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外文翻译边坡

原始论文原始论文

前期地下水环境对静态液化所引发山体滑坡的影响

摘要：

实时预警系统对浅层滑坡通常建立在实时测量和预测降雨和经验之间的相关性过去降雨和滑坡发生的模式。

而这些关系描述是否特定组合的降雨和既存的地下水水平滑坡风险升高引发的,并不是所有的组合导致滑坡事件必然有相同的后果的滑坡移动（速度和远端滑坡的）。

在本文中，土工离心模拟技术用于定量评估假设滑坡引发的流动性提升前期地下水条件下高于场景在干燥的前提条件下。

五个相同的斜率与浅深度模型,基岩地下水受到不同的前提条件,从零通量接近饱和之前降雨条件。

这些场景的结果表明,较高的前期地下水条件可能导致山体滑坡和速度三倍和旅行的距离大约8倍低前提条件下由于静态土壤液化的斜率。

关键字：

滑坡触发。

物理建模。

前期降雨。

液化

正文：

浅层滑坡实时预警系统（失败深度小于2米）通常是建立在实时测量和预测降雨和经验之间的相关性过去降雨和滑坡发生的模式。

最常应用的降雨强度之间的相关性,降雨持续时间和滑坡的发生。

些相关性往往派生结合数据库的时间过去的滑坡与连续记录当地的降雨事件以确定阈值的组合降雨强度和持续时间导致山体滑坡被触发（e.g.,Caine1980;Guzzettietal.2008;Giannecchinietal.2012）另外一个策略是建立早期预警系统在实证降雨量之间的相关性,前期降雨（代表现有吸或边坡地下水的水平）,和滑坡发生（Fig.1b）。

Terlien提出来的（1998）

时间的选择定义前期降雨（即。

累计降雨天数是总结）的成功是至关重要的这种方法确定阈值组合导致滑坡触发。

理论依据这些经验阈值之间的关系已经彻底调查使用分析和数值不饱和渗透模型在文献中。

非饱和土边坡的稳定性受瞬态渗透和渗透已经详细调查通过使用数值模拟Ng和史（1998）。

他们的研究结果说明,降雨入渗引起基质吸力降低瞬态,水分含量的增加,一个是必读书渗透率在不饱和区。

在足够高的降雨强度,可以形成滞水台主要水位以上,可能减少稳定,在某些情况下可能引发山体滑坡。

参数分析由Ng和史（1998）说明初始地下水位的位置也对斜坡的稳定性有显著的影响。

在土壤存款很深主要水位（或自由排水底部）,数值模型（e.g.,NgandShi1998;Terlien1998）,实验室列渗透测试（e.g.,Siemensetal.2013）,和实地测量（e.g.,MatsushiandMatsukura2007）表明,在低渗透降雨率与土壤边坡可能发生长时间留在suction-conditions可能允许边坡保持稳定,尽管瞬态减少吸入与降雨有关。

然而,在地下水条件允许池塘和收集soil-bedrock接触,这些低渗透效率和长期条件下可能导致积极的孔隙水压力的发展（Matsushi和Matsukura2007）和滑坡触发。

的渗透率对比soil-bedrock接触和地下水位深度因此降雨事件的组合上有着相当大的影响力导致失败。

而图1中所示的关系，描述是否特定组合的降雨和既存的地下水水平滑坡风险升高引发的,并不是所有的组合导致滑坡事件必然有相同的后果的滑坡移动（速度和远端滑坡的）。

在这篇文章中,这是假设滑坡事件引发高前期地下水的流动条件可能是高于组合干燥的初始条件。

这个假设是基于最近已使用的物理模型实验,中心（2014）研究是否静态液化优先发生在容易饱和土壤颗粒位于滑坡的脚趾而不是排水性良好的倾斜部分的斜率。

静态液化是一种偏应变软化的施加单调加载导致显著的超孔隙水压力的发展在饱和土壤造成大的剪切压力在不排水条件下发展（Lade1992;Robertsonetal.2000;Chuetal.2003;Ng2007;GhiassianandGhareh2008;Bakietal.2012）.为了使偏应变软化与静态液化的发生有关,土壤必须收缩,单调加载触发（例如。

