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《中国地质大学》 2012年 博士论文
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三峡库区侏罗系红层滑坡变形破坏机理与预测预报研究

缪海波  
【摘要】:三峡库区为我国地质灾害易发和高发区,各时代地层中均有发育,其中以侏罗系为甚。三峡库区侏罗系岩性为内陆湖相碎屑岩建造,外观颜色主要为紫红色、褐红色或棕红色,因此国内学术界称之为“红层”。据不完全统计,三峡库区二、三期治理和监测的崩塌滑坡灾害点中中,侏罗系红层崩塌滑坡点超过70%。随着三峡水库的正式蓄水运行以及库区人类工程活动范围和规模的进一步扩大,侏罗系红层库岸的变形与稳定性将直接制约到库区经济的可持续发展,影响和危害库区人民的生命财产安全,已成为三峡库区重大的环境地质问题之一。论文以三峡库区侏罗系红层滑坡为研究对象,在详细闸述其发育特征、库岸结构特征和变形特征的基础上,总结其破坏模式并建立滑坡活动性的运动学概化模型。利用大型环剪试验仪开展大剪切位移条件下侏罗系典型红层滑坡滑带土应力应变模式和残余强度特征研究,并根据所建立的运动学概化模型,从滑带土残余强度的恢复及速率效应、滑坡地下水位变动的影响两个方面揭示红层滑坡的变形破坏机理。以典型红层滑坡为工程实例,根据地下水位和地表位移监测资料建立响应地下水位变动的三峡库区侏罗系红层滑坡变形趋势预测模型。本研究直接关系到水库正常运行期库区滑坡治理工程措施与效果、库区人民的生命则产安全和水库的正常运营,对三峡库区侏罗系红层库岸的防灾减灾具有重要意义。综合论文的研究内容,取得了如下阶段性成果: (1)统计分析得出三峡库区侏罗系红层滑坡的发育特征及破坏模式。 三峡库区侏罗系红层滑坡主要为大型厚层滑坡,多发育于侏罗系中统上沙溪庙组(J2s)和侏罗系上统蓬莱镇组(J3P),从分布高程来看处于库水位变动及人类工程活动的影响范围内。该类滑坡主要分布在直线形岸坡内,其次多分布于凸形岸坡和阶梯形岸坡中,凹形岸坡在现阶段相对比较稳定,滑坡灾害较少。其中直线形岸坡坡度在10~20°(缓倾坡)时大型滑坡最为发育,且通常为厚层滑坡,当岸坡坡度在20~30。(中缓坡)时巨型巨厚层滑坡相对较为发育,而在近水平岸坡中(坡度10°)偶见大型厚层滑坡;非直线形岸坡在10~20°(缓倾坡)时巨型、大型滑坡最为发育,均可见厚层巨厚层滑坡,当岸坡坡度在20~30。(中缓坡)和30~40°(中陡坡)时,大型厚层滑坡较为发育,偶见巨型巨厚层滑坡和中型滑坡。 三峡库区侏罗系红层滑坡多发育于缓倾—中倾岩层的顺向坡和斜向坡中,在平缓(近水平)岩层中分布也较为广泛。相比而言,顺向坡中红层滑坡发育程度较斜向坡要高,但逆向坡中红层滑坡发育较少。根据岸坡地层岩性组合特征,三峡库区侏罗系红层滑坡的岸坡类型可分为3个大类,每一类对应一种破坏模式,分别为:受软弱层面控制的层状岸坡(Ⅰ类)、受软弱基座控制的层状岸坡(Ⅱ类)、受层面与结构面控制的层状岸坡(Ⅲ类)。其中第Ⅰ类岸坡根据滑床岩层倾角、岩层倾向与岸坡坡向夹角的组合关系进一步划分为5个亚类。 (2)统计分析得出三峡库区侏罗系红层滑坡的活动性特征,并建立描述其破坏前变形阶段的概化运动学模型。 到目前为止,大多数侏罗系红层滑坡处于稳定状态中(或处于蠕变阶段,或处于缓慢变形阶段),少数进入变形阶段。对处于稳定状态中的滑坡,其累积位移曲线特征表现为“随机振荡型”和“趋势振荡型”,而对于进入变形阶段的滑坡则表现出具有周期性的“阶梯型”。其位移速率表现出周期性的加速和减速过程。这种特征与滑坡所处的外界环境即库水位变动和降雨密切关联,但有时表现出位移的陡增或变形的加速滞后于降雨或库水位变动。 三峡库区侏罗系红层滑坡在破坏之前的勺变形过程可分为两个阶段,即运动阶段和静止阶段。