季节性冻融过程黄土斜坡水文效应及其稳定性研究

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1、分类号:P64110710-2013029005博士学位论文季节性冻融过程黄土斜坡水文效应及其稳定性研究曾磊导师姓名职称戴振学教授王文科教授申请学位级别工学博士学科专业名称水文学及水资源论文提交日期2018年4月5日论文答辩日期2018年6月6日学位授予单位长安大学StudyontheHydrologicalEffectandStabilityofLoessSlopeonSeasonalFreezing-ThawingprocessADissertationSubmittedfortheDegreeofDoctorCa

2、ndidate：ZengLeiSupervisor：Prof.DaiZhenxueProf.WangWenkeChang’anUniversity,Xi’an,China本论文的研究得到了：国家自然科学基金委项目：冻融交替下黄土斜坡水文循环机理及其对斜坡稳定性影响研究（41202178）的资助。中国地质调查局项目：灌溉渗透诱发黄土崩滑灾害机理研究（1212011014024）的资助。旱区地下水文与生态效应教育部重点实验室开放基金：变低温条件下黄土水文参数试验研究（2013G1502024）的资助。摘要黄土高原位于我国第

3、二级阶梯，是中华民族发祥地之一，孕育悠久的中华文明和农耕文化。同时黄土高原也是世界上典型的、独具特色的地貌单元。长期的水土流失，造就了黄土高原地貌破碎、沟壑纵横，大量的斜（边）坡发育，在外界因素诱发下，常常导致灾害的发生。诱发黄土高原区地质灾害的主要因素为降雨、人类活动、冻融等方面，许多学者在研究降雨和人类活动等因素诱发的地质灾害进行了大量的研究并取得了诸多成果，然而在研究季节性冻融型黄土灾害的破坏机理和主导因素研究稍显薄弱。据统计甘肃省永靖县黑方台滑坡发生主要集中在1-4月，季节性冻融作用明显，历次灾害造成了重大的人

4、员与经济损失，季节性冻融型滑坡较其他诱发型滑坡更具隐蔽性、突发性和不可预测性。因此开展季节性冻融过程黄土斜坡水文效应及其稳定性影响研究具有理论和实践意义。论文在分析国内外研究现状的基础上，以甘肃省黑方台黄土斜坡为研究对象，以季节性冻融过程黄土斜坡水文效应及其引起的稳定性变化为主线，以饱和-非饱和水热运移机理和斜坡稳定性评价原理为指导，综合利用野外补充调查、原位定点高精度观测、室内实验模拟和数值模拟等方法，深入分析了季节性冻融过程黑方台黄土斜坡地下水文效应，评价了黄土斜坡在季节性冻融过程中不同阶段稳定性变化规律，为季节性

5、冻融型黄土滑坡防治提供了科学依据。主要研究成果如下：（1）研制加工了不同温度下非饱和-饱和水力参数测定装置，可以实时测定流量、正负压力、含水率和温度；通过达西定律和VanGenuchten公式等获得了饱和渗透系数、给水度和非饱和土壤水分特征曲线、渗透系数、比水容量和扩散率等参数；该实验装置所用试样大，减少了小试样测试结果的随机性，且测定参数多、自动化程度高。（2）通过室内实验和理论分析，建立了黄土非饱和渗透系数K(S)、扩散率D和比水容量C与温度t和含水率的数学关系式，得出黄土水力参数与温度(S)(S)呈非线性关系，

6、黄土饱和渗透系数是温度的函数，随着温度的增加饱和渗透系数逐渐升高，其中水的粘滞系数是影响渗透系数的关键因素；随着冻融交替循环次数的增加，黄土结构出现重构，饱和渗透系数呈现先增加后稳定的趋势。（3）通过一个季节性冻融过程的野外气温、含水率与地下水位动态监测和I综合分析，确定监测点黄土斜坡冻结深度为52cm左右。根据剖面温度梯度变化规律，从地表到地下水位面将剖面温度依次划分为三个影响带：0-0.3m温度交替显著带、0.3-1.5m温度变动带、1.5-2m温度稳定传递带。融解后冻结层水分向下运移，在地面以下1.2m处形成近饱

7、和状态，土壤含水量达到0.32cm3/cm3，是冻融作用下黑方台浅层黄土失稳的主要因素之一。黄土斜坡季节性冻融过程对水分具有控制性作用，包气带含水量随温度变化划分为三个阶段：第一阶段，温度小于2℃时，包气带含水量随温度呈现非线性递增趋势；第二阶段，温度在2℃~6℃之间时，包气带含水量随温度呈现波动性下降趋势；第三阶段，温度大于6℃时，含水量由小幅增加至稳定，温度影响权重减小。（4）基于饱和-非饱和水分运移及热传导原理，建立了季节性冻融过程中非饱和黄土水热运移数值仿真模型，模拟了季节性冻融过程黄土非饱和带温度和水分的变化

8、过程，为进一步预测季节性冻融过程黄土温度-水分分布提供了基础。（5）构建了季节性冻融过程黄土斜坡地下水响应数值模型，模拟了季节性冻融过程黄土斜坡水分运移和溢出量变化规律。在冻结前期，地下水溢出带溢出量减少，坡脚地下水水位整体略有上升，幅度约1.5m；在冻结期，黄土斜坡冻结深度扩大，溢出带部分阻塞，地下水位在坡脚抬升，坡脚地下水位最