文摘

结合分析涉及实验室测试和数值模拟探讨液压执行过程导致滑坡在降雨。通过实验室测试中,人工降雨滑坡是应用于均匀沙斜率,时机和配置多个幻灯片被确定。此外,体积含水量测量通过使用实时监测传感器。测量体积含水量数据被用来验证数值模拟结果的相关性。实验室的验证数值模拟边坡的失败提供了洞察的水力条件,引发山体滑坡。根据数值模拟结果,小型斜率在实验室测试是饱和的方式,使湿润锋最初进展向下,然后积累的雨水在脚趾斜率创建一个水位,进步波峰。此外,每个五个连续的失败发生在这个实验创造了滑动表面的孔隙水压力达到完全饱和和过度孔隙水压力状态。这项研究的发现将有助于理解液压先决条件的滑坡现象。

1。介绍

山体滑坡造成的损失不断增加的问题是全球气候变化的结果。分析韩国10年平均气温和降水量的变化从1912年到2010年表明,平均气温上升了1.8摄氏度和降水增加19% (1]。统计数据表明,平均降雨量在夏天越来越多,而雨天的数量减少。夏季的降水特征,比过去更强,降水强度也增加。由于局部强降雨的增加,全国滑坡发生更频繁,最著名的案例是Umyeonsan滑坡发生在2011年7月。在Umyeonsan滑坡的情况下,降雨数据的邻瑞草,Namhyeon, Gwanak观测表明,每小时降雨量为62.5 mm - 94.0 mm滑坡发生时(上午8点2]。滑坡损失达到2382公顷过去10年(53295公顷),53伤亡和恢复成本4430亿韩元。

不同的研究都集中在山体滑坡和泥石流的发生在降雨期间,涉及技术,如理论分析、数值分析、模型试验和现场监测。最近,各种类型的实验室模型试验进行分析滑坡的机制和斜率的失败。在韩国,进行了一定的研究探讨滑坡的机制导致失败在极端的人工降雨条件下(3,4),而另一项研究旨在估计扩散的程度后滑坡的发生(5]。此外,李et al。6)进行了实验研究,调查的特点,渗透和排水模型边坡在降雨重复。金等。7)进行了一系列的滑坡水槽实验研究各种地下监测传感器的响应敏感性。在国外,有研究滑坡发生机制根据边坡形状(8)以及根据降雨地表径流和土壤侵蚀的研究特征(9]。发生的各种边坡在降雨条件下边坡破坏实验调查Acharya et al。10];Gallage et al。11];和Lourenco et al。12]。

体积含水量和孔隙水压力等变量的一些最重要的来源控制瞬态诱发因素,减少剪切强度和机械平衡的间接损失。然而,很少有研究进行全面理解前兆水文和水力等行为,导致边坡的滑动。虽然某些研究人员(13- - - - - -16)进行纯粹的实验研究探讨各种地下在边坡崩塌的变化,研究结果只能在有限的地点(即提供见解。传感器的位置)。

在此背景下,本研究进行了一项实验室规模滑坡试验与数值模拟相结合来实现全面洞察小型化的水文和水力过程和理想化的山体滑坡。为了这个目的,一个规模桑迪成立和人工降雨边坡应用中等强度。在实验过程中,分析了边坡的形状和类型的失败,和体积含水量监测作为一个原型水文变量验证数值模拟结果的相关性。此后,根据数值模拟结果,综合饱和度进展领域的斜率和水流的变化,越过边界(包括径流)是可视化和定量识别。此外,孔隙水压力条件下的位置形成滑动面进行了策划数值前立即解决时间序列数据失败。

