水库蓄水诱发大型岸坡堆积体失稳破坏机理研究:以澜沧江RS库区堆积体为例.pdf
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1、【目的】为研究青藏高原高寒山区澜沧江沿岸的RS大型岸坡堆积体在水电站建成蓄水后的变形破坏情况及其机理,【方法】基于地质勘测资料和各类试验结果,以RS堆积体为研究对象,通过数值模拟试验结合离心试验的方式,对水库蓄水后RS堆积体的变形破坏情况和失稳破坏机理进行了分析探讨。【结果】结果显示:蓄水后RS堆积体的变形主要集中在堆积体上游侧中上部,此部位易发生局部失稳破坏,失稳破坏模式为推移式滑动破坏。【结论】结果表明:蓄水产生的上部拉裂缝为RS堆积体潜在滑动面上边界,堆积体中部的细颗粒富集层是堆积体边坡的潜在滑带,是堆积体失稳破坏的下部剪出口;库水对堆积体中部细颗粒富集层的软化崩解作用和入渗后产生的浮托
2、力是导致RS堆积体失稳的重要原因。研究成果期望能为高原高寒山区大型岸坡堆积体研究提供参考依据关键词:大型岸坡堆积体;水库蓄水;FLAC3D数值模拟;离心模型试验;失稳破坏模式步作者互动D0I:10.13928/ki.wrahe.2023.08.014开放科学(资源服务)标志码(OSID):中图分类号:P642.22文献标志码:A文章编号:10 0 0-0 8 6 0(2 0 2 3)0 8-0 156-11Study on the failure mechanism of a large bank slope deposit induced by reservoirwater storage:
3、A case study of RS deposit in a reservoir of Lancang RiverLUO Bo,LIU Yuhao,TU Guoxiang,ZHANG Xin,ZHANG Yanmei,LI Anrun(State Key Laboratory of Geohazard Prevention and Geoenvironment Protection,Chengdu University of Technology,Chengdu610059,Sichuan,China)Abstract:ObjectiveJTo study the deformation a
4、nd failure of RS large bank slope deposit along the Lancang River in the alpinemountainous area of Qinghai-Tibet Plateau after the construction of hydropower station impounded and its mechanism.Methods JBased on geological survey data and various test result,taking RS deposit as the research object,
5、the deformation andfailure of RS deposit and its instability failure mechanism were analyzed and discussed by means of numerical simulation test and收稿日期:2 0 2 2-12-0 9;修回日期:2 0 2 3-0 2-2 3;录用日期:2 0 2 3-0 2-2 7;网络出版日期:2 0 2 3-0 3-15基金项目:国家自然科学基金项目(4147 2 2 7 4)作者简介:罗博(19 9 9),男,硕士研究生,主要从事岩土工程及地质灾害防治方
6、面的研究。E-mail:2 52 9 9 7 57 2 0 q q.c o m通信作者:涂国祥(19 7 8 一),男,教授,博士,主要从事堆积体工程地质特性及稳定性方面的研究。E-mail:p y k c d u t.e d u.c n157水利水电技术(中英文)第54卷2023年第8 期罗博,等/水库蓄水诱发大型岸坡堆积体失稳破坏机理研究:以澜沧江RS库区堆积体为例centrifugal test.ResultsJThe deformation of RS deposit was mainly concentrated in the middle and upper part of the
7、 upstreamside of the deposit,which was prone to local instability failure,and the failure mode was push sliding failure.ConclusionjTheresult show that the upper tensile crack generated by water storage is the boundary of the potential sliding surface of RS deposit,and the fine particle enriched laye
8、r in the middle of the deposit is the potential sliding zone of the slope and the lower shear outletof the instability failure of the deposit.The softening and disintegration effect of reservoir water on the fine-particle enriched layerin the middle of the deposit and the buoyancy force generated af