本地化rainfall-induced失败）,充分饱和,允许在剪切超孔隙水压力的产生。

所有的降雨条件导致失败的组合图1b所示,假设最容易与液化相关的高速度和长远端达到事件时触发的土壤是在高前期地下水值作为这些条件满足需要一个高度饱和的土壤。

图1.常用的滑坡预警系统:

雨量阈值组合的降雨强度和持续时间和b组合最近的降雨和前期降雨量观测导致山体滑坡。

然而,并不是所有的组合都可能导致的滑坡移动相同的后果。

在这篇文章中,它是假设滑坡事件的机动性高前期降雨可能是高于组合干燥的初始条件,特别是当soil-bedrock接近土壤表面接触.

本文的目的是定量测试这个假设使用的土工离心模拟技术五个相同的边坡模型将受到五个不同前期地下水条件观察前期条件和速度之间的关系和旅游距离产生的山体滑坡。

材料和方法:

实验程序:

物理模型已经成功地用于研究各种边坡失败和山体滑坡为了更好地理解他们的行为（e.g.,Eckersley1990;Takeetal.2004;Ng2007;Leeetal.2008;Olivaresetal.2009;Askarinejadetal.2012;TakeandBeddoe2014;Take2014）.物理建模,将被用来确定前期降雨事件失败前地下水位影响滑坡移动位移,速度,和滑坡的总量。

