盐分影响重塑黄土渗透性的微观机制试验研究

“治沟造地”修建水库,导致土地盐渍化,而盐渍土的渗透性是影响工程设计、施工安全的重要因素,因此阐明不同盐分含量及类型条件下的重塑黄土渗透性至关重要。通过制备不同盐分含量的钠、钙盐重塑黄土试样,开展一系列室内变水头饱和渗透试验,探析重塑黄土渗透系数随盐分含量的变化规律。结果表明:随盐分含量增加,重塑黄土饱和渗透系数逐渐减小,两者呈负指数相关,含盐重塑黄土渗透系数与不含盐重塑黄土相比均有不同程度减小;同一盐分含量条件下,钙盐黄土的渗透系数小于钠盐黄土的渗透系数。采用核磁共振(nuclear magnetic resonance,NMR)技术,测取重塑黄土的孔隙水赋存状态与孔隙结构随盐分含量与类型的变化;当盐分含量小于2%时,随盐分含量增加,孔隙水赋存状态与孔隙结构的变化使重塑黄土渗透系数迅速减小;当盐分含量大于2%时,随盐分含量增加,孔隙水赋存状态变化使重塑黄土渗透性增加,而孔隙结构变化使重塑黄土渗透性减小且对渗透性的影响占主导,因此重塑黄土的渗透系数缓慢减小;同一盐分含量条件下,钙盐重塑黄土的孔隙水赋存状态和孔隙结构的变化比钠盐重塑黄土更显著。

坡底饱和型黄土滑坡离心模拟试验

黄土极具结构性和水敏性,人类活动及自然因素作用下的水致地质灾害备受关注,其中坡底饱和型黄土边坡极易失稳破坏并造成危害。基于离心模拟手段,采用未扰动原状黄土制作模型,自主设计模型后缘渗水装置,模拟坡底饱和型黄土边坡的失稳过程;通过模型顶部视频监测、侧面粒子图像测速(particle image velocimetry,简称PIV)分析、底部孔隙水压力及土压的联合监测手段,分析其失稳破坏特征,并结合现场滑坡演化特征进行验证对比。主要得出以下结论:加速度达80g时,模型底部饱和,前缘出现滑移、后缘发生塌陷及内部湿陷,呈多元破坏形式;模型侧面位移表现为滑移前的表层张拉变形、底部湿陷变形及后缘塌陷前的顶部沉降变形;模型底部高孔隙水压力区分布于大面积滑移和塌陷区域下方,表征了坡底高水位对破坏的影响及底部水渗流的不均匀性;模型滑移破坏与现场滑坡具相同演化进程:坡底饱和-张拉裂缝-后退式小型滑移-水位抬升-后退式大型滑移。研究成果可为原状黄土的模型试验研究思路及原位滑坡的多元破坏机制研究提供借鉴。

基于高精度低空摄影测量的黄土滑坡精细测绘

滑坡体积精确计算看似简单实则困难。黄土高原具有植被稀少、岩土暴露程度高、滑坡易发多发等特点。本文在充分认识上述特点的基础上,尝试采用高精度低空摄影测量技术来精确测算滑坡方量。与传统计算方法、遥感和三维激光扫描对比,低空摄影具有受各类因素影响较小、作业灵活、高效、产品精度高等优点。本文以甘肃黑方台党川2#黄土滑坡为例,在介绍近景摄影测量数据获取方法的基础上,采用滑坡前后的高精度的低空摄影测量数据源和结合现场调查,对该滑坡进行精细测绘,实现"数字化滑坡"。研究结果表明:(1)滑坡长217m,宽176m,滑坡平均厚度约20m(滑源区),滑距782m,后缘到前缘的落差122m,影响面积为105216m^2;(2)根据斜坡各部分滑动和堆积特征,将其细分为崩滑区、主滑区、滑塌区、流通堆积区、铲卷堆积区、挤压堆积区、二次堆积区、粉尘堆积区;(3)以高精度DEM求得,滑动和堆积方量体积分别为31.72×10~4m^3和49.96×10~4m^3;(4)滑坡整体松散系数为1.411,局部的干密度差别较大,其大小与滑坡发育特征和运动过程有密切关系。

