膨胀土胀缩裂隙演化及其扰动规律分析

为定量研究膨胀土胀缩裂隙的演化特征及其对土体的扰动规律,从而探究其引发工程和生态环境灾害的机理。论文对合肥膨胀土进行干湿循环-CT(computed tomography)扫描试验,从获取的CT图中提取灰度值以及灰度共生矩阵特征值:角二阶矩(angular second moment,ASM)和对比度(contrast,CON),研究在干湿循环作用下裂隙图像的灰度值及其纹理的变化规律;并通过三轴剪切试验研究了在干湿循环作用下膨胀土的强度特征。结果表明:1)图像灰度值随裂隙的发育状态而变化;初始阶段灰度值沿试样轴向分布比较离散,但在后期逐渐均匀,离散系数在3次干湿循环后达到最大值,比干湿循环前增加了106%,随后逐渐减小;2)ASM随干湿循环次数的增加而减小,并且在0°和90°方向上的值比在45°和135°方向上的值大9%;CON随干湿循环次数的增加而减小,并且在0和90°方向上的值比在45°和135°方向上的值小52%,其对纹理的方向差异性更加敏感;3)胀缩裂隙对原状膨胀土的结构性会造成破坏,强度劣化显著;在5次干湿循环后,2种土强度分别降低62%和46%,并且原状膨胀土与重塑膨胀土强度的差值也由347.3 kPa降至21.3 kPa;4)由ASM和CON定义的扰动函数与由土体原生联结结构强度定义的扰动函数,扰动过程中函数变化曲线吻合度高,故基于灰度共生矩阵特征值的扰动函数能很好地描述胀缩裂隙扰动下的膨胀土强度特性。     

大型引调水工程水土保持施工图设计关键环节——以引江济淮(河南段)工程为例

水土保持施工图设计是水土保持措施实施时的主要依据,也是验收的参照基础。分析了水土保持施工图设计的重要性及当前水土保持施工图设计存在的问题,结合多项大型引调水工程水土保持设计经验,提出引调水工程水土保持施工图设计的范围和重点,通过引江济淮(河南段)工程水土保持施工图设计实践,探讨大型引调水工程水土保持施工图设计的关键环节。     

裂隙膨胀土细观结构演化试验

为研究裂隙膨胀土的细观结构特征,对重塑膨胀土进行了干湿循环、三轴浸水和各向等压加载试验。利用CT(computerized tomography)机对试验过程中进行无损实时动态扫描,从细观上分析膨胀土裂隙的产生以及裂隙在水和外力作用下的闭合全过程。将细观扫描数据与宏观物理参数相联系,研究裂隙对膨胀土变形特征的影响。结果表明:无约束情况下对膨胀土进行干湿循环,试样边缘以及孔洞聚集区易形成裂隙;干湿循环造成膨胀土体积收缩存在一个稳定渐近线,体缩会趋于1个稳定值。裂隙膨胀土在浸水初期产生膨胀力并出现湿胀变形;随着浸水量的增加,软化效应产生且膨胀力逐渐减小,在围压和偏应力压缩作用下继而出现体缩现象;浸水后期,在偏应力作用下试样产生剪胀破坏,再次出现轻微剪胀变形。在水和荷载作用下,不规则裂隙和孔洞逐渐演化为较规则的圆形孔洞,且圆形孔洞趋于闭合;仅在外力作用时,裂隙较难完全闭合;水和外力的共同作用使得膨胀土裂隙的闭合效果要优于单纯施加荷载时的闭合效果。裂隙膨胀土在各向等压加载过程中存在明显屈服现象,以屈服点为分界,扫描数据和孔隙比随荷载的增大分为快速体缩段和缓慢体缩段,前者与裂隙在荷载作用下闭合并演化成孔洞有关;后者与加载后期孔洞较难闭合且形成的新结构具备抵御外部荷载的能力有关。研究成果可为进一步认识裂隙对膨胀土力学特性的影响提供参考。     

