土石坝护坡冻胀破坏水-热-力耦合数值模拟研究

针对寒区土石坝护坡普遍存在的冻胀破坏问题,选取寒区某土石坝工程为研究对象,结合土石坝工程特点,建立考虑水-热-力耦合作用的有限元计算模型。研究护坡在库水位和坝体填土水分迁移作用下冻胀破坏全过程,分析土石坝温度场、水分场和位移场的变化规律,并将位移场有限元计算结果与实测冻胀变形资料进行对比,验证有限元计算结果。研究结果表明:冻胀作用对坝坡影响深度约为2 m,坝坡浅层0~2 m范围的温度变化受外界气温影响较大,坝体内部温度相对坝坡浅层变幅小,且有一定的滞后性;负温使坝坡浅层孔隙水相变成冰,宏观上表现为未冻水体积分数的降低,坝坡浅层土石混合体孔隙水相变、坝体填土内水分向坝坡迁移和冻结峰面向坝体内部移动是护坡冻胀破坏的主要因素;大坝坝坡计算冻胀量为20~30 cm,最大值为36 cm,计算结果与实测冻胀变形资料吻合;护坡冻胀破坏主要由砂砾料垫层、坝体填土等土石混合体冻胀及冰推力共同作用引起。研究结果可为寒区土石坝护坡设计提供参考。

西北寒旱区高速公路4种边坡防护形式植被恢复效果

在进行高速公路建设时,合理采用边坡防护形式可以很好的提高植被恢复效果。针对寒旱区环境和地质地貌特点,选取三维网植草、蜂巢格室,撒播植草和生态袋植草等4种公路边坡防护形式开展试验研究,通过测量土壤性质变化及植物生长情况探究不同防护形式对土壤环境营造和植物生长的影响。结果表明:4种防护形式都在不同程度上保证了植物生长,但植被恢复效果存在差异。蜂巢格室能够较好的改善土壤条件进而保障植物生长,其次为三维网植草,植被恢复效果较差的为撒播植草和生态袋防护形式。对于寒旱区高速公路边坡植被恢复宜采用蜂巢格室的防护形式,而对于有坡面稳定需求的边坡宜采用生态袋防护形式。

高寒地区供水渠道水热特征及其长期演化规律

水热耦合作用是高寒地区供水渠道劣化失稳的重要因素。以北疆典型供水渠道为研究对象,依据渠道典型断面的监测结果,系统分析供水渠道的温度场和渗流场特征,在此基础上通过数值计算分析湿干冻融耦合循环下供水渠道的水热演化规律,探讨不同运行年份对于渠道水热特性的影响。结果表明:渠基土每年经历了显著的升降温过程以及饱和非饱和的状态转换,多年来经历了干湿交替、冻融循环的耦合作用过程,其水热问题往往呈现湿干冻融耦合循环的特点。在运行过程中,渠道的水分场、温度场发生显著变化,但这一变化在模型渠道运行3年后已趋于稳定,浅层基土饱和度的增长是造成模型渠道冻胀融沉的主要原因。研究成果可为高寒地区长距离调水工程建设及运维提供科学依据。

An analysis of oasis stability in arid areas:a case study in the northern slope areas of the Tianshan Mountains

This paper discusses oasis stability at regional scale with a case study in the northern slope areas of the Tianshan Mountains (NSTM). The results showed certain significant aspects. (1) As long as water resources in the oasis keep stable and their utilization efficiency can be maintained or gradually increased, the primary productivity could be continuously increased and the natural primary productivity keeped relatively stable. In this case, it is considered that the oasis is stable and its sustainable development can be achieved at regional scale. (2) Considering the availability of water resources in the oases, the oases on the alluvial-diluvial fans are highly stable. In the alluvial plain downstream of the groundwater overflowing zones the oases are moderately stable and in the lacustrine deltas or dry lacustrine deltas the oases are lowly stable. (3) Enlargement of oases and the increase of water resources and vegetation coverage in the oasis will certainly enhance the 'cold-island effect' of the oasis and increase the stability of oases.