基于卫星降雨数据的陇南地区的地质灾害降雨阈值研究

降雨诱发的区域群发性地质灾害造成了大量人员财产损失,明确诱发地质灾害的降雨阈值至关重要。而高精度降雨数据的缺乏是实施、推广区域降雨阈值面临的最大问题。因此,本文在通过地面雨量站监测数据验证GPM卫星降雨数据在陇南市适用性的基础上,利用GPM数据提取地质灾害发生时的降雨特征值,并采用频率法绘制陇南市地质气象灾害的多级E-D阈值曲线,同时分析了地貌单元与灾害类型的阈值差异。结果表明:GPM降雨数据在陇南市地区具有良好的精度和适用性。通过对比陇南山地与陇南黄土丘陵地区的降雨阈值,发现陇南山地的阈值更高,表明诱发地质灾害的降雨条件要求更高;此外,陇南山地泥石流的降雨阈值高于陇南山地滑坡的降雨阈值。

农业劳动力规模和结构变化及其对粮食生产的影响——基于随州市银山坡村农户调查

在阐述研究区域概况和我国农村劳动力现状的基础上,依托银山坡村农户调查资料和统计资料,对19852009年农业劳动力规模和结构变化特征进行分析,从农地政策、计生政策、农地边际化与工业化4个方面剖析了农业劳动力规模和结构变化的原因,在此基础上从农户家庭农地经营规模、粮食播种面积及复种指数、土地生产率3个方面对农业劳动力变化对粮食生产的影响进行研究。结果表明,19852009年农业劳动力质量呈下降趋势,主要体现在农业劳动力年龄结构上的＂断层现象＂和农业劳动力的＂老龄化＂;农业劳动力规模和结构发生变化的原因主要有农地制度、计生政策、农地边际化和城市化;农业劳动力规模减小对农作物复种指数存在较大的负面影响,土地生产率的高低受农户家庭农业劳动力规模和结构的综合影响。

区域耕地面积变化与粮食安全机制研究——以仙桃市为例

粮食安全与耕地面积变化有着密切关系。以江汉平原的仙桃市为例,通过建立耕地变化驱动力模型,并对武汉都市圈"8+1"城市粮食安全系数进行评价,探讨了区域耕地面积变化与粮食安全机制。结果表明:城市化水平、粮食单产、社会消费品零销总额、第三产业产值、全社会固定资产投资总额、农业机械总动力、工业化水平是耕地面积变化的主要动因;粮食安全系数从1995年的0.81减少2007年的0.65,其中2000、2003、2007年粮食安全系数低于0.7,总体存在下滑趋势,但各年都处在安全级以上的水平;耕地面积变化与粮食安全系数呈现正相关关系,表现为耕地面积减少1个单位,粮食安全系数降低0.001单位。依据研究结果,从宏观和微观层次上提出了保障粮食安全和保护耕地数量相关政策建议。

高高原地区高填方坡面防护研究——以西部某机场为例

以西部高高原地区某机场为例,结合当地的气候特点、地质条件和地下水发育状况,对坡面破损机理分析,得出高填方边坡坡面破损的作用力有:季节性冻融作用、降雨冲刷、地下水潜蚀和风力侵蚀等;此外,坡面形态特征和土体特性也对坡面破损作用有较大影响。在此基础上,对高填方坡面防护提出综合处理措施。

2015年4.29甘肃黑方台党川2~#滑坡基本特征与成因机理研究

2015年4月29日早上7点55分,甘肃省永靖县盐锅峡镇党川村发生了小规模黄土滑坡,约5×10~4m^3失稳的黄土从黄河Ⅳ级台塬黑方台冲向黄河Ⅱ级台塬。滑坡后仅3h,再次产生较大规模的黄土滑坡,约35×10~4m^3黄土泥流冲向下游,形成长约780m,宽100m的堆积体,最大的堆积厚度17m,在党川段是少有的灾难性的滑坡。本文在滑前位移监测和裂缝分布变形研究的基础上,结合详细地质调查、低空摄影测量、现场工程地质测绘、含水率实验等手段,对党川2~#滑坡的基本特征进行了分析,并形成滑坡发生及成灾原因初步认识。结果表明:(1)从时间上来看,党川2~#滑坡共发生2次滑动,根据滑动模式和堆积特征上分析,第Ⅰ次相对独立,第Ⅱ次分为3轮滑动,共4轮滑动;(2)第Ⅰ次滑动区域面积8396m^2,变形区域仅在台塬边较小范围内,滑前长期蠕动变形是第Ⅰ次滑动发生诱发因素;(3)第Ⅱ次滑动区域面积为27422m^2,地表裂缝较少,滑前裂缝无明显位移变形,底部黄土的液化对台塬黄土滑坡的运动起了非常重要的作用,该次滑动滑距长、破坏强,具有突发性;(4)党川段开始发生大规模静态液化型黄土滑坡,并以落水洞形成滑坡边界,这对其他区段早期识别和监测预警研究具有重要意义。

