彬长矿区水土流失特征和典型煤矿采矿条件,以采厚、地表坡面坡度等因素为变量,构建了20个不同类型的数值模型,通过数值模拟方法研究并揭示井下采煤对地表坡面形态及侵蚀的影响规律。结果表明,第一,地表坡面坡度会随采厚增加而呈现增大的趋势,且自然坡度越大,坡度变化量越大;相同采厚条件下,坡度增大率与坡面自然坡度整体上呈负相关。第二,地表坡面坡长会随采厚增加而呈现减小的趋势,且自然坡度越小,坡长变化量越大;随采厚增加,地表坡面坡长减小率与自然坡度呈先正相关后负相关的关系,自然坡度为26.57°是拐点。第三,采厚的增加会提高地表坡面产流产沙的强度,加剧坡面侵蚀,这种效应在坡度较小的坡面更加显著;井下采煤引起地表坡面坡度的增大是产生这一规律的主因。

采深对煤矿沉陷区坡面形态及侵蚀的影响分析

井下采煤产生的大范围岩移必然最终改变原有地表形态并影响坡面侵蚀特征及规律。该文从井下与地表相结合的新视角,结合彬长矿区水土流失特征和典型煤矿采矿条件,以采深、地表坡面坡度等因素为变量,构建了30个不同类型的数值模型,通过数值模拟方法研究并揭示井下采深对地表坡面形态及侵蚀的影响规律。结果表明:(1)随着采深的增加,地表坡面坡度增大幅度呈现减小的变化趋势。在相同采深条件下,坡度增大率与坡面自然坡度整体上呈负相关。(2)随着采深的增加,地表坡面坡长减小幅度呈现减小的变化趋势,且自然坡度越小,该变化趋势越明显。地表坡面坡长减小率与自然坡度随着采深的增加呈现先正相关后负相关的关系,自然坡度为26.57°是拐点。(3)采深的增加会削弱地表坡面产流产沙的强度增幅,缓解坡面侵蚀加剧的程度,这种效应在坡度较小的坡面更加显著。井下采煤引起地表坡面坡度的增大是产生这一规律的主因。

地震作用下坡面形态对岩质边坡稳定性的影响

利用FLAC3D软件,对三种不同形态的岩质边坡在不同强度地震荷载作用下的坡面水平方向位移进行数值模拟研究,并将地震作用下坡面水平位移和对应的残余剪切应变增量云图进行了对比分析。结果表明:在较小地震荷载作用下凹型坡在坡脚处的稳定性最好,而凸型和顺直型坡在坡高约1/5的部位变形较大;随着地震荷载和坡高的增加,凹型坡在坡高约3/5的地方位移出现最大值;而凸型和顺直型坡则在坡脚处出现剪应变区沿坡面向上延伸的现象。

坡面形态对地震作用下土质边坡稳定性影响

通过对四种坡面形态的土质边坡,在不同强度的地震动荷载作用下的响应情况进行数值模拟,并对各坡型坡面水平方向位移、加速度峰值分布规律以及剖面上剪应变增量云图进行对比分析,为高烈度地震区的边坡工程设计提供了理论依据。

基于坡面形态的h型抗滑桩加固效果分析

h型抗滑桩是加固边坡的有效措施之一,在以往的研究中,大多数学者选取的研究对象均为直线形边坡,导致研究结果对自然环境中形态各异的边坡缺乏普遍适用性。因此,基于凹形、直线形、凸形、组合形4种坡面形态,从桩位、连梁长度、锚固深度3个方面综合考虑,以安全系数、边坡变形模式、桩身位移、桩身受力情况为分析依据,提出基于不同坡面形态的h型抗滑桩最优加固方案。研究结果表明:组合形坡最稳定、凸形坡最不稳定。凹形坡桩中轴线距坡脚的合理距离为4/5坡长,其余3种坡形的合理距离均为1/5坡长。凹形坡最优连梁长度为3~5倍桩径,直线形坡与凸形坡最优连梁长度为2~3倍桩径,组合形坡最优连梁长度为3~4倍桩径。凹形坡与组合形坡最优锚固深度为2.5倍桩径,直线形坡最优锚固深度为2~3倍桩径,凸形坡最优锚固深度为1.5~2.5倍桩径。研究结果可对边坡抗滑桩加固设计提供参考。