锚固植被加强系统对新开挖膨胀土边坡大气影响深度的作用

[目的]探索锚固加强植被系统(ARVS系统)对新开挖膨胀土边坡大气影响深度的影响,为该系统防护新开挖膨胀土边坡的应用提供参考依据。[方法]以南宁市膨胀土边坡为研究对象,进行新开挖的裸露边坡、植草边坡、ARVS系统防护边坡的现场试验,监测边坡的土体含水率、土体温度、锚杆轴力,研究大气作用下ARVS系统对新开挖膨胀土边坡的大气影响的深度。[结果]裸露边坡的大气影响深度发展最快,短时间内就能发展到了2.4 m左右,ARVS系统防护边坡的发展最慢,多次降雨后,大气影响深度小于1.8 m; ARVS系统能约束膨胀作用,限制胀缩裂隙的发育,再加上植被作用,减缓大气影响深度向内部发展的速度;随着大气影响深度向土体深部发展,中性点向深处移动,坡面的植被与高性能植被保护垫(HPTRM)能使限制这种移动,保证ARVS系统约束膨胀作用的能力。[结论] ARVS系统的植被,HPTRM和锚杆3者相互作用,通过约束膨胀作用来限制新开挖膨胀土边坡大气影响深度的发展。     

湿干循环下膨胀土渠道边坡的破坏模式及稳定性

针对北疆地区膨胀土渠道因季节性通水导致的边坡失稳破坏问题,通过建立简化地质条件的离心模型试验,得到了湿干循环下膨胀土渠道边坡的变形及破坏特征,提出了由渠道通水、停水引起的湿干循环下膨胀土渠道边坡的破坏模式;在此基础上,利用GeoStudio软件分析了不同裂隙分布形式对膨胀土渠道边坡渗流特性及稳定性的影响。结果表明:运行过程中渠基膨胀土开裂是引起渠道边坡发生浅层失稳破坏的决定性因素;渠道因季节性通水造成的湿干循环作用下膨胀土渠道边坡破坏模式主要由“子土块”剥落破坏及“后缘张拉裂隙的扩展”2种破坏相互混合叠加构成。对比数值模型中不同后缘裂隙深度下渠坡的安全系数可知,当裂隙贯穿区深度为0.5 m时(工况1),对应的安全系数下降幅度约为60%,但此时的安全系数仍较大,渠坡可视为稳定;而当裂隙贯穿区深度继续增加至1 m时,渠道的安全系数下降幅度达到约74%,此刻的安全系数接近一级安全等级阈值(1.25),渠坡虽仍为稳定,但已经具备了失稳的可能。边坡的浅层破坏主要由“子土块”剥落模式决定,而后缘张拉裂隙的扩展对渠坡的失稳起到促进作用。此外,数值模拟结果还显示裂隙的存在加剧了坡面表层土体的孔压波动,易造成表层“子土块”的剥落。研究成果为进一步揭示季节性通水诱发的膨胀土渠道灾变提供了参考依据。     

干湿交替下膨胀土裂隙演化与强度衰减规律试验研究

为揭示干湿循环效应下膨胀土胀缩裂隙的演化特征及土体结构强度的劣化规律,对合肥弱膨胀土试样开展不同循环幅度下的干湿循环试验,利用图像处理技术从试样表面裂隙图像中提取出裂隙参数,并进行低应力下的抗剪强度试验.试验结果表明:1)裂隙开展分为裂隙酝酿期、裂隙快速传播期和裂隙平稳发展期3个阶段,裂隙指标的增长主要集中在裂隙快速传...     