突发型黄土滑坡监测预警理论方法研究——以甘肃黑方台为例

灌溉诱发的黄土滑坡大多数具有明显的突发性特征;斜坡破坏过程变形量小,历时短,具有较大的危险性。由于此类黄土滑坡加速变形阶段经历时间较短,GNSS系统和裂缝计等传统监测手段难以获取加速变形阶段系统完整的监测数据,更难以提前预警。针对这一难题,自主研发了自适应智能变频裂缝仪,它能够根据滑坡变形快慢自动调整采样频率。基于获取的黑方台多个突发型黄土滑坡的全过程变形-时间曲线,对这些变形曲线特征和规律进行分析研究,建立了针对性的黄土滑坡综合预警模型。将变形速率阈值和改进切线角作为滑坡预警的重要指标,建立了4级预警判据,通过自主研发的"地质灾害实时监测预警系统"实现滑坡的实时自动预警,并将预警信息与当地的群防群测信息平台对接,为防灾应急避让提供直接依据。2017年以来已先后6次对黑方台黄土滑坡实施成功预警,避免了重大人员伤亡,取得显著的防灾减灾效果。

地下水诱发渐进后退式黄土滑坡成因机理研究——以甘肃黑方台灌溉型黄土滑坡为例

黑方台位于我国甘肃省永靖县,该区由于长期灌溉导致地下水位上升,诱发了大量的黄土滑坡,其中最典型的一类滑坡为渐进后退式黄土滑坡。通过对比代表性滑坡多期Google影像,并结合现场调查分析了近年来新发生的滑坡,发现该类黄土滑坡具有典型的渐进后退式演化过程。现场调查和对典型滑坡剖面黄土含水率的实测发现,黄土层底部受地下水的长期浸泡软化所形成的软基效应是使黄土滑坡不断发生的主要原因,而滑坡发生后留下的弧形凹槽往往成为地下水局部集中汇聚和排泄点,滑源区被滑坡残留体覆盖导致地下水位局部雍高上涨,将导致同一滑坡发生多次渐进后退式破坏。

甘肃黑方台黄土滑坡地表水入渗机制初步研究

黑方台黄土底部的地下水对滑坡的发生起了重要作用,地下水的来源主要为台塬大面积灌溉,灌溉水通过孔隙、裂隙进入黄土内部并在底部向台塬四周渗出。通过探地雷达确认了台塬中部与台塬边同样发育大量裂隙延伸至黄土深部。根据灌水和开挖探槽可见裂隙为地表水的主要优势入渗通道,地表水可沿裂隙快速入渗至黄土深部。在台塬四周的陡壁和典型滑坡后壁取样测含水率发现黄土底部只有裂隙渗水点附近含水率较高,其余区域含水率增大不明显,黄土底部含水率大小分布受节理裂隙控制。

甘肃黑方台滑坡滑距参数的BP神经网络模型

在甘肃黑方台,由于台塬大面积提水灌溉导致台塬边滑坡频繁发生,对当地居民生命财产安全造成危害。文章以黑方台75处滑坡(含53处黄土滑坡与22处黄土-基岩滑坡)为研究对象,基于BP神经网络模型,优化建立了迭代BP神经网络模型,全方位研究分析了滑坡滑距同滑坡体体积参数与地形地貌参数之间的关系,其中黄土滑坡迭代99次,黄土-基岩滑坡迭代256次。最优模型返回相关系数为0.976(黄土滑坡)与0.978(黄土-基岩滑坡),结果具有较高的可靠性。选取模型结果最优的几组迭代方案分析可知,影响黄土滑坡滑距的重要参数为滑坡体积、滑源区纵向长、滑坡落差、滑坡坡角、黄土厚度,次要参数为滑源区横向宽与滑坡壁高;影响黄土-基岩滑坡滑距的重要参数为滑源区纵向长、滑坡落差、滑动方向、基岩倾角、滑坡坡角,次重要参数为滑坡体积与岩层倾角,次要参数为滑源区横向宽与滑坡壁高。该研究为黑方台地区滑坡滑距以及滑坡危险范围的研究提供参考与指导。

