重塑Q3黄土K0三轴蠕变特性的试验研究

[目的]研究陕西省延安地区重塑Q_3黄土高填方工程的后期沉降变形特性,为高填方工程的设计、施工提供一定的技术和理论支撑。[方法]通过改进K0三轴蠕变仪,对所取黄土进行了不同压实度、不同含水量、不同竖向应力下的室内土的静止侧压力系数K_0三轴固结排水蠕变试验。[结果]重塑Q_3黄土具有明显的蠕变特性,在低应力条件下,呈现出典型的衰减蠕变;在K_0条件下,随着含水量增大、竖向应力的增大,压实度的减小,蠕变呈增强趋势,蠕变变形量增大;在低水平应力的条件下,土体所受侧向应力与竖向应力成线性关系。[结论]建立了重塑Q_3黄土关于竖向应力的自定义蠕变模型,通过试验数据拟合获得了模型参数,所建模型能很好地描述延安地区重塑Q_3黄土的蠕变特性。     

微观尺度下黄土多级湿陷性研究

[目的]验证黄土多级湿陷性以及探究微观尺度下黄土的湿陷变形方式,为黄土的湿陷变形机理研究提供科学依据。[方法]分别设计、实施了室内循环加水湿陷试验和相同样品增湿前后微观结构观察试验,并分别对湿陷数据与扫描电镜影像进行分析和对比。[结果]湿陷数据表明,在黄土达到一次湿陷稳定以及去水稳定后,在装置内再次加水会导致试样再次发生明显形变,而黄土的微观结构在湿陷过程中发生了溶解、移动、重组三种变形方式。[结论]黄土结构这种破坏—重组—破坏的动态循环过程是黄土能够发生多级湿陷的内在原因。     

湿陷性黄土试坑浸水试验中土压力及含水量变化分析

湿陷性是黄土的重要性质之一,湿陷性黄土遇水发生湿陷变形的过程中,黄土土层的土压力及含水量相应的发生一系列变化。通过湿陷性黄土现场试坑浸水试验,利用布设在试坑内及试坑周围埋设的传感器和张力计等监测仪器,对试验过程中黄土土层的土压力及含水量的变化过程做了信息采集记录,分析了其变化方式及规律。研究结果表明,在试验过程中黄土土层的土压力及基质吸力均呈降低趋势;在黄土湿陷变形过程中,沉降或突降的时间点一般是在土层压力最小或接近最小,含水量达到或接近饱和的时段。     

泾河南塬黄土的渗透特征及孕灾机制

[目的]分析泾河南塬黄土的渗透各向异性特征,并探讨该地区滑坡的孕灾机制,以期为黄土分布区雨水入渗型滑坡的灾害防治提供指导。[方法]通过野外调查和渗透试验,分析该地区裂隙土以及不同土层的渗透特征。[结果]裂隙土的渗透系数远大于均质土,裂隙的存在为水的入渗提供优势渗流通道。不同土层渗透系数对比表明,马兰黄土因大、中孔隙多以及节理裂隙发育,其渗透系数最大,而古土壤的渗透系数最小。[结论]泾河南塬黄土具有明显的渗透各向异性,水与裂隙共同作用已成为该地区的一种恶性灾害链模式。     

基于生态设计理论的黄土丘陵区淤地坝景观再造与更新

[目的]针对黄土高原干旱地区生态环境脆弱、景观层次单一的区域现状,探索基于生态设计理论的黄土丘陵区淤地坝景观再造与更新的理念与方法,为黄土丘陵沟壑区小流域环境治理提供借鉴。[方法]以陕西省绥德县辛店沟水土保持示范园北侧淤地坝景观改造设计为例,在现状调研的基础上,进行人工湿地工程改造设计方法研究。[结果]丘陵区淤地坝景观的再造与更新应以生态设计理论为基本指导,对丘陵区淤地坝改造实施自由表面流人工湿地综合工程措施。[结论]丘陵区沟壑地环境治理应综合考虑水土保持、景观生态、旅游观光等多重功能,通过实施低影响开发措施,充分发挥区域环境的最佳生态效益,并兼顾经济效益与社会效益。     

黄土丘陵沟壑区1∶1万及1∶5万比例尺DEM地形信息容量对比

黄土丘陵沟壑区地形变化异常复杂 ,1∶5万地形图对原始 1∶1万地形图等高线形态综合、取舍程度很大 ,这些都在不同程度上影响了地形分析结果的准确性。以高精度的 1∶1万比例尺DEM为校准值 ,运用 1∶1万及 1∶5万比例尺DEM叠合比较分析的方法 ,研究 1∶5万DEM的地形信息容量及提取不同地形要素的精度。试验结果表明 ,在黄土丘陵区 ,与 1∶1万DEM相比 ,1∶5万DEM在所提取的地面坡度、地面曲率、沟壑量等地形定量指标方面均都存在着较大的误差。     

