高坝泄洪雾雨作用下饱和非饱和裂隙岩质边坡稳定性研究

摘要

高坝泄洪雾雨所引起的岩石高边坡稳定问题是目前我国西南地区水电工程面临的一个重大难题，它涉及水力学、两相流体力学以及岩体力学等多项交叉学科。研究高坝泄洪雾雨作用下饱和非饱和岩质高边坡的稳定性，科学问题主要集中在以下三个方面：一是对实际工程所关心的高坝泄洪雾化雨的降雨强度及分布的研究，目前主要是通过原体观测和物理模型试验，得出一些经验公式进行估算，很少有深入的系统的量化分析；二是泄洪雾雨的入渗是一个饱和非饱和渗流过程，关于裂隙岩体非饱和渗流的研究，虽然提出了一些概念模型，但很多机理还不明白，非饱和状态下的岩体水力学参数也很难确定，选择什么样的数学模型也有待研究；三是雾雨影响下的岩石高边坡稳定问题，由于雾雨的入渗使边坡岩体的基质吸力降低、暂态水荷载增加，岩体强度降低，从而加速了边坡失稳，但如何来定量研究此问题还缺少可应用的成果。本文研究工作主要基于以上三个难点和科学问题，以构皮滩水电工程右岸泄洪雾雨区的边坡为研究背景，研究高坝在泄洪雾雨作用下的岩石高边坡稳定性问题。 本文的主要研究工作集中在以下几个方面：1、限于目前对高坝泄洪雾化的雾雨强度和分布范围研究的不足以及人们对其认识的模糊性，利用模糊数学的方法研究雾雨强度和分布，分析了引起泄洪雾化的影响因子，建立了泄洪雾化的模糊数学模型。为了尽量减少人为因素给工程分析带来的主观影响，寻求出一种尽可能少使用专家经验的方法来确定模糊分析所需的隶属函数，也即在统计分析基础上并结合专家经验的方法构造隶属函数，再由模糊合成和综合评判(最大隶属度原则)来分析预报降雨强度和分布范围。 2、以构皮滩右岸雾雨区边坡为研究背景，在掌握边坡岩性、岩体结构、构造以及岩体变形和强度的基础上，划分出边坡山体工程地质岩组。重点研究了边坡卸荷带岩体特征，并在此基础上根据边坡类型、岩性及构造、岩溶发育特征、卸荷特征以及受泄洪雾化影响程度等为依据将该区自然坡体划分为五个工程地质分区。根据边坡的地表信息、开挖信息、岩层分界信息以及排水洞和帷幕信息，利用自编软件生成三维网格计算地质模型，为边坡的渗流场和应力场分析奠定基础。用此方法所建立的模型基本上保存了原山体的信息，在网格规模一定时充分利用了边坡中的控制信息，避免了建模过程中不必要的简化所造成的失真，充分的反映了原坡体面貌和人工改造后的边坡形态。 3、在野外大量实测裂隙资料的基础上，进行裂隙密度、方位、大小、延续性、开度等几何参数的统计分析，以EnhancedBaecher模型建立离散裂隙网络随机模型，利用MonteCarlo随机模拟方法进行裂隙网络随机模拟，生成不同尺度的三维离散裂隙网络图。在所生成的一定尺度三维裂隙网络图基础上，进行了边坡渗流场分析的等效连续介质模型判断，并以统计几何参数数据进行渗透张量的计算，为渗流场分析提供了重要的水力参数值。 4、研究了有泄洪雾雨和降雨等入渗情况下的边坡水分运动特征和影响入渗的因素。根据饱和状态时的控制方程和非饱和状态下的控制方程，建立起整体的饱和非饱和非稳定渗流控制方程。应用Galerkin加权余量法推导出其数学模型的有限元计算格式，研制了该非线性有限元计算迭代格式，并用FORTRAN语言编制了有地表入渗作用的饱和非饱和非稳定渗流三维有限元计算程序USSEEPAGE3D，该程序包括了前处理部分、主程序计算部分和后处理部分，每块均具有独立、明确的功能含义，能充分满足实际工程问题复杂的要求，具有很好的灵活性；对有限元求解中的非饱和水力参数问题、初始水头场问题作了相应的技术处理，使得求解方程的效率高、收敛速度快、减小计算中产生的振荡。根据编制的程序以及求解技术方法对构皮滩雾雨区边坡进行了雾雨入渗下的饱和非饱和渗流场模拟，其计算成果为边坡渗控措施提供参考依据。 5、深入研究了雾雨入渗引发边坡失稳的机理。通过裂隙岩体渗透性与应力关系、裂隙岩体的弹塑性本构关系以及渗流场的控制方程，建立了渗流场与应力场耦合的等效连续介质模型。通过迭代求解达到两场耦合的目的。应用目前边坡稳定分析中比较成熟的方法—有限元法进行边坡稳定性评价。最后，以构皮滩右岸雾雨区边坡为例，计算边坡未考虑渗流场影响和考虑渗流场与应力场耦合作用后的边坡岩体应力场和位移场，进行边坡稳定性分析，同时探讨了各渗控措施对边坡稳定性的影响。计算成果为实际工程的安全评价提供了一定科学依据。

