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在国内外大型的水力枢纽工程中,由于水库蓄水导致库水位周期性的涨落,同时加上降雨、人类活动等外部因素的叠加作用,导致库岸边坡失稳或者复活而形成的滑坡称为库岸滑坡。大量的调查研究表明,由于水库蓄水导致库岸边坡失稳或者复活的现象非常普遍,而且失稳破坏的后果都非常严重,有的甚至是灾难性的。例如,三峡工程自2003年蓄水以来,导致库区发生较大规模的滑坡、崩塌体近2500处,直接经济损失上百亿元。因此,进行水库库岸滑坡的研究具有十分重要价值,也是当前工程地质领域研究的热点课题之一。
库岸滑坡的研究经过几十年的发展,已经成为滑坡学最为重要的研究课题,各种新思想、新方法不断地被引入到库岸滑坡的研究中来,这也使得库岸滑坡的研究取得了长足的发展。但是由于库岸滑坡的复杂性,特别是如何将库水位变动、降雨和人类活动等复杂的外部因素很合理的考虑到库岸滑坡的稳定性评价中来,仍然没有得到很好的解决。究其原因主要来自于以下几个方面:其一,现用比较成熟的滑坡稳定性评价方法还比较缺乏比较坚实的地质、力学方面的基础,并且与个体滑坡的特殊演化机制的结合不足;其二,目前,三个最为重要的外部影响因素(库水位周期性变动、降雨因素和人类活动影响因素)中库水位的周期变化是可实现量化分段描述的确定量,而降雨因素和人类活动影响因素往往具有不确定性,要合理量化的考虑到滑坡的稳定性计算中相对比较困难。
正是鉴于以上问题,论文以三峡库区巴东段黄土坡滑坡1#崩滑体作为主要研究对象,以长期的位移监测资料、气象监测资料和大量野外调查为基础,采用地质学、工程地质学、工程力学、数值模拟技术、概率与数理统计、非线性理论、室内试验等多种研究手段,对黄土坡滑坡1#崩滑体的变形机制、巴东地区库水位调节及降雨特征分析、黄土坡滑坡1#崩滑体非饱和渗流计算及其破坏概率计算等方面做了比较详细的探讨。通过一系列的分析和研究论文主要取得了以下主要成果:
(1)以野外调查为基础,以分析黄土坡滑坡的工程地质、水文地质条件为根本出发点,对黄土坡滑坡的历史演化过程进行了比较全面的分析。
(2)根据黄土坡滑坡临江1#崩滑体的地质条件和长期位移监测资料,认为滑坡的组构特征、动力成因、变形运动特点和发育阶段四个控制因素能够比较完整的表现黄土坡滑坡的基本地质特征。判定黄土坡滑坡1#崩滑体基本地质模型可命名为:复活性孕育期渐进牵引式降雨库水联合作用型岩质顺层滑坡。
(3)滑坡从出现变形到最终的失稳破坏的演化过程中,变形动态往往呈现出阶段性特征,因此将材料的蠕变变形特征中的初始变形阶段、等速变形阶段和加速变形阶段引入到滑坡的变形演化分析中来,并分析每个阶段典型的变形特征和判别依据。利用黄土坡滑坡1#崩滑体2003年4月~2008年6月的位移监测资料为分析样本,对位移时序曲线进行求导得出加速度时序曲线和加加速度时序曲线,采用加速度、加加速度等动力学判据来判别黄土坡滑坡1#崩滑体现在所处的变形演化阶段。通过分析得出黄土坡滑坡1#崩滑体处于局部加速变形阶段初期,但是尚未发展进入变形突变阶段,整体处于渐进蠕滑变形阶段的结论。
(4)结合巴东站长期的库水位监测资料,把库水位调节周期划分为T1、T2、T3、T4四个调节时段,分别为T1时段(10月份),库水位从145m降至175m,为蓄水调控期;T2时段(11月份~次年的2月底),库水位稳定在175m左右,为蓄水期;T3时段(3月~5月底),库水位从175m升至145m,为排水调控期;T4时段(6月~9月),库水位相对稳定在145m,为枯水期。并采用分段函数对库水位调节方案进行量化的描述。
(5)通过巴东地区长期的气象监测资料,发现T1、T2、T3、T4每一个库水位调节时段都具有不同的极值特征降雨类型,T1时段以短时间的中雨夹大雨为主,T2时段为长时间的小雨为主,T3时段为长时间的中雨夹大雨为主,T4时段为短时间的大雨夹暴雨为主。以巴东地区多年的气象监测资料为基础,利用降雨极值分布理论对巴东地区不同时段(T1、T2、T3、T4)的极值特征降雨的概率分布函数进行拟合,得出了不同时段极值特征降雨参数,具体如下:T1时段(10月份):特征降雨类型为最大一次连续降雨,降雨最大的持续时间为18天,降雨强度为30mm/d;T2时段(11月份~次年的2月底):特征降雨类型为最长一次连续降雨,降雨最大持续时间为30天,降雨强度为10mm/d; T3时段(3月份~5月底):特征降雨类型为最长一次连续降雨,降雨最大持续时间为26天,降雨强度为20mm/d;T4时段(6月份~9月份):特征降雨类型为最大一次连续降雨,降雨最大持续时间为22天,降雨强度为75mm/d。
(6)利用滑带土和滑体土的非饱和土水特征试验,研究滑坡的非饱和特性,绘制滑带土和滑体土的非饱和土水特征曲线,并以此为基础求解渗透系数函数,为滑坡的非稳定渗流模拟提供基本的非饱和特征参数。最后利用库水位调节函数和不同时段(T1、T2、T3、T4)极值特征降雨参数,联合求解在库水位和降雨联合作用下1#崩滑体的非饱和渗流场,并以此为基础为滑坡可靠度计算提供可靠的地下水位条件。
(7)利用滑坡的可靠度分析为基础,选定滑坡的抗剪强度指标c、(φ)值为基本随机变量,通过快速直剪试验得到,抗剪强度指标大致符合正态分布形式,利用蒙特卡洛模拟法计算出安全稳定系数也基本符合正态分布形式,并以此为基础对滑坡不同时段(T1、T2、T3、T4)降雨和库水位联合作用下滑坡的稳定性做出判定。结果显示,滑坡在T4时段库水位条件145m,连续22天降雨强度75mm/d的降雨调价下滑坡的破坏概率为64.47%,滑坡处于高危险状态,并以此降雨条件作为滑坡的阀值雨条件。