溃散性滑坡成因机理初探

通过对多起由饱水松散颗粒材料构成的滑坡案例的调查研究,总结了此类滑坡的共性特征,即表现出显著的整体性坍塌并伴有突然破坏、静态液化和高速远程流动性运动等独特现象,认为其与国际土力学界新发现的溃散性破坏(diffuse failure)极为吻合,是区别于局部化破坏(localized failure)的一类新的失稳破坏模式.借助物理模拟手段,初步探讨了溃散性滑坡的成因机理.结果表明:溃散性滑坡一般发生于松散且具有明显应变软化特征的饱水颗粒材料(粉土、砂、碎石土等)中,当土体受力达到临界失稳状态时,外界微小扰动都可能产生突然整体性破坏;在失稳破坏时表现出明显的孔隙水压力激增和静态液化现象,失稳后土体呈流体状远程运动,易造成灾难性后果,应引起高度重视.

黑方台地区黄土强度弱化的浸水时效特征与机制分析

黑方台地区因灌溉水下渗,导致地下水位上升,深部土体长期处于饱水状态。地下水溶滤作用带走大量盐分,同时改变了孔隙水溶液中的化学成分,影响着黄土的抗剪强度。采用环剪仪、激光粒度分析仪、Zeta电位仪、电感耦合等离子体发射光谱仪、离子色谱仪等装置从强度和物理化学作用等方面对其进行研究。试验结果显示,黄土抗剪强度及其参数(内摩擦角)-浸水时间曲线呈"勺形"。结合相应的物理化学测试结果,分析了黄土强度弱化的浸水时效机制:浸水初期,胶结物(易溶盐)迅速溶解,黄土微结构破坏,内摩擦角显著降低;同时孔隙水离子浓度增大,与黏粒反离子层发生离子交换作用,黏粒结合水膜厚度变小,致使内摩擦角稍有增大;随着浸水时间的增加,中溶盐石膏逐渐溶解于氯化钠溶液中,导致黄土中粗颗粒进一步分散解体,黏粒含量增加,双电层总厚度有所增大,内摩擦角稍有降低。

黑方台黄土斜坡变形破坏机理研究

黑方台常年农业灌溉引起地下水位上升,在透水性差的粉质黏土层顶部形成了厚度不断增大的饱和黄土软弱带,导致斜坡蠕动变形诱发了大量的黄土滑坡,滑坡体在地下水的浸润作用下转化为黄土泥流向前运动。为对黄土斜坡的变形破坏机理进行分析研究,进行了8个围压下的固结不排水试验。试验结果表明:饱和黄土应力应变模式表现为强烈的应变软化剪缩型,并具有一定的稳态特性。300 k Pa围压以下,试样强度丧失,土体完全液化,其余围压下的试样产生部分液化,抵抗变形能力增加,土体应力状态可划分为完全液化区和部分液化区。斜坡的变形破坏特征因上覆黄土厚度不同而有所差异,通过插值计算,黄土层厚度大于临界黄土厚度(约20 m)时,斜坡产生突发性滑动变形破坏,反之斜坡产生缓慢变形的黄土泥流。研究结果证明了黑方台削方减载治理工程的科学性,并为滑坡的防治和治理提供了一定的理论依据。

甘肃黑方台陈家8~#静态液化型黄土滑坡变形特征及成因机理

甘肃黑方台为灌溉诱发的静态液化型黄土滑坡发育地区,这类滑坡变形破坏具有明显的突发性,2015年黑方台东北侧的陈家8~#滑坡发生了3次滑动,在前方沟谷内形成了4.4×10~4 m^3黄土堆积体。通过野外调查和位移监测,获得了陈家8~#静态液化型黄土滑坡的完整变形曲线,其滑坡变形过程可分为前期稳定、匀速变形和加速变形3个阶段,位移具有明显的突发性,滑前坡体底部饱水黄土的静态液化是诱发滑坡连续发生的原因,而滑坡弧形凹槽产生的汇水作用是使3次滑动呈渐进后退式的重要因素。有效的地表变形监测和宏观上地下水渗出规律的识别是预警这类滑坡的重要手段。

