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元谋干热洞谷区沟蚀崩塌充分发育,冲沟的发育为崩塌的发生提供了崩塌潜势,而崩塌的发生又促进了冲沟的发育,沟蚀崩塌成为该区侵蚀产沙的主要来源。本研究通过对元谋干热河谷土体崩塌类型的全面调查和运用模拟试验等手段,对影响崩塌的因素和崩塌形成的过程机制进行了详细研究,主要研究结果如下:
(1)元谋干热河谷土体崩塌类型分为沟头掏蚀形成的坠落崩塌、沟壁侧蚀形成的滑落崩塌和土柱的倾倒崩塌。元谋干热河谷崩塌的发生与冲沟的发育、特殊的地质构造、土体特性、气候特征和水流特征密不可分。冲沟发育为崩塌的发生创造了崩塌潜势;元谋组地层特殊的地质构造,为沟头和沟壁近似直立发育创造了条件,并形成了不同的地形地貌特征;燥红土、变性土和砂土层(来源于河湖相沉积的砂层)由上往下成层分布,以及三种土层机械组成、力学特性、入渗特性及抗侵蚀能力等特性的差异,引起降雨和径流的选择性侵蚀,最后在元谋干热河谷气候干、热,干湿季明显的气候背景下,各种因素相互影响,相互作用造成了干热河谷内不同类型崩塌的大量形成。
(2)沟头表层径流对下层砂土层的冲掏引起了坠落崩塌的发生。每次冲刷试验过后,沟头淘洞形态具有相似变化的特征。流量越大,形成的跌水流所占总流量的比重就越大;壁面流的掏蚀作用要大于跌水流。壁面流占总流量比重随雷诺数和弗汝德数的增加呈指数函数降低,跌水流占总流量比重随雷诺数和弗汝德数的增加分别呈对数函数和幂函数增加。淘洞的发育使上层粘性土呈悬空状态,当掏蚀达到临界深度时,悬挂土体发生了崩塌。悬挂土体存在拉张裂缝时,裂缝的发育加速了坠落崩塌的发生。根据崩塌时崩塌体的形态特征,建立的两层崩塌土体的稳定性分析模型,运用该模型能够较好的预测沟头的坠落崩塌。
(3)沟道水流对下层砂土层的侧蚀是引起沟壁崩塌的主要因素,试验中不同流量的水流切应力(1.71～8.55 Pa)远大于砂土起动的临界切应力(0.13 Pa);水流冲刷引起的沟壁砂土层的侧向后退距离公式为△Bs=20.131 Ct△t(τ-τc)e-1.3τc/γs+0.0047;砂土层的侧向后退是引起沟壁悬挂土体的崩塌,并建立了沟壁发生剪切破坏和拉伸破坏时的稳定性分析模型。在80 cm和120 cm构造土体的冲刷试验中,砂土层的侧向冲刷距离分别为0.312 m和0.35 m时,悬挂土体发生旋转破坏(Fsb=0.767＜1)和剪切破坏(Fa=0.974＜1),悬挂土体上部拉张裂缝的发育加速了土体的失稳而发生崩塌。
(4)变性土胀缩过程中,土体在垂直方向和水平方向变形是各向异性的,其胀缩过程特征曲线可以用三直线模型较好的拟合;变性土的膨胀收缩引起裂缝的发育,裂缝的连通度、宽度和面积随着循环次数的增加而增加。黏聚力和内摩擦角随着裂缝发育的增加而降低,裂缝发育对黏聚力的影响程度明显大于内摩擦角。裂缝发育及土体强度的降低造成了变性土的不断剥落。土墙或土柱下层变性土的剥落是引起倾倒崩塌的主要因素。根据土墙和土柱倾倒崩塌时的发生机制,建立了4种稳定性评价模型。对4类倾倒崩塌的稳定性分析,表明下层变性土不断剥落形成的崩塌潜势比潜在崩塌体底部结构面贯通对土体稳定性的影响要大,而且后缘裂缝的充水高度的增加也降低了土体的稳定性。