澜沧江中上游深层倾倒体变形失稳过程及稳定性评价研究

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深层倾倒体广泛分布于我国青藏高原东部及川西高山峡谷区,严重威胁着区域内水电工程的安全运转与库区人民的生命财产安全。鉴于此,在考虑区域复杂地质环境的基础上,正确揭示这类深层倾倒体的具体演化过程与形成机制,建立基于不同演化阶段的稳定性评价方法,对于有效规避和减少此类斜坡问题所造成的破坏与损失具有重要的工程指导价值和现实意义。这类深层倾倒体的形成机制较为复杂,往往受所处地质环境及人类工程活动的共同影响。然而,目前深层倾倒体形成机制研究中大多忽略了地质环境的影响。另一方面,现有的倾倒体稳定性评价方法大多基于极限平衡思想,仅适用于对倾倒变形启动瞬间的稳定性进行判断。实际上,深层倾倒体一般具有漫长的演化周期,其变形失稳过程具有显著的阶段性。因此,亟需建立一种基于深层倾倒体变形失稳全过程的稳定性评价体系。本文以澜沧江中上游发育的典型深层倾倒体为研究对象,在野外地质调查和区域地质背景分析的基础上,对区内深层倾倒体的赋存环境、变形破坏特征及发育规律进行了归纳总结。综合运用物理模型试验、数值模拟试验、多元线性回归分析、机器学习等方法对河谷区地应力环境、倾倒变形影响因素敏感性及深层倾倒体变形失稳过程进行了系统性研究。在此基础上,通过对变形失稳过程不同演化阶段岩层受力及变形特征进行分析,提出了适用于不同演化阶段的稳定性评价方法,由此建立了基于深层倾倒体变形失稳演化全过程的稳定性评价体系,并以K73深层倾倒体为例对所建立的演化过程理论及稳定性评价方法的适用性、可行性及准确性进行了验证。具体研究内容及所取得的成果如下:(1)深层倾倒体的赋存环境与发育特征是正确建立地质模型,开展其形成机制与演化过程研究的基础。以澜沧江中上游苗尾水电站右岸坝前深层倾倒体为研究对象,通过坡表及平硐调查,对倾倒区岩体的破裂模式及结构特征进行了研究。根据岩体产状、风化卸荷程度、纵波波速、裂隙张开度等指标,建立了岩体倾倒变形程度分级系统,将变形岩体自坡表向深部依次分为强倾倒区、中倾倒区及弱倾倒区。另外,通过对区域构造地质背景资料的收集整理,结合流域地质调查结果与岩层层内错动带ESR测年结果,证实了高水平地应力、河流下切活动及水库蓄水作用共同构成了区内倾倒体的赋存环境。最后,通过对大量典型深层倾倒体案例的相关资料进行分析整理,对区内深层倾倒体的分布特征、发育规模、岩体结构及变形特征进行了总结。结果表明,区内深层倾倒变形易发生于具有薄层状结构的陡倾沉积岩或变质岩组成的斜坡中,斜坡所处区域构造运动活跃、落差多在300m以上。受河流下切作用影响,坡表岩体松弛卸荷强烈,深部则表现为柔性弯曲与块状弯曲复合的变形特征,变形深度多在百米以上。(2)河谷区三维地应力场的回归分析研究是量化深层倾倒体应力环境的重要研究手段。通过建立多元线性回归方程,结合数值模拟技术对澜沧江中上游深切河谷区三维地应力场进行了回归分析,揭示了深切河谷区三维地应力场分布特征、河谷地应力场演化规律及岸坡表生改造机制,并依据岸坡地应力回归结果及Mohr-Coulomb准则,计算得到了反倾岩质斜坡层间剪切错动触发判据。结果表明,现代河谷应力场是重力场、构造应力场及河流下切综合作用的结果。根据应力分布特征,具体可划分为应力降低区、应力增高区和原岩应力区。倾倒变形现象总体分布于近坡表的应力降低区内,当河流下切引起的地应力调整满足最大最小主应力之比小于-2.598时,即可触发层间剪切错动,推动倾倒变形的产生。(3)区内深层倾倒体的变形规模及失稳模式受多种因素影响,主要包括斜坡几何特征、岩体强度与构造应力水平。各类影响因素的敏感性很大程度上依赖于岩体变形评价指标的选取。为克服单一评价指标对敏感性分析结果的限制,基于改进灰色关联理论与UDEC离散元数值模拟技术,分别得到了坡肩位移、节点平均位移及节理破坏率三种不同评价指标下各因素的敏感性排序。在此基础上,借助CRIT IC法计算得到各评价指标的权重,进而得到三种评价指标下各影响因素的敏感性综合分析结果,并研究了高敏感因素作用下倾倒变形的响应规律。结果表明,斜坡的几何因素对倾倒变形量的影响最大,其中主要包括坡角、横向节理间距及岩层倾角。斜坡的变形程度总体与斜坡坡角及岩层倾角大小呈正相关,与水平构造应力大小呈负相关。根据大量数值模拟结果,划分出稳定、潜在变形、浅层倾倒及深层倾倒4种斜坡变形模式。