三峡水库库首段斜坡变形时变特征研究

发布时间：2020-03-31 22:51

【摘要】：根据国内外资料统计分析,无论是岩质库岸或土质库岸,均会因水库蓄水导致其稳定性不同程度的恶化仍至失稳。如法国的马尔帕塞(Malpasset)薄拱坝、意大利的瓦依昂(Vajont)水库、美国大古力水库、北美洲206座土石坝工程；国内如凤滩、柘溪、东江、白渔潭等大型水库,均在水库蓄水后出现较多的岸坡变形破坏事件。上述因蓄水后引起岸坡变形或失稳的问题引起了世界各国水利工作者的高度重视,甚至成为确定工程建设规模或决定工程能否建设的重要因素。三峡水库自2003年6月蓄水以来,至2014年12月已成功蓄水到175m并正常运行2年,库首段(本文指坝址～牛口河段)水位较蓄水前提升110m左右,水位年变幅达30m。三峡水库蓄水后,库岸斜坡体内地下水位的大幅度升高,其地下水渗流场发生相当大的变化；同时,斜坡岩土体的物理力学性能因“水～岩”作用而降低。上述原因引起了库岸斜坡稳定状态的调整,除塌岸外,一些大中型滑坡也出现了较明显的变形迹象,如干流上的野猫面、砚包、老蛇窝、树坪、白水河、范家坪、大坪、黄腊石等,支流上的八字门、卡子湾、三门洞等均有明显变形。2003年,三峡库水位抬升至135m后不久在三峡库区就发生了三峡库区自新滩滑坡后发生的最大滑坡--千将坪大型顺层岩质滑坡。据统计,自三峡水库初次蓄水以来至今,库首段共计发生水库库岸斜坡变形、破坏的地质灾害约152例。本研究选取“三峡水库库首段斜坡变形时变特征研究”为研究主题,对三峡水库坝址～牛口河段库岸斜坡工程地质条件进行深入调查的基础上(第2章),对水库自2003年6月蓄水以来至2014年12月库岸斜坡变形进行了翔实调查,基于数理统计与工程地质分析原理,分析了斜坡变形随水库蓄水、降雨的时空分布的关系与演化过程(第3章)。根据其变形的外观表征与水库、降雨耦合的时空联系,将其影响因素分为外动力因素、内在因素及其它因素(人工干扰、地震、植被覆盖等),并模拟了斜坡变形随外界因素变化的响应时变过程(第4章)。在上述研究工作的基础上,对水库区域性地质灾害活动程度评价的指标如点密度、地形改变率、面积比进行了对比研究,提出了活跃性强度指数概念,并建立了基于活跃性强度指数的水库地质灾害活动程度评价体系,对三峡水库蓄水至今的水库库岸斜坡的地质灾害活动进了评价并划分为5个阶段(第5章)。最后,以研究区卧沙溪滑坡及卡子湾滑坡变形为例,具体分析水库斜坡变形时变过程,并根据时变曲线特征将水库斜坡变形分类。综合论文的研究内容,整个研究得到以下结论和创新性成果：1.通过对研究区的野外调查、分析,三峡水库库首段的地质灾害体主要发育在一级斜坡的中下部的侏罗系碎屑岩地层和第四系松散堆积层中,尤其是侏罗系中上统的泥岩与粉砂岩构成的顺向斜坡区最为发育,主要分布在长江右岸郭家坝～沙镇溪、香溪河右岸、归州河两岸、青干河沿岸以及童庄河右岸等地段,其时空分布具有明显的地段性与时间性,其空间分布特点主要表现为条带性、垂直分带性和相对集中性；时间性主要表现为周期性和滞后性。2.基于工程地质分析与统计学研究水库蓄水对库岸斜坡影响的范围、方式、程度及时空分布规律等,建立水库蓄水后岸坡岸坡变形的演化过程。就具体阶段蓄水过程,随着后续阶段蓄水位的升高(135m～156m～175m),每一蓄水位高程的首次蓄水期对斜坡变形影响最大,其随水位增加呈减小趋势,亦规模～时间曲线峰值呈周期性衰减趋势。水库蓄水对库岸斜坡的影响过程,在蓄水初期,首先是岩土体产生湿化变形,岩土体的结构与强度遭到破坏；同时,由于水的浸泡产生一系列的如水解、溶解和碳酸化作用等化学作用,具体表现为岩土体材料的粘聚力及抗剪强度降低；其三,库水位周期性的涨落及库岸地下水水位动态影响的滞后,引起斜坡内地下水渗流场与压力的变化亦是一个重要原因。在岩土体经过一定时间的浸泡后,其湿化作化渐趋于完成,库岸斜坡为适应新的环境进行应力的调整与释放,岩土体力学性能一般近趋于饱和态或稍高,库岸斜坡稳定性主要受控于退水期的水位波动造成的动水压力。通过对本次研究区内的水库蓄水高度与变形库岸频数关系研究,发生最频繁灾害事件的水位区间为145m-150m,发生最大规模灾害事件的水位区间为150m-155m,总体而言,水位高程145m-155m为库岸斜坡稳定最不利水位；水库库岸斜坡变形集中在6-9月份,且相对水库蓄水时间,灾害发生的时间均滞后约10～15天左右。3.对地质灾害活跃性评价的相关指标如点密度、面积比、地形改变率等研究的基础上,提出了活跃性强度指数的概念,通过其概念的外延与内涵阐述,拟定了计算方法,研究认为评价一个区域地质灾害活跃强度,只考虑灾害面密度比,是不合适的,其没有纳入能量(体积规模代替)大小的因素,纯粹是个空间几何尺寸百分比关系。而地质灾害活跃强度的指数尽可能考虑了灾害发生的重大影响因子,以能量的直观表达形式,描述了地质灾害发生的强度,该指标对评价区域地质灾害活跃程度较其它几个指标要优。研究了灰色～Markov链法、灰色～周期延长法及频谱分析法在区域地质灾害预测中的应用,通过对上述三种方法计算结果的比较,结果显示频谱分析法对于区域性群发地质灾害规模预测有较好的结果。采用频谱分析法,在对研究区2003～2014年地质灾害规模拟合的基础上,对2015～2030年地质灾害爆发规模建立了预测模型如下：S(t)=2.2005+0.7258cos(0.1802πt+0.4113)+1.7896cos(0.3604πt+0.6886)+1.411cos(0.5406πt+0.6708)+1.4682cos(0.7208πt+2.8036)依此进行了预测分析,认为研究区在2015年底至2016年初,区域地质灾害规模达到下一阶段性峰值后,将逐渐趋于较低活动程度的水平。4.对研究区2002年(代表本底值)～2014年地质灾害活动性进行了聚类分析,结合斜坡地表变形表征、三峡水库蓄水调度,并参考点密度、地形改变率等相关指标,将水库蓄水斜坡变形活动程度分为4级,分别为1级(微弱活动)、2级(明显活动)、3级(强烈活动)及4级(极强烈活动),并以此建立了水库蓄水地质灾害活跃性评价体系。按照水库蓄水地质灾害活跃性评价体系,根据地质灾害活动性强度指数大小,结合其时变演化的趋势及特征点(曲线拐点)特征,参考水库蓄水阶段及地表地貌的变形,可将三峡库区蓄水前后的水库对库岸斜坡的影响而导致的地质灾害活动程度变化分为5个阶段：似稳定期、活跃期、强烈活动期、震荡衰减期及动态平衡期,并对水库斜坡演化过程进行了研究。就水库蓄水全过程而言,其地质灾害的活动性关系为如下：强烈活动期(I3)活跃期(I2)震荡衰退期(Ⅰ)动态平衡期(I5)似稳定期(I1)。为减弱蓄水对库岸斜坡的影响,若适当延长(T1-T2)时间段并适当提高初期蓄水位,给予水库蓄水对相应高程内的库岸斜坡充分影响的时空,应力等调整得以在低水平阶段完成或大部分完成,在下阶段蓄水时,达到有效消弱地质灾害活动的峰值水平(消峰),是可以降低水库蓄水对岸坡的影响的。据三峡水库蓄水的表现规律来看,其在初次蓄水2a左右开始,历时10a,约为前期历时的5倍。当前,三峡水库正处于震荡衰退期向动态平衡期过渡期(曲线拐点)。为尽快缩短震荡期历时(T4-T5),亦可考虑在蓄水的前3周期加大水位波动率,在低水准(可控的)加速其影响的展布与调整释放,据初步估算,若在一个周期内提高10%的水位波动率,可缩短震荡衰退期约1.5 a。5.根据斜坡变形的三阶段划分,结合研究区斜坡变形时变曲线的特点,将水库斜坡变形分为3类：台阶型、平滑型及复合型。研究认为,其本质是斜坡岩土体对库水波动反应敏感性及水岩作用导致的有利与不利结果的转化。其中的复合型,在水库区较为少见,其斜坡在变形发展过程中,由于水库初期蓄水,同时岸坡岩土体渗透性较低,其斜坡时变曲线呈平滑型特点,但随着水库多次周期性蓄水,组成岸坡岩土体的颗粒材料部份被带走,导致岸坡体渗透性变化大,后期变形时变曲线呈台阶型,总体斜坡变形--时间曲线总体表现为平滑～台阶型。
【图文】：

