不同坡度及降雨条件下通城县崩岗崩壁稳定性分析

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崩岗作为南方水土流失最严重的一种特殊的土壤侵蚀形式之一,它是一种重力和水力联合作用的综合侵蚀,是以重力作用为主的崩塌,水力作用是促进崩岗发育的重要因素。崩岗灾害危害巨大,一旦发生使地表土千疮百孔,给当地人民带来生命和财产上的威胁,也会给防洪安全、粮食安全、生态平衡带来压力,是振兴花岗岩红壤丘陵山区经济发展的障碍。因此,崩岗侵蚀过程及其崩塌规律长期以来备受社会的关注。崩壁是崩岗侵蚀的主体,崩岗启动崩塌主要是由崩壁岩土稳定性减低所致,其中土含水量和坡度是主控崩壁当前稳定程度的重要指标。崩岗的发育与雨水入渗密不可分,降雨径流在崩岗形成的前期-侵蚀龛、沟道等地貌出现过程中提供了主要侵蚀动力。由于花岗岩崩壁土体的差异性风化显著,不同土层抗侵、抗冲刷等能力分异较大,在连续降雨期下部松散的砂土层极易被爆流掏刷后形成空腔(龛)。随龛的内凹深度d增加,龛上覆土层边坡(简记为SP1)稳定性下降,故必有一个龛深d值致使SP1恰好崩塌,将这个d命为龛临界深度D0。若d小于D0,但SP1土含水率长期高于天然含水率时崩壁尚处于稳定状态,设想如增加SP1土含水率时(比如在暴雨期),因SP1土体力学特性被水劣化,故也必有一个含水率值使SP1恰好崩塌,将这个含水率值命为SP1的临界水分含量。目前有关崩岗的研究多从室内试验或以崩岗调查为基础的定性描述为主展开,缺少对崩岗侵蚀作用的数值模拟研究,定量去评价崩壁稳定性、预测崩壁启动崩坍(塌)风险性的报道还很少。因此,本研究选取鄂东南通城县一典型崩岗区为对象,通过野外采集崩壁各土层(表土层、红土层、砂土层、碎屑层)土壤样品,并结合土工试验来标定各土层的基本物理参数。在前人研究的基础之上,基于多门交叉学科理论,通过问题提出、研究方法的确定、数值计算和结果讨论及对比验证4大方面,借助ABAQUS软件,主要从崩壁坡度、水分及龛的演变的角度定量探讨了崩壁的稳定性及崩岗侵蚀作用,取得了以下主要成果:1)降雨、地表蒸发等导致的干湿交替会引起土体强度的劣化,特别是对易受水影响的崩壁剖面的稳定性产生影响;而崩岗侵蚀沟的外扩对坡度敏感性较强。为此,根据实际选取了8种崩壁坡度(30°、35°、40°、50°、60°、70°、80°、90°),并采用风干或浸泡试验设计了6种干湿水平,通过快剪试验获得了土层抗剪强度与含水率的对应关系,采用限元强度折减法完成了48种工况下崩壁的稳定性计算分析,并通过一系列数据拟合导出了预测崩壁稳定性安全系数Fs的经验公式。模拟结果表明:随坡度的增大,坡度对崩壁临界滑面特征变化的影响程度减小,Fs呈对数型降低趋势;建立了Fs与含水率之间的定量关联,并发现随含水率的增大,Fs先增后减,含水率对滑动面特征变化的影响程度先减后增再减,且影响程度相对坡度而言更大。可以将崩壁的坡度和按土层厚度加权的平均含水率带入分段表达的双指标经验公式来估算鄂东南通城地区崩岗当前的稳定性。2)参考通城降雨资料,拟定三种降雨工况(工况1:降雨总时164.00h且雨强q1为6mm/h;工况2:降雨时长22.88h且雨强q2为43mm/h;工况3:2011年6月10日两百年一遇的大暴雨),从崩壁渗流-应力两场耦合角度,运用数值试验探讨了降雨及地下水影响崩岗侵蚀的过程与机理。长期小雨下崩壁发生中下部土层局部被淘空与深部滑移相结合的破坏,短时强雨下则表现为坡面浅层流滑破坏。但无论何种降雨类型都存在一个形成龛的降雨前期阶段,直到龛深达到一极限值,转为历时较短的崩壁失稳前的降雨后期阶段。降雨入渗产生的渗流区域主要分布在浅层,引起表层土体持续软化,剪应力明显增大。伴随着降雨历时的延长,坡面浅土层出现暂态饱和区且湿润峰逐渐向崩壁深处推移。降雨期间地下水位逐渐抬升并以出露泉的方式对砂土层下部直接造成侵蚀。3)为分析崩壁因龛的规模扩大或红黏土体水分增加而逐渐失稳最终崩坍的定量过程,以期理解龛的形态与崩岗侵蚀的关系,基于圣维南原理建立崩壁-龛二维数值简化模型,提出了模拟龛深增加的“开挖模拟算法”及提高计算精度的“二分法”。对龛深极限值D0进行了定量分析,并运用正交试验对诱发崩壁崩塌的因素进行主次评价,选取若干未降雨条件下不至于崩壁失稳的龛深,探讨了这些龛深与SP1的临界饱和度之间的定量方程式。结果显示:龛深d与Fs服从线性负相关函数关系;SP1土层的含水量是引起崩塌的最重要因子,坡度对崩壁稳定性影响较大,龛高相对砂土层厚度的比例及崩壁高度对崩壁的稳定性影响极小。d与红黏土层的临界饱和度之间的负相关性可用二次多项式表达。结合数值结果,通过最小二乘法建立崩壁崩坍预测公式△Sr0*≈16.577-0.9572d-0.8469d2,该公式有较强的预测能力和适应能力,其结果具有一定的参考意义。通过查阅文献并与前人的研究成果做对比,来验证数值计算结果的合理性与适用性。成果可为崩岗灾害的防治体系提供清晰的方向。
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