剪切方式对重塑黄土残余强度的影响

[目的]探究剪切方式对重塑黄土残余强度的影响,为黄土滑坡工程评价及治理提供科学依据。[方法]利用环剪仪对泾阳重塑黄土进行环剪试验。[结果]重塑黄土的峰值强度及残余强度均随着有效法向应力的增加而增大。随着有效法向应力的增加,土体达到残余强度所需的剪切位移减小;重塑黄土的变形表现为受剪压缩。单级剪得到的残余强度指标值与多级剪切得到的残余强度指标值的均值相近。[结论]剪切方式建议首选单级剪切。     

ANSYS在水土保持滑坡监测中的应用

根据新建铁路精伊霍线博尔博松河处土质边坡的实际情况,运用ANSYS软件[1]对该处滑坡体的变形及内部应力进行分析,根据该软件的计算,通过常规监测,发现该滑坡体的水平位移和竖向位移随着时间的推移在不断扩大,同时下滑体下部15~20 m的区域更加明显。由于该处滑坡体结构比较松散,同时考虑工程的重要性,采用阻滑和加固方式可能还是存在潜在的危险,因而建议清除滑坡体。     

三维激光扫描技术在淤地坝安全监测中的应用

[目的]监测黄土高原丘陵地区淤地坝在运行中的缓慢和微小变化,及时发现淤地坝的病险隐患,为科学监测、评价陇中黄土丘陵沟壑区乃至西北黄土高原地区淤地坝安全运行提供依据。[方法]通过Nove MS 50全站扫描仪对南湾骨干坝和别杜川骨干坝坝体沉降、水平移位及坝体表面侵蚀进行定期激光扫描,利用等间隔的点云记录坝体和库岸不规则形态。[结果]两期监测对比可以看出,南湾骨干坝接近路面的部分有约1cm的变化,左侧库岸有明显的变化,变化量约为0.8cm,日后极有可能会发生小规模坍塌。别杜川骨干坝整个堤坝在半年的时间内右侧部分约有1~2cm的下降变化,监测结果和管理部门常规监测变形结果一致。[结论]将三维激光扫描技术应用于淤地坝变形监测,可以及时、准确、全面、直观获取淤地坝坝体和库岸表面数据,使得变形监测工作更加全面、便捷、可信。     

黄土覆盖区采动地表裂缝对土壤水分扰动影响的模拟试验研究

[目的]探究黄土覆盖区煤矿开采沉陷变形造成的地表裂缝对土壤水分变化的扰动效应,为采煤沉陷区土壤水分变化规律研究提供数据支撑。[方法]以典型黄土覆盖区的采煤沉陷区为模型,使用自主研制的开采沉陷地表裂缝模拟装置进行物理模拟试验,并在裂缝周围布设水分传感器,分析地表裂缝引起的土壤水分变化特征。利用Hydrus软件构建水文模型,结合物理模拟试验结果对数值计算模型进行优化。采用控制变量法,利用优化后的模型计算在不同裂缝形状、地形以及初始含水量条件下裂缝周围土壤含水量与非变形区土壤含水量差值。[结果]裂缝宽度主要影响土壤水分散失量的最大值,而裂缝深度主要影响散失量最大值出现的位置;裂缝对上坡方向和下坡方向影响规律存在差异,且坡度越大,差异越明显;土壤初始含水量越小,裂缝对土壤水分扰动程度越小;当初始含水量低于20%时,地表裂缝对土壤水分的影响范围不超过15 cm。[结论]在相同边界条件下,土壤水分模拟试验结果与物理试验数据变化规律呈现一致性,利用优化后的数值计算模型可以定量地分析黄土覆盖区土壤水分对采动地表裂缝的响应特征。     

甘肃省黄土高原典型小流域侵蚀沟道特征

[目的]对甘肃省黄土高原典型小流域侵蚀沟道的分级分类进行简要研究,为进一步推动该区水土保持和生态治理工作提供理论基础。[方法]在甘肃省第一次全国水利普查结果的基础上,运用GIS技术,采用地貌几何定量数学模型分级方法,定量化分级沟道,并从地质、地貌、大小以及形状对侵蚀沟道进行分类,由此来推断黄土高原区侵蚀沟道的特征。[结果]甘肃黄土高原典型小流域侵蚀沟道主要以Ⅰ级沟道为主,其中丘陵沟壑区主要以半开析、中度割裂、半主沟型为主;高塬沟壑区主要以半开析、中度割裂、支沟型为主。[结论]丘陵沟壑区第五副区沟壑狭窄陡峭,沟道破碎化程度高,水土流失量高,治理难度大,沟道难以利用。     

