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降雨冲刷作用下砂土岸坡侵蚀破坏模型试验及数值模拟研究

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降雨冲刷作用下砂土岸坡侵蚀破坏模型试验及数值模拟研究

作者：吴冰南京理工大学

学位级别：硕士

本文以砂土岸坡为研究对象,在大型厚层砂土岸坡物理模型试验槽内开展不同降雨强度以及岸坡坡比下的物理模型试验,弥补了以往试验的不足,并对砂土岸坡降雨侵蚀破坏的影响因素、破坏模式、形成机理等方面进行研究。试验共设计五组室内物... 详细信息

本文以砂土岸坡为研究对象,在大型厚层砂土岸坡物理模型试验槽内开展不同降雨强度以及岸坡坡比下的物理模型试验,弥补了以往试验的不足,并对砂土岸坡降雨侵蚀破坏的影响因素、破坏模式、形成机理等方面进行研究。试验共设计五组室内物理模型试验,每组试验均埋设水分计、微型孔压计、引线式温度计,并利用高精度摄像机记录岸坡侵蚀破坏的全过程。从含水率、孔压时空演化,温度折减以及位移时程等多角度,探究不同雨强、坡比条件下砂土岸坡侵蚀破坏模式以及机理,揭示强降雨入渗作用下砂土岸坡侵蚀破坏的内在规律。主要研究工作及成果如下:(1)对试验砂土开展室内试验,获取了试验砂土的级配曲线、抗剪强度等主要土体力学指标。在不同含水率下,砂土粘聚力变化呈阶段性。砂土粘聚力随含水率的增大而增大,早期含水率增大会产生似粘聚力,土体粘聚力在到达最优含水率附近时开始折减。试验砂土内摩擦角变化呈线性关系,且内摩擦角大小随含水率增加而减小。(2)开展不同雨强和坡比的砂土岸坡降雨冲刷试验。降雨强度与岸坡坡比的增大对砂土岸坡侵蚀破坏起促进作用。岸坡不同深度、不同位置的土体含水率、孔隙水压力与降雨历时呈正相关,而温度与降雨历时呈负相关。坡体中部、顶部土体含水率、孔压、温度变化均滞后于坡脚,同时孔隙水压力、温度响应较体积含水率存在一定的滞后性。坡面表层位移监测结果显示,坡脚处表层土体位移较大,砂土岸坡降雨冲刷作用下侵蚀破坏的诱发因素为坡脚位置软化坍塌。坡脚、坡面、坡顶三个区域的位移是依次响应的,其中坡顶处表层土体位移变化速率较快。(3)开展砂土岸坡降雨冲刷侵蚀破坏全过程监测。砂土岸坡在不同雨强以及坡比情况下的侵蚀破坏机制存在差异性。雨强与坡比的不同组合下存在两种不同的岸坡失稳破坏模式,变雨强作用下岸坡侵蚀破坏机制为坡脚软化—拉裂—滑移型破坏;暴雨工况下极限坡比岸坡侵蚀破坏机制为坡面冲沟—拉裂—剪断型破坏。(4)分析总结砂土岸坡降雨冲刷侵蚀破坏机理。将砂土岸坡侵蚀破坏机理进行阶段性划分,认为在强降雨作用下的岸坡侵蚀破坏机理主要包括降雨冲击机理、吸水软化机理和面沟切割机理,三种机理在不同坡比和雨强下的降雨过程中作用时间先后和影响程度大小均有所不同,共同促进了砂土边坡坡面冲刷侵蚀的发展。(5)利用ABAQUS数值模拟方法,基于试验工况,构建砂土岸坡三维数值模型,分析降雨冲刷作用下坡体含水率、孔隙水压力、位移等水力特征变化规律,以及坡体塑性贯通区的发展过程,验证模型试验结果的正确性,为进一步的研究提供数据指导。

关键词：砂土岸坡降雨冲刷物理模型试验侵蚀破坏数值模拟

堆填黄土边坡降雨冲刷侵蚀破坏特征及机理研究

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堆填黄土边坡降雨冲刷侵蚀破坏特征及机理研究

作者：张座雄兰州理工大学

学位级别：硕士

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... 详细信息

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。

关键词：堆填黄土边坡降雨冲刷边坡侵蚀人工切坡临界坡度

降雨冲刷对黄土公路边坡植物防护影响的试验研究

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工程地质学报 2007年第4期15卷 527-533页

作者：刘海松倪万魁杨泓全颜斌长安大学地质工程与测绘工程学院广西壮族自治区公路桥梁工程总公司南宁530000

通过对裸露黄土公路边坡、厚层基材植草公路边坡、三维网植草公路边坡以及平台植树公路边坡的现场降雨冲刷试验,阐述了不同防护型式的公路黄土边坡在降雨条件下的坡面径流、含泥量以及坡面冲刷情况,得出了"降雨对边坡坡面的侵蚀过程,首... 详细信息

