堆填黄土边坡降雨冲刷侵蚀破坏特征及机理研究

作     者：张座雄 

作者单位：兰州理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：王之君;李晓晓

授予年度：2023年

学科分类：08[工学] 080104[工学-工程力学] 0815[工学-水利工程] 0801[工学-力学（可授工学、理学学位）] 

主      题：堆填黄土边坡 降雨冲刷 边坡侵蚀 人工切坡 临界坡度 

摘      要：甘肃省兰州市是一个典型的山间河谷型城市,南北两侧均为绵延起伏的山地和沟壑纵横的黄土梁峁,降雨高度集中,崩塌、滑坡、泥石流等地质灾害频发。近年来,随着兰州市主城区的开发建设和人类工程活动的加剧,大量场地平整形成的弃渣(以黄土为主)沿沟堆放形成堆填黄土边坡,已成为加剧兰州市主城区泥石流发生的巨大潜在威胁。因此,本文重点关注堆填黄土边坡降雨冲刷侵蚀的科学问题,从黄土泥流物源补给角度入手,采用野外科考、模型试验、数值模拟等方法研究降雨条件下堆填黄土边坡的冲刷破坏特征,揭示其侵蚀发育机理,主要研究成果如下:(1)通过对研究区域的野外勘测,获取了研究区域概况并对堆填黄土的物理力学性质、微观孔隙结构特征等进行了全新界定。结果表明:堆填黄土细颗粒含量高、饱和导水率较高为0.03cm/min;堆填黄土平均孔隙分维数为1.251,随含水率增加,大、中架空孔隙坍塌转化为更加稳定的小架空孔隙,孔隙分维数随含水率增大呈线性减小。(2)基于不同坡度、不同切坡程度室内降雨冲刷侵蚀试验,分析了堆填黄土冲刷侵蚀发育特征及土水参数响应变化规律。结果表明:随坡度增加坡面侵蚀程度加剧,侵蚀破坏部位由坡底逐渐后移至坡顶;在35°～40°范围内,边坡水分入渗速率最快,基质吸力响应速率最快,孔隙水压力波动性最大;切坡程度增大边坡体积含水率响应时间变短,基质吸力降低速度加快,孔隙水压力波动性增加。(3)基于有限元分析软件ABAQUS建立了堆填黄土边坡冲刷侵蚀三维模型,分析了不同工况下堆积体土水参数变化规律。结果表明:降雨冲刷作用下,坡脚最容易发生破坏,且边坡水平位移与坡度呈线性增长关系;降雨冲刷侵蚀过程中存在两个主入渗方向,边坡垂向上坡中最晚饱和,纵向上从坡脚处逐步向坡体内部入渗;切坡程度越大,坡底临空面越大,坡脚向后侵蚀发育速率越快。(4)结合室内模拟试验、数值模拟研究结果,利用水土动力学原理按边坡冲刷侵蚀阶段分析了边坡冲刷侵蚀机理。结果表明:片蚀阶段,边坡表层土颗粒启动时临界径流流速与坡度呈正相关关系;坡面径流汇积坡脚造成的坡脚软化为后续细沟侵蚀发育提供了有利条件,人工切坡实质上是加快了坡脚软化,从而加速了坡面侵蚀速率;切沟侵蚀阶段,边坡坡度越大,切沟沟坡内发生失稳破坏所需的临界破裂角越小,越容易发生失稳破坏。(5)基于土壤侵蚀理论分析了不同坡度、切坡对堆填黄土边坡侵蚀产沙的影响规律。结果表明:41°附近为堆填黄土边坡临界坡度;随切坡程度增大,侵蚀产沙量以幂函数关系减少。