黄土丘陵沟壑区水土保持关键措施变化特征

[目的]揭示黄土高原地区不同水土保持措施各阶段特点,为水土流失治理的关键措施和主要策略提供理论依据。[方法]以黄土丘陵沟壑区1954—2015年不同水土保持措施数据为基础,分析了梯田、造林、种草、封禁、淤地坝等5项水土保持措施的变化。[结果]各项措施的应用面积均随着治理年限增加呈上升趋势,其中以造林措施增幅最快,面积最大。各项措施历年增量比重相对稳定,造林措施增量比重最大为58%,封禁治理措施的面积增量比重逐步上升,梯田面积增量比重逐年下降;淤地坝工程数量表现出先增加后降低的趋势。[结论]黄土丘陵沟壑区水土保持措施的时空变化格局与国家政策的指导性与地方治理需求有关,造林是该区域的最为主要的水土保持措施,封禁保护已成为黄土高原植被恢复的发展趋势。     

黄土高原典型切沟土壤水分时空分布特征及其影响因素

研究切沟土壤水分及干层时空分布特征,有利于提高地区水资源利用效率及植被恢复效益。以神木市六道沟小流域典型切沟为研究对象,对土壤水分状况进行定位监测,分析沟底、沟缘和沟岸土壤水分时空分布、干层分布特征及其影响因素。结果表明:沟底土壤含水率由沟头至沟口呈明显增加趋势。沟底、沟缘和沟岸0~480 cm剖面土层平均含水率分别为17.1%、13.5%和14.4%。沟底0~480 cm剖面土层平均储水量为80.54 cm,沟缘及沟岸分别为67.49 cm和71.05 cm。地形和土壤质地是影响土壤储水量的主要因素;土壤储水量与距沟头距离、土壤黏粒、粉粒含量呈极显著正相关。沟底、沟缘和沟岸均有干层出现,且主要集中在靠近沟头位置,平均厚度和起始深度分别为243 cm和257 cm,平均含水率为9.5%。沟底、沟缘和沟岸干层平均厚度分别为100 cm、286 cm和331 cm。研究结果可为该区域土壤水资源管理和土壤水库评价提供理论依据。     

黄土高塬沟壑区水土流失综合治理范式

 黄土高原是中华农耕文化的发祥地,其主要地貌类型区之一的黄土高塬沟壑区,其农业发展有着比黄土高原其他地区优越的自然条件。但长期以来,由于自然和人为因素的双重作用,该区水土流失十分严重,塬面径流下沟导致沟头不断前进,塬面逐年萎缩。由于沟坡坡度大而导致重力侵蚀异常活跃,侵蚀强度逐渐加强。在特殊的自然环境、人口压力以及经济发展需求的条件下,探索黄土高塬沟壑区水土流失综合治理范式成为水土保持领域科技人员和当地政府急需解决的问题之一。在解析黄土高塬沟壑区自然地理特征、水土流失特点以及社会经济发展需求的基础上,通过对该区现有的水土流失综合治理模式进行梳理,结合范式的概念,提出黄土高塬沟壑区水土流失综合治理范式。     

沟壁侧面蒸发与黄土高原环境旱化关系初探

 为定量研究沟壁侧面蒸发对加速黄土高原环境旱化的作用,在侵蚀强烈的水蚀风蚀交错带选择典型冲沟,分别在沟岸地（邻近沟缘的沟间地部分）距冲沟沟缘20、100、200、300、400、500、600cm处布设中子管,研究沟岸地土壤水分的垂直分布及其动态变化。结果表明:土壤水分在距沟缘500cm范围内随距离增加而增加,证明了沟壁侧面蒸发作用的客观存在;对距沟缘不同距离0～300cm土层土壤储水量动态变化的研究表明:降雨发生时,不同距离各点的储水增量并无显著差异,但距沟缘20 cm处土壤水分损失最快,而500 cm土壤水分损失最慢,证明了沟壁侧面蒸发通过加速土壤水分蒸发加速黄土高原环境旱化的客观事实。沟岸地土壤储水量与距沟缘距离幂函数关系的确定为定量化研究沟壁侧面蒸发加速黄土高原环境旱化程度奠定了初步基础。     

关于中国水土流失研究中若干理论问题的新见解

[目的]探讨中国不同地区有关水土流失问题的根源,为水土保持研究提供理论依据,为青年学者提供学术研究的思路和方法。[方法]在大量的野外考察和学术交流基础上,利用各种形式的信息资料,重点从地质学角度分析有关水土保持问题。[结果]简要阐明了对5个水土流失问题的新认识:晋陕蒙接壤区砒砂岩与鄂尔多斯地台油气和铀矿藏的关系,优先流与黄土高原冲沟的形成和塬区地下水的来源,华南崩岗的侵蚀与治理,下伏亚黏土不透水层对东北黑土侵蚀的影响和西南喀斯特坡地土壤的地下漏失等。[结论]水土保持科学是密切结合生产实际的应用学科,应该首先服务国家生态文明建设的需求。研究工作者要善于发现问题,敢于质疑权威,综合运用多学科的知识解决问题。只有这样才能保证我们的学术研究沿着正确的方向不断进步。     