斜入射地震作用下坡面形态对碎石土边坡稳定性影响研究

本文研究了在震源近场时,地震波斜入射条件下,不同坡面形态对碎石土边坡稳定性的影响。利用FLAC3D有限差分软件,建立了多种坡面形态的边坡模型。采用对比方法,分析了边坡在地震波作用下的稳定性。结果表明:临空坡面对输入地震波有放大效应;坡面的水平位移与加速度峰值随高度增加而增大,随坡度增加而增大;随着坡面凹度的增大,剪应力增量向坡肩处集中,坡肩愈加不稳定;随着坡面凸度的增大,剪应力增量向坡腰处集中,坡腰愈加不稳定;台阶对坡面的加速度放大效应有削弱作用,台阶数越多越稳定。同时给出了边坡防治的几点建议:减小坡面的坡度;对凹型坡加强坡肩位置处的防治,对凸型坡加强坡腰位置处的防治;对高边坡可设置多级台阶增加稳定性。

井工煤矿开采对坡面形态及侵蚀的影响研究

井工煤矿开采会引起围岩移动、地表形态改变,间接造成坡面侵蚀。基于大佛寺煤矿采采矿条件和土壤侵蚀特点,研究了黄土层厚度对采煤沉陷区不同坡形坡面形态及侵蚀的影响。利用FLAC3D数值模拟软件对采煤引起的地表变形进行仿真模拟计算,结果表明井下采煤必然会引起坡面坡度增加、坡长减小,坡面侵蚀模数及径流模数增大,大于100m的黄土层厚度能有效控制坡面坡度增加、坡长的减小、坡面侵蚀模数和径流模数的增大。增大黄土层厚度,坡面侵蚀增大量由大到小对应的自然坡型排序为:直线坡、凸坡、凹坡、混合坡,且增大黄土层厚度,对于控制直线坡坡面形态和坡面侵蚀的影响更为有效。

不同坡面形态滑坡的稳定性分析

为了研究坡面形态对滑坡稳定性的影响,设计3种坡度、2种坡高共6组试验,对不同坡面形态的滑坡进行了物理模拟试验,通过抬升试验模型槽模拟滑坡失稳破坏的过程,记录破坏过程和破坏时的临界破坏角度,分析了不同坡型滑坡的稳定性和破坏情况。试验结果表明,相同坡度、相同坡高的情况下,凸坡所需抬升角度最低,其稳定性最差,凹坡最高,其稳定性最好,且凸坡破坏时更易发生分级启动。从滑坡表面角度和滑体重量进行理论分析,对试验结果进行解释。采用稳定性计算获得不同坡度下不同坡面形态滑坡的稳定性系数,结果为凸坡稳定性系数最低,凹坡稳定性系数最高,计算结果与试验结果相同,由此可得在坡度、坡高、纵曲率均相同的条件下,凸坡稳定性最差,直线型坡次之,凹坡稳定性最好。

地震作用下坡面形态对土质边坡锚杆轴力影响

基于有限差分软件FLAC3D,探讨了地震作用下坡面形态对土质边坡稳定性与锚杆轴力的影响。研究表明:锚杆能有效改善边坡的抗震性能;凹形坡和平直坡坡面永久水平位移均随高程增大呈先增大后减小再增大的趋势,最大永久水平位移均发生在坡脚附近,而凸形坡坡面永久水平位移随高程增大呈持续增大的趋势;凹、凸和平直坡锚杆轴力变化规律一致,均沿锚杆杆长呈“人”字形曲线分布,即呈中间大两头小分布,在滑动面对应处的锚杆轴力最大;平直坡和凸形坡不同锚杆轴力峰值均随高程增大而逐渐减小,而凹形坡不同锚杆轴力峰值均随高程增大先减小后增大;凹、凸形边坡的锚杆轴力峰值均随坡面曲率半径减小而增大,说明凹、凸边坡坡面曲率半径越小,亦即凹、凸边坡的凹、凸起程度越大,边坡越不稳定。该研究可为相关边坡锚固支护提供参考。

