基于离心模型试验的典型库岸滑坡演化阶段综合判识研究

发布时间：2020-09-17 20:37

　　我国幅员辽阔,其中高原和山地超过了总国土面积的三分之二,地质灾害频发,因此,我国是世界上受地质灾害影响最为严重的国家之一。我国的地质灾害具有突发性强、种类繁多、成因机制复杂、影响程度深、破坏力极大等特点,因此,地质灾害给我国人民的生命和财产安全造成了巨大的损失。21世纪以来,地质灾害共造成了我国万余人的死亡或失踪,直接经济损失超过了700亿元。上述地质灾害主要包括了滑坡、崩塌、泥石流、地面塌陷、地面沉降和地裂缝等。其中,滑坡是危害最大、数量最多的一类,超过地质灾害总数的70%。位于长江流域中上游的三峡库区,自2003年蓄水以来,库岸长期遭受库水位的周期性波动。堆积体滑坡具有爆发频率高、突发性强、危害巨大、分布范围广等特点。三峡水库作为世界上最大的水力发电枢纽,其政治、经济和社会地位重大,因此,研究三峡库区堆积体滑坡的演化阶段判识具有重要意义。本论文以三峡库区云阳县凉水井滑坡为研究对象,在实地调查取样的基础上,首先建立了该滑坡前缘1:80物理简化模型,开展了库水位升降联合降雨的离心模型试验,获取了实验过程中的激光位移、孔隙水压力、土压力等关键监测数据,对该滑坡模型的破坏过程与演化模式进行了探讨;其次,基于离心模型试验,开展了有限元数值模拟研究,分别从渗流场、位移场、以及稳定性的角度对模拟结果进行了分析,并与离心模型试验进行了对比验证;再次,基于离心模型试验与数值模拟结果,分别开展了位移数据的分形参数Hurst指数R/S分析、位移矢量角分析、位移多重分形维数分析、能量耗散分析、可靠度分析等,从而提出了基于位移矢量角-位移多重分形维数的滑坡演化阶段判据、滑坡滑动系数-能量概率熵变化率判据、可靠性指标变化率判据,并建立了基于反距离加权期望的多判据综合判识模型;最后,以凉水井滑坡为例,全面介绍了滑坡的基本特征,详细分析了凉水井滑坡的监测数据及成因机制,并对该滑坡的演化模式进行了归纳与总结,随后引入了极端降雨重现期算法,开展了凉水井滑坡6种极端工况下的数值模拟,从渗流场、位移场、以及稳定性三方面对数值模拟结果进行了深入分析,基于论文提出的三种判据,得到了三种演化阶段划分,结合论文提出的反距离加权期望,对凉水井滑坡极端工况下演化阶段进行了多判据综合判识研究。全文主要得到以下研究结论:(1)开展了离心模型试验研究:1)孔压监测数据、激光位移监测数据、以及土压力监测数据显示,本次实验过程中发生了多次变形过程。其中降雨过程中,滑坡模型中部平台出现了滑移迹象,水位下降过程中模型呈现出了整体滑移的迹象。2)试验结束后的含水率测定结果显示,模型含水率较高的位置主要集中在模型前缘坡脚处与中部平台处。在滑坡模型的中前部,含水率等值线基本沿平行于坡面线向内部延伸,且含水率随深度逐渐减小。3)实验结束后,滑坡出现了多条横向裂缝,裂缝宽度多集中在1-5mm。其中,后缘第3条裂缝处可见明显的垮塌迹象。模型的中前部共出现了5条横向裂缝。其中,前3条主要是由于牵引破坏产生的,是由库水升降引起的。而后2条则是由于推移破坏产生的,是由于降雨因素导致的。4)针对本次离心模型试验中裂缝的发育过程,本论文将其划分为四个过程,第一阶段是微裂缝出现阶段;第二阶段是裂缝发育阶段;第三阶段是多级滑动阶段;第四阶段为整体滑移阶段。5)在水位上升过程中,前缘在水位作用的影响下,首先出现牵引式破坏模式。随后,在降雨作用的影响下,模型中部平台出现变形滑移,造成中后部出现推移式破坏模式。最后,在水位下降过程中,两种模式的变形区逐渐合并,最终呈现出典型的复合式破坏模式。(2)开展了离心模型试验有限元数值模拟。对整个试验过程进行了数值模拟分析,主要获得试验过程中渗流场、位移场以及稳定性方面的变化规律,主要结论如下:1)数值模拟结果与离心试验结果的不同之处体现在:渗流场上,由于渗流场的模拟没有考虑坡体变形破坏,导致局部孔隙水压力值比试验监测值偏小,这也是试验结束后含水率分布存在明显差异的一个原因,此外,含水率分布存在差异的另外一个原因没有考虑雨水顺着坡面向下流的实际情况;位移场上,数值模拟得到的位移场只能表示位移变化趋势和发展过程,数值绝对大小不能反映实际值。