低温条件下边坡岩石动态力学特性实验研究

我国多年冻结区和季节性冻结区面积广泛,在这些地区进行工程建设和矿产资源开采必须考虑特殊的地质和气候条件,其中寒区边坡的稳定性问题值得研究.以位于西藏自治区的玉龙铜矿为例,矿区平均海拔约4000 m,最冷月日平均最低气温约-20℃,冻结期长,边坡稳定性受冻融作用显著,冻结岩层给爆破开挖带来诸多困难,制约了矿山生产效率.为研究低温条件下边坡岩石的动态力学特性,从西藏玉龙铜矿边坡钻取了大理岩试样,借助含低温控制系统的分离式霍普金森压杆(SHPB)实验系统,对常温干燥、常温饱水和低温冻结三种状态的岩样进行了动态拉压力学实验,以探究温度、含水量对岩石动态力学性质的影响.试验结果表明:(1)受低温水冰相变和岩石基质冷缩的共同影响,-20℃冻结岩样的平均单轴动态压缩、拉伸强度较常温下有所增大.其中,岩石基质的冷缩现象是造成冻结岩石强度显著提高的主要原因.四种应变率下,压缩应力分别增大1.30、1.62、1.41、1.43倍,拉伸应力分别增大1.36、1.28、1.22和1.29倍;(2)受孔隙水软化影响,饱水岩样动态强度小于干燥岩样,因此同一应变率下的实验数据满足规律,即冻结岩样强度最高,干燥次之,饱水最低;(3)相同应变率下,饱水大理石的动态冲击破碎时间最长,且随应变率增大下降速度最快,同时,在相同应变率下,冻结岩样破碎耗能大于常温耗能,随应变率变化增幅最大.

寒区高边坡机场坡顶土体振动响应研究

为解决寒区高填方机场坡顶土体安全问题,通过引入土体并联振动模型和快速傅里叶变换(fast Fourier transform,简称FFT),分析了振动台试验中冻结土样振动响应在时域和频域内的变化规律,提出了基于响应频率的冻结土样动力稳定性分析方法。研究表明:冻结土样在融化过程中的加速度增长比R_(a)、频率和频率增长比R_(f)均明显变大,但加速度幅值变化规律不明显;土样含水率越高,融化时间越短,R_(f)越大,完全融化后的响应频率值越大,但对加速度放大系数影响不大;在高温冻结阶段,R_(f)出现突变但R_(a)变化不显著,表明在频域中分析冻结土样振动响应变化比时域分析中灵敏度更高。振动台试验结果验证了土体振动并联模型的可靠性,对寒区高填方机场坡顶土体安全监测具有一定参考价值。

不同植物对黄土边坡产流产沙与抗剪强度的影响

[目的]探讨不同草本植物对黄土边坡产流产沙与抗剪强度特征的影响,为进一步开展高寒干旱和半干旱地区,有效防治因降雨诱发水土流失、浅层滑坡等地质灾害,提供理论依据和实际指导。[方法]在西宁盆地长岭沟流域自建试验区,选取垂穗披碱草(Elymus nutans)、老芒麦(Elymus sibiricus)、细茎冰草(Agropyron trachycaulum)3种优势草本植物为试验供试种,开展原位人工模拟降雨试验与室内直剪试验,分析了模拟降雨条件下6种不同类型植物边坡坡面产流产沙及根—土复合体抗剪强度特征。[结果]在模拟降雨条件下,草本植物能显著抑制坡面产流产沙,阶梯形边坡相对直形边坡能显著降低坡面产流产沙,且随着草本生长期增加坡面产流产沙显著降低,生长期为2 a的种植垂穂披碱草阶梯形边坡坡面累积产沙量较垂穂披碱草直形边坡降幅为79.68%,生长期为1 a的种植垂穂披碱草阶梯形边坡平均产沙率较阶梯形未种植裸坡降低幅度最大为86.27%,表明种植垂穂披碱草阶梯形边坡有效抑制坡面的产流能力相对显著;进一步研究表明,降雨使边坡土体平均含水率增大,导致边坡浅层土体黏聚力降低;与直形边坡相比较,模拟降雨后阶梯形边坡黏聚力c值降低幅度较小,其中种植垂穂披碱草阶梯形边坡较降雨前降低幅度为19.25%,表明垂穂披碱草阶梯形边坡其增强边坡土体强度效果相对最显著。[结论]垂穗披碱草阶梯形边坡表现出相对更显著的抑制边坡水土流失和提高边坡浅层土体抗剪强度,起到增强边坡土体稳定性的作用。

