暂态水位变化对苗尾大溜槽沟-干沟岸坡稳定性的影响评价

摘要

水库蓄水后，岸坡常常会发生塌岸或者滑坡等地质灾害，诱发这些灾害的主要因素和岸坡中的暂态水位有着密切的关系。澜沧江上游的苗尾水电站大溜槽沟-干沟岸坡处于水位变幅的急变带，水库蓄水及降雨等外部因素影响下的岸坡暂态水位变化情况、稳定性状况成为建设部门关心的工程技术问题。本文在大量现场工作的基础上，查明岸坡的结构特征;通过归纳苗尾水电站坝址区右岸的岩石力学试验与补充的堆积体抗剪强度试验、颗粒分析试验、土水特征曲线试验研究了岸坡岩土体参数的取值;运用饱和-非饱和渗流理论计算了岸坡在渗流场边界条件变化时的暂态水位变化特性;结合三维有限差分法计算了岸坡因暂态水位变化导致的变形响应，分析了岸坡的变形机理;使用极限平衡理论评价了岸坡的稳定性。取得的主要成果如下:
　　(1)大溜槽沟-干沟岸坡位于苗尾水电站库区右岸，为单斜地形斜坡，地貌类型为中高山深切河谷地貌。岸坡基岩为中侏罗系花开左组下段(J2h1)板岩、变质石英砂岩、千枚岩，基座阶地上覆第四系堆积体。岸坡在河谷下切的影响下，形成了坡脚为45°～50°、中上部位为25°～35°的自然坡度，沟壁较陡。研究区无区域性大断裂通过，区域三向应力状态以潜在走滑型为主，应力集中程度较低。
　　(2)以高密度电法勘探为手段探查了堆积体与基岩接触面的起伏形态。通过对岸坡结构面调查资料的整理，提出了岸坡的结构面分级体系，岸坡岩体的结构面包括Ⅱ类结构面（压性断层破碎带F146）、Ⅲ2类结构面（顺层面发育的层间错动带）、Ⅳ类结构面（层面C）、Ⅴ类结构面（节理面J1与J2）。根据岩体结构随深度的变化特性，提出了岸坡倾倒岩体分级体系，将岸坡倾倒岩体区分为水平深度分别为10～30m和50～70m的强倾倒岩体和弱倾倒岩体。以前期勘察成果及补充的工程地质调查成果为基础，构建了由堆积体、强倾倒岩体、弱倾倒岩体、未倾倒岩体和压性断层破碎带F146组成的地质概念模型。
　　(3)通过坝址区右岸的岩石力学试验和堆积体直剪试验获取了岸坡岩土体抗剪强度指标，基于钻孔压水试验资料评价了倾倒岩体的渗透特性，并结合堆积物的SWCC试验评价了堆积体的持水性与非饱和渗透性。根据上述试验成果研究了岸坡岩土体的计算参数取值。
　　(4)根据饱和-非饱和渗流理论计算了岸坡的暂态渗流场，计算结果显示:库水位下降对暂态水位的影响主要为暂态潜水位的滞后性下降，其水压力为暂态水位与下降后的稳态水位间的静水压力;汛期常规降雨条件下，岸坡暂态饱和区以“水膜”的形式发育于堆积体及路堑边坡的表层，暂态上层滞水位产生变化;提升降雨强度至偶然雨强后，暂态饱和区扩张为可控制岸坡深层滑面稳定性的“饱和壳”，饱和区水压力值也得以增大，降雨结束后的暂态饱和区在重力控制下向下转移并渐渐消散。降雨停止前后的暂态水荷载可分别等效于均布荷载及折减后的静水荷载，但等效荷载及折减系数的大小受降雨雨强、降雨持时和渗透介质的渗透性、持水性等多重因素影响。
　　(5)采用三维有限差分数值模拟，计算了岸坡的天然应力场以及蓄水、长期强降雨等工况下的变形响应:蓄水导致的变形响应主要集中于蓄水位以下的表层强倾倒岩体，位移量最大值为0.3m，该区域岩体产生拉张塑性变形，岸坡易在河水侧蚀作用下产生塌岸;长期强降雨导致岸坡整体趋于饱和时，岸坡变形响应主要集中于堆积体上，前后边界分别为坡表高程约1440m处和堆积体后缘，最大变形量约14.2m，附加位移等值线图呈圆弧形。采用板梁地质力学理论，计算得到岸坡倾倒岩体在天然、饱和状态下的折断面深度分别为31.77m和16.10m。以岸坡的变形响应为基础，结合变形理论与板梁地质力学理论分析了岸坡的变形破坏机理，推测岸坡的潜在变形破坏模式为沿基覆界面与强倾倒岩体折断面的滑移-拉裂。
　　(6)路堑边坡表面几何尺寸较大的倾倒块体稳定性受暂态水压力的影响较小，但表层因Ⅳ、Ⅴ类结构面密集切割而成的块体的稳定性较弱，是路堑边坡局部浅层破裂的成因。基于极限平衡理论计算了岸坡在天然、蓄水、暴雨、库水位突降等工况的稳定性系数:岸坡天然工况的稳定性较好，滑面①在蓄水和暴雨工况下的稳定性系数符合规范中的稳定标准，但蓄水和库水位突降对于涉水滑面③的稳定性弱化效果显著，该滑面在库水位突降工况对应的稳定性系数仅为1.087，处于临界稳定状态;暴雨对滑面②的稳定性扰动最大，因此路堑边坡在汛期产生较多喷浆护壁破裂。

