三峡水库滑坡堆积体渗透特性及渗流滞后性研究

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中国是一个地质灾害频发的国家,而三峡库区又历来是地质灾害频发的区域。据调查,全库区共有崩塌滑坡4664个,其中涉水滑坡2619个,自2003年蓄水以来,近700处涉水滑坡及堆积体发生了变形,严重威胁库区人民生命财产安全,困扰当地正常生产生活及经济建设。三峡水库正常蓄水运行期,库水位在145~175m间周期性升降,每年30m的库水位升降变化,特别是在库水大幅下降阶段,将直接造成岸坡两侧的滑坡体渗流场发生变化,甚至引起渗透性变化。可见,滑坡堆积体的稳定性与其渗透性及渗流密不可分。因此,涉水滑坡堆积体渗透特性及渗流滞后性值得深入研究,该研究对三峡库区地质灾害防治与土木工程建设具有重要意义和科学价值。本文首先通过对多个典型滑坡的工程地质分析,认识到影响滑坡体渗透性的三个主要因素。针对这三个因素,从面上采用双环渗透试验对三峡库区滑坡体消落带的渗透性进行大量试验研究。接着以石榴树包滑坡为例从点上分析单体滑坡的空间渗透性。通过室内大型物理模型试验,从时间上分析滑坡体在多次的库水位周期性升降作用下渗透性的变化特征。最后对地下水浸润线解析解进行修正,以数值模拟研究渗流滞后性。主要工作及研究成果如下:(1)通过5个典型滑坡的工程地质特征分析,得出滑坡成因机制、滑坡体物质岩性、物质结构组成是影响滑坡体渗透性的三个主要因素,三峡库区滑坡成因机制可分为崩塌型、弯曲-拉裂型、滑移-弯曲型、滑移-拉裂型、塑流-拉裂型(平推式)五类,并提出了不同成因滑坡体的结构特征及宏观渗透性。(2)通过86个滑坡原位渗透试验以及已有滑坡渗透数据的整理,获取了三峡库区396个涉水滑坡消落带的1188个渗透试验资料,查明了三峡库区不同类型滑坡体消落带的渗透特性。三峡库区滑坡体渗透系数大小与物源岩性强度、碎块石含量呈正相关,但裂隙岩滑体渗透性则低于碎块石土滑体渗透性。三峡库区滑坡体渗透性具有一定的区域分布特征,滑坡体渗透性以中等与良为主。消落带渗透性与其宏观渗透性相比有所不同,主要表现为渗透性减弱。(3)通过在石榴树包滑坡上进行详尽的勘探工作,安装多种监测设备对该滑坡进行综合观测,同时在滑坡上进行多元渗透试验,查明了石榴树包滑坡的空间渗透性、渗流特征及地下水动态特征。研究认为石榴树包滑坡体各部位渗透性各异,变异性较大。影响滑坡体渗透性空间变异性的主要因素有成因机制、物质组成及结构、物质岩性、固结压力及应力历史、水岩作用。石榴树包滑坡前缘主要以管网状渗流为主,地下水与库水位同步变化;中后部以界面网状渗流结合孔隙渗流为主,地下水滞后于库水位的变化。滑坡体的表层(1m内)基质吸力变化范围较大,而在浅部、深部基质吸力很小,变化也小。(4)考虑滑坡体物质岩性与组成的不同,进行了三组大型的物理模型试验,研究了在库水位多次周期性升降作用下滑坡堆积体的渗透性的变化特征及机理。主要表现为,前缘渗透性增加,中后部减小。影响渗透性变化的主要因素有湿陷压密、渗流作用、前缘塌岸、内部变形、库水位升降速率。硬质岩为主组成的滑坡体比软岩为主组成的滑坡体的渗透性更易受库水的影响而发生变化。软岩组成的滑坡体渗透性变化缓慢,且变形也具有长期性。(5)通过对假定条件(库水位升降速率的变化、库岸的坡度)与给水度计算公式的改变,对库水位升降作用下岸坡地下水浸润线解析解公式进行了修正。最后将修正后的解析解应用到石榴树包滑坡的浸润线求解中,并与数值分析结果、监测结果进行了对比验证,认为修正后的解析解在库水位变动带部分的浸润线求解结果与实际情况更接近,能够满足实际工程的需要。(6)采用Geo-studio中的seep/w程序软件,建立三峡库区滑坡的典型概化模型,针对不同饱和渗透系数、库水位下降速率、滑坡前缘坡度以及滑坡厚度四个影响因素对库区滑坡在库水位下降条件下的滞后性特征进行了系统的分析。研究揭示了滞后系数与水位变动带坡度为影响滑坡渗流滞后性的重要因素,滑坡厚度影响较小。根据三峡库区滑坡土体饱和渗透参数范围及坡度特征,将滞后系数35作为渗流滞后型与同步型的界限值,同时对滞后性等级进行了划分。
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