2。实验配置

2.1。仪器的实验

为了模拟rainfall-induced斜率失败和相应的地下水文过程,实验使用一组实验室试验装置。图1显示了一个示意图的试验装置,主要由一个模型室的桑迪斜率,降雨模拟系统,和一个数据管理系统:(1)降雨模拟系统由一个浇水设备振动喷嘴,降雨控制器,和水箱。降雨强度可以调节通过降雨控制器。(2)数据管理系统安装记录的水文变化属性边坡在降雨。仪器由TDR传感器、一个数据记录器,和一台电脑。十边形5 te土壤湿度传感器都用作热带病研究和培训特别规划传感器来测量土壤体积含水量的变化。坎贝尔科学CR1000M用作数据记录器记录从TDR传感器传输的数据。(3)在模型室,桑迪斜坡形成陡峭的角度下破产的降雨。如图2(一个)桑迪斜率的35°梯度形成底部的室,由30°倾斜。土层的深度设置为35厘米考虑模型室的规模。总共有四个热带病研究和培训特别规划传感器安装在两行指定的深度。降雨强度被调整至50毫米/小时。图2 (b)展示了一个模型的侧面室与桑迪的斜率。模型室的一侧是透明的钢化玻璃观察边坡的坍塌。该模型室开放的脚趾的斜率。因此,雨水就从土壤表面或浸润到斜坡可以排下一桶室。

2.2。实验的程序

本研究的目的是观察边坡破坏并探讨水文过程均匀砂斜坡边坡模型试验。实验是由设定一个固定的50毫米/小时降雨强度,按照以下顺序进行:①Jumunjin沙子来自韩国的标准样品在烤箱干24小时105°C,然后另外在空气中干燥24小时。②使用压实设备用橡胶锤和洒水车,干样品就压实模型中盒和调整相对密度与体积含水量的75%降至4%。进行压实,以确保模型的条件下边坡均匀:(1)土壤质量和所需的蒸馏水生产上述密度和湿度条件计算模型的使用给定的体积信息室;(2)三层独立压实和堆积序列,以确保均匀的和统一的条件。③四热带病研究和培训特别规划传感器被安装在10厘米,25厘米从底部的土壤。④50毫米/小时的降雨强度使用降雨模拟系统应用。⑤体积含水量的变化根据降雨测量和分析的实时数据管理系统。⑥斜率行为实时拍摄和失败的形状在运行期间的斜率进行了分析。⑦体积含水率的实时监测数据进行了分析和比较,降雨渗流的数值模拟结果。⑧水力条件对滑面边坡内使用数值模拟结果进行了模拟和分析。

3所示。数值模拟设置

在这项研究中,数值模拟了降雨渗透和渗透水流的小型滑坡现象。数值建模旨在获得有效和有效数据液压变量在任何给定的点在实验领域,从而协助了解全面的液压过程,导致山体滑坡。现场和实验室实验只能提供有限的信息对这些目的。在下面几节中,数值模拟的组件,如材料属性、域几何形状、边界和初始条件,详细规定。

3.1。材料特性

为了构建模型边坡组成的致密砂为实验室实验,Jumunjin标准砂压实的相对密度为75%。基于ASTM测试方法(ASTM D 4254 - 83),最大和最小干单位重量计算。进行了一系列的实验室检测分析Jumunjin标准砂的物理性质。如表所示1,比重为2.62,有效粒子直径为0.42毫米,均匀性和曲率系数是1.5和1.0,分别。结果,样本属于SP根据统一的土壤分类系统。图3显示Jumunjin标准砂的粒度分布曲线。考虑到曲线的斜率是陡峭的0.4和0.9毫米之间的范围,推导出,粒度分布是均匀的。

在非饱和土属性方面,歌曲等。18)确定曲线拟合参数自动测试设备用于工程水土特性曲线(SWCC) Jumunjin标准砂的相对密度为75%。测试进行了干燥和湿润SWCC的路径。基于基质吸力的测量数据集和体积含水量、SWCCs被应用范Genuchten安装(19)模型。因此,模型参数测定干燥和湿润路径,总结如表2。图4(一)描述了干燥和湿润的路径安装SWCC [17]。另一方面,不饱和渗透系数函数估计为干燥和湿润路径根据范Genuchten-Mualem方法(19,20.(图)和上述SWCC配件参数4 (b))。剧烈变化的斜率SWCC上方和下方一个特定范围的基质吸力值(大约1∼4 kPa)暗示非饱和土样品预计将经历剧烈的基质吸力的变化根据常规增量减量率的饱和度。更具体地说,样品在干燥条件下会迅速失去其高基质吸湿,直到到达∼4 kPa基质吸力(第一个转移部分)。此后,基质吸力将减少常规涌入的速度速度大幅放缓,而非饱和渗透系数和间接渗透速率急剧增加。随着样本几乎达到全面饱和∼1 kPa基质吸力(也称为空气进口价值),第二部分开始转移,其余低基质吸力将迅速失去了少量的涌入,直到完全饱和样本开始表现出过度的孔隙水压力。由于磁滞行为不饱和土壤,润湿路径导致有效饱和度低于干燥路径,进而导致较低的饱和导水率的润湿路径相比,干燥路径(表2)。

