融雪入渗诱发的黄土滑坡形成机理及稳定性研究--以孝义正城滑坡为例

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众所周知,黄土滑坡灾害的发生与水有着密切的联系,据统计,在黄土高原地区约有90%的滑坡都是由降雨直接诱发或者与降雨有关,目前针对降雨型滑坡已开展了大量工作。但除此之外另一种与水有关的黄土滑坡,即融雪入渗诱发的黄土滑坡,因其发生在雨水较少的初春时节而常常被人们所忽视,且目前关于冰雪融化诱发滑坡灾害的研究也多局限在常年冻土区,而在黄土高原等季节性冻土地区由融雪入渗引发滑坡灾害的研究也相对较少。且随着近年来气候的多变化,在黄土地区因融雪入渗导致边坡失稳的数量也在增加,因此,有必要开展对黄土地区因融雪入渗引发滑坡灾害的研究。
  本文以山西孝义正城滑坡为研究对象,通过野外详细勘察查明其工程地质条件,进行室内试验开展其滑坡岩土体的物理力学性质研究,并依据工程地质分析原理,分析其失稳机理及形成过程;最后通过数值模拟的方法分析斜坡体在融雪入渗过程中渗流场及稳定性的变化情况,探讨融雪入渗诱发黄土滑坡灾害的形成机制。取得的主要成果如下:
  (1)通过分析其工程地质条件,可知正城滑坡主要是由于融雪入渗所引发;综合考虑其形成的内外因素,根据工程地质分析原理,将斜坡的失稳过程分为三个阶段:一、在多年降雨侵蚀作用下,坡体节理裂隙发育,滑坡后缘裂缝逐渐显现;二、受冻融循环作用及融雪入渗的影响,裂缝逐渐加宽并向深部发展加深,当裂缝发育至Q2地层与N2地层交界面(软弱接触面)时,滑带逐渐形成;三、在水的长期浸泡软化作用下,土体的抗剪强度不断降低,抗滑力随之减小,当抗滑力小于下滑力时,斜坡失稳形成滑坡。
  (2)基于Q2黄土含水量的多少直接影响着滑坡的发生这一因素,又开展了一系列不同含水率、不同围压下的常规三轴CU试验,探讨了其剪切强度与含水率之间的关系,分析得出:试样的应力应变关系呈均现出应变硬化型,试样屈服应力所对应的应变在3%左右,观察试样破坏后形态表现为压缩、中部鼓胀现象;剪切强度与含水率密切相关,随着含水量的增加,粘聚力和内摩擦角均降低,但粘聚力所受影响更大;当含水率低于塑限时,粘聚力的降幅明显比高于塑限时快。
  (3)在传统的度日融雪模型中引入融雪当量这一因子,建立简化的有效融雪模型,并在此基础上基于饱和-非饱和渗流理论,采用SEEP/W模块对融雪入渗条件下的正城滑坡进行渗流场模拟,通过对比不同时刻下瞬态渗流场的变化,可以发现,随着融雪持时的增长,在滑坡的后缘裂缝及前缘坡脚处,水位线持续上升,即从非饱和状态逐渐转变为饱和状态,相应的孔隙水压力也不断上升;通过中间点孔压的监测可以看出,在斜坡中下部,孔压基本没有变化。
  (4)通过SLOPE/W模块与SEEP/W模块的耦合分析求出融雪过程中不同时刻下考虑孔隙水压力状态的斜坡稳定系数,分析其结果可以看出随着融雪入渗时间的增加,斜坡整体的稳定性系数是趋于下降的,且融雪入渗对斜坡的失稳表现出一定的滞后性;综合分析坡体的渗流场及稳定性变化,可以发现考虑后缘拉张裂隙影响下的融雪入渗型黄土滑坡的破坏模式为复合式渐进破坏模式,表现为土体变形破坏从坡体的前后缘向中间发展的复合式渐进破坏过程。
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