水—岩相互作用机理及其对库岸边坡稳定性影响的研究

摘要

水-岩作用造成的岩土体强度劣化及水力学效应一直被认为是水库岸坡稳定性降低的两个因素。在三峡工程竣工后,库水每年都将按调度计划在145m的防洪水位和175m的蓄水发电水位之间或缓慢或快速的升降。那么,库岸边坡岩土体将受到库水“饱水-风干”水-岩循环作用造成岩性劣化,进而对坡体稳定性构成严重的危害。随着三峡工程计划竣工日期的日渐临近,这方面的研究显得愈加迫切。本文以室内试验为基础,应用多学科知识及研究成果,从试验研究、理论分析、数值分析方法等多方面对岸坡岩体受库水“饱水-风干”水-岩循环作用劣化而给库岸边坡体稳定性造成的影响进行了较为系统地分析研究,探讨了岩体水-岩作用劣化规律以及库岸边坡稳定性变化规律。得到了如下主要结论:(1)水-岩作用对岩体强度的影响显著。试验表明,岩石在水-岩循环作用前期,水-岩作用造成岩石的物理、化学损伤效应较大,粘聚力、内摩擦角受之影响明显。随着作用次数的增加,作用时间的延长,水-岩作用给岩石造成的物理、化学损伤效应减小,粘聚力、内摩擦角受影响减小,其变化趋于平缓。(2)在试验得出的岩体水-岩作用劣化规律的基础上,运用断裂力学理论,推导出了含水并存在水压力的裂隙岩体的断裂强度准则。该准则表明,水通过静水压力(γWH)或动水压力(γWJ)的力学作用直接削弱着裂隙岩体的断裂强度,裂隙岩体的断裂强度与静或动水压力成线性关系。水对裂隙岩体的物理、化学损伤造成的力学强度参数(c、φ)的降低,也间接地削弱着裂隙岩体的断裂强度。(3)从降雨和库水涨落两方面分析了水-岩作用对库岸边坡稳定性的影响。分析表明:①降雨(特别是特大暴雨)导致的岩土体强度降低、地下水位抬高、岸坡内裂隙和孔隙水压力加大、岩体裂隙间摩擦力的减小,对岸坡稳定性构成极大危害。岸坡失稳与降雨量、降雨强度、降雨历时及降雨形式存在着密切而有规律的关系。②库水周期升降造成的岸坡岩土体性质劣化、动水压力与静水压力效应、冲刷作用与浪蚀作用等也对岸坡的稳定性构成极大危害影响,出现崩塌和滑坡、古滑坡复活滑动、岩溶塌陷、以及冲蚀、磨蚀作用下土质及粘土岩质岸坡的岸线后退等破坏。最后结合一工程算例具体给出了其稳定系数在蓄水前后及水位骤降状况下的变化幅度。(4)通过数值分析手段,分析研究了岸坡岩体受“饱水-风干”水-岩循环作用而造成的岩性劣化给库岸边坡的稳定性造成的影响。计算结果表明,①库水水-岩循环作用造成的岸坡破坏是一个损伤累积并扩大发展,最后破坏的渐变过程。②岸坡岩体的初始力性、岩体的水-岩敏感性是决定岸坡受库水水-岩循环作用影

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1 绪论

1.1 问题的提出及研究意义

1.2 国内外研究现状及存在的问题

1.2.1 水-岩作用的研究现状

1.2.2 库岸边坡稳定性的研究现状

1.2.3 三峡库区滑坡研究历史

1.2.4 本研究领域存在的主要问题

1.3 本文拟定的研究内容和研究思路

2 水-岩作用对岩体的损伤效应试验研究

2.1 水-岩作用的损伤效应

2.1.1 水-岩作用之物理损伤效应

2.1.2 水-岩作用之化学损伤效应

2.1.3 水-岩作用之力学损伤效应

2.2 水-岩作用损伤效应试验研究

2.2.1 试验设计

2.2.2 试验结果与分析

2.2.3 试验成果的工程应用意义

2.3 本章小结

3 水-岩作用对裂隙岩体力学损伤效应的理论探讨

3.1 水-岩作用之力学损伤效应的研究基础

3.1.1 水对裂隙岩体力学性质的影响

3.1.2 岩体断裂力学的基本理论

3.2 水-岩作用对单裂隙岩体强度的影响

3.2.1 裂隙岩体中地下水压力的类型及作用

3.2.2 考虑地下水压力作用的裂纹尖端应力强度因子的计算

3.2.3 水压力作用下单裂隙岩体的断裂强度

3.3 水-岩作用对多裂隙岩体强度的影响

3.3.1 不考虑水作用的多裂隙岩体强度

3.3.2 考虑水作用的多裂隙岩体强度

3.4 本章小结

4 水-岩作用对库岸边坡稳定性的影响及其计算分析

4.1 库区地理地质环境特征分析

4.1.1 库区地形地貌特征

4.1.2 库区地层岩性特征

4.1.3 库区地质构造特征

4.1.4 库区水文地质特征

4.2 水-岩作用对库岸边坡稳定性的影响分析

4.2.1 降雨对岸坡稳定性的影响效应分析

4.2.2 库水升降作用对岸坡稳定性的影响效应分析

4.3 水-岩作用对库岸边坡稳定性影响的算例分析

4.3.1 工程概况

4.3.2 计算模型的建立

4.3.3 稳定性计算及分析

4.4 本章小结

5 水-岩作用对岸坡稳定性影响的数值模拟

5.1 概述

5.2 FLAC的工作原理

5.2.1 基本原理

5.2.2 基本工作步骤

5.3 库岸边坡数值计算分析

5.3.1 几何模型边界及有限差分网格划分

5.3.2 参数确定及材料定义

5.3.3 分析流程图

5.3.4 数值计算结果分析

5.4 数值分析结论

6 结论与展望

6.1 主要结论

6.2 需进一步研究的问题

致谢

参考文献

附录