淤地坝控制黄土高原坡沟系统重力侵蚀的空间特征

基于有限元技术,建立了关地沟4号坝上游典型坡沟系统的概化模型,结果发现随淤地坝坝地的淤高,坡沟系统的稳定性和滑塌量分别增强和减少,其随坝地淤高的变化分别满足二项式和直线规律;通过软件模拟计算,结果发现在坡沟系统重力侵蚀中,随着淤地坝的淤高,峁坡和沟坡滑塌物的体积和重量之比基本为1:50;峁坡滑塌物的体积和重量占总滑塌物的体积和重量的2%,而沟坡滑塌物的体积和重量占总滑塌物的体积和重量的98%,沟坡重力侵蚀是沟道泥沙的主要来源。该研究结果可为小流域沟道重力侵蚀的预报和侵蚀量的评估提供重要参数和科学依据。     

黄土高原坡沟系统重力侵蚀数值模拟研究

采用有限差分软件FLAC3D对黄土高原坡沟系统重力侵蚀机理进行探索,对坡沟系统应力场和位移场进行数值模拟,分析了不同侵蚀基准面抬升高度对坡沟稳定性及重力侵蚀的影响。结果表明,随侵蚀基准面逐渐抬升,坡沟系统逐渐稳定,最大位移、安全系数及滑塌概率的变化符合指数函数分布规律。拟合方程精度较高,可应用于坡沟重力侵蚀的定性分析与定量计算。凹形边坡整体几何形态能够有效降低应力集中,减缓重力侵蚀的发生程度;坡沟系统上部位移是以"沉降"模式为主,梁峁顶和梁峁坡是重力侵蚀最为强烈的部位。随侵蚀基准面逐渐抬升,各方向位移均有不同程度降低。     

不同土地利用对黄土区小流域坡沟系统土壤水分变化及水盐的响应

采用野外分峁坡和沟坡调查、采样和测量,研究了不同土地利用类型下小流域坡沟系统土壤水分变化的规律及与土壤含盐置的相关关系.结果表明:(1)峁坡和沟坡降雨前与降雨后土体的体积含水量随土层垂直深度呈二项式变化规律.(2)峁坡和沟坡电导率随含水量的变化分别呈幂函数和二项式变化规律.     

黄土高原小流域重力侵蚀稳定性评价

为评价黄土高原小流域重力侵蚀稳定性,采用有限差分FLAC3D软件对黄土高原王茂沟小流域概化模型进行了研究。对小流域平衡状态时位移场和应力场和塑性屈服区进行数值模拟,并结合Rosen-blueth矩估计方法对流域重力侵蚀破坏概率可靠度进行了分析。结果表明,剪切塑性区域主要分布于坡面和沟坡大部分区域,张拉塑性区域主要分布于梁峁顶和梁峁坡上部;该流域重力侵蚀处于不可接受的风险水平,需采取有效的工程措施以提高其稳定性。Rosenblueth法可有效地将传统安全系数与概率分布相互结合补充,为建立流域稳定性与重力侵蚀可靠度的指标评价体系提供了一种好的方法。     

通过三维渗流计算评价某滑坡坝渗透稳定性

黄河上游某滑坡坝由两岸滑坡物质形成,进而形成了天然堰塞湖,附近区域现已成为国家自然保护区核心区。为了对该滑坡坝的渗透稳定性进行较深入的研究,首先通过试验资料确定了坝体与湖积纹泥渗透稳定的可能破坏形式、临界水力坡降和允许水力坡降,在此基础上通过三维数值计算对滑坡坝在正常湖水位与极限湖水位两种工况进行了渗透稳定性评价。具体评价方法为,在每种工况下先评价计算范围内最大水力坡降方向每一格点（计算剖分网格）的渗透稳定性,进而评价整个坝体的渗透稳定性。研究结果表明,在正常湖水位与极限湖水位两种工况下,坝体均不会出现渗     