实现这一目标,五物理模型试验在一系列前期地下水条件下进行。

第一个实验将调查情况斜率没有前期地下水流动（图2）,只有从当前风暴事件可能引发降雨失败。

第二个场景调查小前期地下水主要风暴事件前的水平。

如图2所示b,前期地下水位通过通量边界条件应用于建模生成一个先前存在的地下水的流态斜率。

在剩余的每个场景中,前期地下水通量水平正在慢慢增加降雨之前（例如图2c）,直到最后一个模型是由地下水渗流为失败。

滑坡模型

五个物理模型场景进行了研究使用的5.5米梁离心机在圣约翰纽芬兰的铁心,加拿大。

测试配置选择模型是一个浅土层的低渗透土壤基岩接触。

在物理模型中,这是由一个50毫米厚层疏松砂岩倾斜30°（图3）。

当受到30克的离心加速度,这对应于一个1.5米厚的土层。

模型的目标是创造一个触发点,由于水力梯度的变化,地下水会优先收集在斜率。

达到几何模型中通过持续的脚趾以外的土层边坡,导致这个地区渗流的厚度增加,一个区域的高饱和的土壤模式——创建必要的条件下高速滑坡的触发机制静态液化。

图2边界条件应用于物理模型试验研究前期水平上产生滑坡地下水流动的作用。

没有前期的降雨对土壤边坡降雨,b降雨对土壤坡后少量的前期降雨（建模通过提供一个低地下水流速、Q）c降雨前期较高的坡地降雨（建模通过提供更高的流量）

水雾喷嘴安装在模型包在盒子的盖子在物理模型模拟降雨条件下（图3）。

喷嘴分布提供了降雨入渗对边坡和基地。

这样的喷嘴被放置在配置喷雾模式完全重叠土壤表面斜率和模型的基础。

生成的降雨强度速度模型规模是265毫米/小时。

适当的缩放法提高重力测试已经彻底被Garnieretal.（2007）andTamateetal.（2012）.模型尺度的降雨强度是N倍的实际降雨入渗1g。

因此,在30g的离心加速度,应用模型规模265毫米的降雨强度/h代表一个原型尺度降雨入渗的8.8毫米/小时。

只有一个降雨强度率在所有场景中使用测试场景的目的是探讨影响不同的前期地下水条件相同的降雨引发的山体滑坡。

前期地下水条件

地下水流动模型中选择复制将发生在一个宽松的环境,浅,由于前期降雨和粒状边坡渗流和人为来源不得soil-bedrock接触池。

地下水流动代表了前期降雨从更广泛的排水区,由于空间的限制不能被包括在模型中。

介绍了地下水在使用计量模型的电压泵输入电压的增加提高了流动模型（秦）。

模型的顶部埋堰坡（图3）加工的曲线加速度场离心机允许地下水流动均匀地分布在模型的宽度。

脚趾排水收集地下水（QOUT）沉淀池,在测试期间防止溢出,使水再循环（图3）。

地下水流动与每个步骤逐步增加流量允许接近稳态（基于孔隙水压力读数）介绍了地下水的进一步增加。

后模型达到稳定状态所需的前期降雨条件下,降雨系统被打开和降雨事件是保持在一个恒定的强度,直到发生了山体滑坡。

土层

Davoodietal.（2010）表明,它是匹配的关键测试土壤的渗透性提供边界条件的设备为了成功触发滑坡的离心机实验室受控条件下。

五项测试土壤评价Davoodietal.（2010）,F110渥太华砂被选为最优测试材料的渗透系数最佳匹配的范围可控液压流量计量提供的地下水流泵。

F110渥太华砂的属性表1中给出。

沙子被报道的饱和渗透率,中心（2014）为1×10−4m/s。

•技术后Davoodi（2008）,沙子混合的重量含水率7%,诱导吸入允许土层是建在一个非常松散的状态。

土壤层被雨建于5毫米电梯通过20#筛沙子的落差100毫米。

电梯之间的土壤没有夯实层,从而确保了松散的土壤结构依然存在。

初始孔隙比的土层中5e=1.7物理模型场景。

这是大大增强,最大孔隙比干（emax=0.848）的F110渥太华砂由于基质吸力在细沙。

孔隙比减少发生当身体压力的土壤颗粒提高离心机在向上,然后再在润湿崩溃渗流是在测试过程中引入的。

最大孔隙比的变化（计算物理模型）的斜率为0.4,结果在最后测试孔隙比平均1.3的斜率。

它已被证明在类似的测试（TakeandBeddoe2014）,孔隙比的变化是更大的基地,达到初始孔隙比为1.06。

斜坡上的孔隙比减少,模型的基础仍然超过emax确认土壤处于非常松散状态确保液化的另一个必要的条件——一个高度收缩土壤。

仪表

土层中的孔隙水压力监测使用8GE-Druckpdcr-81沿着山坡孔隙水压力传感器安装在soil-bedrock和基础模型的接触。

如图3所示,孔隙压力传感器（比率）人口位于脚趾区域,以确保测量冗余和捕捉最大的水洼的预期位置从前期地下水流动（如图2所示）。

应该注意的是,在后续测试分析,发现传感器PPT3和PPT7整个测试系列,经历了一个故障,因此被排除在测试结果。

滑坡事件的位移和速度量化使用粒子图像测速仪（PIV）图像分析代码geoPIV（Whiteetal.2003）.。

边坡剖面图像是通过透明模型室的侧壁分辨率为1632×1200像素使用高速照相机（幻影V9.0）1000帧每秒的帧速率。

相机的视场目标捕获模型的行为在脚趾的起始事件被假设发生滑坡。

PIV图像分析技术轨道的子集通过一系列记录帧图像矩阵。

这些子集之间独特的识别框架,内部子集需要足够的图像纹理的子集（e.g.,Duttonetal.2011）.自自然F110沙有一个统一的浅色,图像纹理是由分层F110创造人工砂,染成黑色和自然浅色F110沙子沿着透明的边界。