3.2。数字域和边界条件

商业有限元数值代码,SEEP / W (Geo-Slope国际有限公司,2012),是用来描述降雨入渗和地下水流的实验研究。图5描述的几何域斜率(模型)创建一个离散混合四和三角形网格。元素的大小被设置为1.5厘米,导致整个网格的形成由1409个节点和1325个元素。斜率材料(Jumunjin标准砂)被压实,形成在一定程度上,它具有空间均匀体积含水量为4%,对应的地面孔隙水压力估计−3.5 kPa基于SWCC(图4(一))。这个负孔隙水压力值是常数,无论深度设置为域通过稳态分析的初始条件。至于是在序列进行瞬态分析,几种不同类型的边界条件是应用:(1)一个常数零通量条件被分配到左侧边缘和底部的领域;(2)一个恒定降雨通量50毫米/小时(或1.39E−03 cm / s)应用于两个表示地面的上边缘。这几乎降雨通量率设置为等于Jumunjin标准砂的饱和导水率(见表2)防止主要溢出以及地表土壤的侵蚀性的损失。通过一系列的实验,金正日et al。21)发现,如果降雨强度小于四倍的饱和渗透地面,降雨渗入地面没有地表径流的同时保持饱和wetting-band发展形式。应该注意的是,在这个实验中,降雨的振荡喷嘴没有达到土壤的两端,只有达到大约10厘米从两端的边坡表面。因此,整个两个上部边缘(即。,the slope surface) were set as a potential seepage face so that the boundary conditions of the nodes on the slope surface are reviewed at the end of each iteration to check if the conditions meet correct criteria and make adjustments as necessary. The settings would determine the desirable scale of the required seepage face for each time step. At the same time, the analysis was set to prevent rainwater from ponding on the slope surface boundary conditions. Instead, surface water was assumed to be immediately lost via runoff; this setting was possible in Seep/W with the precondition that a surface layer mesh with fine discretization exists on the slope surface boundaries (refer to the zoomed-in part of Figure5)。如果数值分析进行降雨入渗没有构建表层网,过多的水未能渗透地面将栈和应用额外的负载,增加正压头的任何点位于地下的斜率。

4所示。结果与讨论

4.1。倒退的失败和水文过程的分析

图6顺序显示五个失败发生在桑迪的斜率在本研究的实验。95分钟后运行的开始降雨,边际故障首次观察到脚趾的斜率作为引发剂四个连续的斜率失败发生在25分钟(从数据6(一)- - - - - -6 (d))。失败的规模逐渐扩大,此后,临时潜伏期长111分钟,最大和最终边坡坍塌被记录在239分钟的运行时间(图6 (e))。在这项研究中观察到的故障模式特征被认为是相关的大多数的先例进行类似的实验研究滑坡启动采用中等强度降雨在桑迪斜坡上观察到的一种常见的滑坡现象,所谓的退化失效(例如,里德et al。15];Lourenco et al。16];和吴et al。22])。也就是说,多个幻灯片顺序发生进展向波峰(上坡),这些都伴随着初始局部失败或表面侵蚀的脚趾的斜率。

图7显示的模型边坡的降雨渗流过程的数值模拟计算。最初,降雨渗透地面,向下的湿润锋推进(图7(一))。地下水流往往收敛下坡的,建立了地下水位的脚趾边坡排水脸所在地(图7 (b))。随后,创建的水位逐渐扩展上坡(图7 (c))。然而,上升到一定高度后,水位保持不变海拔不管降雨入渗,如图7 (d)。