9、ter infiltration are the important reasons for the instability of RSdeposit.The research result are expected to provide reference for the study of large bank slope deposits in the alpine mountainousareas of the plateau.Keywords:large bank slope deposit;water storage in reservoirs;FLAC3D numerical si
10、mulation;centrifugal model test;failuremode of instability0引言近年来,水库蓄水诱发的滑坡灾害在我国发生得愈发频繁 ,而堆积体边坡失稳在我国已经发生的滑坡灾害中占比较大。堆积体边坡失稳的影响因素众多,在水库蓄水、水位变动、持续强降雨、地震等因素中水库蓄水影响尤为显著 2 ,对人民群众的生命财产安全构成了巨大威胁。例如发生于2 0 0 3年7 月13日的千将坪滑坡正是由于水库二期蓄水加之持续多日的强降雨,最终导致滑坡发生 3。此次滑坡的滑体由残坡积黏土夹碎石、老滑坡堆积体及沙镇溪组泥质粉砂岩组成,方量巨大,滑坡失稳后堵江形成最高达17 8
11、 m的坝体,导致2 4人死亡,110 0 多人流离失所,数家工厂被毁,长达2.2 km的公路断绝 4。因此,对岸坡堆积体在水库蓄水后的变形破坏情况以及可能的失稳过程与失稳模式进行研究十分必要国内外众多学者针对库岸堆积体在水库蓄水影响下的变形响应问题已经进行了许多研究,如:韩鞠等 5 基于罗家坪滑坡的现场调查结果和变形监测资料,对滑坡体在蓄水后的变形响应进行分析,指出水库蓄水后,被水淹没的部分岩土体所发生的软化及塑性变形是造成滑坡启动的重要原因。肖诗荣等 6 分析了?水井滑坡的主要影响因素和变形机制,认为水库蓄水对滑坡阻滑段的浮托和软化作用,以及对前缘坡体的侵蚀作用是造成滑坡的根本原因。丁王飞等
12、 7 总结了三峡库区类土质岸坡蓄水解体演化的5个阶段,指出蓄水过程中岩块的断裂从重力导致的上部断裂向由浮托力导致的下部断裂转化。宋丹青等 8 对九甸峡库区燕子坪滑坡的变形特征进行了监测,并采用多种手段对其滑坡致灾因素进行了定量分析,认为水位上升和开挖公路是致灾的主要因素。YANG等 9 利用Geostudio、FLA C3数值软件对某堆积体进行数值模拟计算,得到了堆积体在水库蓄水条件下的渗流特性和变形特性及滑波发展趋势。CHEN等 10 对XinHua边坡以卫星系统、无人机等多种手段进行监测,分析XinHua边坡蓄水后的响应和变形特征,认为导致滑坡的最主要因素是前期的水库蓄水和水位波动。HE等
13、 I采用物理模拟试验的方式探究有无水库蓄水两种条件下,滑坡变形特征和破坏模式的差异,认为水库蓄水缩短了滑坡发生的时间,减小了边坡的抗剪能力。CHENG等 12 基于某边坡变形监测数据,建立了边坡的变形统计回归模型,分析得出蓄水过程中边坡变形是坡脚有效应力降低和岩土体软化引起的流变变形。此外,胡孝洪等 13、程晓平等 14崔洁 15 也针对库水位变化、变化速率等因素对库岸边坡的失稳机制进行了研究。尽管目前对库岸堆积体的相应研究较多,但对于高原高寒山区河流两岸广泛分布的此类复杂的大型堆积体研究仍较少。本文将在前人研究的基础之上,结合地质资料和物理试验结果,以数值模拟结合离心试验的方式,对水库蓄水后
14、RS堆积体的响应情况进行研究,探究RS堆积体具体的变形特征和破坏机制,以便为类似工程提供参考。1堆积体工程地质特性1.1堆积体概况研究区地处青藏高原东南部,与云贵高原接壤,属三江(金沙江、澜沧江、怒江)流域峡谷区,区内澜沧江由北向南汇流,总体流向约为S10E,河流深切,两岸山高坡陡,天然落差较大,总体形态呈不对称“V”形。拟建的RM水电站位于澜沧江上游河段,处于西藏自治区芒康县境内,RM水电站上游的RS堆积体位于澜沧江左岸,距RM水电站坝址约5.4km(沿河道距离),堆积体前缘临江,高程2655m,后缘高程32 0 0 m,局部沿冲沟向上延伸至3300m高程。堆积体顺河向长约1.4km,垂直河
15、158水利水电技术(中英文)第54卷2023年第8 期罗博,等/水库蓄水诱发大型岸坡堆积体失稳破坏机理研究:以澜沧江RS库区堆积体为例图例0200mQQ第四系河床冲积砂卵砾石dl+cal第四系0S6700620087OSL05926002700275028002850290029503000第四系坡积碎石土澜3050310031503200325033003350colQ第四系崩塌堆积碎块石及大块石ZKRO1ZKR02ZKR03ZKRO4RVR11幢系中统ZKR06ZKR20PDR03ZKR22T2Z三叠系中统英安岩PDRO1ZKR21R2R2ZKR07colZKRIOPOROPQZKRO5R
