黄土崩塌灾害运动机理及其离散元数值模拟研究

黄土崩塌灾害严重危害人们的生命和财产安全,为了探索黄土崩塌灾害破坏过程,揭示其运动 机理,基于静力学、运动学、能量转化规律、非连续体离散元等理论与方法,利用２Ｄ－Ｂｌｏｃｋ离散元程序对 崩塌体运动过程仿真模拟,从“孕育、发展、变形、危害”全过程分析,研究黄土崩塌灾害“倾倒－坠落－ 撞击－弹射－堆积”的运动机理,包括影响因素、运动过程、危害方式等,推导、获取各演化阶段相关变量 计算公式、参数。     

坡体表面点转动方位测定仪的研制及其应用

坡体表面点转动方位能有效揭示滑坡变形演化过程,为此自主研发了坡体表面点转动方位测定仪,实现了点转动方位定量测量。同时,构建黄土滑坡物理模拟试验,分别在滑坡体后缘、中部以及前缘地表布设2个测定仪。试验过程中采用连续长时的灌水方式来模拟灌溉水入渗对边坡变形的影响,进一步揭示了滑坡孕育过程中多点转动方位响应特征变化规律。试验研究结果表明:①随着灌溉水的不断入渗,坡体内部渗流通道不断发育、扩张,坡脚底部渗流量从24 mL/min增加到1 515 mL/min,呈双指数增长趋势。②滑坡演化过程中坡体中后部率先出现裂缝,裂缝垂直于坡面方向逐渐发展,1^#、2^#、3^#、4^#转动方位角逐渐增大,呈线性增长,随着后缘裂缝贯通后,坡体前缘裂缝逐渐发育,1^#、2^#测定仪转动方位角激增,前缘土体塑性流出。③前缘土体滑出坡体以后,坡体应力状态以及渗流路径发生改变,致使坡体中部3^#、4^#监测仪转动方向发生改变,转角方位急剧减小,中后部土体塑性流出,坡体发生二次滑动。④依据坡体表面点转动方位变化趋势,可以将灌溉型黄土滑坡演化过程概化为稳定孕育、匀速变形以及加速破坏3个阶段,其中稳定孕育阶段占整个滑坡历时时长的99.5%,匀速变形阶段占0.2%~0.3%,而加速破坏阶段仅为10~15 s,进一步表明灌溉性黄土滑坡具有明显的突发性特征。研究成果可应用于边坡滑坡变形监测。     

基于加权信息量模型的临潼区滑坡易发性评价

为提高滑坡易发性评价的准确性和精度,结合随机森林(FR)模型和信息量(IV)模型2种方法,提出一种新的加权信息量(WIV)模型。以西安市临潼区为研究区,基于野外调查和因素相关性分析,选取坡度、坡向、高程、曲率、地形起伏、岩土体类型、降雨量、断层、水系和道路10个影响因子,以全区72个滑坡灾害点为样本数据,分别采用FR模型、IV模型和WIV模型对研究区开展滑坡易发性评价。结果表明:WIV模型训练样本的成功率和预测率比FR模型分别高4.9%和1.9%,比IV模型分别高17.80%和4.70%;滑坡灾害点高易发区和极高易发区多分布在断层、河流及道路集中区域,且其滑坡灾害点比例WIV模型比IV模型、FR模型分别提高6.37%和4.45%;WIV模型易发性评价分区结果与研究区实际情况相近。研究成果可为防灾减灾工程提供科学依据。     

陕西商南矿山地质环境质量评价

陕西省商南县矿产资源丰富,矿业开发是该县的支柱产业。频繁的矿山建设、开采活动是地质环境问题频发的原因之一。由于矿山数量较多、集中性差,以商南县为研究区,构建包括矿业开发对地质环境的影响、基础地质和生态环境3个方面,共计16个指标的矿山地质环境质量评价指标体系。将研究区划分为196个4km×4km的评价单元,通过实地调查、统计年鉴等方式获取数据。基于SPSS20.0软件,利用熵值法计算各评价单元指标权重,并结合集对分析理论计算各评价单元联系度,最后依据联系度将其划分为"严重区""一般区"和"良好区"3类矿山地质环境质量区。结果表明:商南县矿山地质环境质量空间分布差异较大,中北部矿山地质环境质量明显优于南部,且南部矿山地质环境问题主要集中在水沟镇、湘河镇、赵川镇等地,以地质灾害、矿渣占用土地、破坏植被及水土污染为主。"严重区""一般区"和"良好区"各占研究区面积的8.16%、46.95%、44.89%。评价结果可为商南县矿山地质环境综合治理提供理论依据。     

