三峡库区水位升降作用下岸坡破坏机制研究

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三峡水库运行期间,库水位一年一度在145m至175m之间蓄水和消落,水库蓄水和水位的周期性升降必然引起沿江两岸消落区及生态屏障区范围内库岸边坡稳定性劣化,造成库岸边坡的失稳破坏。从以往岸坡地质灾害发生情况看,库岸边坡具有突发性、剧烈性及长期性等特点,对长江及沿岸的危害巨大,三峡水库蓄水以来,对库岸边坡研究已经成为工程地质研究领域的一个重要和热门研究课题。本文以三峡库区土质岸坡为研究对象,采用现场调查与观测、结构试验、理论分析和数值模拟等研究手段,研究水位周期性升降作用下水与岩土体的相互作用机理、周期性浸泡条件下岸坡土体力学参数劣化特性、水位周期性升降过程中坡体渗流场及坡面裂缝发展演化过程、水库运行期间土质库岸稳定性变化规律及水库运行期间土质岸坡突发性崩滑机制,主要取得了以下成果:(1)将三峡水库水位周期性升降作用下岸坡破坏机制分为缓变机制和突变机制两种,其中缓变机制指岸坡稳定性变化,突变机制指岸坡突发性破坏。(2)基于试验研究和理论分析,研究了水位周期性升降作用下水与岩土体的相互作用机理,把三峡库区库水位升降过程中水与岩土体作用系统分为水与岩土体力学作用、水与岩土体物理作用及水与岩土体化学作用三种。(3)选取三峡库区典型岸坡不同高程天然土体,采用土工实验、X衍射光谱分析等方法,纵向分析了同一坡体不同高程土体粒度、矿物成分及抗剪强度参数的变化特性,得到了不同高程天然土体物理力学参数变化的共有性质及随高程变化的不同特性。(4)以三峡库区不同区域典型土质岸坡为研究对象,进行岸坡的土体参数试验,横向分析了不同岸坡土体矿物成分、密实度、含水量、土石比的变化及水体周期性浸泡对岩土参数的影响,并对不同试验类型相同参数之间、相同试验类型不同参数之间进行相关性分析,得出了不同试验类型相同参数的相关系数及同种试验不同参数之间的相关系数、关系拟合式及拟合系数。(5)通过对三峡库区典型岸坡土体周期性浸泡实验,分析了周期性浸泡条件下不同饱和状态和不同浸泡次数土体物理力学参数变化特性,揭示了周期性浸泡下土体强度参数的演化规律。(6)建立了三峡水库岸坡破坏机制地质试验模型,拟定库水位升降变化实验工况,通过模型试验,得到了坡体滑面不同高程处孔隙水压力值随水位变化曲线以及水位升降过程中坡体表面裂缝时空演化分期配套规律。(7)以非饱和渗流理论为基础,基于模型试验提供的坡体材料物理力学参数及试验所测数据,运用渗流分析软件Geostudio进行水位升降条件下的瞬态渗流场模拟,揭示了库水位升降过程中坡体浸润线分布变化规律及渗流场的变化特性。(8)针对三峡库区水位周期性升降对不同岸坡稳定性可能造成的影响,以库区典型土质滑坡为模型,在相同的入渗条件下,选择代表三峡库区不同土体材料6个数量级的饱和渗透系数,采用饱和-非饱和数值方法模拟了库水位周期性升降过程中不同渗透系数滑坡体浸润线分布变化规律及渗流场动态变化特性。(9)考虑库水位周期升降过程中非饱和土基质吸力和渗流场的瞬态变化情况,用Morgenstern-Price法分析了库水位升降过程中不同渗透条件下岸坡稳定性变化趋势,揭示了土质岸坡在水库运行期间的稳定性变化规律,稳定性变化总体表现为库水位上升期间岸坡稳定性呈减速衰减-稳定型和库水位下降期间岸坡稳定性呈加速衰减-稳定型。(10)针对三峡水库土质岸坡地质结构,将145m水位以下部位假定为应变软化区段,145m至175m之间部分假定为弹性区段;基于突变理论、能量原理构建了岸坡破坏尖点突变力学模型,并提出了岸坡破坏判据,揭示了水库运行期间土质岸坡突发性破坏机制。
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