2)无降雨情况下,库水位下降对滑坡的变形影响范围有限,主要引发前缘涉水部位的大变形,对平台以及平台后方几乎影响甚微,而降雨过后再进行库水位下降,更容易受到前缘变形的影响而发生牵引渐进式破坏。库水位下降之前的降雨会加剧库水位下降对库岸滑坡的破坏。3)稳定性分析表明,水位上升期间,滑坡稳定性增大;降雨使滑坡稳定性突然降低,但随着雨水入渗,稳定性又有所恢复,水位下降不利于坡体稳定。4)滑坡模型的变形破坏过程可归纳为:坡脚处的土体在水的浸泡下,抗剪强度降低率先出现变形,降雨使得滑坡表层孔隙水压力急剧升高,直接引起表层土体的大幅变形,随着雨水的入渗,变形逐渐向下蔓延,水位下降使得前缘变形区向上扩展,并与中后部的变形连接起来,最终呈现整体性的破坏。(3)开展了离心模型试验演化阶段判识研究。分别开展了位移数据的分形参数Hurst指数R/S分析、位移矢量角分析、位移多重分形维数分析、能量耗散分析、可靠度分析等,从而提出了基于位移矢量角-位移多重分形维数的滑坡演化阶段判据、滑坡滑动系数-能量概率熵变化率判据、可靠性指标变化率判据,并建立了基于反距离加权期望的多判据综合判识模型。主要结论如下:1)综合位移矢量角与位移多重分形维数计算结果,本文建立了滑坡位移矢量角-位移多重分形维数联合判据,将滑坡模型的演化划分为四个阶段:初始蠕变阶段;等速变形阶段;加速变形阶段;整体滑移阶段。2)基于条分法,从滑坡能量转化与耗散的角度出发,定义了滑坡滑动系数δ,基于虚位移原理,分别推导了有无地下水位线的滑动系数解析式;基于数值模拟数据,开展了滑坡系统能量耗散研究,得到了滑坡系统的能量概率熵变化率,建立了滑坡的滑动系数-能量概率熵变化率判据。3)结合国内外学者目前的研究成果,本文将工程地质领域中滑坡分析的不确定因素划分为地质不确定性、模型不确定性、以及岩土参数的不确定性;开展了考虑不确定性因素的滑坡模型可靠度分析,建立了滑坡的可靠性指标变化率判据。4)通过反距离加权的方法求解三种判据的权重,之后分别求取各区间的数学期望,最后实现三判据联合判识。(4)开展了凉水井滑坡的实例研究。以凉水井滑坡为例,全面介绍了滑坡的基本特征,详细分析了凉水井滑坡的监测数据及成因机制,并对该滑坡的演化模式进行了归纳与总结,开展了凉水井滑坡的数值模拟,并开展了凉水井滑坡演化阶段判识研究。主要结论如下:1)凉水井滑坡主要受降雨与库水位升降联合作用的影响。2)数值模拟研究表明,无降雨条件下,凉水井滑坡主要受库水位降速的影响,变形破坏由前缘开始,呈现出较为明显的牵引式滑坡;降雨条件下,滑坡体前缘仍主要受库水位波动的影响,而后缘则受到降雨入渗的影响,随降雨量的增大,后缘变形区域与变形量同时增大,且最终呈现出复合型滑坡的演化模式。3)基于论文提出的反距离加权期望的多判据综合判识模型,对6种工况下凉水井滑坡演化阶段进行了综合判识,确定6种工况下凉水井滑坡进入整体滑移阶段的时刻分别为105天、95天、93天、88天、86天、85天。4)随着库水位降速的增加与降雨重现期的增大,整体滑移阶段开始时刻明显提前。因此,在进行滑坡预报预警时,应严格监控库水位降速与降雨量,建议将滑坡进入整体滑移阶段作为预报预警时刻。
【学位单位】：中国地质大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TV697;P642.22
【部分图文】：

原理图,土工离心机,长江科学院,离心机

图 2.1 长江科学院 CKY-200 土工离心机场原理图如图 2.2 所示。设离心机的有效半径为 r，当离心机转则重力与离心力的合加速度为:2 2 2a = ωr +g机的角速度ω远远大于重力加速度时，则可以忽略掉重力加速a =ωr。

示意图,离心力场,示意图,离心机

离心模型试验,击实试验

图 2.3 离心模型试验用土击实试验结果强度参数试验结果可知，离心模型试验用土的最优含水率为 14%。因度测定时，配置土样的含水率采用 14%。试验方法采用不，分别对击实度为 85%、90%、95%进行试验，测定其抗剪图 2.4 所示。法向应力分别设置为 50kPa、100kPa、150kP置为 0.02mm/min。试样剪切前后如图 2.4 所示。试验测试结

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