基于PSO-SVM模型的滑坡易发性评价

滑坡易发性评价是区域滑坡预警和评估工作的前期准备。滑坡致灾因子的有效选取以及评价模型的构建成为当前滑坡预测研究中的难点问题。以府谷县作为研究区,借助多种技术手段将数字高程模型(DEM)、地质图、路网图、遥感影像图等多源数据进行融合,提取了地形地貌、地层岩性以及地表覆盖等滑坡孕灾环境因子和降雨量、人类工程活动等诱发因素的特征属性作为评价指标。在此基础上,对提取的各因子的相关性进行分析,剔除了地形起伏度因子。采用粒子群优化(PSO)算法对支持向量机(SVM)模型的参数进行优化,得到最佳参数组合为惩罚因子c=1.42,核参数σ=1.15,将最优参数组合代入支持向量机模型中,构建出粒子群优化算法-支持向量机模型(PSO-SVM),并将其用于研究区滑坡易发性定量评价中。最后分别采用ROC曲线与Kappa系数对PSO-SVM模型性能的优越性进行检验,结果表明,PSO-SVM模型成功率与预测率分别为0.931和0.917,训练集与测试集的预测精度分别为79.17%、76.67%。研究结果可以为从事滑坡预测评价工作者提供决策参考。     

酸污染离石黄土物理特性及微观结构试验研究

为探究酸污染对黄土物理性质的影响,采用浓度为0.5,1.0,2.0,3.0,4.0,6.0,8.0,10.0 mol/L的盐酸溶液浸泡离石黄土,制备酸污染试样,并以蒸馏水浸泡样作为对照组。通过室内试验探究酸污染离石黄土土粒相对密度、孔隙比以及塑性指数变化规律,并对酸污染离石黄土试样进行微观结构分析,进一步揭示离石黄土物理特性变化机理。试验结果表明:①离石黄土相对密度从2.73降至2.69,呈线性渐进减少;②酸浓度的增加导致试样孔隙比逐渐增大,离石黄土孔隙比从0.77增至1.33,呈单指数增长;③随酸浓度的增加,试样塑性指数从11.89增至13.73再降至7.34,呈现出先增大后减小的情形;④经酸污染作用后,离石黄土微观结构发生明显变化,即酸浓度越大,土体颗粒表面变得越粗糙,骨架颗粒越松散,细粒含量逐渐减小,孔隙面积不断增加。     

基于博弈论组合赋权法的泥石流灾害易发性评价云模型

泥石流是我国西部山区常见的地质灾害之一,其强大的致灾能力不仅使人民生命财产蒙受巨大损失,还会对山区生态地质环境造成毁灭性破坏,故准确评价泥石流灾害易发性对防灾减灾工作至关重要。将泥石流灾害易发性分为4级,分别为不易发(Ⅰ)、低易发(Ⅱ)、中易发(Ⅲ)和高易发(Ⅳ)。选取沟谷岸坡坡度(X₁)、沟床纵坡比降(X₂)、植被覆盖率(X₃)、单位面积固体物源储量(X₄)、汇水面积(X₅)、雨季降雨量(X₆)为泥石流灾害易发性定量评价指标,并确定各评价指标分级标准及正态云模型数字特征量,进而构建泥石流灾害易发性评价指标体系与评价指标正态云模型。采用层次分析法与熵权法计算评价指标主、客观权重,基于博弈论思想对主、客观权重进行组合赋权,最终建立基于博弈论组合赋权法的泥石流灾害易发性评价云模型。选取西秦岭地区5条泥石流沟实例验证评价模型有效性,结果表明博弈论组合赋权-正态云模型评价结果与实际情况基本一致。进一步应用该模型对西安大长胜坊与小长胜坊村内的一条黄土沟道进行泥石流灾害易发性评价,结果表明该黄土沟道泥石流灾害易发性等级为Ⅲ级(中易发)。