泾阳南塬蒋刘4#滑坡特征及成因机制

2016年3月6日,泾阳南塬蒋刘村发生了约2×10~4m^3的小型黄土滑坡。滑坡发生后,在对滑坡现场进行详细的地质调查基础上,结合无人机航测和三维激光扫描综合手段,对滑坡的基本特征及成因机理进行了初步分析。结果表明:长期引水灌溉是滑坡发生的基本条件;坡脚滞水软化作用、与灌溉渠较短的渗透距离、坡脚冻结黄土春季解冻是导致滑体发生的直接原因;底部饱和泥化黄土的铺垫及导流作用,是导致其滑程较远的根本原因。该类滑坡近几年来发生频率较高,为泾阳南塬滑坡演化后期的主要发生类型,具有一定的特殊性,值得深入研究。

基于数值模拟的突发型黄土滑坡运动过程研究——以黑方台陈家8#滑坡为例

甘肃省黑方台地区农业灌溉诱发大量的静态液化型滑坡,此类滑坡失稳前变形迹象小、启动速度快、运移距离远,具有显著的突发特征并严重威胁到当地居民的生命财产安全。目前对突发型滑坡的运动过程,主要集中在定性和半定量研究方面,缺乏合理的定量研究。本文选取黑方台地区典型的陈家8#突发型滑坡,采用Massflow数值模拟软件对该滑坡进行反演,依据滑距及堆积范围吻合率定量判断反演结果的准确度,利用最优的吻合结果来分析滑坡启动后不同时刻的堆积厚度和运动速度,得出如下结论:(1)对于陈家8#滑坡,当内聚力为1000 Pa、内摩擦角为31°、基底液化系数为0. 63时,滑距与堆积范围吻合率分别为0. 94和0. 89,反演获得的滑坡堆积范围与真实堆积非常接近。(2)数值模拟结果显示,滑坡主滑方向的平均厚度约1. 20 m,最大堆积厚度约4. 10 m,反演结果与真实堆积厚度较为吻合,后缘高差与滑距之比为0. 05,体现此类滑坡较强的流态特征。(3)滑坡的运动过程可分为启动加速、稳定加速、减速堆积三个阶段,陈家8#滑坡从启动到最终静止整个过程仅用42 s,最大运动速度介于15 m/s至20. 30 m/s之间,启动加速阶段时间仅占滑坡运动总时间的12. 85%,而减速堆积阶段占滑坡运动总时间的77. 38%,进一步表明其流态特性,体现该类滑坡较强的破坏性。

基于均匀分布的滑坡数值模拟参数取值概率研究--以甘肃黑方台黄土滑坡为例

针对数值模拟参数选取主观性强、量化难度大的问题,在高精度无人机地形数据的基础上,通过对11起滑坡案例进行了407组参数反演实验,对结果准确度定量评价后,得到基于Massflow数值软件关键参数λ0的分布范围,进而运用小样本极大似然估计理论,分析区间边界长度对反演精度的影响,最终提出基于均匀分布的参数取值概率模型,并选用案例验证该模型的准确性。结果表明:地形约束会导致反演过程中所需的内聚力减小,反演获得的11组最优λ0的极差和方差分别为0.29、0.01,在置信度为95%下,极大似然法得到区间边界估计长度仅为0.0998,表明参数λ收敛性较好;反演过程中质心滑动距离ψ准确度优于堆积面积重叠率η,在λ0±0.05的范围,参数估计区间内任意值对模拟误差影响较小,评价指标ψ、η与λ0对应案例的相对误差不超过15%;所选案例验证了在置信度为95%下,以反演得到的最优参数区间边界中点构建概率分布函数的可行性和准确性,研究方法可为单体滑坡数值模拟风险评价提供理论支撑。

WA-BT-ELM耦合模型在黄土滑坡位移预测中的应用

黄土滑坡的变形演化过程往往受到多种因素的影响,呈现出非线性特征。基于小波分析函数(Wavelet Analysis,WA)、提升回归树(Boosting Regression Tree,BT),以及极限训练机(Extreme Learning Machine,ELM)方法,提出一种名为WA-BT-ELM的黄土滑坡位移预测新方法。该方法将非线性位移数据作为一时间序列,运用小波分析函数将监测点累积位移曲线分解为若干子小波;随后使用提升回归树对所有子小波进行重要度分析,剔除相关性不高的子小波以去掉冗杂信息;最后运用极限训练机,结合筛选得到的子小波对滑坡位移进行预测分析。基于该模型对甘肃省永靖县黑方台滑坡区的滑坡位移监测数据进行预测,得到了优于ANN,BPNN,SVM,ELM,以及WAELM预测模型的结果,故认为WA-BT-ELM模型是一种有效的黄土滑坡位移预测方法。