动水作用下黄土坡滑坡滑带劣化过程及动态稳定性评价研究

来源 :中国地质大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:lixingand
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我国地质条件复杂、地形地貌多样、地质改造作用强烈,是世界上滑坡地质灾害最严重的国家之一。据统计,近20年来全国已查明滑坡地质灾害28万余起,严重威胁人民生命财产安全和社会经济可持续发展。尤其在大型水利水电开发工程中,滑坡是一个十分普遍而又棘手的地质灾害问题。滑坡的垮塌会引发一系列灾难性后果,严重威胁大坝及周围人民的生命财产安全。因此,世界各国在水电站建设中,滑坡地质灾害都是一项重要的研究内容。黄土坡滑坡是三峡库区规模最大、危害性最严重的滑坡之一。由于其重要的地理位置和社会影响,关于其成因机制和稳定性的研究自20世纪80年代持续至今。尽管自2008年起巴东县城已由黄土坡搬迁至西瀼坡,但黄土坡滑坡对三峡库区的威胁依然存在。在库区库水位周期性升降的作用下,滑坡地质体必然随之发生结构改变和强度劣化,最终可能发生灾难性失稳破坏。本论文以黄土坡滑坡为研究对象,通过收集整理勘查资料、分析变形监测数据以及实地考察调研基本理清了黄土坡滑坡的环境地质背景、工程地质条件和稳定性现状。滑带作为滑坡的关键地质结构单元,对滑坡稳定性具有控制作用。在实地调研和现场取样的基础上开展了滑带成分与结构特征分析,并且基于滑带多尺度结构特征和构造地质背景,推演了黄土坡滑坡滑带的形成演化过程。重点以CT扫描和三轴剪切试验为基础研究了动水作用下滑带多尺度结构演变与强度劣化规律,分析了滑带强度劣化机理,建立了包含水力梯度和渗流时长的滑带强度劣化数学模型。此外,通过物理模型试验,研究了库水升降作用下堆积层滑坡变形演化规律与力学响应机制,提出了基于土压力值非稳定变化的滑坡临滑判据。最后,将以黄土坡临江1号滑坡为应用对象,通过数值模拟工具分析了滑坡在库水位升降作用下的动态稳定性变化规律。现将本文的主要研究成果总结如下:(1)总结分析了黄土坡滑坡的地质环境背景、工程地质条件及稳定性现状。三峡库区及邻近区域的新构造运动总体表现为阶段性隆升,局部存在差异性升降,在地壳上升与下降区交汇带有利于断裂滑动的发育,巴东断裂即位于这样的部位;黄土坡滑坡位于官渡口复向斜南翼,发育一系列次级小褶皱,河谷下切形成了多级阶地,为滑坡的形成提供了条件;黄土坡滑坡由四个子滑坡组成,总面积为135×10~4m~2,体积方量为6934×10~4m~3,根据地形特征和叠覆关系认为子滑坡的先后发育顺序为临江1号滑坡、临江2号滑坡、变电站滑坡和园艺场滑坡;根据介质类型、水动力条件和补径排特征,可将黄土坡及其邻近地区地下水分为碳酸盐岩岩溶水、碳酸盐夹碎屑岩裂隙岩溶水、碎屑岩裂隙水和松散堆积层孔隙水四类;其中,岩溶水为重碳酸氢钙型,矿化度0.152~0.189 g/L;滑坡内布设了大量野外监测设备,包括地表GPS位移监测、钻孔测斜监测、地下水水位监测和裂缝监测等,监测结果表明黄土坡滑坡处于蠕滑状态。(2)测试分析了滑带土的矿物成分、颗粒级配和粗颗粒几何形态,基于滑带多尺度剪切构造特征,推演了滑带的形成与演变过程。矿物成分测定结果表明滑带土以石英、长石、方解石和黏土矿物为主,其中黏土矿物成分含量在30%~50%之间,不同取样部位滑带土的矿物成分含量差异较大,具有强烈的空间变异性;在颗粒级配特征方面发现滑带土属于级配良好土,不均匀系数Cu约为1000,颗粒质量与粒径存在分形特征,但对于粒径小于0.25 mm的颗粒将不再遵循该分形特征;在滑带土粗颗粒形态表征上,提出了一种基于摄影测量的颗粒形态测量方法,利用傅里叶级数法分析了粗颗粒的形态特征,发现颗粒在形状、磨圆度和粗糙度三个维度上分别属于球状、次磨圆和较粗糙级别;从不同尺度上分析了滑带的结构特征,宏观上滑带表现为厚薄不均、波动起伏、具备典型的韧性剪切特征,微观上黏土矿物颗粒呈片状平行排列,发育大量擦痕及微小孔洞。基于以上观察结合黄土坡滑坡地质历史背景提出了滑带的四阶段演化模式,包括褶皱变形、倾倒破坏、深层蠕变和后期改造。(3)通过试验揭示了渗流作用下滑带孔隙微细观结构演变机理。研制了渗流试验装置,结合工业CT扫描仪,实现了滑带土在渗流作用下孔隙细观结构的动态观察。制备了四个滑带土试样,分别设定在0 k Pa、10 k Pa、50 k Pa和100k Pa的渗透压力下连续进行12个渗流周期循环,获得了渗透系数随时间的变化规律,期间采用CT扫描仪获取了不同渗流状态下滑带孔隙结构特征。