由此产生的高对比度模式和图像矩阵子集如图4所示。

1000子集被处理的时间序列位移使用亚geoPIVand过滤去除噪声的代码使用的算法Wolinsky（2010）。

结果

场景1没有前期地下水（测试R1）

第一个实验研究了土壤边坡被带到失败的场景只有在应用降雨风暴事件。

唯一的水汇集在模型的应用降雨前因此产生的少量的水排水的初始含水率土壤潮湿的放置在应用程序的增强重力。

测量孔隙压力之前降雨表示为图5中总压头的值。

图3松散粒状滑坡物理模型说明了水文边界条件（喷嘴降雨量、地下水渗流）和孔隙压力传感器的位置（比率）和高速摄影机的视野。

土层降雨的应用程序的响应作为记录的一个20多岁的窗口显示了孔隙水压力（pwp）覆盖的窗口时间发布失败的图6。

这段时间捕获的孔隙水压力的变化对应用降雨事件的持续时间和持续进行直到滑坡发生后。

标准化测试场景之间的时间,失败的时候开始在每个场景中所定义的时间失败,tf=0。

孔隙水压力结果的第一个场景（R1）测试表明,在15秒失败之前,应用降雨系统尚未打开（图6）,孔隙水压力较低表明少量积水造成的初始含水率的减少土层在离心机向上。

在第一个场景中测试（R1）,降雨系统打开一个265毫米/小时强度（模型规模）发起降雨触发事件。

在1s的应用降雨系统打开（t=−13在图6）,孔隙水压力的增长反映了降雨入渗引入土层。

盈余以及模型的基础（PPT4-PPT8）增长更快的pwp比率比斜率（PPT1-PPT3）,随着降雨渗入边坡排水土壤基岩接触到池塘。

观察孔隙水水洼的增加逐步持续到突然失败发生（tf=0）。

说明在孔隙压力引起的孔隙水压力急剧上涨的剪切诱导松散粒状土中的孔隙水压力（图6）。

滑坡的位移和速度事件场景1所示图6bc,分别。

的最大距离山体滑坡被选择和计算平均最高2%的子集定义在图4中对滑坡旅行距离的大小。

虽然滑坡在这个零前期降雨场景中,引起滑坡的特点是小旅行距离（14毫米）,370mm/s的速度,和一个短的旅行持续时间长度（0.059秒）。

所有值在图6中被报道在模型的规模。

公认的离心机测试（e.g.,Garnieretal.2007）表明,直线距离减少模型中的因子N,惯性事件的速度是相同的模型和原型,从而导致惯性事件发生的时间是减少N模型中关于相当于原型。

