降雨条件下高边坡安全评价与变形预警机制研究

采用数值分析法开展降雨作用下高边坡稳定性分析,结合该区域的降雨强度预测模型,揭示了降雨强度对坡稳定性的影响规律。同时开展降雨条件下高边坡变形数值分析,结合强度折减方式获得了现场监测点位移变化趋势,以《公路滑坡防治设计规范:JTG/T3334—2018》中边坡稳定状态判别为依据提出了高边坡变形预警机制,并提出了降雨边坡短期变形预警指标。研究结果建议降雨边坡短期变形预警指标取值为:黄色预警位移阈值1~2mm/h、橙色预警位移阈值3~4mm/h、红色预警位移阈值5~10mm/h。

地震力对边坡可靠度的影响

地震动作用是影响边坡可靠度分析的重要因素。利用Karhunen-Loève(K-L)展开方法生成土体黏聚力的随机场,采用简化Bishop法计算不同地震力作用下的边坡安全系数,通过Monte Carlo模拟计算地震动作用下边坡的失效概率,分析地震力对边坡稳定性的影响规律。研究结果表明:地震力对边坡稳定性有很大影响。随着水平拟静力系数K_(h)增大,安全系数F_(s)逐渐减小,失效概率P_(F)逐渐增大;地震动作用下,边坡的失效概率随黏聚力变异系数和相关长度的增大而增大。

基于AquaCrop模型的玉米需水和降水匹配度变化特征研究

雨热同期为我国大部分地区农业生产提供了充足的水热资源,但从需水机理的角度评估作物生长和降水过程匹配度的变化特征还有待深入。基于AquaCrop模型模拟了关中地区1978-2017年夏玉米生育期内需水量、灌溉需水量、有效降水量和产量的变化特征,并在充分考虑玉米不同生育阶段对水分需求程度差异的基础上,分析了作物需水与降水匹配度的变化特征。结果表明:关中地区玉米生育期内累积降雨量变化幅度相对较小,但降水过程明显后移,且更多的以暴雨的形式发生;玉米生育期内需水量和灌溉需水量均呈现明显的增加趋势,增加幅度分别为4.10 mm/10a和13.38 mm/10a,而有效降水量则以-10.28 mm/10a的速率减小;玉米生育期内需水与降水的平均匹配度为58%,且整体以-2.7%/10a的速率下降。上述结果表明关中地区降水模式越来越难以满足夏玉米的水分需求,延迟播种可作为提高作物需水与降水匹配度的应对措施之一。

陆地地质环境微塑料污染研究现状与展望

陆地地质环境中的微塑料污染日渐广泛和严重,受到科学界的广泛关注,但研究尚处于起步阶段。对近5年微塑料研究的国际文献进行了综述,从来源与组成、迁移和环境影响3个方面进行了梳理和总结,并提出了下一步研究建议。近期研究发现陆地地质环境中的微塑料主要来源于垃圾填埋场、农业面源污染、污水处理系统和交通运输系统,不同来源的微塑料存在显著差异,具有时空变异性。微塑料会随土体人为扰动、土内生物活动在土体内迁移,还可能渗入地下水并借助渗流迁移,或悬浮到大气中并借助风力迁移,颗粒越小越容易迁移。微塑料使土体黏聚力增加、孔隙率降低、孔隙尺度减小、空气循环减少、保水能力提高,微塑料中强水溶性添加剂的渗出会造成地质体次生污染。微塑料对植物生长、动物消化、微生物活性存在不利影响,会诱发人类能量和脂质代谢紊乱、氧化应激和呼吸系统疾病。微塑料污染地质体修复仍处于起步阶段,仅在少量室内试验中发现了微生物降解和生物修复的效果。综上,微塑料污染广泛存在,且对生物和人类健康带来诸多不利影响。面向未来,尚需探明微塑料对陆地生态系统中营养传输的影响、微塑料添加剂在地质体中的迁移和降解规律,研发更高效便捷的微塑料定量检测方法,制定全球统一的测试和评价标准,将微塑料检测列入污染土检测项目,研发高效的微塑料污染地质体修复方法。

