甘肃黑方台黄土滑坡群冻结滞水效应研究

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黄土滑坡是西北地区常见的地质灾害类型,诱发因素与灌溉、冻融等息息相关,其中以甘肃黑方台最为典型。该类型滑坡危害巨大,对当地的生命财产安全以及经济发展造成了严重的损害。过去的研究更多关注灌溉型黄土滑坡的形成机理、稳定性评价和预警。近年来通过对滑坡灾害类型与数量的调查统计,发现黑方台斜坡滑移面上冻结期出现的滑坡数量较多。因此,亟需深入认识冻结期黄土滑坡的影响因素,以期为黑方台斜坡稳定性分析提供参考。本文将现场监测和数值模拟相结合,以黑方台斜坡滑移面地下水溢出带与坡面非饱和区域地温、土壤含水量、地下水位等监测数据为基础,分析了地下水溢出带与坡面非饱和区域的冻融特征及差异,验证了冻结滞水效应的存在性;以理查兹方程、固体传热方程、土体弹塑性本构以及强度折减法为基础,将水压、温度以及位移作为基本变量,建立了考虑非饱和土土水特征曲线、冰阻效应、冰水相变、对流传热的水热力耦合模型,重现黑方台斜坡滑移面上冻结滞水过程,探究冻结滞水效应对斜坡稳定性的影响;引入裂隙流方程,考虑了灌溉水在黄土优势入渗通道的渗流过程,讨论了灌溉作用、下垫面特征差异对冻结滞水效应的影响以及黄土滑坡失稳模式演化过程。主要结论如下:(1)坡面非饱和区域在1月下旬达到最大冻结深度约40cm,2月初,冻结土壤逐渐融化,冻结持续时间达2个月;地下水溢出带土体在1月下旬达到最大冻结深度,超过了20cm,至1月末,冻结土体开始融化,冻结持续时间近50天;在相同大气温度环境下,地下水溢出带土体最大冻结深度更薄,首次冻结时间更晚,冻结持续时间更短。(2)通过地下水溢出带土体温度分别与地下水位高度、坡面非饱和区域含水量的对比关系证明了坡体滑移带存在冻结滞水效应。当地下水溢出带土体发生冻结时,坡内地下水位增高,坡面非饱和区域土壤含水量增加;融化期冻结土壤融化,坡内地下水位下降以及坡面非饱和区域土壤含水量减小。现场监测表明,冻结滞水过程导致坡内在冻结期地下水位上涨近0.31m。(3)数值模拟计算表明冻结作用导致斜坡地下水位增高,坡内地下水位高度上升主要体现在坡面陡坎处上方,2月份与8月份地下水位高度最大差距可达近1m,黑方台黄土滑坡带“冻结滞水效应”显著;黑方台滑坡带冻结滞水过程对斜坡具有促滑效应,其安全稳定系数在第1年10月至次年2月时间段内呈下降趋势,期间安全稳定系数最大折减约8.7%,并在2月达到最小值1.42。(4)灌溉与下垫面差异条件下斜坡数值模拟表明:灌溉导致坡内形成冻结滞水效应,地下水位越高,冻结滞水效应越明显;灌溉作用下黑方台地下水位1年内上涨了0.46m,一年中斜坡安全系数在冬春交替时最小,6月份达到最大值;在相同边界条件下,无植被覆盖区域斜坡冻结滞水效应更显著,但植被覆盖区域更容易发生滑坡,且植被覆盖区域斜坡的滑移面更陡;黑方台滑坡群具有渐进后退式演化特点,每次斜坡滑移面都会沿着坡壁凹槽底部发生,其滑移面会越来越小,而新滑坡都是在上一次滑坡的基础上牵引推动所发生,形成逐级递进的破坏模式。
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