因此,1/30比例模型测试的结果在一个30克（即加速度场的提升。

N=30）近似压倒性的胜利与全面旅行的距离0.42米,最大速度为0.37米/秒,1.77秒的时间。

零前期降雨情况下的边坡不稳定引发本研究调查将因此被认为是商场的衰退比一个特别危险的滑坡。

应该注意的是,不同的缩放因子扩散和惯性过程中固有的离心机建模技术将允许更快的孔隙水压力的消散模型比原本发生在这个领域。

（如。

泰勒1995年）,纠正策略来减缓速度的耗散因子N因子N包括流体粘度的增加,或减少孔隙大小（即。

√N,晶粒大小）因素。

水被用来作为这个模型的孔隙流体,滑坡跳动和流动的结果应被视为被更具代表性的材料粒径√N较大的一个因素。

然而,这个比例问题是次要的这篇论文的目的是比较的相对差异五个前期地下水的流动流场景而不是模型特定原型的斜率。

图4的高速摄影机的视野展示PIV子集用于追踪滑坡位移和速度

场景2-低前期地下水（测试RG1）

第二个场景（测试RG1）在测试系列调查的条件低水平的前期降雨前地下水径流发生事件。

这个前期降雨情景的地下水位模型使用一个应用75毫升/分钟的流量,一个流足以显著提高土壤内的初始水位但不会引起渗流的脚趾斜率（图5）。

在应用降雨事件开始,引发山体滑坡是在第一个3s,进一步剪切引起的孔隙水压力峰值期间生成失败。

观察到的最大距离是25毫米0.06年代旅行速度到达顶峰的550毫米/秒（图7）。

场景3-中前期地下水（测试RG2）

在第三个场景中,地下水泵增加了50毫升/分钟到125毫升/分钟征收更高的前期降雨前地下水条件与阻塞地下水水平接近,但没有达到脚趾的斜率（图5）。

孔隙水压力在这个场景中（t=−15秒）5kPa大于中观察到的值测试RG1（cf无花果。

7和8）。

这个更高层次的积水,失败事件发生在1s降雨事件的开始。

滑坡中观察到测试RG2最大距离61mm的旅行,旅行的最大速度为0.13秒810毫米/秒（图8）。

图5总压头测量值描述实施条件之前降雨渗透在每一个五物理模型试验规模（模型）

图6的结果没有前期地下水径流场景测试（R1）表示的孔隙压力,远端达到b,c滑坡速度

场景4高前期地下水（测试RG3）

前期地下水流动水平证人在第三场景足以几乎完全饱和土层底部（图5）。

进一步增加地下水被应用于更小的增量方法情况下渗流方面达到了脚趾的斜率和斜率是在一个高度不稳定的状态。

150毫升/分钟的稳态渗流率（只有25mL/min增加从第三场景）用于第四场景（测试RG3）。

2s内应用降雨,山体滑坡被触发（图9）。

滑坡引发113毫米（图9b）为0.14秒的持续时间和峰值速度达到1200毫米/秒（图9）。

场景5极端前期地下水（测试G1）

第五个也是最后一个场景进行实验研究提供另一个小增量的地下水,以启动失败在地下水的作用下。

进一步增加了25毫升/分钟的渗流模型,使总渗漏率175毫升/分钟。

随着斜率试图进入稳态平衡与渗流速度,山体滑坡发生在缺乏降雨（图10）。

引发的滑坡在这个场景中（测试G1）旅行71毫米（图10b）为0.10和965mm/s的速度达到了顶峰（图10）。

图7的结果低前期地下水位情况（测试RG1）表示的孔隙压力,b远端实现,c滑坡速度

图8中前期地下水位情况下的结果（测试RG2）表示的孔隙压力,远端达到b,c滑坡速度

讨论

流动性

比较五个测试场景的机动性提出了图11所示。

在图11中,最大的旅行距离是每个场景绘制和时间。

比较明显的滑坡是最低的两个测试前期地下水径流条件（0和75毫升/分钟）也有最低的旅行距离。

同样,最高的三个测试前期地下水条件最高最大位移。

一般来说,可以看出每个滑坡的旅行距离增加地下水较高的前提条件。

例外观察测试G1的滑坡是由地下水渗流引起的孤独。

在这个场景中,大部分的土壤边坡滑坡质量吸的时候失败。

testRG3（前期地下水位高,降雨的场景）吸入较低降雨入渗引起的。

结果,观察高地下水位、降雨的结合导致更高的旅行距离比引发的滑坡渗流。

五个前期降雨的山体滑坡的流动情况正在进一步调查通过比较滑坡的速度（图11b）。

一般来说,山体滑坡引发较高的前期条件经验更高的速度,持续了更长时间。

这意味着更高的流动性事件经历了更高的不平衡力（因此更高的下坡的加速度）在失败,可能由于静态液化的机理。

场景进一步调查之间的差异反映在触发滑坡的体积。

图9的结果高前期地下水位情况（测试RG3）表示的孔隙压力,b远端实现,c滑坡速度

图10极端前期地下水位情况下的结果（测试G1）表示的孔隙压力,远端达到b,c滑坡速度

体积

滑坡的体积也扮演不可或缺的角色在走下坡的后果可以生成失败。

五前期降雨情况调查,总位移的矢量绘制在图12中,在概要视图向量捕捉最后滑坡滑动面和总量。

单从观察,低前期降雨测试（R1和RG2）表明,最终的失败表面仍然是一个旋转。