滤纸法测定干湿循环下膨胀土基质吸力变化规律

为了获得干湿循环作用下膨胀土基质吸力的变化规律,首先采用人工模拟降雨和蒸发的方法开展了膨胀土室内干湿循环试验,然后利用滤纸法进行了不同含水率下试样的基质吸力测定试验,获得了干湿循环条件下膨胀土的土水特征曲线,求出了相应的进气值与残余值,结合Fredlund土水特征曲线模型对经历不同干湿循环次数下的土壤土水特征曲线进行了拟合,最终建立了考虑干湿循环效应的膨胀土土水特征曲线模型。结果表明:1)随着干湿循环次数的增加,土壤的进气值呈下降趋势,从循环1次时的134.5 k Pa降至循环4次时的58.5 k Pa,降幅达56.5%。从循环1次至2次的进气值下降较大,往后降幅明显减小,趋于基本稳定,这表明对土壤进气值的影响以初次干湿循环为主。2)残余值亦呈下降趋势,从循环1次时的1 040.5降至循环4次时的528.5 k Pa,降幅达49.2%。每经历一次干湿循环,残余值降幅均较大,尚未趋于稳定,这表明干湿循环效应对土壤残余值的影响比对土壤进气值的影响要大。3)新建土水特征曲线模型中的拟合参数与干湿循环次数成较好线性关系,表明随着干湿循环次数的增加,土壤进气值逐渐减小,水分变化速率有所降低,而残余含水率逐渐增加。该成果可为深入研究土壤基质吸力及其工程应用提供参考。     

冻融循环对不同比例风化砂改良膨胀土膨胀力的影响

[目的]研究风化砂改良膨胀土的膨胀力与风化砂掺量、冻融循环次数之间的定性和定量关系,为风化砂改良膨胀土用作公路路基提供理论依据。[方法]在膨胀土中分别掺入0,10%,20%,30%,40%,50%的风化砂,在分别经过0,1,3,6,9,12次冻融循环后,在固结仪上进行膨胀力测试。[结果]风化砂的掺入可明显降低膨胀土的膨胀力;在相同的冻融循环次数下,风化砂改良膨胀土的膨胀力随掺砂比例的增大而减小,膨胀力降低的幅值随掺砂比例的增加亦逐渐减小;在相同的掺砂比例下,风化砂改良膨胀土的膨胀力随冻融循环次数的增大而减小,膨胀力降低的幅值亦逐渐减小。当掺砂比例相同时,风化砂改良膨胀土的膨胀力与冻融循环次数的自然对数呈线性负相关关系。[结论]不同的冻融循环次数和不同的掺砂比例对膨胀土的膨胀力均有影响。     

黄土路堑边坡土壤水分空间分布特征及影响因素

基于西安市三条道路黄土路堑边坡植被防护调查和室内土壤含水率测试结果,研究分析了坡位、坡度、坡向、植被类型和植被防护模式对黄土路堑边坡土壤水分空间分布特征的影响。结果显示,中坡位土壤含水率大于下坡位,下坡位大于上坡位;高坡级边坡土壤含水率大于低坡级;小坡度边坡土壤含水率大于大坡度;阴坡土壤含水率大于阳坡;贴地植被土壤含水率大于直立植被土壤含水率;草灌结合模式的边坡土壤含水率小于灌木单一模式,但前者的生长状况优于后者。     

贺兰山云杉林根土复合体提高边坡稳定性分析

为了研究贺兰山青海云杉林(Picea crassifolia)边坡根土复合体对边坡稳定性的影响,该文在直剪试验、三轴试验等获得的土壤参数基础上,建立了基于有限元理论的贺兰山青海云杉林边坡稳定性计算数值模型,并在5种坡度条件下(18.43°、21.80°、26.57°、33.69°、45.00°)计算了无林边坡和有林边坡的安全系数、最大塑性应变、最大位移、破坏时间及它们的增长率随坡度的变化规律,并计算了土壤强度参数摩擦角、黏聚力、剪胀角与安全系数的灰色关联度矩阵和平均关联度。结果表明:1)无林边坡与有林边坡的安全系数随坡度的变化规律是一致的,都以幂函数递减。有林边坡相对于无林边坡安全系数的增长率以指数函数增加,且坡度越陡根土复合体对边坡稳定性的提高作用越强;2)根土复合体的存在可以延长边坡的破坏时间,有林边坡的破坏时间均高于无林边坡,根土复合体提高边坡破坏时间的增长率随坡度的增大呈抛物线增加,且坡度越陡提高作用越明显。边坡破坏时有无塑性贯通区会明显改变最大塑性应变、最大位移、破坏时间的值;3)摩擦角、黏聚力、剪胀角3个土壤强度参数中,黏聚力是影响边坡稳定的主导因素,摩擦角、剪胀角的影响次之,此规律不受边坡坡度的影响,这是根土复合体可以显著影响边坡稳定性的根本原因之一。该文的研究结果对于解释森林根土复合体加固边坡作用的本质、推进边坡稳定性计算的数值模拟、防治贺兰山浅层滑坡及水土流失灾害都具有重要的意义。     