土壤干缩开裂三维模型构建及其参数敏感性分析

为揭示农田土壤干缩裂隙沿深度方向的发展规律及形成机理,该研究改进了Vogel提出的Hookean弹簧模型,通过构建由节点组成的三棱柱状网格结构,并考虑重力的影响,建立了可以模拟裂隙深度的三维农田土壤干缩开裂模型,分析了纵向弹性系数(与土壤沿深度的弹性有关)对模拟裂隙深度的影响,通过Minkowski密度(即面积密度、长度密度和欧拉数密度)量化分析裂隙形态。结果表明:试验与模拟裂隙图像的面积、长度、欧拉数密度及裂隙深度频率的决定系数在0.849~0.959之间,一致性指标在0.965~0.988之间,偏差在0.103~0.189之间,均方根误差在0.005~0.083之间,说明改进后的三维模型达到率定要求,该三维物理模型可以模拟出裂隙沿深度的拓展情况,模拟的表层裂隙形态特征符合自然裂隙的发育规律。敏感性分析中,纵向弹性系数越小,裂隙沿深度方向发育的趋势越明显,深裂缝(土深5~10 cm)的占比越大。研究可为模拟农田土壤裂隙沿纵向的发育和形成提供算法参考。

坡高及坡比对渠道边坡可靠度的影响

【目的】探讨坡高和坡比对渠道边坡可靠度的影响,为渠道边坡的优化设计提供科学依据。【方法】利用Karhunen-Loève(K-L)展开法建立土体参数的二维随机场模型,使用简化的Bishop法计算渠道边坡的安全系数,通过Monte Carlo模拟渠道边坡的失效概率和可靠度指标,分析坡高和坡比对渠道边坡可靠度的影响。【结果】不考虑和考虑土体参数的空间变异性时,可靠度指标均随坡比的增大而减小;不考虑土体参数的空间变异性时,可靠度指标随坡高的增大而逐渐减小,但在粘聚力变异系数较大而内摩擦角变异系数较小时,可靠度指标呈现随坡高增大而增大的特殊现象;考虑土体参数的空间变异性时,在粘聚力变异性较小而内摩擦角变异性较大时,可靠度指标随坡高的增大而减小,其他情况均呈现随坡高的增大而增大的特殊现象。【结论】相对于降低坡高而言,采取减小坡比的措施可以更好地保障边坡可靠度,降低渠道边坡工程风险。

基于全耦合的地表水土壤水运动与溶质运移数值模拟

为探究降水条件下水分与溶质在地表和土壤中的运动规律,分别采用二维扩散波方程和传统的三维Richards方程描述地面径流和土壤水分运动,选用双层结点法对两者进行耦合,根据达西定律和地表与土壤水中的溶质浓度,计算地面径流和土壤水分的溶质交换量,从而构建地表水土壤水运动与溶质运移全耦合数值模型。选取已发表文献中的物理模型实验进行数值模拟,算例1和算例2中地表径流数值模拟结果和模型实验结果的平均相对误差分别小于14.8%和21.5%,均方根误差分别小于0.147cm^(2)/s和0.833cm^(2)/s;算例2中径流硝态氮浓度的数值模拟结果和模型实验结果的平均相对误差小于24.7%,均方根误差小于1.334mg/L。物理实验和数值模拟所得地表径流量和溶质浓度数据的对比分析验证了模型的合理性和准确度。研究结果可为地表水土壤水水分运动与溶质运移耦合分析提供理论支持。