选取斜坡岩层拉破坏率及节点平均位移作为变形模式判识指标,建立了反倾斜坡变形模式判识标准及判识指标SVR预测模型。在此基础上,对区内海量反倾斜坡变形模式进行预测,并得到了斜坡几何参数变形易发区间。结果表明,岩层倾角小于66°的斜坡总体较为稳定,不稳定斜坡以潜在变形为主;岩层倾角处于66~68°范围时,深层倾倒变形出现概率超过浅层倾倒;岩层倾角超过68°时,斜坡变形模式开始以深层倾倒为主,其出现概率随岩层倾角的增大而急剧增大;当岩层倾角超过75°后,除上下坡角极缓的情况外,斜坡普遍产生深层倾倒变形。最后,以研究区四处典型倾倒斜坡为例,验证了所得斜坡几何参数变形易发区间的准确性。斜坡几何参数变形易发区间能够为斜坡潜在变形模式的野外早期识别提供重要参考,便于及时对具有变形风险的斜坡采取相应的预警或防治处理。(4)针对现有深层倾倒体演化过程研究脱离其孕育地质环境的缺陷,以区内典型深层倾倒体为研究对象,开展了其在构造应力、河流下切及水库蓄水作用下的变形失稳过程研究。通过将底摩擦物理模型试验与数值模拟技术手段相结合,克服了单一研究方法无法考虑斜坡各演化阶段实际情况的局限性。通过引入PIV、DIC及自定义节理破坏率监测Fish函数,获取了深层倾倒体在变形失稳过程中的位移场和速度场的变化规律及不同时刻结构面破坏区的分布情况。基于此,对区内深层倾倒体形成过程及失稳机制进行了研究,并提出了其演化过程阶段划分依据及方法。结果表明,河流下切造成岩体卸荷回弹,触发层间剪切错动,推动岩层倾倒变形的发生。应力释放完成后,在重力场和构造应力场的共同推动作用下,岩层向临空面一侧产生弯曲、倾覆及沿倾向坡外结构面的累进性剪切滑移。随着变形的不断积累,最终在坡内形成规模巨大的倾倒变形体。依据数值模拟所得结构面破坏指数、坡表监测点位移及模型节点平均变形速率,将倾倒体变形失稳过程划分为变形启动、初始变形、蠕变自稳、滑面形成和破坏五个阶段。水库蓄水加速了涉水深层倾倒体从蠕变阶段向累进破坏阶段过渡的演化进程,倾倒体在水库蓄水作用下的失稳机制可概括为:水库蓄水弱化-坡脚剪切滑移-后部牵引滑动-整体失稳破坏。(5)为实现对岩体所处倾倒变形阶段的野外快速识别,以不同倾倒变形阶段岩体的运动特征为基础,选取斜坡坡角、岩层倾角、倾倒铰链面倾角及结构面内摩擦角为对象,建立了岩体在倾倒变形不同阶段的初步力学判据。现有倾倒变形稳定性评价方法多基于极限平衡理论,无法实现基于斜坡倾倒变形失稳过程的稳定性评价。针对这一缺点,本文以澜沧江中上游典型深层倾倒体演化过程理论体系为基础,结合极限平衡分析、数值模拟技术及应变协调理论,建立起了基于演化过程的深层倾倒体稳定性评价体系。各阶段稳定性评价方法建立过程如下:借助UDEC离散元模拟获取了河流下切不同阶段变形区不同位置处岩层层间法向力的分布特征与不同应力边界条件下层间法向力的应力水平。在此基础上,分析得到河流下切不同阶段层间有效接触比?和层间法向力分布系数?的空间分布函数及坡脚处层间法向力修正系数1η。通过将上述参数引入河流下切不同阶段层间法向力传递公式中,从而建立了深层倾倒体变形启动到初始变形阶段的稳定性评价方法;基于倾倒体镜像自稳状态判识标准,采用坡表强倾倒区岩层倾角或坡表变形位移作为变形程度评价指标,建立了深层倾倒体初始变形到蠕变自稳阶段的岩层变形稳定性评价方法;通过在极限平衡法的基础上引入静水压力和滑面连通率,建立了水库蓄水作用下深层倾倒体在滑面形成至破坏阶段的稳定性评价方法。最后,将上述不同评价方法进行汇总,建立了基于深层倾倒体变形失稳过程的稳定性评价体系。(6)以澜沧江中上游苗尾库区K73深层倾倒体为例,通过现场调查及数值模拟试验对本文所提出的研究区深层倾倒体变形失稳过程理论体系及稳定性评价方法的可行性、普适性及准确性进行了验证。结果表明,所建立的倾倒体演化过程阶段划分依据同样适用于对K73深层倾倒体的研究,其变形失稳过程仍可以归纳为变形启动、初始变形、蠕变自稳、滑面形成及破坏5个阶段。在变形启动至初始变形阶段,伴随河流下切及层间张拉破裂的发育,斜坡稳定性系数不断降低;初始变形至蠕变自稳阶段,随着岩层逐渐接近镜像状态,层间摩阻力恢复,岩层变形速率大大降低,稳定性系数逐渐增大;滑面形成至破坏阶段,随着水库蓄水对结构面抗剪强度的长期弱化,滑面逐渐贯通,稳定性系数产生大幅降低。综合来看,稳定性评价结果与各演化阶段岩体变形发展趋势及运动特征一致,评价结果较为准确。
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