降雨入滲下的寧南山區黃土梯田穩定性及最佳化設計研究

《降雨入滲下的寧南山區黃土梯田穩定性及最佳化設計研究》是田佳、梁志奇、劉佳麗創作的地質學著作，首次出版於2021年6月。

該書分為八部分，包括研究區概況及黃土力學參數試驗、梯田邊坡穩定性流固耦合有限元模型的建立、降雨入滲與梯田邊坡破壞時間的關係等內容。

基本介紹

• 作品名稱：降雨入滲下的寧南山區黃土梯田穩定性及最佳化設計研究
• 作者：田佳、梁志奇、劉佳麗
• 類別：地質學著作
• 首版時間：2021年6月
• 正文字數：14 萬字

內容簡介

該書通過現場調研和室內土工試驗等方法，獲取寧南山區黃土梯田的類型及斷面、土壤的力學及滲透等建模參數，在現有非飽和土穩態/瞬態滲流以及滲流/應力耦合有限元分析理論基礎上，採用通用有限元軟體建立降雨入滲下的寧南山區黃土梯田穩定性分析流固耦合有限元模型。通過對不同類型的梯田模型在降雨入滲條件下的穩定性模擬，研究不同田坎坡度和高度、不同降雨類型和強度、不同田面寬度耦合作用下黃土梯田穩定性的變化規律，探索實施坡改梯工程後導致黃土梯田穩定性改變的主要因素和與梯田斷面設計相關的參數，對寧南山區黃王梯田類型及斷面尺寸進行最佳化設計，以增強黃土梯田在極端氣候條件下的穩定性。

作品目錄

1 研究現狀與研究內容 1.1 國內外研究現狀 1.2 研究內容	2 研究區概況及黃土力學參數試驗 2.1 研究區概況 2.2 試驗材料 2.3 黃土的參數試驗 2.4 模型參數	3 梯田邊坡穩定性流固耦合有限元模型的建立 3.1 數值分析軟體 3.2 理論基礎 3.3 降雨條件下黃土梯田邊坡穩定性流固耦合有限元模型的建立
4 降雨入滲與梯田邊坡破壞時間的關係 4.1 梯田邊坡破壞類型 4.2 降雨入滲強度與梯田邊坡破壞時間的變化規律及敏感性分析 4.3 不同降雨入滲強度和邊坡坡度與破壞時間的變化規律及敏感性分析 4.4 討論 4.5 小結	5 降雨入滲與梯田邊坡安全係數的關係 5.1 梯田邊坡安全係數獲取方法 5.2 不同梯田邊坡類型的安全係數隨降雨入滲歷時的變化規律及敏感性分析 5.3 相同邊坡坡度和梯田邊坡類型的安全係數隨降雨入滲歷時的變化規律及敏感性分析 5.4 邊坡安全係數隨邊坡坡度的變化規律及敏感性分析 5.5 討論 5.6 小結	6 降雨入滲與梯田邊坡破壞位移的關係 6.1 梯田邊坡破壞時位移獲取方法 6.2 不同梯田邊坡類型的位移隨降雨入滲歷時的變化規律及 敏感性分析 6.3 相同梯田邊坡類型和邊坡坡度的位移隨降雨入滲歷時的 變化規律及敏感性分析 6.4 邊坡位移隨邊坡坡度的變化規律及敏感性分析 6.5 討論 6.6 小結
7 基於邊坡穩定的黃土梯田最佳化設計 7.1 梯田設計參數 7.2 模型的構建· 7.3 設計參數敏感性計算 7.4 降雨條件下不同類型梯田穩定性比較 7.5 水平梯田設計參數的敏感性分析和最優組合 7.6 討論 7.7 小結		8 研究結論與展望 8.1 研究結論 8.2 不足與展望 參考文獻

創作背景

寧夏南部黃土丘陵區是黃土高原的一部分，屬風成堆積黃土，典型特徵是顆粒較粗、疏鬆多孔、力學性質差，缺乏植被時易遭受嚴重的水力侵蝕。寧南山區歷史上由於濫基、濫伐、濫牧，導致坡耕地水土流失嚴重，生態環境惡化，居民不斷外遷，社會經濟發展落後。寧夏以實現“區域生態系統可持續發展和鄉村振興”為目標，在該地區開展了一系列的坡改梯水土保持工程。梯田工程的建設改變了坡耕地的小地形，減少了地表徑流，增加了土壤入滲，從而有效地提高了土壤牆情，為當地減少水土流失和增加糧食產量發揮了重要作用。因此，坡改梯已成為寧南黃土丘陵坡耕地水土流失治理中採用最廣泛的水土保持工程措施。