目录

文摘

英文文摘

前言

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第一章绪论

1.1研究背景、目的和意义

1.2文献回顾和研究现状

1.2.1高坝泄洪雾化研究进展

1.2.2裂隙岩体饱和非饱和渗流研究进展

1.2.3饱和非饱和裂隙岩质高边坡稳定性研究进展

1.3本文的主要研究内容和技术路线

第二章高坝泄洪雾化降雨强度和分布范围研究

2.1概述

2.2泄洪雾化的影响因子分析

2.3泄洪雾化降雨的模糊综合评判分析

2.3.1模糊综合评判模型

2.3.2泄洪雾雨强度及其分布的隶属函数构造

2.3.3构皮滩边坡雾雨强度量级和强度分布的综合评判

2.4本章小结

第三章边坡地质模型及岩体多孔介质水力等效性研究

3.1边坡工程地质岩组研究

3.2边坡岩体结构研究

3.2.1边坡岩体结构面的类型及其特征

3.2.2边坡岩体层间错动和裂隙发育特征

3.2.3边坡结构面分级及其特征

3.2.4边坡岩体结构类型划分

3.3边坡岩体基本地质模型

3.4雾雨区边坡工程地质分区

3.5边坡岩体赋存环境特征

3.6右岸边坡地质模型建立

3.7离散裂隙网络的随机模型

3.7.1 Enhanced Baecher模型

3.7.2裂隙密度

3.7.3裂隙方位

3.7.4裂隙大小、延续性

3.7.5裂隙开度

3.8 Monte—Carlo模拟方法和过程

3.9三维离散裂隙网络模拟

3.10裂隙岩体的多孔介质水力等效性分析

3.11本章小结

第四章雾雨作用下饱和非饱和裂隙岩质边坡非稳定渗流研究

4.1饱和非饱和介质中水分运移特征

4.2土水特征曲线

4.3非饱和介质中水分运动参数

4.3.1水力传导度

4.3.2水分扩散度

4.3.3容水度

4.4渗透性函数

4.5泄洪雾雨入渗作用下边坡水分运动特征

4.6数学模型建立

4.6.1饱和非饱和状态下的整体渗流方程

4.6.2定解条件与处理方法

4.6.3饱和非饱和渗流的微分方程有限元解法

4.7有限元程序的研制

4.7.1程序功能

4.7.2程序框图

4.7.3有限元求解中几个问题说明和处理技术

4.8计算实例

4.8.1各渗透分区的饱和非饱和水力参数确定

4.8.2泄洪雾雨与天然降雨组合过程拟定

4.8.3定解条件和排水孔幕的处理

4.8.4计算结果与分析

4.8.5结论

4.9本章小结

第五章渗流场影响下的岩石高边坡稳定性研究

5.1雾雨入渗引发边坡失稳的机制

5.2岩体渗流场与应力场耦合的等效连续介质模型

5.2.1裂隙岩体渗透性与应力关系

5.2.2裂隙岩体的弹塑性本构关系

5.2.3岩体渗流场与应力场耦合的有限元方程建立

5.2.4迭代计算流程

5.3渗流场影响下的岩质边坡稳定性分析实例

5.3.1计算参数和约束

5.3.2计算荷载

5.3.3计算结果与分析

5.3.4结论

5.4本章小结

第六章总结与展望

参考文献

致谢

作者简历

攻读博士学位期间发表的主要学术论文

攻读博士学位期间参加的科研项目及获得的奖励