夏玉米生育期内极端气候事件时空演变特征分析

基于黄淮海地区107个气象站点历史气象观测数据,以及耦合模式第六次比较计划(CMIP6)中11个全球气候模式(GCM)两种情景(SSP2-4.5和SSP5-8.5)下气温和降水逐日数据,分析了未来两个时期(2021-2050年和2051-2080年)夏玉米生育期内高温热害和暴雨的时空演变特征。结果表明:基于分位数的偏差校正方法能有效消除气候模式中存在的系统性偏差。SSP2-4.5情景下夏玉米生育期内多模式平均最高温度在未来两个时期将分别增加1.38℃和2.52℃,而SSP5-8.5情景下将增加1.76℃和3.58℃。与此同时,SSP2-4.5情景下日最高温度超过35℃的积温(Killing Degree Days,KDD)在未来两个时期将分别增加16.4℃·d和41.3℃·d,而SSP5-8.5情景下将增加23.1℃·d和75.8℃·d,其中河南省增加幅度最为突出。SSP2-4.5情景下夏玉米生育期内多模式平均降水量将分别增加12.27 mm和26.39 mm,而SSP5-8.5情景下将增加9.86 mm和39.54 mm。大于50 mm的暴雨天数同样呈增加趋势,在SSP2-4.5情景下未来两个时期将分别增加0.09 d和0.18 d,而SSP5-8.5情景下将增加0.07 d和0.29 d。

刚性挡墙绕底转动时的非极限主动土压力数值解

刚性挡土墙在下部受限时往往呈现绕墙底转动的位移模式,该模式下不同深度土体所处非极限状态不同,给土压力计算带来了困难.在已有研究基础上,推导了适用于绕墙底转动模式下土体强度参数与墙体位移的函数关系;假定墙后土体形成圆弧形土拱,滑裂面为不确定的曲面,将墙后土体按小步长水平分层,构建了绕墙底转动模式下非极限主动土压力的数值迭代格式,给出了该模式下非极限主动土压力的数值计算方法.该数值解既能确定墙后滑裂面的形状,又能计算非极限主动土压力的强度、合力及作用点.将数值解与模型试验结果、现有解析解进行了对比,发现墙后滑裂面为一曲面,该解计算结果与模型试验结果的契合度比现有解析解更高.这提供了刚性挡土墙绕底转动时非极限主动土压力的更精确解答,对这类挡土墙设计具有现实指导价值.

软土下卧倾斜硬层基坑变形规律及抗隆起稳定性

受地质构造及地层沉积影响,实际地层分布并非完全水平。以软土下卧倾斜硬层基坑为研究对象,通过建立基坑土体非对称有限元模型,开展倾斜硬层斜面倾角、斜面与支挡结构距离对基坑变形及抗隆起稳定性的影响规律研究。结果表明:1)斜面倾角、斜面与支挡结构距离对基坑变形规律及安全系数存在显著影响。2)倾斜硬层造成基坑两侧软土不对称分布。土层厚度越小支挡结构受到的约束作用越大,该侧坑底隆起量、支挡结构变形、坑外地面沉降都小于土层厚度大的一侧。

基于双曲线模型的冻土中锚杆荷载传递特性研究

为研究不同冻结温度及含水率对冻结粉土中锚杆抗拔性能的影响,根据冻土与混凝土接触面的力学特性和变形规律,采用双曲线模型描述锚杆-冻土接触面的剪切特性。基于荷载传递法,建立考虑温度和含水率影响的锚杆荷载传递方程,采用有限差分法进行求解,得到锚固段的剪应力、轴力及承载力计算式;通过ABAQUS数值模拟验证荷载传递方程的合理性,结合算例分析表明:冻土中锚杆抗拔承载力大于常温土,且温度越低承载力越高;在相同荷载作用下,冻土温度越低,轴力沿深度衰减越快,剪应力分布越不均匀;相同冻结温度下,锚杆承载力随含水率的增大呈先增大后减小的趋势;增加锚固体直径能有效地提高锚杆的极限承载力。

三维非对称边坡稳定性分析极限平衡法

本文提出了一个三维非对称边坡滑动方向计算公式.将单轴方法与滑动方向计算公式相结合,建立了基于一个方向力/力矩平衡的三维非对称边坡稳定性分析极限平衡法.应用本文方法迭代计算求得非对称边坡的安全系数和滑动方向,因此消除了假定滑动方向带来的计算误差.此外,还给出了滑动方向迭代初始值的估算方法.静力和拟静力条件下4个典型算例的分析结果证明了本文方法的可靠性和迭代计算的收敛性.工程实例分析结果进一步验证了本文方法的工程适用性.本文提出的方法原理简单、结果可靠,可在边坡工程设计及滑坡治理中推广应用.