引江济汉工程对汉江中下游生态环境影响

引江济汉工程作为南水北调的配套工程,将在改善汉江中下游生态环境方面发挥不可忽视的作用.基于河流水质模型及河流综合水质生态模型,从水文、水质、鱼类、藻类及血吸虫病传播等方面,论述了引江济汉工程的实施对汉江中下游生态环境的影响.研究结果表明:引江济汉工程在一定程度上提高了汉江中下游的水位和流量,降低了汉江中下游水体的污染物(COD)浓度,能够在一定程度上控制“水华”现象,改善鱼类的生存空间,但同时也存在造成血吸虫病传播的潜在风险.     

长江上游紫色土坡耕地水土流失特征及其防治对策

 紫色土是长江上游最重要的土地资源之一,严重的水土流失引发了一系列问题。在对紫色土坡面产流特征进行分析的基础上,研究紫色土坡面产流特征对水土流失的作用机制以及紫色土坡耕地水土流失防治对策。结果表明:紫色土坡耕地产流模式以蓄满产流为主,壤中流在坡面径流总量中所占比例较大;紫色土坡耕地土壤侵蚀导致土壤粗骨沙化,土壤养分流失途径与营养元素的溶解性有关,易溶的N、K主要以溶解态流失,易被土壤固定的P主要随土壤颗粒流失;壤中流是紫色土坡耕地水土流失的重要外营力之一,进行水土流失治理必须对其加以干预。提出长江上游紫色土坡耕地水土流失治理策略与"增渗防冲、排水保土,先排后蓄、蓄以为用"的治理措施。     

南水北调西线工程对黄河流域生态环境的影响分析

黄河流域地处我国北方干旱和半干旱地区,水资源贫乏,人均占有水资源仅为全国平均水平的1/3,森林覆盖率仅为6%,是全国平均水平的50%。水土流失严重,中上游土壤侵蚀模数一般在5000t/(km2.a)以上。黄河含砂量居世界之最,多年平均含砂量达33kg/m3,由于水资源量的逐年减少和需求量的逐年增大,引起了土地沙漠化,沙尘暴以及黄河水质恶化等一系列环境问题。南水北调西线工程拟从水量充沛的长江、澜沧江、怒江流域调部分水量进入黄河,总调水量170亿m3。其中用于农、林、牧业方面的灌溉水量占总调水量的55%,可以有效地增加植被和控制水土流失,遏制土壤沙漠化;能够缓解黄河水资源的供需矛盾,改善黄河水质;同时还可以增加黄河下游河道的冲刷长度,减少泥沙淤积,有利于黄河下游河道的稳定性。     

长江三峡工程库区水土保持遥感动态监测及 GIS系统开发

长江三峡工程库区人类活动频繁，生态系统脆弱，水土流失较为严重。在三峡工程开工建设7a之后的2000年．运用遥感(RS)、地理信息系统(GIS)、全球卫星定位系统(GPS)、计算机网络技术等高新技术，采用DEM、影像正射校正、多源影像数据融合、多层次信息提取等技术方法，对整个库区20世纪80年代中期、世纪之末两期的土地利用状况、水土流失状况及水土保持治理等进行了全面的动态监测．并在此基础上利用ArcGIS软件平台开发完成。     

南水北调西线工程与受水区生态环境问题

南水北调西线调水工程的供水对象主要是工业、生活和生态环境用水,尤其生态环境用水占有很大的比例,当调水1.70×1010m3时,用于生态环境部分达6.30×109m3,占调水量的37.0%。重点分析了调水工程对受水区生态环境的有利影响,指出调水工程将为西部大开发提供水资源保障,增加受水区河川径流量;改善水环境;遏制并治理水土流失和土地荒漠化,减少自然灾害,改善农业生态环境和当地居民的生存环境;缓解黄河下游的断流,解决下游由于断流而引发的生态环境问题;恢复并建立新的生态系统,大大提高受水区的环境容量及承载力。从整个生态环境意义上来讲,南水北调西线工程是一座规模宏大的生态建设工程。     