但是，實施坡改梯工程後，原地形地貌改變了，地表徑流重新分配，土壤入滲增加，這些因素導致黃土邊坡的土力學特性發生明顯改變。坡改梯工程特別是反坡梯田雖然明顯增加了降雨入滲，但是也會導致土壤抗剪強度的降低，從而增加滑坡的風險。例如2013年7月3日，延安發生的極端暴雨導致大面積梯田滑坡，給當地農業生產造成了嚴重損失，並導致43人死亡，直接經濟損失高達102.7億元。68.5%的黃土滑坡都發生在降雨期間和之後，降雨作為誘發黃土邊坡表層滑坡的最主要觸發因素已經被人們廣為接受。該書即為對對降雨入滲下梯田破壞的過程進行深入研究的成果。

作品思想

該書的主要觀點有：

1.梯田的破壞類型分為兩種形式：一種是梯田邊坡田坎的破壞即淺層滑坡；另一種是梯田邊坡的整體滑坡，即深層滑坡。修築不同類型的梯田只能改善淺層滑坡的穩定性，對深層滑坡沒有顯著影響。

2.水平梯田、隔坡梯田和原始邊坡的梯田邊坡破壞時間均隨著降雨人滲強度的增大而減少，並呈冪函式關係；在相同降雨人滲強度下的破壞時間水平梯田高於隔坡梯田和原始邊坡，隔坡梯田和原始邊坡破壞時間沒有顯著差異；3種梯田邊坡類型的破壞時間隨著邊坡坡度的增大而增加，並呈線性關係。對破壞時間的影響程度為邊坡坡度>降雨人滲度>梯田邊坡類型，邊坡坡度與降雨人滲強度之間存在耦合關係，隨著降雨人滲強度增大，破壞時間受邊坡坡度的影響逐漸減弱。

3.梯田邊坡安全係數隨著降雨人滲強度、降雨人滲歷時和邊坡坡度的增大而減小，安全係數與降雨人滲歷時呈二次多項式擬合關係，安全係數與邊坡坡度呈線性關係，3種梯田邊坡類型表現出水平梯田>隔坡梯田>原始邊坡，但是它們之間並沒有顯著差異。對梯田邊坡安全係數的影響程度為邊坡坡度降雨入滲歷時>降雨人滲強度>梯田邊坡類型。邊坡坡度與降雨人滲強度之間存在耦合關係，隨著降雨人滲強度增大邊坡坡度對安全係數的影響逐漸減弱。

4.梯田邊坡水平位移隨著降雨人滲強度、降雨人滲歷時和邊坡坡度的增加而增大，位移與降雨人滲歷時呈二次多項式擬合關係，位移與邊坡坡度呈線性關係；3種梯田邊坡類型的水平位移沒有顯著差異。對梯田邊坡水平位移的影響程度為邊坡坡度降雨入滲歷時>降雨人滲強度>梯田邊坡類型。邊坡坡度與降雨人滲強度之間存在耦合關係，隨著降雨人滲強度的增大邊坡坡度對水平位移影響逐漸減弱。

5.修築水平梯田或隔坡梯田相比不修築梯田（原始邊坡）可以明顯提高黃土邊坡的穩定性，但是水平梯田和隔坡梯田的穩定性沒有顯著差別，應優先選擇水平梯田作為黃土丘陵地區的梯田類型。

6.地面坡度、田面寬度、田坎坡度3個水平梯田設計參數中，地面坡度對邊坡穩定的敏感性最高（是田面寬度的12倍，田坎坡度的81倍），其次為田面寬度（是田坎坡度的7倍），最低為田坎坡度

7.進行水平梯田設計時地面坡度越小越好，而田面寬度和田坎坡度的取值要進行極差分析後才能確定最佳組合；在無法改變地面坡度時，要特別注意田面寬度的設計，使黃土梯田更加穩定。

出版信息

書名	出版時間	出版社	ISBN
《降雨入滲下的寧南山區黃土梯田穩定性及最佳化設計研究》	2021年6月	寧夏人民出版社	978-7-227-07464-9
參考資料：

作者簡介

田佳，博士，副教授，寧夏大學農學院園林系教師，畢業於北京林業大學水土保持學院，2015年赴美國密蘇里州立大學訪學10個月。主要從事水土保持與荒漠化防治教學科研工作。主講《林業生態工程》、《園林測量學》。主持國家自然科學基金1項、寧夏自然科學基金重點項目1項、寧夏大學自然科學基金1項、自治區林業廳橫向課題1項；參與完成國家林業局、自治區林業局、科技廳項目3項。目前發表第一作者論文20餘篇、授權國家專利1項。指導自治區級大學生創新實驗1項（三等獎）、校級大學生創新實驗2項；獲2014年寧夏環境科技研究論文三等獎、2015屆本科畢業論文（設計）優秀指導教師稱號。