库水冲刷诱发渐进型塌岸机理研究

摘要

库区塌岸是工程地质领域研究和关注的热点之一，尤其是大型水库的修建，大坝的拦截蓄水，直接性地改变了库区原有的生态地质环境。随着库水位的上升，堆积体内部的地下水位线也抬升，水与岩土体的物理化学作用以及力学作用加强，岩土体的强度大大降低，最终导致堆积体失稳。此外，库区堆积体还受到库水的冲刷作用进行库岸再造。冲刷作用主要与库水位的变动速率和高低水位时河流的流量、流速有关。文中将库水位的周期性涨落定义为纵向冲刷，将高低水位的流动定义为横向冲刷，研究库区堆积体在该两种冲刷作用下形成渐进型塌岸的机理。本文以猴子岩库区堆积体为研究对象，查明和总结出研究区范围内影响渐进型塌岸的内在因素和外在条件，通过室内物理模拟和数值模拟的方法得到了在库水冲刷作用下形成渐进型塌岸的机理。
　　本研究主要内容包括：⑴渐进型塌岸是指在受到库水位周期性涨落以及外界条件的作用下，堆积体不发生整体性破坏，而是随着时间的推移表现出一种缓慢性渐进破坏的过程。⑵影响渐进型塌岸模式的主要因素分为内在因素和外在因素，内在因素主要包括堆积体的物质组成、地形地貌、渗透性、堆积体坡角;外在因素主要是指库水位周期性变动的纵向冲刷作用和高低水位运行时的横向冲刷作用。⑶通过对猴子岩库区渐进型塌岸堆积体的调查得出，库区常见的堆积体类型有泥石流堆积体、崩坡积物、残坡积物以及滑坡堆积物。室内筛分试验结果得出，大多数堆积物都是级配良好的土体，只是少部分是不良级配土和不连续级配土。⑷库水的纵向冲刷诱发渐进型塌岸主要是通过水对岩土体的物理化学作用，改变岩土体的物理力学性质，使其强度降低。此外，库水位的周期性涨落使得堆积体内部的地下水位改变从而引起内部的孔隙水压力随着库水的周期性变动而改变，使得堆积体缓慢变形进行库岸再造。库水变动速率越大，堆积体越容易发生变形破坏;横向冲刷主要是受到库水的流速和流量影响，流速和流量的大小代表了库水冲刷能力的强弱，当堆积体的抗冲刷力小于库水的冲刷能力时，堆积体的颗粒物质在库水的横向冲刷作用下被搬运走，久而久之会在堆积体的内部形成冲刷凹腔，使得上部堆积体失去支撑力而发生垮塌变形进行库岸再造。⑸研究区渐进型塌岸主要是受到库水的周期性变动作用下的纵向冲刷影响，横向冲刷对研究区的塌岸相对较小。主要是由于在研究区库水的流速较小，而横向冲刷主要是影响库区上游，当河道流水汇入库区之前具有较高的流速，从而具有较大的冲刷能，当河道水流汇入到库区时，流速急剧下降的同时冲刷能力也下降，所以在库区范围内横向冲刷对库岸再造的影响较小，但也是重要的影响因素。⑹横向冲刷过程中，当流速一定时，冲刷宽度会随着时间的推移逐渐趋向于稳定，不同流速作用下的冲刷宽度不一样。根据数据分析可得，不同堆积体坡角中，不同流速作用下的最终冲刷宽度与流速具有一定的线性关系，堆积体的坡角越大时，线性方程斜率越小。冲刷宽度与流速和时间存在着的关系拟合满足方程:yi=x2/Pae-b/x1，式中a、b为模型回归系数，回归系数与堆积体类型有关，主要与堆积体的物质成分、渗透性、坡角等参数;P值为库水流速最大;x1为冲刷持续时间，取值可以趋向于无穷大，以小时为单位;x2为流速。⑺在库区死水位库水冲刷形成的宽度叫做基准侧蚀宽度，塌岸预测方法岸坡结构法中加入基准侧蚀宽度可以用于对猴子岩库区渐进型塌岸预测进行改进。

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 塌岸机理的研究

1．2．2 塌岸模式的研究

1．2．3 塌岸预测参数的研究

1．2．4 塌岸预测方法的研究

1．3 研究内容、目标、方案及技术路线

1．3．1 研究目标

1．3．2 研究内容

1．3．3 技术路线及研究方案

第2章 研究区自然地理与地质环境条件

2．1 自然地理

2．2 气象水文条件

2．2．1 气象特征

2．2．2 水文特征

2．3 地形地貌

2．4 地层岩性

2．5 地质构造

2．6 水库运行情况

第3章 猴子岩库区堆积层岸坡组成及影响因素分析

3．1 研究区岸坡结构研究

3．1．1 岩质岸坡

3．1．2 土质(堆积层)岸坡

3．2 堆积层岸坡土体组成分析

3．2．1 不良级配土

3．2．2 良好级配土

3．2．3 不连续级配土

3．3 堆积影响因素研究

3．3．1 内在因素

3．3．2 外在因素

本章小结

第4章 渐进型塌岸机理模拟研究分析

4．1 物理模拟试验

4．2 试验目的

4．3 试验设备

4．4 试验模型设计

4．4．1 相似关系

4．4．2 相似材料

4．4．3 参数测量

4．4．4 模型设计

4．5 纵向冲刷模拟分析

4．5．1 纵向冲刷塌岸现象及机理分析

5．5．2 纵向冲刷塌岸宽度及影响因素相关性分析

4．6 横向冲刷模拟

4．6．1 横向冲刷塌岸现象及机理分析

4．6．2 横向冲刷塌岸宽度及影响因素相关性分析

4．6．3 冲刷宽度与流速、时间关系分析

4．7 讨论及认识

第5章 猴子岩库区渐进型塌岸范围预测分析

5．1 已有塌岸预测方法

5．2 改进岸坡结构法

5．2．1 侧蚀基准宽度的计算

5．2．2 库区进型塌岸预测模型

5．3 典型塌岸范围预测分析

5．3．1 岸坡结构法分析

5．3．2 改进岸坡结构法分析

本章小结

结论

致谢

参考文献

攻读学位期间取得学术成果

附录