泄洪雾化影响下岩质边坡稳定性分析与预测

【摘要】： 岩体边坡工程的稳定是水利主体工程安全的根本保障,因此研究泄洪雾化对裂隙岩体边坡稳定的影响具有一定的现实意义。本文以消能雾化区边坡和边坡防护结构为研究对象,以泄洪产生的雾化雨和高强水压为研究影响因素,对雾化扩散范围、雾化雨入渗条件下的边坡饱和-非饱和渗流场、边坡稳定、脉动水压下的防护结构的稳定、边坡失稳预测等一系列问题进行了研究。 挑流是水利工程中的主要消能方式。在考虑地形的条件下,研究了挑流水舌撞击尾水时水滴随机喷溅特性,建立了水滴随机碰溅的数学模型,提出了地面降雨强度的求解方法。研究了水雾扩散的微分方程,并对于二维恒定雾流扩散方程,得到水雾浓度和降雨强度的表达式。最后,应用挑流泄洪雾化的数学模型,对拉西瓦水电站泄洪雾化进行了预测计算,分别得到其暴雨区和毛毛雨区的范围。雾化雨是泄水建筑物泄洪时伴随的一种物理现象,它具有强度大,时间集中等特点。针对裂隙岩体边坡,把裂隙岩体等效成连续介质,在非饱和渗流理论的基础上,建立了雾化雨作用下裂隙岩体饱和-非饱和渗流有限元数学模型。与以往计算模型不同,该模型通过水流通量绝对值为最大的方法进行入渗边界处理。编制了三维裂隙岩体饱和-非饱和渗流计算程序UNSAT。雾化雨入渗算例分析表明,在雾化强降雨区,孔隙水压力升高较快,易产生对边坡稳定不利的暂态附加水荷载和暂态饱和区。 以极限平衡方法为基础,引入非饱和土的抗剪强度理论,利用有限单元法研究了雾化降雨对岩体边坡稳定性的影响。在圆弧滑动面和折线形滑动面的形式下,通过理论推导,建立了边坡稳定安全系数与渗透力间的关系式。研究中综合运用了非饱和土抗剪强度理论和非饱和渗流场的模拟结果,且稳定计算直接利用渗流分析的有限元网格,提高了渗流作用下的计算精度。实例分析表明,随着雾化雨水入渗时间的增长,边坡稳定安全系数在逐渐减小。 水垫塘边坡防护结构虽然不直接承受泄洪水流的冲击,但塘内水流的剧烈紊动会形成防护板块下的脉动水压。另外,防护结构的大倾角也是影响其稳定的不利因素。结合边坡防护结构破坏的关键因素和动态水荷载的作用特性,建立了防护结构-锚杆-基岩和水荷载耦合作用的二维弹塑性力学模型,用于分析边坡防护结构的稳定性。在二维弹塑性模型中,利用了一种2节点锚杆单元,这种单元既能体现弹性模量的加固作用,又能反映出剪切模量的稳固效果,从而克服了常用杆单元的弊病。应用上述模型,对黄河拉西瓦工程水垫塘边坡防护结构进行了