坡面形态对边坡稳定性影响的理论与试验研究

从失稳边坡资料统计分析、模型试验和理论计算3个方面,研究坡面形态对边坡稳定的影响(坡面形态效应)。通过对300个失稳边坡资料的统计分析,从宏观认识上得到凸坡的稳定性较差,而凹坡稳定性较好的初步结论。采用底抬升模型试验,研究凸坡、平坡和凹坡的极限稳定角,结果表明,凹坡的极限稳定角要比平坡的大,凸坡则比平坡小。并从理论上分析凸坡、平坡和凹坡之间的受力差异,对凹坡比凸坡更稳定的现象进行解释。采用严格极限平衡法,获得圆形凸坡和凹坡的安全系数解答,分析坡面形态效应的影响因素和变化规律,从工程应用角度制作圆形坡面形态边坡安全系数速查曲线,并建议考虑坡面形态效应的范围。研究成果可为合理评价不同坡面形态的边坡稳定性提供参考。

露天矿边坡稳定性的断面形态效应研究

为探究非线性坡面对边坡安全的影响,基于简化Bishop法理论,分析条块自重作用在滑面不同位置时产生的下滑力与抗滑力的数值关系,进而研究坡面形态对稳定性的影响,据此提出边坡的断面形态效应概念;以黑山露天矿边坡为例,通过简化Bishop法与基于强度折减法的数值模拟分别评估原设计坡面与不同外凸度的非线性坡面边坡的稳定性。结果表明：底面倾角αi均存在一个特定的值θ使既定滑面分为抗滑与利滑的2部分;当断面形态差异主要分布在抗滑滑面上时,产生的断面形态效应有利于边坡稳定,反之则反;就露天矿边坡而言,合理的外凸坡面产生的形态效应有利于边坡稳定,其在减少剥离成本上有显著的优势。

坡地侵蚀平面形态的研究

伴随着坡面上产流、产沙过程，坡面形态亦在经历一个迅速变化的过程。本文利用随机理论和分形几何学方法，对坡地侵蚀实验资料进行分析，以坡面细沟密度指标及沟系分维数对坡地侵蚀的平面形态进行了定量描述。为研究坡地侵蚀程度提供了一种新的判定方法。

基于形态与支挡效应的露天矿到界边坡形态优化

为探究露天煤矿到界边坡的坡面形态优化设计方法,以国家能源集团神华新疆黑山露天矿南帮边坡为工程实例,应用简化Bishop法,基于边坡断面形态效应理论,设计了边坡在二维视角下不同凹凸程度的坡面形态并进行了稳定性评价与对比,得到较优设计;基于强度折减法,应用数值模拟方法仿真了较优坡面形态在边坡三维支挡作用下的形变过程,通过分析形变特性,进一步提高边坡坡面的凹凸程度得到了最优坡面形态。结果表明:二维设计条件下,受局部边坡稳定性的限制,在黑山露天矿南帮边坡+2385 m水平以下自底周界向上依次布置两组组合台阶,可得凹凸程度较优的坡面形态,坡面的整体稳定性系数为1.344,局部稳定性系数为1.204。三维设计条件下,较优形态在内排土场与横采工作帮的三维支挡作用影响下,边坡局部与整体的稳定性均得到改善,存在进一步形态优化的空间。可在较优形态基础上,通过增设一组组合台阶的方式局部加陡+2430 m水平以下边坡区段以取得最优坡面形态。最优形态在数值模拟边坡形变过程中,进入临界失稳前变速阶段后呈现的形变速度相对缓慢,模拟结果稳定,最终强度折减系数为1.20。最优形态在地表界与底周界不变的前提下,保障黑山露天矿边坡安全的同时可节省首采区岩石剥离量约384万m3。

基于三维激光扫描仪的坡面细沟侵蚀动态过程研究

利用三维激光扫描仪探索多场降雨情况下同一坡面细沟侵蚀的动态过程,为解释细沟侵蚀过程提供一定的理论依据。采用室内人工模拟降雨,在坡度为15°的土槽上进行恒降雨强度的7场降雨冲刷实验,利用三维激光扫描仪对每场降雨冲刷后的坡面形态进行了监测,定量分析坡面细沟侵蚀的动态发育过程。结果表明:前2场降雨与后5场降雨产流产沙过程和细沟侵蚀发育过程有较大差异,细沟从第3场降雨开始明显发育。表现为小跌水—下切沟头—断续细沟—连续细沟—细沟沟网的发育过程。通过三维激光扫描仪精确监测7场降雨坡面各点微地形变化,发现细沟平均沟宽、平均沟深、沟长最大值、细沟平均密度在前2场降雨增长幅度较小,至第3场降雨后开始迅速增大,细沟侵蚀强度不断加强。侵蚀强度由第1场降雨的0.103 kg/m2发展至第7场降雨的8.788 kg/m2,增加了84倍。