失败事件没有乘火车的底部土层,失败的土壤在上面的斜率也没有受到影响。

相比之下,高前期降雨场景（RG2RG3,G1）表明,滑坡的最终失败的表面是更深层次的,而运动沿着基地的土壤液化的结果。

图11的滑坡旅行距离和速度比较五前期地下水位情况

图12的比较向量总5前期降雨滑坡位移观测的场景

图13的剪切诱导PWP比较五前期地下水场景

图14前期地下水条件和滑坡的后果之间的关系和b降雨持续时间需要引发山体滑坡

失效机理

尽管每个滑坡在人口密集地区潜在的灾难性后果,高速度、大容量,长旅行距离与事件相关经历静态液化使这些山体滑坡特别危险。

土壤液化的发生,必须松（收缩）,受单调加载触发器,并充分饱和。

在本系列测试,饱和度的土层液化组件受到调查。

一个指示是否为每个场景包括分析静态液化发生剪切引起的孔隙水压力的大小。

这通常使用孔隙水压力比Ru,情商中定义。

1随着孔隙水压力比土壤中的总应力层,

Ru=

（1）

其中u是孔隙水压力（kPa），土壤容重γ（kN/m3）,h是土壤的深度（米）。

Ru趋于1,土壤中的有效围压应力大大降低。

这导致土壤的剪切强度下降明显低于剪应力作用于土壤,使大不平衡的力量加快下坡的。

记录的工务计划在失败中给出的五个场景图6无花果。

通过评估剪切诱导工务计划,它可以确定如果Ru达到统一,表明静态液化。

在所有情况下,最初的触发涉及一小局部失败的脚趾（travisBeddoe,2014）。

因此产生的剪切诱导pwp最高的孔隙压力传感器（PPT）局部饱和松砂最靠近脚趾（PPT4）。

在PPT4的位置在所有情况下,Ru=1观察表明液化或接近它。

降低前期降雨场景（R1和RG1）然而,其他比率模型的基础上看不到俄文值达到1（图13a、b）。

因此,在测试R1和RG,尽管周围局部区域PPT4显示液化潜能,其超额pwp沿着基地和被吸收的山体滑坡可分为一个衰退或小旋转滑动,不液化。

相比之下,整个基地体验更高的前期降雨场景同时液化（或接近液化）如图所示的pwp注释与椭圆图13所示。

测试RG1、RG2RG3都充分饱和模型的基础,这样,当小局部故障模型的脚趾开始,生成剪切诱导过度pwp启用剪切下沿基地无排水设施的行为。

结论

本研究的目的是评估假设滑坡的旅行距离和速度大于高前期地下水条件下触发场景与干燥条件。

使用土工离心模型,被用来评估五个相同的土边坡在不同前期降雨条件下的假设。

五个场景进行调查,范围从没有前期地下水流向失败一个人引发了在地下水径流。

在前四个场景中,滑坡是由应用降雨引发风暴的事件。

在第五场景中,滑坡地下水极端条件下被触发。

五个场景的结果表明,有一个独特的山体滑坡的流动之间的关系和前期土壤地下水条件层之前失败。

第一个场景（测试R1）没有前期地下水流,仅从应用降雨引发滑坡。

从这个场景中有一个小滑坡触发速度和距离旅行。

使用测试R1为基准,剩下的四个场景的滑坡流动结果绘制在Fig.14a前期地下水状况以一个恒定降雨强度,对于所有的测试,变得明显的效果前期降雨对滑坡的流动。

随着前期水分条件的程度增加,滑坡的流动大大增加。

而最后的场景（测试G1）的速度和旅行距离小于RG3,之前没有经历任何应用降雨。

与一个有限的土层深度,会有一定程度的前期降雨,充分饱和斜率,自己会失败。

对于这个模型边坡配置,这一水平是在150年和175毫升/分钟。

降雨强度和前期水分条件之间的关系及其对边坡的影响流动图14所示。

地下水前提条件是沿着x轴绘制,降雨持续时间,直到失败绘制沿轴。

在图1b,假设场景前期地下水条件很低（R1和RG1）,引发山体滑坡流动性较低的结果。

即使长时间应用降雨,山体滑坡的最小的后果。

更高的前期地下水条件下的三个场景引发山体滑坡诱发基地液化在剪切过程中,必然地,大迁移的结果。

这个实验数据说明了前期降雨条件的重要作用在风暴事件需要触发滑坡（图14b）以及潜在的后果。

这个测试数据也说明了产生滑坡预警系统的复杂性（Aleotti2004）。

不同的前期降雨条件将导致不同的地下水流动水平不同的集水区（蒙哥马利和迪特里希1994）。

在不同土壤深度,所需的前期降雨引发滑坡不同,导致站点特定的地层数据来确定土壤深度（lanli2012）。

感谢：

本研究在经济上支持的加拿大自然科学和工程研究委员会（NSERC）发现,发现加速器补充,研究工具和手段,主要资源资助项目的支持。

额外的资金设备和传感器是由加拿大创新基金会提供和安大略研究和创新。

作者欣然承认前研究生杰夫·坎普的工作开展离心机测试计划,和铁心离心机的支持和帮助的团队（GerryPiercey,卡梅隆和尼科尔的德里）在执行物理建模。

参考文献：

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