16、3堆积体分界线dt+colQZKR11OZKRIO正常蓄水位线2 8 9 5maltdltcotR4ZKR09QZKR08R33ZKR15布置钻孔及编号ZKR132KR23R5之KR12dltcattPDRO4平及编号ZKR16PDRO5ZKR15R48RJRKRI剖面线及编号KIRT4江3400地形等高线高程标注R5图1RS堆积体工程地质平面Fig.1Engineering geological plan of RS deposit向宽约7 0 0 m,自然坡度32 37,下边界临江发育且靠近河床部位局部岸坡稍陡,倾角在40 左右,堆积体整体厚度为10 10 0 m,估算方量约47 0 0
17、万m(见图1)。1.2堆积体物质结构组成RS堆积体以下基岩部分为三叠系中统竹卡组英安岩,堆积体自身物质组成主要有三个部分见图2(a)。(1)处于堆积体下部位置,高程大约为2 7 0 0 2810m之间的砂卵砾石层见图3(a)和图3(b),该层颗粒粒径集中在6 10 cm之间,个别可达2 0 cm以上,透水性好,且几乎不含小于1cm的细颗粒组分,扁平面呈近水平定向排列,有较好成层性,卵砾石之间呈点接触互相支撑。(2)处于堆积体上部位置的主要为崩坡积碎石土层见图3(c)和图3(d),其分布在高程2 7 8 0 图例1003300一碎石土层三叠系竹卡组英安岩强风化线一砂卵砾石屋一细颗粒富集层3200
18、第四系崩坡积碎石土夹块石弱风化线80第四系崩坡积碎石土夹细粒土水位线3100第四系河床冲积砂卵砾石基覆界线6030002895m正常蓄水位2900402.800Qdl-colQal+di+col2.70020T初始水位2 6 52 m2Z2600N50E.SEZ1402.5000100200300 40050060070080090010001001010.10.010.001平距/m粒径/mm(a)工程地质面(b)各土层颗粒级配曲线图2 RS堆积体各土层概况Fig.2General situation of each soil layer of RS deposit159水利水电技术(中英文
19、)第54卷2023年第8 期罗博,等/水库蓄水诱发大型岸坡堆积体失稳破坏机理研究:以澜沧江RS库区堆积体为例(a)碎石土层平碉(c)砂卵砾石层平(e)细颗粒富集层平码(b)碎石土层坡表(d)砂卵砾石层坡表(f)细颗粒富集层坡表图3揭露RS堆积体各土层结构特征Fig.3Reveals the structural characteristics of each soil layer of RS deposit3170m之间,主要由碎块石层和碎块石土层构成,此碎石土层主要由粒径约5 50 cm的碎块石构成,碎块石基本为棱角状,无分选,该层细颗粒含量约占5%10%(3)除上述两层外,碎石土处于堆积体
20、中部,也就是在卵砾石层与上覆崩坡积层接触面处沉积一层细颗粒含量较高的碎块石土(以下称其为细颗粒富集层)见图3(e)和图3(f),其中碎块石呈棱角状,粒径约5 2 0 cm,个别可达50 cm以上,含量约6 0%70%;该层颗粒粒径小于0.1cm的细颗粒含量较高,为2 0%左右,该层属于泥质胶结,密实度较好,分选性较差,无成层性。在RS堆积体现场各平采集多组土样后,对采集土样的大粒径进行现场初筛,将剩余土样带回实验室进行筛分,得到多组土样颗分结果,取各组土样平均值并绘制RS堆积体各土层颗粒级配曲线如图2(b)所示。2堆积体蓄水变形数值模拟研究2.1堆积体三维有限差分模型构建为了探究水库蓄水过程中
21、,RS堆积体的破坏情况和变形机制,采用Rhino+FLAC3D软件建立RS堆积体三维有限差分模型。模型如图4所示,分为基岩、细颗粒富集层、砂卵砾石层和碎石土层,模型X方向长度为132 6.5m,Y 方向宽度为17 7 7.4m,Z方向高度为1333.2 m,模型除上表面自由外,其余各面均采用法向约束。堆积体模型计算采用Mohr-Coulomb屈服准则的理想弹塑性本构模型,视为各向同性介质,流体在模型中的流动在满足Darcy定律和Biot方程。模拟中利用FLAC3D内置Fish函数实现对模型表面孔压的实时控制,模拟水位上升过程,同时对模型进行流固耦合计算得到模型的渗流场和应力场。本次水位上升速度
22、设为1m/d,选用典型剖面Y=1200m进行分析。基岩细颗粒富集层砂卵砾石层碎石土层BA澜Y=1200m剖面图4RS堆积体三维数值计算模型Fig.4Three-dimensional numerical calculation modelof RS deposit本次数值计算采用的参数为现场勘察资料和前人研究成果 16 ,以及对堆积体的物理力学试验结合相160水利水电技术(中英文)第54卷2023年第8 期罗博,等/水库蓄水诱发大型岸坡堆积体失稳破坏机理研究:以澜沧江RS库区堆积体为例表1RS堆积体数值模型计算参数Table 1Calculation parameters of RS depo
23、sit numerical model天然容重饱和容重内摩擦角饱和内摩擦黏聚力饱和黏聚变形模量渗透系数材料泊松比/kN m3/kNm3)角/()/kPa力/kPa/MPa/cmsl碎石土层22.023.034.530.5105400.2010-1细颗粒富集层21.022.533.029.55025300.2210-4砂卵砾石层21.522.535.531.52010350.2110-3基岩26.564.015090000.17关规范 17 和工程经验综合考虑选取,具体取值如表1所列。2.2堆积体有限差分模型计算结果经过FLAC3D数值计算,对水库蓄水过程中模型的不平衡力进行了监测,其不平衡力演
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