目录

声明

摘要

第1章 引言

1．1 选题依据及研究意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 倾倒岸坡工程特性的研究

1．2．2 岸坡饱和-非饱和渗流及暂态水压力计算的研究

1．2．3 岸坡稳定性的研究

1．3．研究内容及技术路线

1．3．1 主要研究内容

1．3．2 技术路线

第2章 研究区自然地理条件与工程地质条件

2．1 岸坡自然地理条件

2．1．1 研究区地理位置

2．1．2 气象水文条件

2．2 岸坡工程地质条件

2．2．1 地形地貌

2．2．2 地层岩性

2．2．3 水文地质条件

2．2．4 地质构造与地震

第3章 岸坡结构特征

3．1 岸坡堆积体及岩性组合特征

3．1．1 岸坡堆积体特征

3．1．2 岸坡基岩岩性组合特征

3．2 岸坡岩体结构特征

3．2．1 岩体结构面分级

3．2．2 结构面发育特征

3．2．3 岸坡优势结构面组合特征

3．2．4 岸坡岩体结构变化特性

3．3 岩体倾倒程度分级

3．4 岸坡地质模型

第4章 岸坡岩土体参数取值

4．1 坝址区岩石力学试验

4．2 堆积体的颗粒分析试验

4．3 堆积体的抗剪强度试验

4．3．1 剪切位移曲线

4．3．2 堆积体材料受剪破坏形态特征

4．3．3 含水率对堆积体抗剪强度指标的影响

4．4 岩体渗透特性评价

4．5．1 土水特征曲线的基本概念

4．5．2 堆积体的土水特征曲线试验结果及非线性拟合

4．5．3 堆积体的非饱和渗透系数

第5章 岸坡暂态渗流场的计算

5．1 暂态水压力的形成机理与影响

5．2 饱和-非饱和渗流理论

5．2．1 渗流基本理论及非饱和渗流微分方程

5．2．2 土的垂直一维入渗问题

5．3 二维有限元模型的建立

5．3．1 岸坡几何模型

5．3．2 计算模型的初始条件与边界条件

5．3．3 岸坡岩土体水力学参数的选取

5．4 降雨入渗和蓄水位下降时的岸坡渗流场与暂态饱和区特征

5．4．1 降雨强度及蓄水位变动方案的设定

5．4．2 库水位变化过程中岸坡渗流场的变化

5．4．3 降雨过程中岸坡渗流场与暂态饱和区的变化

5．5 暂态水压力随时间变化的基本认识

5．5．1 岸坡暂态饱和区的形成与发展历程

5．5．2 降雨作用下暂态水压力取值的讨论

5．6 本章小结

第6章 岸坡变形机理分析

6．1 岸坡已有变形破坏迹象

6．1．1 浅层滑坡

6．1．2 地表裂缝

6．1．3 岩体切层张剪破裂

6．1．4 喷浆护壁破裂及贴坡混凝土垮塌

6．2 孔压作用下的岸坡三维有限差分模拟

6．2．1 变形理论与有限差分法

6．2．2 模型的建立与计算参数的选取

6．2．3 天然条件下斜坡应力场分析

6．2．4 公路开挖后斜坡变形特征分析

6．2．5 岸坡蓄水的三维数值模拟研究

6．2．6 岸坡遭遇强降雨的三维数值模拟研究

6．2．7 小结

6．3 变形演化机理分析

6．3．1 影响岸坡变形的主要因素

6．3．2 倾倒岩体折断面深度计算

6．3．3 岸坡变形机制分析

6．3．4 岸坡变形破坏模式及其演化历程

6．4 本章小结

第7章 基于极限平衡理论的岸坡稳定性评价

7．1 受暂态水压力控制的倾倒岩块稳定性

7．2 流固耦合作用下的岸坡稳定性评价

7．2．1 潜在滑动面的设定

7．2．2 计算参数及工况的选取

7．2．3 岸坡的整体稳定性系数计算

7．2．4 岸坡局部稳定性系数计算

7．2．5 计算结果与行业标准的对比

7．3 本章小结

结论

致谢

参考文献

攻读学位期间取得的学术成果