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泄洪雾化是水利枢纽高速泄流时,由于水流掺气、散裂和水舌入水时的溅水所形成雾化流,雾化流受上游大气来流与水舌风及下游地形条件的综合影响,在水利枢纽附近一定范围内形成的一种密集雨雾现象。一般而言,水头越高、流量越大,泄洪雾化的降雨强度与影响范围也越大。高坝泄洪雾化,不仅对水利枢纽的安全造成一定威胁,还影响下游高边坡的稳定。最典型的如龙羊峡水电站1989年泄洪时,由于泄洪挑流水雾作用使虎山坡滑坡,滑体达百万立方米级。这在我国是一个新问题,在世界范围内也极其罕见,本次事件后,首次实际地建立了水雾诱发滑坡的概念,加深了各国专家对挑流水雾可能诱发岸坡稳定的认识;此外,李家峡水电站1997年泄洪时,因雾化降雨的入渗作用曾诱发大规模的山体滑坡;二滩水电站1999年泄洪时,强烈的雾化降雨也导致了下游岸坡的坍塌。在近期乃至未来相当长的时间内,我国将一直处在水电开发的高峰期,随着一大批200m~300m级及300m以上级巨型电站,如拉西瓦、小湾、龙滩、溪洛渡、糯扎渡、二滩、构皮滩等的陆续兴建,泄洪雾化问题日益受到广泛关注。这些水电工程大多位于我国西南地区,具有“高水头、大泄量、陡岸坡、窄河谷”的特点。由于泄洪水头高、流量大,空中泄流落差大,加上泄洪消能采用分层出流,空中碰撞,必将产生泄流雾化。
争岗滑坡堆积体位于坝址下游右岸争岗山梁下游右侧,为堆石坝规划土料场之一,且处于堆石坝导流洞、溢洪洞出口边坡处。其中老滑坡堆积体位于右岸哑贡沟与右7号沟之间,分布高程2180m~3220m,宽近1300m,堆积体厚度15~101m,平均厚度约37.11m,面积约128×104㎡,体积4750×104m3,属特大型滑坡。老滑坡堆积体形成后由于争岗沟的溯源侵蚀下切作用,在空间上形成了两个相对独立的堆积体区(Ⅰ、Ⅱ区),其中Ⅰ区位于争岗沟与右7号沟之间,Ⅱ区位于哑贡沟与争岗沟之间。Ⅰ区和Ⅱ区堆积体在后期改造过程中又经历了两次活动变形,并形成了第二期和第三期滑坡堆积体。由于该滑坡堆积体的稳定性直接关系到澜沧江古水水电站建设及建成后的正常运营。因此,查清该滑坡堆积体空间结构和形成条件、并合理评价其稳定性、科学预测其危害性非常必要。
由于工程运营期所引起的泄洪雾化问题有异与一般的降雨,因此本文将泄洪雾化作为主要人为诱发因素对斜坡稳定性影响问题进行了以下几方面的研究:
(1)根据勘查资料及野外调查资料,简述了争岗滑坡所在区地形地貌、地层岩性、地质构造、水文地质条件、不良地质作用等工程地质条件。在此基础上,探讨了争岗滑坡堆积体的形态特征、物质组成、结构特征、滑带及滑床特征、变形破坏特征,从而构建起滑坡的地质模型,揭示了争岗滑坡的形成条件,为进一步分析雾化降雨条件下滑坡稳定性奠定了基础。
(2)限于目前对高坝泄洪雾化的雾雨强度和分布范围研究的不足以及人们对其认识的模糊性,利用模糊数学的方法研究雾雨强度和分布,分析了引起泄洪雾化的影响因子,建立了泄洪雾化的模糊数学模型,再由模糊合成和综合评判(最大隶属度原则)来分析预报降雨强度和分布范围。
(3)从非饱和土的特性出发,介绍了水在饱和-非饱和土中的存在形式,进而引出基质吸力概念。基于基质吸力,介绍了非饱和土土水特征曲线及其Van Genuchten数学模型及非饱和渗透系数的概念及Van Genuchten建立的渗透系数的预测模型。基于饱和非饱和渗流原理,运用SEEP/W程序建立争岗滑坡典型二维的计算模型,根据 Van Genuchten数学模型拟合滑坡水力参数,根据分析的雾雨强度和分布范围建立雾化降雨入渗边界条件,对滑坡进行饱和非饱和渗流场分析,得出随着雾雨入渗过程中不同时步滑坡体渗流场的演变规律。
(4)采用以参数反演为主,同时参考土工试验成果、工程地质类比分析成果的模式来综合确定滑带土的强度参数。运用基于极限平衡原理,采用Morgenstern-Price法、Ordinary法、Bishop法和 Janbu法等方法,对争岗滑坡二个典型计算剖面在天然状态、饱水状态下稳定性进行分析。随着雨水的入渗,滑坡体内非饱和区含水量增大,滑动面上下滑力增加,压力水头升高,基质吸力减少甚至丧失(形成暂态饱和区),导致滑坡抗剪强度降低。以极限平衡分析方法为基础,引入考虑非饱和土抗剪强度理论,研究雾化降雨对滑坡稳定性的影响。考虑由SEEP/W计算出节点上的水头值,运用SLOPE/W计算稳定性时把不同时步的Seep pwp.gsz文件导入计算模型,便可得出不同雾雨入渗时间的滑坡稳定性。
综上所述,论文特色之处在于:(1)考虑到高坝泄洪雾化的雾雨强度和分布范围难以量化的问题,通过建立了泄洪雾化的模糊数学模型,通过对泄洪雾化过程的深入研究建立雾雨强度及分布范围和主要因素间的隶属关系,游模糊合成和综合评判来分析预报降雨强度和分布范围。(2)建立了基于饱和非饱和地下水渗流模型和基于极限平衡理论的滑坡堆积体的稳定性模型,并使者两个模型有效地耦合模拟计算,从过程的角度来分析雾雨入渗不同时步滑坡堆积体稳定性变化。