泾阳黄土参数与沉积年代的随机表达及台塬灌区边坡稳健决策

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1976年开始引入渭河水对宝鸡-泾阳台塬农业进行大面积灌溉,灌溉之前地下水位低于河面,灌溉之后地下水位上升,至90年代初,在泾阳地区高于泾河水面达12-37m,台塬边缘发生滑坡频率增加,逐步蚕食着台塬上的耕地,影响着台塬居民的生命财产安全。因此分析台塬农业灌溉与边坡失效概率及稳定性的关系,通过调整灌溉范围,降低边坡失效概率是值得研究的课题。研究区的土层为黄土-古土壤交错出现的完整黄土序列,泾阳厚层黄土由于压密与成壤作用,土性参数(如抗剪强度参数,渗透系数,干密度等)随着沉积年代的变化具有规律性,同时由于沉积环境的复杂性,同一沉积年代的土性参数存在较大的空间变异性。因此本文以泾阳南塬灌区为研究对象,通过野外踏勘取样,室内试验、收集数据获取黄土有效抗剪强度参数c’和φ’、干密度、饱和渗透系数和土-水特征曲线参数随沉积年代变化关系,建立同时考虑参数随沉积年代变化和空间变异性的随机表达式,利用Bayes公式优化参数均值。在灌区塬边设置一定的禁灌距离,研究禁灌距离与边坡稳健性的关系,主要获得以下成果。(1)建立起采用沉积年代预测黄土9个参数的随机表达模型。模型基本表达式为y=f(x)+ε。ε为采用沉积年代估计参数值与测试值的误差函数,多是均值接近0的正态分布。其中黄土干密度ρd、黄土的VG模型土-水特征曲线参数a、残余体积含水率θs和黄土的有效粘聚力c’的f(x)适合线性关系表达式。古土壤的干密度ρd、土-水特征曲线参数n,m,古土壤的有效粘聚力c’和饱和渗透系数的f(x)适合指数关系表达式。古土壤的VG模型土-水特征曲线参数a,饱和体积含水率θr适合对数关系表达式。有效内摩擦角φ’的f(x)为常数。(2)对黄土的9个参数均值进行了Bayes估计。收集已有研究数据建立各参数先验信息,随机表达模型确立条件信息,基于一维单参数正态分布Bayes公式估计了干密度ρd、VG模型土-水特征曲线参数a,n,m,饱和体积含水率θr,残余体积含水率θs,饱和渗透系数ks和有效抗剪强度参数c’和φ’共9个参数的后验分布均值。(3)利用有限元数值模拟预测了泾阳南塬灌区地下水变动阶段及水位稳定时间。选取35m、45m、55m、65m,75m、85m共6个坡高,0m、10m、20m、30m,40m、50m、60m、70m、80m、90m、100m共11个避让距离,共建立起66个边坡瞬态渗流模型,分析了灌溉70年(1976-2046年)的地下水位上升过程。将地下水位的上升分为三个阶段,即地下水位缓慢上升阶段,地下水位快速上升阶段和地下水位补排动态平衡阶段。缓慢上升阶段为灌溉导致的湿润锋未到达地下水位过程;快速上升阶段为地下水上升至坡脚溢出,形成泉水过程;补排动态平衡阶段为地下水补给与排泄达到动态平衡,地下水位逐渐稳定过程。泾阳南塬地下水的补排动态平衡时间预计在未来20年(2042年)以后,即开始灌溉66年后。(4)确定了泾阳南塬灌区边坡安全性、稳健性和经济性的决策指标。以有效内摩擦角、Q1的有效粘聚力和Q2的有效粘聚力作为随机变量,采用随机变量Bayes估计均值和其随机表达模型误差项方差,作为边坡失效概率计算的正态分布参数,采用Monte-Carlo法对66个边坡模型进行失效概率计算;将计算所得的失效概率再作为随机变量,采用点估计法获取失效概率均值和标准差。将边坡失效概率均值作为边坡防治的安全目标,失效概率的标准差作为防治的稳健目标,禁灌距离与坡高比L/H作为防治的经济目标,进行了优化分析。可取失效概率小于5%、失效概率标准差小于5%和L/H>1.5作为安全、稳健和经济的综合平衡点,达到泾阳边坡在坡顶长期灌溉条件下的最优决策。
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