通过对裸露黄土公路边坡、厚层基材植草公路边坡、三维网植草公路边坡以及平台植树公路边坡的现场降雨冲刷试验,阐述了不同防护型式的公路黄土边坡在降雨条件下的坡面径流、含泥量以及坡面冲刷情况,得出了"降雨对边坡坡面的侵蚀过程,首先是从雨滴直接打击土体开始,进而引起溅蚀,分散土粒,紧接着发生超渗径流造成坡面冲刷。"以及"对坡面破坏最大的是坡顶上方来水"等重要结论。验证了坡面植物防护以及平台植树等防护方法可以有效降低降雨冲刷对坡面的侵蚀破坏,为黄土地区公路边坡植物防护的设计施工以提供了可靠的依据。

关键词：黄土公路边坡植物防护降雨冲刷

建筑废物-土壤体系中污染物的吸附作用和降雨冲刷迁移规律

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净水技术 2019年第6期38卷 122-130页

作者：黄晟上海市政工程设计研究总院<集团>有限公司

研究了典型有机农药及重金属/有机农药复合污染物在建筑废物表面的吸附作用机制。其中砖粉对各农药污染物的吸附量为0.02~0.2mg/g,平衡吸附时间约为45min,吸附量与废物的比表面积和亲水性略呈负相关性。农药污染建筑废物对重金属的复合... 详细信息

研究了典型有机农药及重金属/有机农药复合污染物在建筑废物表面的吸附作用机制。其中砖粉对各农药污染物的吸附量为0.02~0.2mg/g,平衡吸附时间约为45min,吸附量与废物的比表面积和亲水性略呈负相关性。农药污染建筑废物对重金属的复合吸附过程较为复杂,其主要是由于有机絮状物与重金属的结合作用以及有机农药的包裹特征。相比于洁净废物,甲拌磷和二硫代磷酸二乙酯污染建筑废物对Zn的平衡吸附量从7.1mg/g大幅降至0.15mg/g,而对Pb、Cr(Ⅲ)和Cd的吸附量先增加后降低。结合吸附特征,围绕建筑废物-土壤体系开展了25mm/h的降雨模拟试验,农药污染废物累计洗脱量幂函数拟合较好,对于与农药接触时间为1d和7d的建筑废物试验批次,拟合的相关系数R^2分别为0.95和0.91,一级动力学平均耗散速率常数Kw表明,污染物在废物表面的停留时间与水流迁移相关性较小。

关键词：重金属有机农药吸附机制降雨冲刷迁移

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秸秆纤维加筋加固土抗降雨冲刷试验研究

地质灾害与环境保护 2022年第4期33卷 51-58页

作者：曾坤翔江丽君张晓超裴向军地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室(成都理工大学) 成都610059 九寨沟管理局阿坝623402

多雄拉工业广场开挖边坡是派墨公路开挖面积最大、海拔最高的边坡,其主要由冰碛物组成,胶结程度低、结构松散,加之高寒地区恶劣气候环境,边坡浅表层稳定性问题突出,植被恢复难度大。为有效解决高寒地区开挖边坡降雨侵蚀严重、生态修复... 详细信息

多雄拉工业广场开挖边坡是派墨公路开挖面积最大、海拔最高的边坡,其主要由冰碛物组成,胶结程度低、结构松散,加之高寒地区恶劣气候环境,边坡浅表层稳定性问题突出,植被恢复难度大。为有效解决高寒地区开挖边坡降雨侵蚀严重、生态修复等难题,本文结合多雄拉工业广场开挖边坡气候特征,在传统改性材料固化砂土的基础上,通过掺入不同比例的秸秆纤维,对秸秆纤维加筋固化土的渗透性、抗剪强度和抗降雨冲刷性能进行测试,分析加筋固化效果,探寻最优配比,并揭示加固机理。结果表明:与纯砂土相比,加入改性材料和秸秆纤维后,降低了土体渗透性,增加了土体的黏聚力,内摩擦角基本保持不变;初始含水率是土体渗透性能的主要影响因素,秸秆纤维是土体黏聚力和内摩擦角的主要影响因素;此外,固化土抗降雨冲刷性能明显优于纯土,当改性材料、水、秸秆纤维分别占砂土质量0.234%、15%和0.2%时,秸秆纤维加筋固化土的抗降雨冲刷性能最佳。