黄土丘陵沟壑区坡体稳定性影响因素分析

选取黄土丘陵沟壑区纸坊沟小流域为研究区,利用高精度遥感影像(分辨率0.068 m)和DEM (分辨率0.34 m)数据,结合野外调查,对崩塌、滑塌、滑坡、脱落和陷穴等失稳体进行识别,通过统计学、敏感系数方法,利用识别失稳体数据,分析不同类型失稳体空间分布状况,定量研究不同类型失稳体的影响因子敏感程度,揭示不同类型失稳体的主控因子,进一步阐明流域坡体失稳体的空间分布规律和影响坡体稳定性的主控因子。结果表明:(1)利用高精度遥感影像,获取流域失稳体,主要是以小规模和浅层的脱落、崩塌和滑塌为主,三者面积合计为0.417 km²,占流域总面积的5.04%。(2)评价因子内部中,土壤母质的红黏土、土地利用的天然灌木林地和草地、地貌部位的沟坡、坡度＞35°、地形起伏度为0.74~3.34 m是坡体失稳发生的高敏感区域,也是崩塌、滑塌、脱落和陷穴发育共有的敏感区域。(3)影响坡体稳定性主控因子权重由大到小为土壤母质、地形起伏度、坡度、土地利用和坡向。崩塌、滑塌和脱落的主控因子与整体坡体稳定性的主控因子相同,但因子内部权重存在差异。崩塌与整体坡体稳定性影响因子顺序分布一致。滑塌主控因子权重由大到小为土壤母质＞地形起伏度＝坡度＞土地利用＞坡向＞地貌部位。脱落主控因子权重由大到小为土壤母质＞土地利用＞地形起伏度＞坡度＝坡向＞地貌部位。滑坡的主控因子为坡度和地形起伏度。陷穴的主控因子权重由大到小为土壤母质＞地形起伏度＞坡度＞坡向。     

黄土峁坡农地侵蚀与坡长的关系

采用~(137)Cs法测定土壤侵蚀量和细沟量测的综合研究表明,黄土峁坡的长坡农地,在细沟最大深度未抵达犁底层的坡长范围内,侵蚀速率与坡长呈正相关,大于此坡长后不呈正相关.犁耕层和犁底层组成的双层土壤结构,控制了峁坡农地的细沟发育,决定了侵蚀速率与坡长的关系.径流小区的坡面径流汇聚和细沟发育情况往往与实际峁坡农地差异较大,依据径流小区观测资料统计得出的峁坡农地的侵蚀速率与坡长呈正相关的结论,不适用于长坡农地.     

林分立地和林种对土壤水分的影响

坡向和坡位对林地土壤水分有一定影响.林分相同时,阴坡林地的土壤水分含量高于阳坡. 阴坡河北杨林、柠条灌木林和沙棘灌木林的土壤水分含量分别比阳坡高约2.53%～3.20%,0.7 7%～1.01%和2.35%.坡向和林分相同时,坡下部林地的土壤水分含量相当于、略高于或明显高于坡上部和中部.阴向峁坡下部柠条灌木林的土壤水分含量与峁顶、峁坡上部和中部无明显差异;东坡和西北坡下部油松林的土壤水分含量比坡上部仅分别高0.95%, 1.46%(4月)与1.28%,0.35%(6月);沟坡下部沙棘灌木林的土壤含水量则分别比沟坡上部和中部高14.79%和7.27%(5月)与9.21%和5.42%(11月).林种对土壤水分亦有一定影响. 在相同降水量区域,5个不同林种之间的土壤水分含量差值为0.58%～2.77%;选择适当的造林树种和密度可以改善林地土壤水分状况.     

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.     

利用铁丝网坝拦截滑坡体的试验研究

防治泥沙灾害,以往多采取被动式挡土墙。1971～2011年日本学者千叶干等人研究弹性挡土墙—利用铁丝网坝拦截滑坡。在实际坡面的底端设置铁丝网坝,重复数次拦截泥沙,最终铁丝网坝没有破坏。应用高频照相机摄影解读出泥沙滑动速度为11 m/s。能拦截来自高为5～100 m,坡度为30°～60°坡面上最大粒径为60 mm的泥沙。实践证明铁丝网坝具有拦截滑坡泥沙的功能。     

