三峡库区黄土坡滑坡滑带特性及变形演化研究

发布时间：2018-03-05 15:47

本文选题：黄土坡滑坡　切入点：空间结构　出处：《中国地质大学》2017年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：三峡库区地质条件复杂,滑坡分布广泛,滑坡成因机制和演化规律研究是减灾防灾的重大需求。黄土坡滑坡在三峡库区具有典型性,展开黄土坡滑坡变形演化研究对探索水库滑坡具有重要学术意义。自1979年葛洲坝水利工程建设将黄土坡作为巴东县移民新址以来,不同单位、不同部门的众多专家学者对黄土坡滑坡展开了系列勘察研究工作,但有关滑坡的一系列基本问题尚未完全解决。作为大型复合古滑坡,黄土坡滑坡物质组成、空间结构的认识尚不够清晰,滑坡的空间结构模型仍无定论,滑带空间展布规律以推测为主。特别是,滑坡基本特征研究不够系统,还不能基于滑坡演化过程揭示滑坡时空演化规律。本文针对黄土坡滑坡,依托国家重点基础研究发展计划项目“重大工程灾变滑坡演化与控制的基础研究”第六子课题“重大工程灾变滑坡演化过程控制理论”以及国家自然科学基金重点项目“水库滑坡演化进程多维诊断与稳定性研究”进行选题,依托黄土坡滑坡野外综合试验场,对黄土坡滑坡中的具有控制作用的重要次级滑坡临江1号滑坡进行全面系统研究。在综合地质资料基础上,采取地质信息与监测信息结合的方法对黄土坡滑坡空间形态结构特征展开系统研究,从空间覆盖顺序、物质组成以及深部结构特征三方面建立黄土坡滑坡空间结构模型。利用大型野外综合试验场进行系统滑带土取样,从微观到宏观、从局部到空间对临江1号滑坡滑带进行综合研究。结合变形监测资料、地下水资料、降雨资料、库水位资料从黄土坡地质环境、滑坡形成时代、形成主控条件以及影响因素等方面着手,分析滑坡变形演化机制。结合浅部地表变形监测和深部钻孔测斜监测,揭示黄土坡滑坡的变形演化规律。利用数值模拟和现场监测相结合的方法研究黄土坡滑坡在库水位和降雨联合作用下的变形演化。取得成果对于指导三峡库区水库滑坡的治理工作提供了现实依据并具有理论价值。本文围绕三峡库区黄土坡滑坡滑带特性及变形演化研究的主要内容和取得成果具体如下所述:(1)基于自然历史分析法开展了黄土坡滑坡区域地质环境研究。长江三峡跨越我国两大自然地理单元,为中低山和峡谷为主的侵蚀地貌,总体地势东西低南北高中部低。长江三峡地区地层从老到新出露齐全,地层分布具有以黄陵背斜核部的结晶岩为中界分别向东和向西逐渐变新的规律。在构造历史上长江三峡地区经历过晋宁运动、燕山运动和西山运动三次较为强烈的构造运动,形成了一系列的褶皱构造和断裂构造。新构造运动活动时期的间歇式抬升、掀斜和缓慢沉降造成了三峡地区的层状地貌面,河流下切侵蚀在该地区形成了多级阶地。巴东库岸斜坡体系总体表现为北倾斜的扇形顺向单斜坡,区内由四个南北向大冲沟划分为五个斜坡单元,每个斜坡单元上分布有多个滑坡,长江的贯通使得巴东斜坡区浅表层产生变形。三峡地区自然滑坡与区域地壳运动和地貌演化过程具有明确的对应关系,据此可以研究区域滑坡发育的边界条件。(2)系统研究了黄土坡滑坡区工程地质条件。黄土坡滑坡地处长江三峡中段巫峡与西陵峡之间的长江南岸,所在地区巴东县城属于亚热带季风气候,温暖多雨四季分明;黄土坡滑坡发育有多级缓坡平台,总体坡面形态呈上陡中缓临江陡的特征,黄土坡滑坡地区冲沟发育且滑坡所处巴东地区褶皱断裂等地质构造发育;滑坡及其临近地区地下水可以根据水介质特征、水动力以及补径排特征分为四类。黄土坡滑坡上布置有野外监测系统,包括有大气降水监测、三峡库水位监测、GPS卫星定位监测、钻孔测斜监测等。三峡库区巴东地质灾害野外大型综合试验场利用在黄土坡临江1号滑坡内部建设的试验隧洞群,对滑坡体空间形态展布和地质结构、物质等组成进行了综合全面直接揭露,提供了针对黄土坡滑坡组成物质的试验样本采集场地。(3)利用试验隧洞群揭露、现场钻探、综合地质调查和试验测试等手段获取和揭示了黄土坡滑坡从表面到深部、从局部到整体的空间结构特性。从整体空间结构看,黄土坡滑坡由临江1号滑坡、临江2号滑坡、变电站滑坡和园艺场滑坡四个次级滑坡组成。临江1号滑坡内部有双层滑带结构,表明它是由两个独立且相关联的滑坡组成的。从黄土坡滑坡物质组成上看,黄土坡滑坡滑体总体由碎石土组成,基岩部分均由三叠系中统巴东组岩层构成,滑带总体由粉质粘土夹碎石碎屑组成。对于临江1号滑坡深部结构,利用钻孔和巴东野外隧洞主洞揭露可知,在垂直方向上,岩体颜色由深灰色经过灰绿色、黄绿色、粉红色、棕黄色向黄褐色转变。