黄草坪倾倒岸坡变形特征与库水位变化关系研究

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倾倒变形是河谷地区层状岩质边坡一种典型的变形现象,特别是在西南高山深切峡谷区尤为发育,这些地区往往也是我国水电能源开发的主要基地,伴随西部地区水电工程的蓬勃建设,水库的建成运行改变了倾倒岸坡原始的地质条件,特别是在水位的持续上升、下降作用下倾倒岸坡失稳问题逐渐突显,已成为威胁水电工程的重大工程地质问题。因此分析倾倒岸坡的库水变形响应过程及演化方式,对库岸滑坡的有效防控以及建成后水电站的稳定运行有至关重要的作用。本文以大渡河大岗山水电站黄草坪倾倒变形体为研究对象,通过野外地质调查及工程资料收集研究,查明了变形体坡体结构特征和变形破坏现象;融合In SAR、Li DAR、无人机航拍以及地面监测等多源立体数据对变形体变形特征及潜在发展趋势进行分析和预测;以黄草坪变形体为地质原型,建立精细化三维地质模型,通过数值模拟重现了蓄水过程中岸坡的变形响应过程;基于地下水渗流模型研究了水库运行期内库水变幅速率对变形体稳定性的影响,从而提出水位调度建议。研究成果可对分析库岸倾倒变形体在水库运行期内的变形特征、稳定性趋势及风险防控提供理论支撑和借鉴意义。本文研究取得的主要成果如下:(1)查明了黄草坪倾倒变形体岸坡结构特征和变形破坏现象。变形体发育于大渡河断裂带内,地层岩性主要为砂页岩、片麻岩,岩层正常产状为N7°~15°E/NW∠67°~85°(陡倾坡外),在重力作用下,岩体向临空面方向倾倒,根据岩层倾角、岩体结构、风化卸荷情况等指标将黄草坪岸坡倾倒变形强烈程度总体上分为:极强倾倒变形A区、强倾倒变形上段B1区、强倾倒变形下段B2区、弱倾倒变形C区。基于历史和现有变形现象将变形体区域分为强变形Ⅰ区、弱变形Ⅱ、Ⅲ区。(2)融合In SAR、Li DAR以及地表位移监测数据,揭示了倾倒岸坡在水库运行过程中的变形规律。岸坡于2015年10月水库蓄水后开始变形,前缘滑塌形成塌岸,牵引中后部向临空面方向变形,表现出前缘坡脚起主导作用的牵引式变形特征。岸坡在库水位变化和降雨影响下的变形规律呈现出两个特点:第一,岸坡地表位移的演化特征受汛期库水位下降和降雨影响,其变形增长具有明显的周期性响应,位移监测曲线呈现阶跃式变化特征,且岸坡变形加速阶段与库水位下降阶段基本对应,但岸坡的位移突变时间滞后于库水位下降的时间;第二,黄草坪岸坡变形呈现出空间上的差异性,Ⅰ区变形显著,Ⅱ、Ⅲ区变形较小。(3)通过建立精细化三维地质模型,使用FLAC3D有限差分计算软件,结合实际蓄水工况模拟了黄草坪倾倒岸坡变形的蓄水响应过程。结果表明:黄草坪岸坡受蓄水影响,表现出具有时空演化特征的渐进后退式破坏过程,不仅表现为表面位移-时间随库水位变化的阶跃性,还表现为空间-时间演化的不同性质的地表变形和局部破坏,即坡体的变形始于坡脚浸水软化,沿极强倾倒区底界产生剪切拉张复合式变形,从而牵引坡体中后部依次产生塑性拉张变形。在空间上,变形体Ⅰ区由于坡度较陡以及良好临空条件首先出现形变,Ⅱ、Ⅲ区变形相对缓慢。最后结合数值模拟和多源监测数据提出黄草坪变形体在蓄水后可能的演化期次。(4)通过建立地下水渗流模型研究了水库运行期内库水变幅速率对岸坡稳定性的影响。研究表明:不同库水变幅速率,岸坡内部的渗流场变化不同,渗流场的变化会滞后于库水位的变化。库水位上升过程中,岸坡稳定性系数Fs先增大后减小,渗流稳定后的稳定性系数为蓄水后的长期稳定性系数。库水位下降时,岸坡稳定性系数Fs先减小后增大,当稳定性系数达到最小值,开始缓慢增加,最后趋于稳定。当水位下降过快时,瞬态的稳定性系数比最终稳态的稳定性系数低,如果水位下降速度过快,瞬态Fs小于1,则变形体可能发生失稳破坏,以此提出水位调度过程应以较低的速率匀速进行,以减轻地下水的滞后效应所带来的影响。
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