为了验证数值模拟的结果,体积含水量数据监控的四个热带病研究和培训特别规划传感器实验与数值解比较体积含水量数据在同一位置(图8)。(1)体积含水量回应(突然上升)当湿润锋或水位达到测量位置。因此,热带病研究和培训特别规划1和热带病研究和培训特别规划2的位置,位于相对下坡的,反应比其他两个位置。此外,热带病研究和培训特别规划1是第一个反应是位于靠近地面比热带病研究和培训特别规划2。除了热带病研究和培训特别规划的位置4,其他三个位置的响应时间在实验中充分的响应时间恰逢建模的结果。至于未能预测的反应热带病研究和培训特别规划4,假设传感器没有故障实验期间,地下水位可能没有真正达到底部深度上坡热带病研究和培训特别规划4(参阅图所在的位置2(一个)热带病研究和培训特别规划传感器的配置)。这可能是由于这一事实的底层土壤压实密度相对较低,这意味着其排水能力实际上是更大的。(2)四个传感器的测量体积含水量并未达到饱和由于实验条件的限制:附近的土壤不够压实均匀防止仪器损坏传感器位置。这可能导致土壤大孔隙和更低的饱和含水量值。(3)的体积含水量Modeling_TDR 3表现出一个相对饱和的进展逐渐增加,超过了Modeling_TDR 4的大约时间4日失败(参考图8)。这是由于地下水位过程形状:即在上坡波峰附近的一部分,downward-moving湿润锋到达浅深度土壤(即。,the TDR 3 location) before the groundwater level reached the bottom depth soil, resulting in the shallow depth soil experiencing a matric suction loss earlier than the bottom depth soil (refer to Figure7(一)- - - - - -7 (c))。然而,第四失败后,土壤深度(即底部。,the TDR 4 location) was occupied by the water table and entered into a positive pore pressure state earlier than the shallow depth soil (refer to Figure7 (d))。(4)尽管上述不一致的热带病研究和培训特别规划4位置,得出数值模拟结果有效足以代表液压行为前坡的失败。这是由于热带病研究和培训特别规划4位于相对失败的上坡位置在所有传感器。换句话说,热带病研究和培训特别规划4位置的水文条件不太可能显著影响液压行为失败界面。

作者没有直接测量径流实验期间径流管理滑坡现象并不是一个重要因素。节中提到的3所示。2的人工降雨实验设置为一个足够温和的水平,使全熔透到地面而不产生径流在开始阶段。这促进了专注于地下水文过程导致失败。额外的降雨强度较小的实验没有进行总体边坡破坏前饱和进展将类似的唯一的区别是速度。数值分析结果有效地代表实验还验证这些断言。图9显示的数值分析结果的变化综合跨边界(即雨水流量。随着时间的推移,坡面)。在图9(一个)、积极的价值观指流入系统,而负指系统的流出。因此,解释,降雨完全渗透斜率和没有水失去了一开始通过径流和渗流的脸。然而,从52 - 53分钟降雨开始之后,创建了一个水位,并开始上升。水渗流面边界节点立即出院克服了节点水位。顺序,降雨通量边界节点开始失去部分降雨径流的涌入不断上升的水位达到节点(见图5两个边界部分和参考数据7和10水位的位置在各种关键次)。在特定的情况下降雨通量边界节点位于低海拔地区,总降雨量大量流失径流和地下水流出院水位继续上升高度。降雨与温和的斜坡地势较高的通量边界节点丢失显著降低大量的降雨涌入尽管被水位超过了。在图9 (b),总径流的变化流在边坡表面绘制时间。这被减去的总量可能越过边界的水流从总降雨率的数量在每个时间步在边坡表面。总额径流流量逐渐增加,接近总降水率。这表明,随着时间的流逝,只有少量的降雨会渗透一些边界节点波峰附近的斜率,而大部分的降雨和径流溢出斜率。结论,可以推测,如果相同的实验进行了降雨强度小,需要更长的时间形成水位,水位的高度会增加以较慢的速度。然而,水通量的整体模式演进的界限将会保持。

