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库水作用下滑坡流固耦合作用及变形研究

汪斌  
【摘要】: 三峡库区是滑坡等地质灾害多发地带。自2003年135m蓄水伊始,到2006年156m蓄水位以来,绝大多数滑坡经受到了库水位作用的考验没有复活。但库水位波动对滑坡的稳定性和变形破坏失稳的影响机制仍为迫切需要解决的重要应用课题之一。论文选取三峡库区三大滑坡之一的巴东县黄土坡滑坡前缘临江崩滑堆积体及深部滑带土作为研究对象。在流变试验的基础上,对滑带土的流变特性和长期强度进行了研究,建立了应力—应变—时间三者关系的蠕变方程,为滑坡的建模和稳定数值计算奠定力学基础;另外,将前缘崩滑堆积体作为渗流场以及其与应力场耦合分析的工程实例,建立了三峡库区典型的地质—渗流场—应力场三位一体的耦合计算的概化模型,对不同工况下的滑坡的流固耦合作用进行了理论上和数值模拟分析。 总之,滑坡滑带土的流变性以及滑坡渗流场与应力场耦合作用的研究是当前岩土工程和工程地质界研究的热点。本文正是建立在这一内在因素和外在因素分析基础之上,进行了以下主要内容的研究: 1.滑坡区的工程地质特征是研究滑坡的形成、变形、破坏机制的基础,也是建立地质—渗流场—应力场三位一体的耦合计算的概化模型的基本前提。重点研究了黄土坡滑坡区的工程地质条件,以及前缘临江崩滑堆积体的空间组成结构、软弱层的物质成分及物理力学性质等。 2.三峡库区一些滑坡的变形与复活的控制因素在于滑带土的力学特性强度损伤积累和时间效应,这一内在的地质力学机理与外在的地面变形演化过程彼此呼应。因此,影响滑坡稳定性的一个重要因素在于滑动带土的长期蠕变效应。对滑坡滑带土的蠕变特性进行研究并建立适合该滑坡蠕变特性的应力、应变和时间三者关系的方程就显得十分必要。研究了黄土坡滑坡1#崩滑体TP3平硐处的深部滑带土的长期蠕变特性,建立适合该滑坡的蠕变特性的Buger's方程,并对参数进行了无约束非线性回归辨识。基于滑带土的常规试验和蠕变试验研究,得到了瞬时强度与残余强度破坏包络线,滑带土的峰值强度包线与长期强度包线。 3.推导了多孔介质饱和.非饱和、稳定-非稳定渗流问题的微分方程以及方程的有限元格式,用有限元分析程序对库水位变化下引起含泥化夹层(软弱带)的斜坡的饱和—非饱和渗流场进行了全面的分析,包括水位波动的动态自由面的变化特征和坡体内孔隙水压力(基质吸力)、体积含水量、稳定性系数等的变化规律,最后应用到黄土坡滑坡前缘的非饱和渗流场的研究中。主要成果有:①库水位上升或是下降,不同水力特征的层状岸坡内在开始前几个时步内总形成一个楔形的非饱和区(位于相对弱透水层与坡面相交部位)和两个渗流自由面。这与Rulon和Freeze(1985)用类似结构砂坡来研究降雨入渗时在坡体内形成的双自由面相似。②岩土体的饱和渗透系数、土水-特征函数以及坡体的结构特征等共同决定了水位升降过程中岸坡内孔隙水压力和浸润线的分布。模拟结果可作为对库岸尤其对于含弱透水层边坡的稳定性评价及岸坡的排水加固提供参考依据。 4.根据库水位波动对滑坡产生的力学作用,总结出库水位下降引起的三种类型孔隙水压力。据不同的水文地质条件,归纳并分析了地下水对斜坡稳定性影响的力学机制的三种模式:潜水含水层模式、纯承压含水层模式和承压水与潜水含水层的混合模式。阐述了非饱和土力学理论,将其应用于滑坡的稳定分析中。对传统极限平衡分析方法进行延拓,将考虑基质吸力对抗剪强度贡献的Morgenstern-Price条分法应用到岸坡的稳定性计算中。结果表明:在库水位下降过程中,稳定性系数总体变化趋势是先减然后递增,然后趋于达到一个稳定的常数;总存在一个最小的稳定性系数,它对应一个最危险水位,一般发生在库水位开始下降后10-15米左右。通过比较考虑基质吸力与不考虑基质吸力对滑动面的抗剪贡献所计算的稳定性系数,前者计算的稳定性系数稍大,一般要大0.5%左右。 5.阐述并严格地推导了Terzaghi准三维固结和Biot三维固结微分方程,并对其进行比较分析。对基于虚功原理的渗流场和应力场的微分方程进行空间域及时间域离散,充分考虑双场耦合作用,推导出以位移增量和孔隙水压力增量为方程域变量的饱和—非饱和岩土体耦合固结控制方程。 6.基于滑坡区的工程地质特征,考虑不同岩性物理特性及水力学参数在空间上的差异性,建立了三峡库区典型的地质—渗流场—应力场的耦合计算概化模型。通过对五种典型工况下的黄土坡滑坡1#崩滑堆积体的应力场与渗流场耦合的FEM模拟分析,得出以下几点结论:①蓄水前,仅在前缘浅层极小区域出现塑性区,说明总体上,浅层与深层滑坡均稳定。在库水位蓄水过程中,前缘的最大剪应力随库水位上升而变大,方向几乎与滑动面倾向一致,而且剪应力集中带有向浅层滑坡体后缘扩展的趋势。位移场及变形集中分布在高应变梯度带的滑动面上,且呈前缘位移大的牵引式变形,塑性区有沿浅层滑带向后缘扩展趋势。当库水位175m时,模拟成果表明,塑性区有向后缘纵深处发展贯通趋势,已对深部滑体的稳定性产生了影响;②由于耦合计算充分考虑了库水位作用下的应力边界和水头边界的变化,坡体内的渗透的体积力以及坡外的库水压力,在快速蓄水和泄水工程中,模拟结果表现出不同于单场计算的孔压场,具有明显的Cryer效应;③通过工况五的的数值模拟以及基于极限平衡法的稳定性计算,得出的滑坡的位移场、塑性区扩展趋势以及稳定性变化趋势。得出影响滑坡稳定性变化趋势的主要力学机制:库水位下降前期,作用在滑带上的有效应力的增加以及基质吸力对抗剪强度增加对滑坡稳定性的有利影响小于渗透力和超孔压力对滑坡的不利影响,而后期(本例中t≥6d)前者对滑坡稳定性的有利影响大于后者对滑坡的不利影响。这正是影响滑坡稳定性变化趋势的主要力学机制。


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