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黑方台灌区台缘黄土滑坡稳定性研究

马建全  
【摘要】:黄土滑坡,作为一种地质灾害,它与洪涝、飓风等自然灾害一样,可掩埋村庄、农田、摧毁工厂、中断交通、堵塞河流、造成人员伤亡等,给国家和人民生命财产、经济建设带来巨大的损失。尤其是近年来,黄土台塬区因农业灌溉而触发的滑坡正引起公众、各大媒体和工程地质界的重视。因此研究灌溉诱发型黄土滑坡的形成条件、形成机理及其稳定性,揭示该类滑坡孕育、发展直至消亡的过程,具有重要的理论意义和现实价值。 本文以甘肃省永靖县黑方台台塬缘边黄土滑坡为研究对象,在系统归纳总结灌溉诱发型黄土滑坡研究现状基础上,通过收集、整理大量文献资料,分析了研究区的地质环境背景和滑坡灾害特征;利用计算机数值模拟手段研究灌溉渗透过程中地下水运移规律,从而分析探讨黄土边坡稳定性与灌溉渗透过程中地下水的相互关系;利用颗粒流(PFC2D)数值模拟软件对黑方台焦家崖头的黄土滑坡运动过程进行了模拟。论文研究取得了以下主要结论: 1)研究区已发现的35处滑坡,主要是黄土滑坡和黄土-基岩滑坡,以黄土滑坡发育数量最多为主,且大部分是不稳定的中型浅层新滑坡;黄土-基岩滑坡发育数量少,但其规模较大,大部分是较稳定的大型深层新滑坡。划分出了6种平面形态类型和2种纵断面形态类型。从滑坡坡长、坡高、坡宽、坡度、主滑方向等,描述并总结了滑坡外形发育特征。从滑坡后缘、前缘发育特征分别总结了黄土滑坡和黄土-基岩滑坡的边界特征。对滑坡变形及运动特征提出了4个变形过程及2种运动形式。 2)对灌区黄土层地下水的补给条件及排泄方式进行了分析,并在此基础上建立了水文地质概念模型及数学模型,利用FEFLOW进行了灌区地下水三维非饱和非稳定流数值模拟,分析结果可知:随着年灌溉量的不同,地下水分布情况有所不同,但总的趋势是地下水水位随着灌溉量的增加而升高,地下水由西向东流动,由东部台缘及两侧向外排泄;台塬中心黄土层饱水带厚度也是随灌溉量逐渐在增加的,厚度由中心向四周逐渐变薄;不同灌溉条件下,台塬不同位置地下水位变化幅度及水位上升幅度也有所不同,在灌溉的头5年间,地下水位上升最快,其后地下水渗流场趋于稳定流动,地下水变化幅度不仅和灌溉量的大小有关,而且和其所在地的位置有关系;依据监测点数据,找寻到了灌溉量与地下水位上升幅度的关系曲线。 3)在已有地下水运移规律研究的基础上,针对研究区滑坡灾害发生机制,提出了考虑非饱和抗剪强度及渗透力的极限平衡方法,从8个方面对其进行了研究,并详细地推导了稳定系数计算公式。采用MATLAB语言对该方法进行编程使其程序化,编制了基于非饱和抗剪强度理论及渗透力的斜坡稳定性评价程序(PUSG)。 4)选取黑方台焦家崖头的典型斜坡为例,设计了一系列计算方案,考虑不同工况下(不同年灌溉量下地下水位工况)的不同的评价方法(传统极限平衡法、基于非饱和抗剪强度及渗透力的极限平衡法),采用PUSG程序对其进行斜坡稳定性计算。对比两种方法计算结果,随着年灌溉量的增大,斜坡稳定系数呈递减趋势,但地下水位对计算结果的影响程度不同,传统极限平衡法的稳定系数计算结果显示,随着年灌溉量的增大,稳定系数从1.045降低到1.003,斜坡稳定系数均大于1,且小于1.1,表明斜坡为欠稳定状态,处于蠕动-拉裂阶段,地下水位对斜坡稳定性计算影响不明显。基于非饱和抗剪强度及渗透力的极限平衡法的稳定系数计算结果显示,随着年灌溉量的增大,稳定系数从1.283降低到0.796,当年灌溉量大于500×104m~3时,斜坡稳定系数均小于1.1,表明斜坡处于欠稳定或不稳定状态。因此,年灌溉量500×104m~3为一个界限值,即斜坡稳定年灌溉量界限值,当年灌溉量小于这个界限值时,该斜坡将处于稳定状态,当年灌溉量大于这个界限值时,该斜坡将处于不稳定状态,地下水位对斜坡稳定性计算影响较为显著。 5)结合研究区滑坡变形特征及运动特征,利用颗粒流(PFC2D)数值模拟软件,对黑方台焦家崖头黄土滑坡“软化潜蚀”阶段、蠕动-拉裂阶段、滑动-破坏阶段和稳定-压密阶段4个阶段的运动过程进行模拟,并对模拟结果进行分析,再现黄土滑坡从变形、破坏到消亡的运动过程。


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