三峡库区典型灰岩顺层岸坡劣化演变与失稳机理研究

来源 :中国地质大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:haoyigyaoatcs31
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库水位循环消落导致三峡库岸损伤劣化,引发滑坡、崩塌和次生涌浪灾害。本文以三峡库区巫峡段顺层灰岩岸坡为研究对象,开展水库运行状态下原位精细化调查与测试。通过多尺度三维激光扫描与图像识别技术,建立岩体劣化模式与判据,对消落带岩体进行劣化程度分级;以青石6号坡为例采用室内试验、跨孔声波测试与井下电视建立随水位长期循环波动下斜坡岩体动态强度指标GSI(t);结合物理模型试验与离散元模拟,引入岩层面GSI(t)函数与弹塑性板理论,建立了考虑岩体劣化效应的顺层劣化溃屈力学模型与临界挠曲段平衡方程,分析了岸坡长期稳定性,揭示了顺层灰岩岸坡劣化灾变特征与失稳机制;探讨了基于劣化演变过程的分阶段适配性防治理念,针对青石6号坡劣化灾变两大促发因素“前缘消落带劣化+后缘推挤”提出相应预加固方案,并进行方案优选与效果模拟分析。主要结论如下:(1)通过三峡库区巫峡段岸坡岩体结构调查,查明了巫峡段广泛分布的灰岩顺层易滑地质结构,分析并总结了顺层灰岩岸坡的3大典型劣化特征以及主要劣化分布区。以青石6号顺层灰岩岸坡为典型案例,重点阐述了工程地质背景、水文条件和劣化变形特征,揭示了青石6号坡“岩石+结构面”二元劣化特征。(2)①岩体劣化点云响应特征分为3类:裂缝显化与扩张、崩塌掉块、平移转动。裂缝显化与扩张可细分为:裂缝延长、裂缝变宽、裂缝加深,3个子类点云响应都呈条带状侵蚀延展,但变形形式和部位不同。定义岩体劣化率De=n/N,根据C2C、M3C2算法变形分区,可得不同变形阈值对应劣化率De。随变形阈值提高,劣化率De越小。劣化变形以及崩塌掉块主要沿着岸坡结构面及软弱破碎带进行,变化量级为毫米~厘米级,其他区域无明显变形。②剪刀峰案例的直接法和比拟法对比证明比拟法具有可操作性和准确性。提出岩体劣化一般、较强烈、强烈定性分级标准,定义、改进并统计了岩体劣化变量指标Det、JOv、Jv,给出不同劣化程度对应的量化指标。推荐Det≥0.05、ΔJov≥0.65或ΔJv≥1时,劣化程度等级为强烈。岩体劣化可能有三种发展模式,两种最终会进入加速劣化灾变状态。根据不同劣化作用,灰岩岩体主要有两条破碎演化路径。(3)①水位循环波动劣化试验表明,T1d泥质条带灰岩劣化速率明显高于T1j白云质灰岩。建立灰岩岩块核衰变劣化控制方程,引入劣化常数λ、半衰期T1/2对两种岩性劣化特征进行分析。由于现场岩体结构面的存在,其劣化速率远大于室内岩石。②基于水位循环消落原位跨孔声波测速,构建了 GSI量化取值方法。结合Jv与GSI定量关系,利用比拟法计算了 10个典型案例的GSI值和ΔGSI。当岩体劣化程度为强烈时ΔGSI≤-4.0。ΔGSI与劣化变量Det满足指数函数关系,ΔGSI和ΔJv满足线性负相关。③结合多期次跨孔声波与广义H-B准则可知,三向受压应力状态可提高岩体结构面强度,且可明显抑制岩体劣化;GSI系统对岩体劣化评价有宽泛的适用性,且随着GSI下降适用范围下降。通过指数回归构建了考虑劣化过程的GSI(t)、Erm(t)时效曲线,并解得不同深度结构面处二维强度劣化屈服带、三维强度劣化屈服面;强度劣化包线显示表层结构面的劣化敏感性高于深层,且表层受劣化影响H-B准则适用范围下降最为明显。GSI(t,h)时空函数显示劣化时间t与岩体结构面埋深h对岩体劣化影响权重相近。④联合结构面GSI(t)劣化方程与完整岩块损伤方程N(t)=N0e-λt可构建岸坡二元劣化结构。通过长期跨孔声波测试,不断优化GSI(t)时效函数,可为后续灰岩顺层岸坡长期稳定性分析奠定基础。(4)①模型试验表明,蓄水前岸坡整体长期处于稳定状态。蓄水后随着劣化进行,岸坡变形加剧直至“溃屈破坏”;岩体劣化缩短了“劣化-溃屈”失稳进程。岸坡后缘顺岩层下滑,前缘隆起。溃屈破坏时同一岩层达到速度峰值数值近似,“弯折点”后部运动特征高度一致,前部较为离散。“溃屈破坏”是岸坡能量释放的转折点和顶点。②随劣化演变位移、应力逐渐递增并都呈提前响应“征兆”,溃屈破坏前后应力产生“集中-释放”。应力响应明显提前于位移,表明应力监测更有效。应力监测的核心在于“关键区段”的确定,对于“劣化-溃屈”型岸坡前缘“挠曲段”处应力陡增可作为岸坡临界失稳的重要表征。③结合地质强度指标与弹塑性板理论,推导得劣化-溃屈临界板长解析解。随劣化进行下滑推力F逐步增大,抗弯刚度K减小。临界挠曲段lcr呈现起始快速降低并渐趋于一定值,该段为岸坡防治的“关键区段”;岩层倾角α对lcr以及相对板长比RPL影响明显大于岩层厚度hi,且岸坡lcr快速下降角α在40°~60°。④数值模拟表明,仅考虑后缘推挤后缘变形大于前缘。随着消落带岩体劣化,前缘变形增量大于后缘。消落带处应力集中,首先形成塑性屈服区。后缘拉张沿层面滑移挤压前缘,促使消落带岩体进一步弯曲、隆起,直至潜在“剪出口”贯通破坏。“库水波动+岩体劣化”对岸坡稳定性极为不利,远大于单纯“库水波动”静/动水压力作用。⑤劣化溃屈演化进程中后缘推挤始终存在,它是岸坡灾变的前提。但岸坡失稳的主导因素却是消落带岩体持续不断的劣化。青石6号坡当前处于向“强烈弯曲隆起”演化进程中,由于消落带岩体持续劣化,10多个劣化周期后可能由基本稳定演变为极限平衡的欠稳定状态。(5)库岸滑坡影响因素众多,常采用多种治理手段相结合防治措施。考虑劣化演变过程的分阶段适配性防治研究发现,劣化阶段中期及以前进行岸坡预加固是岸坡防治的最佳窗口。越及时、越早的岸坡消落带补强加固更有利于岸坡的自稳定,取得最佳防治绩效。针对青石6号坡“劣化-溃屈”两大灾变因素“消落带岩体劣化+后缘推挤”提出2种设计方法。综合生态环保、施工安全等推荐方案二:“前缘格构锚喷+后缘预应力锚索加固”。数值模拟进一步表明,方案二治理后前缘消落带塑性区以及岸坡整体位移量大大减小,护坡工程结构单元整体处于正常工作状态。治理后稳定系数提升并保持在2.06,表明采用方案二进行早期防控,切断劣化致灾因素有效。
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