南水北调中线工程源头区水土流失及其治理——南阳市汉水流域研究

对南水北调中线工程源头区——河南南阳市汉水流域水土流失的现状、成因、危害进行了分析 ,在此基础上 ,讨论了治理水土流失的对策措施。研究认为 ,严重的水土流失将对南水北调中线工程产生影响 ,其形成既有自然原因 ,更有移民返迁、人口负荷过大等人为原因 ,应通过行政、经济、法律手段及妥善安置移民来治理水土流失     

长江上游重点水土流失区坡耕地土壤侵蚀的137Cs法研究

利用137Cs示踪技术,对长江上游重点水土流失区(金沙江下游及毕节地区、嘉陵江中下游地区、嘉陵江上游陕南陇南地区和三峡库区)坡耕地土壤流失速率进行了初步研究。结果表明,研究区土壤类型、坡度等因子对坡耕地土壤流失速率的影响较大,陕南区砾质土、三峡库区黄壤坡耕地的土壤流失速率相对较小,34°砾质土坡耕地,多年平均土壤流失率为985t/(km2·a),31°黄壤坡耕地为2059t/(km2·a);嘉陵江中下游地区和三峡库区紫色土、陕南区黄褐土、陇南区黄绵土和金沙江燥红土坡耕地土壤流失速率较高,一般在2000～10000t/(km2·a);坡度越大土壤流失速率也越高。同时,对坡耕地地块内部土壤侵蚀与堆积的空间分异进行了初步探讨。在坡耕地地块内部,土壤在流水和犁耕共同作用下,侵蚀速率从峁顶至坡底总体呈下降趋势,并在地块中下部出现堆积大于侵蚀的区域。侵蚀小于堆积的临界点,一般出现在距坡顶20～30m范围。     

长江上游人工林与天然林土壤结构质量及保水抗蚀性研究

对长江上游人工林与天然林下代表性剖面的土壤结构分析看出,人工林较天然林土壤的结构状况要差。选择12项指标对不同林地土壤结构质量进行评价,结果表明人工林土壤结构质量远不如天然林土壤。测定和计算人工林、天然林土壤的持水量和侵蚀率,也看出前者比后者的保水抗蚀性差。其原因主要与林下土壤结构质量有关。长江上游地区人工林分布面积大,现暴露出的很多问题,与其土壤结构质量低下有紧密的关系。建议加强林下土壤结构质量的保护和培育研究。     

秸秆全量还田条件下配施化肥对沿淮砂姜黑土培肥及玉米产量的影响

通过2010年玉米季田间试验,初步探讨了秸秆全量还田下配施化肥对沿淮砂姜黑土培肥效果和玉米产量的影响.结果表明:秸秆全量(7 500kg/hm2)还田配施化肥条件下,耕层土壤有机质和土壤氮磷钾养分相对不施肥CK显著提高(P＜0.05),且相对单施化肥有一定程度的提高.产量上,单施化肥相对CK增产玉米50.7％;秸秆全量还田配施氮肥处理的玉米单产为6644.4～7 562.9 kg/hm2,较单施化肥处理增产11.51％ ～ 26.92％.值得一提的是,玉米单产以秸秆全量还田下配施化肥(N-P2O5-K2O为135-60-90 kg/hm2)最高,且显著高于单施化肥处理(P＜0.05).     

东江源区坡地果园水土流失防治分析

东江是香港特别行政区主要的饮用水水源,源区水环境直接关系到珠江三角洲和香港的饮用水安全;但近年来由于果业开发导致东江源区水土流失现象严重,水质呈恶化趋势.为防治东江源区坡地果园水土流失,应根据区域水土流失现状,结合地形、地质、土壤条件,通过设置山边沟、草沟等工程措施,同时配合采用梯壁植草、节水覆盖等植物措施进行综合防治,达到改善东江源区水质的目标.