岩体完整性较差,从隧洞入口到出口处围岩级别有先增大后减小趋势,沿主洞展布沿线,岩体在颜色、岩性和强度上各不相同。深部岩体在垂直方向以及隧洞主洞沿线方向均存在空间变异性。(4)系统开展了黄土坡滑坡滑带土微观结构、矿物组成、宏观强度等综合试验研究。结合现场空间多钻孔滑带土样的颗粒级配分析,揭示了黄土坡滑带的综合特性以及空间变异性。在微观特性方面,发现滑带土中含有大量粘土矿物,滑带土样本表面有深度不大也不密集的擦痕。滑带土由粒状、块状的矿物晶体和层状堆栈的(薄)片状粘土矿物组成。在宏观物理力学特性方面,采用室内试验获取了黄土坡滑坡四个次级滑坡滑带土的颗粒含量、液限和塑限、液性指数、饱和度、剪切强度参数、压缩模量等参数。通过滑带土颗粒分析得到临江1号滑坡滑带土颗粒级配曲线,并利用分形理论对土体结构特征进行定量化研究,通过滑带土颗粒级配特性研究滑带空间分布变异性。(5)系统开展了黄土坡滑坡形成时代和成因机制研究。结果表明,在距今54×104a~5×104a年间黄土坡滑坡主滑体初步形成。临江1号和临江2号滑坡最早产生于距今54×104a~19×104a,后经过5次较大的滑动。在距今16×104a~13×104a之间,变电站滑坡受到内外综合因素影响滑动,园艺场滑坡是四个子滑坡中最后成形的部分,形成于距今13×104a~12×104a之间。变电站和园艺场滑坡的超覆部分引起了临江两滑坡的再次滑动。临江1号-1滑坡和临江1号-2滑坡分别形成于距今10×104a以及5×104a期间。滑坡整体演化经历了斜坡发育、坠覆、滑坡以及改造四个阶段。黄土坡滑坡形成受到物质条件、边界条件和环境条件三方面控制影响。形成机制总体而言可以归纳为:相对软质岩体(T2b2)和相对硬质并含有软弱夹层的岩体(T2b3-1)组成的总体顺向斜坡结构给滑坡的形成提供了先天有利条件。受长江河流下切作用,临空面高度累积为滑坡提供了滑动势能,最后势能集中达到一定程度后能量爆发形成滑坡破坏。(6)利用黄土坡滑坡监测系统揭示黄土坡滑坡目前变形过程和规律。通过黄土坡滑坡位移矢量图发现滑坡表面变形位移方向并不单一但是整体朝着NE20°方向前进。临江1号滑坡滑体前缘各监测点累计位移量在157.23mm至199.09mm间;滑坡体中前部监测点G7和G22累计位移量分别为256.78mm和184.7mm;位于滑坡体中后部的监测点G9和G18累计位移量分别为194.61mm和91.42mm;滑坡体后缘监测点G11累计位移量为72.51mm。在黄土坡滑坡深部变形研究基础上,发现对于临江1号滑坡,靠近滑坡前缘的钻孔滑带处累积位移从0mm到54.32mm稳定增加。从滑坡前缘到后部钻孔揭露的滑带累积位移月变形速率最大值依次减小。利用多重分形维数演化规律分析黄土坡滑坡浅层和深部位移,均发现累积位移多重分形维数较大,受库水蓄水高程和降雨影响明显,但是整体处于滑坡变形演化相对稳定阶段。(7)揭示了黄土坡滑坡在实际降雨与库水位升降作用下的演化规律。根据现场地质调查,利用现场监测和数值模拟结合的综合研究手段,以一个真实水文年的四个阶段分别对滑坡体位移场分布、内部浸润线、孔隙水压力以及稳定性等进行研究。结果表明降雨对滑坡的影响相对于库水主要集中在滑体中后部。在库水位上升和下降时,滑坡体内部浸润线变化相对于库水位升降循环存在一定迟缓。对于变形特征,在库水位下降阶段,滑坡变形逐渐从前缘向中后部拓展,降雨冲刷影响滑坡后缘部分发生弱小变形;随着强降雨的发生,滑坡浅层变形由从前向后延伸转变为从后向前延伸,降雨作用显著。最后利用Bishop、Janbu、Morgenstern-Price以及Ordinary四个方法来评价黄土坡滑坡在水文年各阶段的稳定性,总体而言,利用Bishop方法得出的结果最为保守,临江1号滑坡在库水位与降雨联合作用下基本处于稳定状态,浅层滑面稳定性系数相对较低而深层滑面稳定性系数相对较高。在实际三峡水库边坡工况下,降雨对滑坡稳定性影响更为显著。
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【学位授予单位】：中国地质大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：P642.22

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