结果表明,滑带土的渗透系数随渗流循环次数的增加呈指数降低,且渗透压力越大,试样的渗透系数越小;受制样方法的影响,滑带土原始状态下的孔隙分布具有不均匀性,经过长期渗流作用后滑带土不同层位的孔隙分布趋于均匀。与渗透系数的变化规律相似,试样的整体表观孔隙率随渗流循环次数的增加呈指数降低;滑带中不同尺寸孔隙数量随渗流循环次数的增加出现分异,等效球径小于80μm的孔隙数量占比增加,而等效球径大于80μm的孔隙数量占比减少;渗流作用对孔隙的长宽比和二维形状因子无显著影响。压汞法测试结果表明,随渗透压力的增加,直径小于1.05μm的孔隙占比增加,而大于1.05μm的孔隙占比减少。直径在1.05μm~24.1μm的孔隙分布随渗透压力变化具有分形特征。综上,渗流作用对滑带土孔隙微细观结构的影响主要表现为渗透系数降低和表观孔隙率下降。通过CT图像和SEM扫描结果可知在渗流过程中细小颗粒的迁移阻塞了颗粒集合体之间的宏观孔隙,导致滑带表观孔隙率下降。由于滑带土为级配良好土,因此细颗粒只能在较小范围内迁移,而无法从较大土颗粒组成的骨架中逃逸。此外,渗流作用会对颗粒之间的胶结具有溶蚀作用,导致部分颗粒团聚体被破坏,形成更为离散的颗粒结构,孔隙的有效连通性被进一步削弱。(4)通过三轴固结不排水试验揭示了渗流作用对滑带土强度的劣化规律。研制了适用于标准三轴试样(39.1 mm×80 mm)的滑带土渗透试验装置,用于模拟上覆荷载作用下渗流对滑带产生结构损伤的过程,然后采用常规三轴剪切试验测定了试样的抗剪强度。共设置了8组滑带土试样,研究了经历不同渗流条件作用的滑带土强度劣化规律。结果表明,渗流对滑带土的剪切强度具有劣化作用,随渗流循环次数的增加滑带土有效黏聚力呈指数形式下降,有效内摩擦角呈线性形式下降;随渗透压力的增加有效黏聚力变化规律不显著,而有效内摩擦角呈线性降低。此外,渗流作用对滑带土的初始弹性模量具有弱化作用。结合滑带土在渗流作用下孔隙的微细观结构变化特征及双电层理论分析了滑带土强度劣化机理,建立了包含水力梯度和渗流循环次数的滑带强度劣化数学模型。(5)通过物理模型试验研究了动水作用下滑坡的力学响应机制。设计了三种试验工况,工况1和工况2探究了滑坡渗透系数与滑坡响应之间的关系,工况3着重分析库水作用下滑坡的变形破坏过程。试验结果表明,库水升降过程中将滑带中部分细颗粒物质被带走,空间上表现为越靠近滑坡前缘,滑带劣化作用越显著。工况1和工况2条件下,滑带层内的土压力值随库水的上升而降低,滑坡的启动均发生在高水位阶段,说明在该工况下浮托减重效应是滑坡启动的主控因素;而对于工况3来说,滑坡的整体滑移与局部破坏均发生在库水位下降阶段,说明该工况下渗透力驱动是触发滑坡失稳滑移的关键因素;以条分法为基础,建立了简化的滑坡受力模型,结合监测数据分析了动水作用下库岸滑坡的力学响应机制;在临滑判据研究上,发现土压力传感器在滑坡临滑前存在较为活跃的变动(或大或小),且往往先于位移监测结果的变化,因此提出了以土压力变化为基础的滑坡临滑判据。(6)以黄土坡临江1号滑坡为工程实例,通过数值试验研究了周期性库水波动条件下滑坡的变形响应和动态稳定性变化规律。采用Geo Studio软件为计算平台,建立了临江1号滑坡的数值模型,分析了库水波动条件下滑坡渗流场的变化规律。结合内容(3)和内容(4),构建了库水波动条件下滑带的强度劣化模型。采用流固耦合的方法,分析了滑坡在库水作用下的变形响应和稳定性系数变化规律。结果表明:1.地下水的变化相对库水位的波动存在显著的滞后性,库水位上升期间,地下水浸润线呈凹线型,库水位下降期间,地下水位线转为上凸型,浸润线的波动区域在坡体内呈细长的三角形;2.库水位的波动会影响坡体内地下水的渗流方向,但影响范围仅在靠近坡体前缘约300米距离范围内,在库水位上升期间,地下水渗流方向由坡外指向坡内,在库水位下降期间,地下水渗流方向由坡内指向坡外;3.在浮托减重作用和动水压力效应的联合作用下滑坡体发生变形,库水上升期间滑坡体向坡内发生变形,而在库水位下降期间变形指向坡外,变形最大区域集中于浅层滑体;4.滑坡动态稳定性分析结构表明,滑坡的稳定性系数随库水位的波动而出现显著的变化,在库水位上升至最大设定水位时滑坡稳定性系数最大,而在库水位下降至临界低水位线时,稳定性系数最小,之后转而增大,滑坡最危险的时刻在库水位下降阶段,这与滑坡位移监测结果也是吻合的,说明黄土坡滑坡的诱发机制属于动水压力型;5.结合滑带强度时空演变模型,分析了滑坡在12个水文年内的动态稳定性变化规律,发现临江1号滑坡稳定性变化呈缓慢降低趋势,浅层滑坡会首先达到破坏状态。
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