4.2。孔隙水压力条件导致失败

数值模拟结果的相关性代表水文过程的实验室实验是验证通过体积含水量的比较研究反应部分4所示。1。使用数值结果,解决了数据,观察等效水力过程失败之前可能在特定的地点包括滑动表面。图10 ()描述了滑动面形状和配置的五个失败发生的实验。最后第五滑坡的滑动面是比前四的滑动表面的失败。在数值模拟领域中,元素节点的位置,选择对应的滑动面位置和标记为蓝色小点(从数据10 (b)- - - - - -10 (f))。需要更精细的离散化来选择节点的确切位置,建立顺畅的滑动表面在将来的研究中。在这项研究中,孔隙水压力时间序列数据的五个滑动表面,也就是说,蓝色的点在图10,收集和分析来确定孔隙水压力的行为特征之前失败的时刻。图11显示了孔隙水压力的情节的演进导致连续五年失败的节点对应的滑动面位置。在这些节点,节点在浅深度或基质吸力的地表接受突然的损失比接近底部的节点在初始阶段的实验。这是由于节点在较浅的深度被downward-moving更快地访问湿润锋。另一方面,节点在海拔较低地区通常表现出更强的过度的孔隙水压力随着时间的临近失败的时刻。这是因为失败发生在地下水位以下的(参考图10);因此,积极的孔隙水压力的节点相应的滑动面位置与相应的垂直距离成正比的水位。从这个分析孔隙水压力条件下导致五失败,这是推断,桑迪的斜坡上,斜坡失败可能发生在几个先决条件得到满足:预期的滑动面完全饱和的土壤和展品过度孔隙水压力由于水位已经上升到地面或高于预期的滑动面。

应该注意的是,规模效应不显著降低在这个研究结果的可靠性尽管是一个著名的小规模实验的重要问题。这是因为滑坡的规模效应现象主要涉及压力条件在滑动和顺向流运动特征,水文或滑动前液压过程。例如,量纲分析(23)是一个功能强大的方法,已经被研究者青睐的“缩小”泥石流混合物实验的同时保持几何,动态的,运动相似(例如,24- - - - - -26])。艾弗森et al。13)还发现,孔隙水压力的变化对土体的体积变化(合并或肿胀)在滑动取决于初始孔隙度和土壤的相对时间尺度变形和孔隙压力扩散。因此,这个初始孔隙度条件实验的一个关键因素对其模拟泥石流的调动。尽管这样可能从全面论述自然现象的应力条件在滑动和postfailure行为,这项研究被认为是验证的实验室实验的范围本研究着重于提供深入全面的液压过程”之前“斜率失败。

5。结论

在这项研究中,整个域区域的水文和水力过程继承multisliding山体滑坡被确定通过分析涉及实验室实验和数值模拟相结合。此外,液压先决条件(或孔隙水压力条件)引发山体滑坡在桑迪的斜坡被理解。模型实验进行均匀土壤,和饱和模式由于降雨入渗边坡的调查使用测量设备和数值模拟技术。此外,我们描述了滑动面形状和配置来确定滑面位置。基于这些位置,孔隙水压力数值解决数据的演进导致跟踪失败。额外的这项研究的结果总结如下:(1)观察模型边坡在降雨的饱和表面和底部之后从脚趾到波峰由于湿润锋的向下进展和随后的水位上升,分别。(2)边坡模型的失效模式是一个倒退的失败,从脚趾开始的斜率,随后扩展上坡的斜率。滑动面形成为旋转故障类型。(3)响应时间的体积含水量由数值模拟足够恰逢实验的结果。数值模拟结果合理代表液压过程边坡模型的实验。(4)斜率的失败发生在几个地下水力条件满足:完全饱和,过度的孔隙水压力,静水压力状态。

数据可用性

实验室测试和数值模拟数据用于支持本研究的发现可以从相应的作者。

的利益冲突

作者声明,关于这项工作他们没有利益冲突。

确认

这项研究是由基础研究项目(不支持。20-3412-1)韩国研究所的地球科学和矿产资源(KIGAM)由科技部和ICT的朝鲜。