基于位移变化率和强度折减有限元的边坡失稳判定方法

采用强度折减有限元法计算边坡稳定时,以变形为基础的失稳判据具有显著的物理意义和工程意义。该文采用变步长的折减方法,基于位移变化率-强度折减系数曲线的转折突变作为失稳判据,并研究特征点的敏感性及选取范围。计算结果表明,当折减系数为1.42时,坡顶水平位移变化率、竖向位移变化率和总位移变化率均发生急剧性的转折。与位移相比,位移变化率-强度折减系数的曲线存在明显的转折突变,可更准确、明显地判断边坡稳定的安全度。至坡顶一定距离范围内的特征点,如位于非塑性区域且非滑动土体时,其位移变化率-强度折减系数的曲线发生转折突变,但曲线在转折点附近存在振荡现象。通过位移变化率计算得到的54个安全系数,平均值为1.420,变异系数为0.005 3,不同特征点根据水平位移变化率、竖向位移变化率和总位移变化率得到的安全系数基本一致。当特征点至坡顶的距离≤1倍坡高时,特征点的位移12 mm,且位移变化率均较大,此时特征点对位移变化率较敏感;当特征点至坡顶的距离1倍坡高时,特征点位移在5~18 mm之间,但位移变化率大幅度降低,此时特征点对位移变化率的敏感性大幅度降低。考虑边界约束的影响及特征点的敏感性,建议特征点的选取范围为:与坡顶距离为1倍坡高的范围。     

黄土高原坡沟系统侵蚀产沙过程的REE示踪研究

利用室内概化的坡沟系统模型,结合REE示踪技术,采用放水冲刷试验,对黄土高原坡沟系统侵蚀产沙过程进行了深入研究。结果表明,坡沟系统的坡面侵蚀速率大于沟坡的侵蚀速率,即坡面侵蚀较沟坡侵蚀剧烈;在本研究设计的流量范围内存在一个临界流量Q=12 L/min,当冲刷流量小于该值时,起始侵蚀率随流量的增大而增大,当冲刷流量大于该值时,起始侵蚀率随冲刷流量的增大而减小;相同流量下,随着冲刷历时的延长,其侵蚀率呈波动变化趋势,陆续达到最大,然后又逐渐减小,而且随着流量的增大,La元素示踪带和Eu元素示踪带侵蚀率达到最大的时间越来越短。     

退化沙质草场群落特征及功能群生物量的空间变异性

拱坝坝肩高边坡的稳定性问题是当前工程研究的热点问题之一。当前,坝肩边坡作为从属工程,其稳定性的分析主要是针对边坡本身的稳定性进行的。分析中采用的判定从属边坡稳定性的评价标准并不能保证主要坝体的安全性。为了使边坡的抗滑安全性计算中能考虑坝体的影响,作者提出了“从属安全度”概念,并基于应力控制标准给出了从属安全度的计算公式。以某高拱坝为例进行了坝肩边坡的从属稳定性数值试验研究,研究结果表明:考虑边坡动力反应过程中坝体稳定性,坝肩边坡的从属稳定性系数将降低20%。     

黄土丘陵沟壑区坡沟系统产流产沙对源-汇-路径格局的响应

坡沟系统是流域水土流失与治理的基本单元,掌握其产流产沙规律是有效解决水土流失区生态环境恢复重建的核心问题之一。该研究利用无人机遥感与地理信息系统技术对流域的土地利用进行识别,再确定5个不同坡沟系统（2个无人为干扰的退耕植被恢复+自然植被坡沟系统SG1和SG2、2个人为扰动的退耕植被恢复+自然植被坡沟系统SG3和SG4、以及1个果园+坡耕地的坡沟系统SG5）内泥沙源、汇及其输移路径分布特征,并在量化指标的基础上,结合2016—2022年坊塌小流域5个坡沟系统的降雨和产流产沙的监测数据,研究了不同坡沟系统的产流产沙特征及其对源-汇-路径格局的响应。结果表明：次降雨条件下,SG1和SG2的产沙模数显著低于其他坡沟系统（P<0.05）,且SG3径流深和产沙模数均较大;SG2的年平均径流深显著低于SG5（P<0.05）。坡沟系统径流深分别与总坡沟系统、沟间地、沟谷地的泥沙源和汇最大斑块面积比显著正相关（P<0.05）,且与沟间地泥沙源、汇指数的相关系数均要大于沟谷地,径流深与总坡沟系统路径的分岔比、沟间地与沟谷地的路径比降均呈现出显著负相关（P<0.05）;产沙模数与各源汇指数之间均无显著的相关性,但与路径数量密度、长度密度、沟间地的路径分岔比呈显著正相关（P<0.05）;径流深和产沙模数均与路径复杂度呈显著负相关。可见,降低源/汇比例大小,适当增加泥沙输移路径的复杂度和输移距离,可有效减少坡沟系统的水土流失。研究可为坡沟系统土壤侵蚀防控以及流域生态保护和修复提供科学支撑。     