黄土高原丘陵区不同植被恢复方式下土壤水分特征——以桥子沟流域为例

为研究黄土高原丘陵沟壑区不同植被恢复方式下的土壤水分特征,以天水典型对比小流域——桥子西沟(自然恢复的荒草地)和桥子东沟(人工恢复的刺槐林地)为例,基于2流域5-8月0～ 100 cm深度土壤质量含水量和氢氧同位素浓度,定量分析不同植被恢复方式下降水和坡向对土壤水分影响.结果表明:以刺槐林地为主的流域土壤含水量低于以荒草地为主的流域(16.72％)约3.70％,对降水量的响应较弱,各土层含水量变异系数较高.土壤水分存在临界变化深度,刺槐林地为主的流域在10 cm以下含水量趋于稳定,最大蒸发深度为55 cm,荒草地为主的流域在30 cm以下含水量开始增加,最大蒸发深度为30 cm.两流域含水量均遵循阴坡＞半阴坡＞半阳坡,δo18的分布不符合这一规律.以刺槐林地为主的流域含水量随坡向变化较小,而以荒草地为主的流域受坡向影响较大,坡向对土壤水分的影响受植被因子的制约.以自然恢复荒草地为主的恢复方式可以较好的增加土壤水库蓄水量,有利于流域生态的可持续发展.     

淤地坝“淤满”后的水沙效应及防控对策

黄土高原大规模的淤地坝建设在减少黄河泥沙以及改善区域生态环境方面发挥了巨大作用.但是,在淤地坝“淤满”的极端条件下,关于其水沙效应变化及防治对策的研究还较少涉及.经分析,淤地坝“淤满”后:1)坝控范围内坡度降低,径流长度减少,沟道比降降低,而横断面由原来的“V”型沟道,演变为“U”型沟道;2)以关地沟4号坝为例,使用RUSLE计算,修建淤地坝前,坝控范围内平均每年土壤侵蚀模数为4 472 t/(km2 ·a),淤满后,土壤侵蚀模数下降至4 019 t/(km2·a),降幅约10％,“原地”减蚀作用显著,从修建至淤满阶段,拦沙作用巨大;3)淤地坝淤满后,坝地流速显著降低,从修建淤地坝前的0.83 m/s降至0.27 m/s,但坝体外坡的流速显著增加,特别是坡底,最大流速可达3.76 m/s;4)淤地坝淤满后,淤地坝“异地”减蚀作用会降低.基于上述变化,针对淤地坝淤满后的极端条件,本文提出如下防治对策:1)以小流域为单元,以溢洪道为主体,完善沟道排洪设施布设,提高支沟内以及支沟与主沟的连通度,提升排洪能力;2)遵循“因地制宜”原则,科学合理植树种草、修建梯田,加强坡面治理,减少坡面来水来沙,消耗和分散坡面来水侵蚀能量,降低坝地淤满后被损毁的风险;3)采取“截水沟和排水沟相结合,工程措施和植物措施相结合”的方法,做好坝体陡坡防治,提高坝体外边坡植被覆盖度.研究结果以期为黄土高原淤地坝建设提供理论支撑.     

关于生物措施治理黄土高原水土流失的思考

 为加速黄土高原水土流失治理的健康发展,在深入分析黄土高原水土流失治理存在的主要问题,以及生物措施治理黄土高原水土流失作用的基础上,按照黄土高原河谷平原区、黄土丘陵沟壑区、黄土高原沟壑区、鄂尔多斯高原区和土石山区5个类型区,提出以植被建设和保护为核心的生态建设思路和治理对策,同时指出了采取生物措施治理水土流失时需注意的若干问题。     

黄土高原小流域淤地坝监测

[目的]为了探索小流域淤地坝监测的内容、指标、方法,分析淤地坝建设效益,更好地为淤地坝规划、建设、运行管理服务。[方法]2005—2010年,在黄土高原不同水土流失类型区选择了12条典型小流域坝系,布设监测点,采用遥感、水沙观测、调查等方法,连续开展淤地坝工程建设动态、拦沙蓄水、坝地利用及增产效益、坝系工程安全等监测。分析了淤地坝建设与坝系配置、坡面治理、拦沙蓄水、坝地利用等之间的关系。[结果]小流域淤地坝坝系在拦截泥沙、蓄洪滞洪、减蚀固沟、增地增收、促进农村生产条件和生态环境改善等方面发挥了显著的生态、社会和经济效益。[结论]建议在淤地坝建设中以小流域为单元,以骨干坝为主体,骨干坝、中型坝、小型淤地坝相结合,形成稳定的淤地坝坝系。