高寒高烈度山区公路溜砂坡地质灾害监测预警研究

针对高寒高烈度山区公路溜砂坡地质灾害,采用理论研究与案例分析相结合的方法,得出溜砂坡监测预警预报关键参数,建立监测预报模型,判定了和田山区公路典型路段溜砂坡预警级别。研究得出溜砂坡的预警预报关键参数:挡土墙与坡间的“残余库容体积”、“挡土墙高度”、“年平均产屑率”,溜砂坡监测预报模型判定了和田山区公路5处典型溜砂坡路段的预警级别。

天山南坡山前荒漠草地植物群落分布对环境因子的响应——以拜城县为例

为探明天山南坡拜城县山前荒漠草地植物群落分布对地形与土壤因子的响应,本研究选取了拜城山前荒漠草地典型区域进行调查,采用优势度法和典范对应分析(Canonical correspondence analysis,CCA)法,研究山地荒漠草地植物群落分布与地形和土壤因子之间的关系。结果表明:(1)不同调查样点灌木层和草本层物种多样性存在差异,东坡调查样点Shannon-Wiener指数、Pielou指数和Simpson指数均表现为灌木大于草本,西坡和北坡调查样点Shannon-Wiener指数、Pielou指数和Simpson指数均表现为草本大于灌木;(2)典范对应分析法分析结果表明,地形因子对植物群落的影响大小顺序为:坡向(SA)>坡度(SG)>坡位(SP),土壤因子对植物群落的影响大小为:30~100 cm土层土壤水分(SMC-2)>土壤总孔隙度(STP)>0~30 cm土层土壤水分(SMC-1)。地形和土壤因子对不同植物群落的形成具有一定的筛选作用,30~100 cm土层土壤水分和坡向是影响天山南坡拜城县山前荒漠草地植物群落分布的关键因子。

寒区客运专线隧道口边坡温度场特征分析

以哈尔滨地区的利民隧道进口处边坡工程为背景,考虑寒区边坡土体在土体冻结、相变状态、融化这3个过程的温度变化,运用ANSYS APDL有限元软件对处于不同时期的边坡进行三维有限元数值模拟,并与现场实测数据进行对比分析。结果表明:在初始阶段,坡面处温度最高,底部温度最低,且温度由边坡顶部和底部向内部传递;外界气温仅对边坡表层一定深度范围内的土体有影响,且随着深度增加,这种影响逐渐减弱;边坡经历长期冻结后,最大冻深可达1.06 m;在整个冻结期内,冻融过渡带的位置随着气温的降低而沿坡面法向方向逐渐下降。进入融化期后,边坡土体的融化深度不断增大,且上层土体温度变化比较剧烈,其温度梯度更大。

高寒条件下的矿山排土场边坡表面变形规律研究

通过分析驱龙3-1#排土场边坡监测数据,研究发现影响排土场表面变形的主要因素为时间与降雨量因子,且排土场变形与时间及降雨量因子之间存在显著的线性相关特性,还得到了排土场表面变形与时间及降雨量因子之间的回归统计模型;此外,研究还发现排土场变形最大区域在坡底与排土场入口位置,且变形在空间上表现出了由坡底逐渐向坡顶发展并持续保持的变化规律,因此,在日常排土场安全管理中,应当加强早期坡脚变形与后期坡顶变形监测,并提出了防控建议措施,这可为评估和预测排土场表面变形发展趋势提供参考。

提升高寒、高海拔地区边坡绿化效果施工技术研究

两河口水电站位于高寒高海拔地区,在自然条件下,施工开采后的边坡不利于植物生长,绿化植物的种子成活率和绿化覆盖率低,绿化效果不理想。阐述了对提升高寒高海拔地区边坡绿化效果施工技术进行的研究,通过采取切实有效的措施,显著提高了边坡绿化植物的种子成活率和绿化覆盖率,所取得的经验可为类似工程绿化施工提供借鉴。