在运动阶段,滑带土处于不同速率的剪切过程;在静止阶段,滑带土则处于不同时长的固结过程。滑坡周期性的由静止阶段向运动阶段的激活则是由于地下水位变动时滑带士孔隙水压力周期性变化引起的有效应力改变而引起的。 (3)从滑带土残余抗剪强度特征揭示三峡库区侏罗系红层滑坡由变形到静止的机理。 在不同剪切速率下,滑带土残余抗剪强度表现出“正速率效应”和“负速率效应”。对于粘粒含量较高的滑带土,随剪切速率的增加其残余抗剪强度逐渐增加,即“止速率效应”反之,粘粒含量很低的滑带土随剪切速率的增加,残余抗剪强度逐渐降低,即“负速率效应”。对于三峡库区侏罗系红层滑坡的控制性滑带—泥化夹层,其残余抗剪强度的“正速率”作用过程为:滑坡激发复活后在初始加速度的作用下变形速率逐渐增大,由于残余抗剪强度的“止速率效应”使得残余强度增大,从而导致加速度的降低直至出现负加速度,变形速率逐渐减小至0,此后滑坡进入静止状态。该过程揭示了三峡库区侏罗系红层滑坡变形过程中位移速率波动的运动学机理。 粘粒含量较高的滑带土在较短的固结时间内具有小幅度的残余强度恢复,而粘粒含量很低的滑带土残余强度无明显恢复特征。根据三峡库区侏罗系红层滑坡的累积位移时间曲线特征,当滑坡变形速率逐渐减小至0后,滑带土残余抗剪强度在较短时间内能够具有小幅度的恢复,保证了滑坡在下一次激发复活前能够处于变形静止状态。 三峡库区侏罗系红层滑坡在破坏前阶段滑带土内剪切带已经形成,滑带土仅以剪切带的残余抗剪强度抵抗下滑剪切力的作用。通常情况下,滑带土中形成的剪切带很薄(约1cm厚),滑动痕迹平行于滑动方向。 (4)从滑坡体地下水位变动角度揭示了三峡库区侏罗系红层滑坡由静止到变形复活的机理。 无限斜坡模型的力学解析表明,剪切带抗剪强度与地下水位高度呈负线性关系,稳定性系数与地下水位高度呈负相关,运动速率与地下水位高度呈正相关。此外,在地下水位高度相同时,滑坡非饱和区的含水量(或饱和度)越大,剪切带抗剪强度和稳定性系数越低,而运动速率越大。 数值模拟分析表明,万州区花园养鸡场滑坡2009年全年间地下水位的变动与降雨具有很好的对应关系,库水位变动的影响范围有限,对滑坡中后缘地下水位和渗流场无明显影响。滑坡岩土体孔隙水压力的改变与地下水位变动相一致,且相对于滑带土来说,滑坡体中孔隙水压力对地下水位变动更为敏感。滑坡整体稳定性与降雨过程基本同步,降雨量越大,稳定性系数越小。 室内环剪试验结果表明,滑坡地下水位周期性的变动是导致三峡库区侏罗系红层滑坡周期性复活的触发因素。在滑坡变形速率逐渐减小至0后,滑带土在短期固结过程中残余抗剪强度有一定程度的恢复。此后,在滑坡地下水位变动的情况下,滑坡体和滑带土的孔隙水压力均有变化,当有效应力减小到使的滑带土抗剪强度小于剪切下滑力时,滑坡再次发生变形,如此反复直至失稳破坏。由于库水位变动或降雨导致的水头变化需要一定的时间才能作用到滑动面附近,因此三峡库区侏罗系红层滑坡某些部位的变形速率滞后于库水位的变动或降雨。滑坡体孔隙水在水头差作用下形成渗透压力,在增大剪切下滑力的同时减小滑带土的有效应力,此为库水位快速下降期间库岸滑坡发生较大变形的重要原因。 (5)建立了响应地下水位变动的三峡库区侏罗系红层滑坡变形趋势预测模型,解决了以往预测模型中不能充分考虑诱发因素滞后效应的问题。 滑坡体上各监测点的累积位移可视为一组非平稳时间序列,用时间序列分析方法在数学上对滑坡累积位移进行动态数据的处理,具有科学性。将滑坡累积位移时间序列分解为趋势项、周期项和一维平稳时间序列,充分反映了滑坡变形对外界诱发因素的动态响应,具有合理性。在周期项提取时,通过建立滑坡地下水位与滑坡累积位移序列中周期项成分的对应关系,充分考虑了滑坡变形对降雨及库水位动态响应滞后性,所建模型具有一定的优越性。


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