“坡坝地工程”治理模式设计

“坡坝地”工程用治沟和形式治坡：一架山一面坡从上而下坡地和梯田水平带状相间排列至沟沿线。坡面产流,梯田蓄水。坡面植树种草,梯田种草种菜,梯田外侧筑埂坝（边埂）挡水,坡、梯、坝三结合,内侧设井,涝蓄旱灌,变梯田为不地。广泛于山区尤其是黄土丘壑区的农田建设,是山区水土保持综合治理、发展生态农业、农林牧副多种经营的好模式。     

带摩擦阻尼器的新型泥石流拦挡坝的动力响应

[目的]为解决普通格栅泥石流拦挡坝容易被损毁的问题,提出带摩擦阻尼器的新型泥石流格栅拦挡坝,为摩擦阻尼器在新型泥石流格栅坝中的应用提供依据。[方法]采用钢球模拟泥石流中的大块石,运用有限元软件ABAQUS对这种新型坝体进行泥石流大块石的冲击模拟。[结果]与普通泥石流拦挡坝相比,带摩擦阻尼器的新型泥石流拦挡坝在巨石冲击坝体时梁柱节点处的应力响应明显减小。[结论]新型泥石流格栅坝在位移、能量等方面具有良好的抗冲击性能。     

黄土高原坡沟系统侵蚀泥沙来源模拟试验

为了进一步明确黄土高原坡沟系统侵蚀泥沙主要来源及其动态变化过程,该文利用室内概化坡沟系统模型,结合稀土元素（REE）示踪技术,采用放水冲刷试验,对黄土高原的坡沟系统侵蚀泥沙来源问题进行了研究。结果表明,在该试验的坡沟系统中,侵蚀泥沙主要来自坡沟系统的坡面,距离坡面顶端2 m的侵蚀产沙量占到坡面总侵蚀量的57%～74%,沟坡部分的侵蚀产沙量较少;坡面部分的4种示踪元素侵蚀带,在流量为6、8、10和14 L/min时,各个侵蚀带的侵蚀量大小依次为La元素示踪带＞Ce元素示踪带＞Tb元素示踪带＞Sm元素示踪带,但在流量为12 L/min时,侵蚀量大小依次为La元素示踪带＞Ce元素示踪带＞Sm元素示踪带＞Tb元素示踪带;坡面侵蚀产沙泥沙百分比随着冲刷历时的增长,总体上呈现出波动式的递增趋势,25 min以后又开始减小,沟坡侵蚀产沙量的变化趋势与坡面相反。研究为黄土高原小流域坡沟的治理提供了科学依据。     

坡沟系统侵蚀产沙特征模拟试验研究

坡沟系统介于坡面尺度和流域尺度之间，揭示其侵蚀产沙特征对于认识流域侵蚀产沙及建立流域土壤侵蚀预报模型有重要意义。采用放水冲刷法，通过2.125、3.205、5.250、7.185 L/min 4个不同的放水流量，在4 m长坡面(坡度为20°)和3 m长沟坡(坡度为50°)组成的坡沟系统上，对坡沟系统的侵蚀产沙特征进行了模拟试验研究。结果表明：对试验条件下的每一个放水流量来说，坡沟系统内的侵蚀产沙垂直分布都呈双峰曲线，侵蚀量的变化均呈现出沿坡沟系统从上到下先减小后增大再减小的趋势。沟坡部分的侵蚀量占全坡侵蚀量的百分比由放水流量2.125 L/min时的38.13％，增加到放水流量7.185 L/min时的56.01％。对于黄土高原水土流失治理，单纯治坡或治沟均不能明显减少土壤流失量，采取坡、沟兼治才是有效减少土壤流失的有效措施。     

西南某水电站右坝肩开挖边坡稳定性三维有限元分析

正在建设中的西南某水电站，在开挖过程中，右坝肩岩体的不同部位出现了不同程度的变形破坏迹象，局部出现了小规模的跨塌现象。为了评价开挖对边坡的影响，根据施工开挖的顺序，应用三维弹塑性有限元数值法对坝肩边坡开挖后的变形、应力状况及破坏区分布进行模拟，揭示边坡可能的失稳的部位，并对边坡的支护方案提出建议。