干湿交替环境下散体颗粒堆积体边坡稳定性的试验研究

The influence factors and mechanism for typical water environmental disasters such as buckling failure of bank slope, dyke dam or sandbar are so much complicated that the slope stability of granular accumulation in cyclic wetting and drying condition is always one of the fundamental science issues. By using theoretical analysis combined with mechanism generalized model as the research method, the project applied basic theory of soil mechanics and mechanics of sediment transportation,for investigating moisture content and mechanical property of granular medium under alternation of wetting and drying, and trying to establish mechanics model for slope stability of granular accumulation affected by alternated wetting and drying; then concept of repose angle was introduced, the processes and role of different factors that influence the slope stability of granular accumulation were studied, as well as the situation in hydrodynamic condition.Further more, with the background of water level change leading to the cyclic wetting and drying, which results in buckling failure of bank slope, dyke dam or sandbar, the critical condition for disaster and disaster-causing mechanism were discussed. Research achievement could improve the environmental fluid mechanics and mechanics of sediment transportation, meanwhile can establish the foundation for water environmental disaster prevention.

典型水环境灾害如边（岸）坡和堤坝、洲体失稳破坏导致灾害发生的影响因素和机理复杂多变，干湿交替环境下散体颗粒堆积体边坡稳定性是基础科学问题之一。本项目将采用理论分析和机理性概化模型实验相结合的研究方法，综合运用土力学、泥沙运动力学等学科的基础理论，系统分析散体颗粒堆积体在干湿交替环境下的含水性质和力学特性的变化，探讨建立反映干湿交替环境影响的散体颗粒堆积体边坡稳定的力学模式；进而引入休止角的概念，研究干湿交替环境过程中不同因素影响散体颗粒堆积体边坡稳定性的过程和规律，以及动水环境中，散体颗粒堆积体边坡稳定性的影响因素及规律；在此基础上，以散体颗粒堆积洲滩、边（岸）坡从而诱发失稳滑坡等为背景，探讨建立干湿交替变化环境中失稳破坏的临界条件。研究成果将会进一步完善环境流体力学及泥沙运动力学等学科，并为我国水环境灾害防治奠定基础。

干湿交替变化和水动力的作用影响散体沙堆积体的力学性质和边坡稳定性，变化水环境中散体沙堆积体休止角的研究对于散体介质力学、泥沙运动力学以及河道中散体沙边（岸）坡、堤坝、洲体失稳等实际问题的研究具有重要的理论意义和工程价值。.本文采用理论分析与静、动态试验结合的方法，分析了散体沙的颗粒特性、含水状态和水动力条件对休止角的影响规律与机理，建立了干湿变化和水流作用下散体沙堆积体休止角即散体颗粒堆积体失稳临界条件的表达式。此外，进一步对河床表面沙波这种特殊的散体颗粒堆积体及其相似性问题进行了系统研究。主要结论和认识如下：.研究发现，（1）不同含水状态下，散体沙的内摩擦力来源不同，其边坡稳定性和休止角发生显著变化，反映在休止角随含水率增加，先是显著增大，当含水率接近饱和含水率时，休止角又会减小。基于试验资料，建立了反映泥沙颗粒特性和含水率共同影响的休止角经验表达式。（2）流速与粒径是影响散体颗粒堆积体不同方位稳定坡角大小的主要因素。流速越大，坡面稳定性越低，所形成的稳定坡角越小；粒径越小，坡面稳定性越低，所形成的稳定坡角也越小；相同水流条件下散体沙颗粒粒径越大，稳定坡角越大，且稳定坡角对于流速变化的敏感度越低。从堆积体稳定边坡上颗粒的受力分析出发，引入相对近底流速反映泥沙起动动力条件，建立了动水休止角计算公式及其简化形式。（3）河床上沙波作为一种特殊的饱和含水的散体颗粒堆积体，通过试验观测分析了其波高、波长随泥沙粒径、重率、水流条件变化的规律，分析了不同因素对沙波相似性的影响规律。.本项目的研究成果将完善环境流体力学及泥沙运动力学等学科，促进对水环境灾害发生的科学诊断和预测，指导堤坝、护岸等整治工程的设计，为我国水环境灾害防治奠定基础。