斜坡变形,水库,事件,北美

鉴于水库斜坡变形事件的重耍性，１９５２年，美国陆军师团对北美洲２０６座±石巧事故逡逑进行了研究Ｗ，其按水库设计寿命１００年计，对其间发生的斜坡变形事件按蓄水时间进行逡逑排列，如图１－１。从图中可知，蓄水０－５年为斜坡变形的高峰时期，同时，斜坡变形随蓄水逡逑时间的延续呈衰减态势，，此结论或可为水库斜坡区域性变形的早期最重要的研究成果之一。逡逑

水文地质图,黄陵背斜,仙女山断裂,构造纲要图

即前震旦纪的晋宁运动、保罗纪末的燕山运动和早第Ｈ纪末的喜山运动，形成了Ｗ黄陵地逡逑块为核必的构造格架，周围展布一系列弧形摺皱：北面为大己山台缘错皱带，西侧为上扬逡逑子台岕皱带（即八面山台岕带），东侧为江汉瑚陷盆地（图２－０。逡逑区内新构造运动不强烈，主要表现为南津关Ｗ西的山地大面积间歇性上升，东部江汉逡逑平原相对下降，从而形成一平缓过渡带。逡逑近规库岸主要错皱为轴向近南北向的黄陵背斜，走向与长江近正交。黄陵背斜核部位逡逑于Ｈ峡大巧项址附近，由前震旦系恼岭群变质岩及侵入其间的花岗闪长岩组成，西侧边界逡逑距大巧约１６ｋｍ。轴线较为平直，走向ＮＮＥ。兰峡工程巧址位于黄陵背斜核部黄陵地块南逡逑端的花岗闪长岩体上
【学位授予单位】：中国地质大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TV223

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