关键词：砂土秸秆纤维渗透性抗剪强度降雨冲刷

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全风化花岗岩边坡坡面降雨冲刷数值模拟分析

湖南交通科技 2018年第2期44卷 52-57页

作者：刘泽李友云新疆维吾尔自治区交通规划勘察设计研究院新疆乌鲁木齐830006 长沙理工大学湖南长沙410004

依托于广佛肇高速公路工程建设项目,运用有限元分析软件ABAQUS建立全风化花岗岩边坡数值模型,对比分析了边坡在降雨和降雨冲刷两种状态下的孔隙水压力、位移、安全系数、塑性贯通区,得出了坡面冲刷对边坡安全系数的影响趋势,并通过进一... 详细信息

依托于广佛肇高速公路工程建设项目,运用有限元分析软件ABAQUS建立全风化花岗岩边坡数值模型,对比分析了边坡在降雨和降雨冲刷两种状态下的孔隙水压力、位移、安全系数、塑性贯通区,得出了坡面冲刷对边坡安全系数的影响趋势,并通过进一步研究坡面降雨冲刷过程中数值模型的塑性贯通区与降雨量之间的关系,对全风化花岗岩边坡30 a内的水土流失情况进行了预测,为后期的工程防护提供参考。

关键词：全风化花岗岩边坡降雨冲刷边坡稳定性水土流失

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黄土边坡坡面降雨冲刷破坏机制模拟试验

中国地质灾害与防治学报 2015年第3期26卷 41-45页

作者：王鲜倪万魁刘海松武鹏袁志辉长安大学地质工程与测绘学院陕西西安710054

针对工程建设中黄土边坡的四种不同坡比,通过室内模拟降雨的边坡冲刷试验,再现了降雨对黄土边坡坡面冲刷侵蚀的全过程,分析了坡度对黄土边坡降雨冲刷时坡面径流量和冲蚀含泥量的变化规律,在此基础上,研究了强降雨条件下裸露黄土边坡坡... 详细信息

针对工程建设中黄土边坡的四种不同坡比,通过室内模拟降雨的边坡冲刷试验,再现了降雨对黄土边坡坡面冲刷侵蚀的全过程,分析了坡度对黄土边坡降雨冲刷时坡面径流量和冲蚀含泥量的变化规律,在此基础上,研究了强降雨条件下裸露黄土边坡坡面冲刷侵蚀破坏的机制,包括降雨冲击机制、吸水软化机制和面沟切割机制。

关键词：黄土边坡降雨冲刷破坏机制模拟试验

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铁路路基边坡降雨冲刷行为与规律的研究

建材与装饰 2017年第18期 267-268页

作者：安友理中铁北京工程局第三工程有限公司

近年来降雨对铁路路基边坡的冲刷行为日益严重,我国铁路发生水灾等灾害次数逐年递增,目前对人类正常的生产生活、出行旅客的生命安全及经济等造成不同程度影响。根据相关研究发现表明,我国大部分的铁路路基发生水灾都是由于降雨对铁路... 详细信息

近年来降雨对铁路路基边坡的冲刷行为日益严重,我国铁路发生水灾等灾害次数逐年递增,目前对人类正常的生产生活、出行旅客的生命安全及经济等造成不同程度影响。根据相关研究发现表明,我国大部分的铁路路基发生水灾都是由于降雨对铁路路基边坡的冲刷行为产生。对此本文首先就铁路路基的结构特征展开基础分析,并在基础上对铁路路基边坡降雨冲刷行为的类型进行相关阐述。此外以某地区铁路路基边坡的降雨冲刷为例,对铁路路基边坡降雨冲刷行为与规律进行相关的研究。

关键词：铁路路基边坡降雨冲刷片流侵蚀

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椰纤维网边坡防护降雨冲刷试验研究

公路与汽运 2017年第4期 120-123页

作者：李凯傅鹤林黄震张加兵姚荣广东省南粤交通投资建设有限公司广东广州510101 中南大学土木工程学院湖南长沙410075

通过降雨冲刷和面流冲刷室内模型试验模拟研究不同直径、不同间距下椰纤维网生态防护边坡的表面降雨冲刷形态特征及面流冲刷规律,分析椰纤维网生态防护边坡在降雨作用下的坡面冲刷规律。结果表明,椰纤维网防护能降低边坡的降雨冲刷,减... 详细信息

通过降雨冲刷和面流冲刷室内模型试验模拟研究不同直径、不同间距下椰纤维网生态防护边坡的表面降雨冲刷形态特征及面流冲刷规律,分析椰纤维网生态防护边坡在降雨作用下的坡面冲刷规律。结果表明,椰纤维网防护能降低边坡的降雨冲刷,减少细沟形成与扩展;椰纤维网能增加坡面抗冲刷能力,在其防护下,泥砂冲刷总量比裸坡减少40%以上,坡面水流速度降低20%以上;椰纤维网网孔距离越小,坡面冲刷量及坡面水流速度均越小。

关键词：公路边坡椰纤维网生态防护降雨冲刷坡面面流