考虑渗流作用的金乐滑坡稳定性研究

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三峡水库蓄水运行后,库水位从145m 上升至175m,将导致一部分滑坡部分或全部被水淹没,库水位下降产生的渗流作用对滑坡稳定性的影响是三峡水库运营面临的一个新的重要课题。滑坡渗流和稳定性评价既是一个复杂的理论课题,也是一个重大的工程应用课题。水位的周期性涨落将使库岸地区的自然条件发生显著的变化。一方面水库水位的升高造成河流局部侵蚀基准面和地下水位的抬高,使原来处于干燥状态的岸边岩土体遭受库水的浸润,更重要的是,库水位每年在145~175m之间周期性波动必将引起地下水位的长期周期性波动,在波浪冲刷和地下水动水压力作用下,库区内崩、滑体的稳定性将会受到严重影响。 在库水位升降条件下,如果同时发生降雨,降雨的入渗将改变滑坡地下水的补给条件,使滑坡内部保持较高的孔隙水压力,对滑坡稳定极为不利。因此有必要考虑库水位变动的同时发生降雨这种最极端的情况组合,研究降雨与库水下降联合作用下滑坡渗流场的变化特征以及最不利组合条件下的滑坡稳定性。 金乐滑坡是湖北省兴山县境内的一个特大型滑坡,也是三峡库区三期地质灾害防治工程应急抢险实施项目之一。对紧急抢险滑坡治理工程进行安全稳定性分析所运用的方法主要为极限平衡法,其中又以剩余推力法运用最为广泛。但是在运用剩余推力法进行稳定性计算时,常常不能有效的考虑库水位涨落条件下岩土体内的浸润线位置改变和由于库水入渗所产生的渗透力作用,这就造成了稳定性计算的不准确性。因此研究库水位涨落条件下滑坡地下水上升或下降的规律,并在考虑渗透力作用下研究滑坡的稳定性具有很重要的理论意义和现实意义。同时在库水位升降条件下,如果同时发生降雨,降雨的入渗将改变滑坡地下水的补给条件,使滑坡内部保持较高的孔隙水压力,对滑坡稳定极为不利。因此有必要考虑库水位变动的同时发生降雨这种最极端的情况组合,研究降雨与库水下降联合作用下滑坡渗流场的变化特征以及该最不利组合条件下的滑坡稳定性。本文主要研究内容有: 1.在湖北省鄂西地质工程勘查院所完成的勘查工作的基础上,研究了金乐滑坡地质灾害体基本特征,阐述了地层岩性、构造、水文地质条件等对滑坡发育、分布的控制作用。根据工作区滑坡的分布、规模、形态特征、边界条件,滑体物质组成、滑带特征及埋深、近期变形迹象,分析了滑坡可能失稳模式。 2.研究了影响金乐滑坡稳定性的地质因素与非地质因素,重点研究了非地质因素特别是库水位的周期性变化以及暴雨作用对滑坡稳定性的影响机理和模式。 3.研究了涉水型滑坡稳定性评价时的几个关键问题。讨论了饱和非饱和渗流作用下滑坡稳定性评价时考虑地下水影响的方法,库水位变化条件下的浸润线位置确定方法及原理,并利用非饱和土抗剪强度理论,指出了非饱和渗流作用下滑坡稳定性分析方法。 4.在已收集水文、环境、工程地质资料的基础上,运用综合手段确定了滑坡的地下水相关水文地质参数,建立了滑坡地质力学模型,选取了合理的渗流场,找出了降雨以及库水实际运行条件下的滑坡渗流场变化规律,并在非饱和土抗剪强度理论的基础上,得出了考虑渗流作用下的金乐滑坡稳定性变化规律。 5.通过对滑坡裂隙特征的研究,建立基岩滑坡渗流三类模型:离散网络模型、等效连续介质模型、双重介质模型。并讨论了三类模型的适应性。对于裂隙密度大、滑体面积较大时,建立等效连续介质渗流模型。通过 Monte—Carlo 方法求滑坡裂隙网络的渗透张量,利用有限元求解渗流方程。并以裂隙渗流理论和变形本构关系为基础,对渗流场与应力场进行耦合分析。 6.系统地将离散数学图论用于滑坡裂隙岩体的网络连通性研究,并用数值矩阵将其形象地表示出来,使裂隙系统的定性描述和几何图形表示上升到数学表示。在Wittke离散模型的基础上,以单一裂隙立方定律为基础,建立节点流量守恒、回路压力守恒方程、条形基元水压差方程联立求解。在滑体裂隙几何特征已查明、裂隙较稀疏、滑坡面积不大的情况下,建立此模型能有效地反映滑体的渗流特性,为滑坡渗流研究提供了新的方法。 当研究区较大且裂隙较密集时,为整个渗流区内每条裂隙所建立的模型在计算机上就难以实现,这种情况就需划分出主干裂隙网络,细小裂隙采用渗透张量法表示,建立主干裂隙网络渗流方程与块体有限元渗流方程的耦合模型,仍会得到满意的结果。而且对于区域不大或裂隙稀疏的实际课题,直接应用本文模型将会得到理想的结果。 7.对于岩体孔隙发育的情况,将裂隙作为孔隙岩块的一类边界,并通过隙壁进行水量交换。建立非连续介质裂隙网络模型(离散介质模型)和岩块孔隙渗流模型。所建立的双重介质水流耦合离散模型,不仅能综合地描述两类空隙系统的空间结构特征,还能真实反映出裂隙系统渗透空间的各向异性、非均匀性和非连通性以及两类系统间的水量交替特征。该模型既利于理论研究、又不失真,而且利于实际运用。
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