考虑道路坡度影响的多约束冷链配送问题研究

目的为改进传统冷链VRP将配送区域默认为二维平面,使得实际调度与理想状态产生差异而造成配送成本增加的问题,本文对相关问题进行深入研究,旨在合理规划资源配置,提升企业经济效益。方法通过引入坡度函数对油耗成本和碳排放成本进行计算,综合考虑三维空间位置、多车型、载质量变化、客户取送货需求和时间窗要求等多种现实约束,并提出一种基于K–means多维时空聚类的改进遗传算法进行求解。结果求解结果表明,若最初将道路坡度考虑在成本计算内,可有效降低9.58%的配送成本。同时,应避免大型车辆在重载时突然发生海拔变化。当发生海拔变化时,大型车辆可在卸载一部分货物后改变至更高的高度。结论本文研究的模型更加贴近实际路网,具有更高的适用性,特别是对有明显道路坡度城市的冷链品的配送具有现实的借鉴意义。

高海拔寒区沼泽土地层隧道边仰坡锚杆加固效果分析

通过有限元数值模拟软件对比分析了边仰坡加固前后隧道进洞时边仰坡的稳定性,对仰坡位移、塑性区分布、仰坡安全系数和锚杆轴力分布进行了分析。边仰坡在进行加固后位移及塑性区范围减小,隧道进洞施工对其稳定性影响减小;隧道进洞50 m时仰坡加固前后安全系数分别为1.3和1.55,安全系数有较大提升;根据锚杆轴力随其长度分布规律得出边仰坡在隧道施工扰动下是沿浅层滑动面的破坏。

坡向对3种冷季型草坪草表观性状及叶绿素含量的影响

以3个坡向的冷季型混播护坡草坪为研究对象,分别于幼坪期、成坪期、建成1年后,通过测定高羊茅(Festuca arundinacea)、黑麦草(Lolium perenne)和草地早熟禾(Poa pratensis)密度、高度、盖度、茎叶性状及叶绿素含量,分析坡向对3种草坪草生长及表观性状影响的差异。结果表明:1)坡向对3个时期3种草的株高、密度和盖度均有显著影响(P<0.05),且随时间推移影响越来越大。2)坡向对幼坪期草坪群落密度有极显著影响(P<0.01),对成坪期和建成1年后草坪群落总盖度和密度均有极显著影响(P<0.01),受影响时期大小顺序为成坪期>建成1年后>幼坪期,受影响坡向大小顺序为半阴坡(EN)>阴坡(WN)>阳坡(WS)。3)坡向对3种草叶面积、根冠比有显著影响(P<0.05),对根长、分蘖数有极显著影响(P<0.01),坡向与草种互作(AS×S)仅对根长有显著影响。4)坡向对3种草Chl a、Chl b、Chl(a+b)有极显著影响(P<0.01),对Chl a/b有显著影响(P<0.05);坡向与草种互作对Chl a、Chl b、Chl(a+b)有极显著影响(P<0.01),而对Chl a/b无影响(P>0.05)。5)高羊茅在3个坡向草坪生长良好,黑麦草仅在阴坡表现较好,草地早熟禾在3个坡向生长均较差。所以,边坡草坪建植时,要依据坡向微环境进行草种与建植养护技术的选择,以提高草坪的生态效益与景观价值。

冻融循环作用下金属矿山边坡硬岩耐久性研究

对取自西藏玉龙铜矿边坡不同钻孔的灰岩、石英砂岩岩样进行了温度区间为-20~20℃的冻融循环实验,研究了岩样的抗拉强度变化趋势,将Mutluturk等提出的衰变函数模型引入到解决寒区露采矿山边坡硬岩长期稳定性的研究中,计算得到了不同位置两种岩性的衰变常数和半衰期,由此分析了该矿山边坡岩石的耐久性。研究发现Mutluturk等提出的衰变函数模型适用于解决寒区露采矿山边坡坚硬岩石耐久性问题,相同岩性不同组成的岩石耐久性可能会有较大差别,为露采矿山边坡安全维护提供了参考和帮助。

国道317线鹧鸪山隧道工程引道生态护坡方案设计

鹧鸪山隧道地处高海拔的国家天然林保护区,引道边坡裸露面与周围自然环境极不协调,边坡绿化势在必行。本文在详细调查引道边坡情况的基础上,按照边坡的坡度、高度和物质组成,对边坡进行了分类。结合当地气象水文等条件,针对不同类型边坡拟定采用生态基材、三维网客土绿化、植生穴等绿化工法,提出了适宜于不同绿化地段的乔灌草配置模式和灌草配置模式,并进行了相应的物种选择。

水电工程公路边坡的土质分析——以新疆阜康抽水蓄能电站上下库连接公路为例

近年来随着抽水蓄能电站在全国各地蓬勃发展,人们对其影响当地生态环境的认识也不断加深。在我国西北寒旱地区,电站施工过程中产生的地表扰动可能会使其脆弱的生境进一步恶化。为了评价寒旱地区电站人工边坡的生态状况及土质特性,本文以新疆阜康抽水蓄能电站为例,分析了上下库连接公路在工程扰动后26个边坡的土壤理化性质,对含水量、pH值及有机质、总氮和总磷的含量进行了测定,探讨了海拔高度、坡度角、坡面受光类型及边坡原始植被对上述指标的影响。结果表明,在西北寒旱地区因水电工程施工扰动后的边坡,其含水量、有机质含量及氮含量均发生显著下降,土壤碱性增强,但是磷含量变化不大。进一步分析表明,海拔高度对人工边坡土壤的含水量有一定影响,边坡的坡度角会影响有机质含量和含氮量。上述研究为西北寒旱地区工程扰动后的人工边坡土壤改良提供了理论依据,对促进抽水蓄能电站施工扰动后的生态重建与恢复有一定指导作用。

海底可视技术在天然气水合物勘查中的应用

海底可视技术是一种可以直观地对海底地形地貌、表层沉积物类型、生物群落等进行实时观察的调查手段。本文介绍了海底摄像、电视抓斗、深拖系统和ROV四种海底可视技术,并对海底可视技术在南海北部陆坡天然气水合物勘查中的应用进行阐述。利用海底可视技术,在南海北部陆坡发现了天然气水合物气体“冷泉”喷溢形成的自生碳酸盐岩和活动于天然气水合物冷喷溢口或渗流口周围的菌席、双壳类、管状蠕虫等化能自养生物群,圈定出该陆坡由天然气水合物气体“冷泉”喷溢形成的巨型碳酸盐岩面积达430km2。

高寒高海拔地区岩质陡边坡JYC生态基材护坡技术

针对川西高寒高海拔地区的气候特征和生态环境,提出川西高寒地区生态护坡的植被配置模式;通过一系列室内外试验,成功地研发一种适宜于高寒地区岩质陡边坡植被恢复的新型JYC生态基材;利用正交试验,研究生态基材的组分构成和配比,并重点分析生态基材各组分与草种生长的耦合关系。3年多的现场护坡试验表明:JYC生态基材具有良好的黏结性能,与锚杆、铁丝网和植物根系组成复合的生态–工程结构,并与岩质陡边坡形成一个有机整体,确保基材自身和边坡浅表层的稳定。经过反复的雨水冲刷和严寒考验,基材流失量极少、无垮塌现象,证明JYC生态基材具有较好的耐旱抗冻性和抗侵蚀性。现场取样测试表明:JYC生态基材的养分含量较高,全氮含量大于0.2%、有效磷含量大于20 mg/kg、有效钾含量大于200 mg/kg,有机质含量大于5%,属于肥力较强的基质,能够持续提供给植物生长10 a以上的养分。掺入高分子材料和磁性肥料的JYC生态基材护坡技术比喷锚支护、喷混植生等边坡防护方法更加环保、经济,是高寒高海拔地区岩质陡边坡植被防护技术发展的方向。