高壩泄洪霧雨作用下飽和非飽和裂隙巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性研究.pdf

1、高壩泄洪霧雨所引起的巖石高邊坡穩(wěn)定問題是目前我國(guó)西南地區(qū)水電工程面臨的一個(gè)重大難題，它涉及水力學(xué)、兩相流體力學(xué)以及巖體力學(xué)等多項(xiàng)交叉學(xué)科。研究高壩泄洪霧雨作用下飽和非飽和巖質(zhì)高邊坡的穩(wěn)定性，科學(xué)問題主要集中在以下三個(gè)方面：一是對(duì)實(shí)際工程所關(guān)心的高壩泄洪霧化雨的降雨強(qiáng)度及分布的研究，目前主要是通過原體觀測(cè)和物理模型試驗(yàn)，得出一些經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行估算，很少有深入的系統(tǒng)的量化分析；二是泄洪霧雨的入滲是一個(gè)飽和非飽和滲流過程，關(guān)于裂隙巖體非飽和滲流

2、的研究，雖然提出了一些概念模型，但很多機(jī)理還不明白，非飽和狀態(tài)下的巖體水力學(xué)參數(shù)也很難確定，選擇什么樣的數(shù)學(xué)模型也有待研究；三是霧雨影響下的巖石高邊坡穩(wěn)定問題，由于霧雨的入滲使邊坡巖體的基質(zhì)吸力降低、暫態(tài)水荷載增加，巖體強(qiáng)度降低，從而加速了邊坡失穩(wěn)，但如何來定量研究此問題還缺少可應(yīng)用的成果。本文研究工作主要基于以上三個(gè)難點(diǎn)和科學(xué)問題，以構(gòu)皮灘水電工程右岸泄洪霧雨區(qū)的邊坡為研究背景，研究高壩在泄洪霧雨作用下的巖石高邊坡穩(wěn)定性問題。

3、 本文的主要研究工作集中在以下幾個(gè)方面：1、限于目前對(duì)高壩泄洪霧化的霧雨強(qiáng)度和分布范圍研究的不足以及人們對(duì)其認(rèn)識(shí)的模糊性，利用模糊數(shù)學(xué)的方法研究霧雨強(qiáng)度和分布，分析了引起泄洪霧化的影響因子，建立了泄洪霧化的模糊數(shù)學(xué)模型。為了盡量減少人為因素給工程分析帶來的主觀影響，尋求出一種盡可能少使用專家經(jīng)驗(yàn)的方法來確定模糊分析所需的隸屬函數(shù)，也即在統(tǒng)計(jì)分析基礎(chǔ)上并結(jié)合專家經(jīng)驗(yàn)的方法構(gòu)造隸屬函數(shù)，再由模糊合成和綜合評(píng)判(最大隸屬度原則)來分析預(yù)報(bào)降雨

4、強(qiáng)度和分布范圍。 2、以構(gòu)皮灘右岸霧雨區(qū)邊坡為研究背景，在掌握邊坡巖性、巖體結(jié)構(gòu)、構(gòu)造以及巖體變形和強(qiáng)度的基礎(chǔ)上，劃分出邊坡山體工程地質(zhì)巖組。重點(diǎn)研究了邊坡卸荷帶巖體特征，并在此基礎(chǔ)上根據(jù)邊坡類型、巖性及構(gòu)造、巖溶發(fā)育特征、卸荷特征以及受泄洪霧化影響程度等為依據(jù)將該區(qū)自然坡體劃分為五個(gè)工程地質(zhì)分區(qū)。根據(jù)邊坡的地表信息、開挖信息、巖層分界信息以及排水洞和帷幕信息，利用自編軟件生成三維網(wǎng)格計(jì)算地質(zhì)模型，為邊坡的滲流場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)分析奠定

5、基礎(chǔ)。用此方法所建立的模型基本上保存了原山體的信息，在網(wǎng)格規(guī)模一定時(shí)充分利用了邊坡中的控制信息，避免了建模過程中不必要的簡(jiǎn)化所造成的失真，充分的反映了原坡體面貌和人工改造后的邊坡形態(tài)。 3、在野外大量實(shí)測(cè)裂隙資料的基礎(chǔ)上，進(jìn)行裂隙密度、方位、大小、延續(xù)性、開度等幾何參數(shù)的統(tǒng)計(jì)分析，以EnhancedBaecher模型建立離散裂隙網(wǎng)絡(luò)隨機(jī)模型，利用MonteCarlo隨機(jī)模擬方法進(jìn)行裂隙網(wǎng)絡(luò)隨機(jī)模擬，生成不同尺度的三維離散裂隙網(wǎng)絡(luò)

6、圖。在所生成的一定尺度三維裂隙網(wǎng)絡(luò)圖基礎(chǔ)上，進(jìn)行了邊坡滲流場(chǎng)分析的等效連續(xù)介質(zhì)模型判斷，并以統(tǒng)計(jì)幾何參數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行滲透張量的計(jì)算，為滲流場(chǎng)分析提供了重要的水力參數(shù)值。 4、研究了有泄洪霧雨和降雨等入滲情況下的邊坡水分運(yùn)動(dòng)特征和影響入滲的因素。根據(jù)飽和狀態(tài)時(shí)的控制方程和非飽和狀態(tài)下的控制方程，建立起整體的飽和非飽和非穩(wěn)定滲流控制方程。應(yīng)用Galerkin加權(quán)余量法推導(dǎo)出其數(shù)學(xué)模型的有限元計(jì)算格式，研制了該非線性有限元計(jì)算迭代格式，并

7、用FORTRAN語(yǔ)言編制了有地表入滲作用的飽和非飽和非穩(wěn)定滲流三維有限元計(jì)算程序USSEEPAGE3D，該程序包括了前處理部分、主程序計(jì)算部分和后處理部分，每塊均具有獨(dú)立、明確的功能含義，能充分滿足實(shí)際工程問題復(fù)雜的要求，具有很好的靈活性；對(duì)有限元求解中的非飽和水力參數(shù)問題、初始水頭場(chǎng)問題作了相應(yīng)的技術(shù)處理，使得求解方程的效率高、收斂速度快、減小計(jì)算中產(chǎn)生的振蕩。根據(jù)編制的程序以及求解技術(shù)方法對(duì)構(gòu)皮灘霧雨區(qū)邊坡進(jìn)行了霧雨入滲下的飽和非飽

8、和滲流場(chǎng)模擬，其計(jì)算成果為邊坡滲控措施提供參考依據(jù)。 5、深入研究了霧雨入滲引發(fā)邊坡失穩(wěn)的機(jī)理。通過裂隙巖體滲透性與應(yīng)力關(guān)系、裂隙巖體的彈塑性本構(gòu)關(guān)系以及滲流場(chǎng)的控制方程，建立了滲流場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)耦合的等效連續(xù)介質(zhì)模型。通過迭代求解達(dá)到兩場(chǎng)耦合的目的。應(yīng)用目前邊坡穩(wěn)定分析中比較成熟的方法—有限元法進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)。最后，以構(gòu)皮灘右岸霧雨區(qū)邊坡為例，計(jì)算邊坡未考慮滲流場(chǎng)影響和考慮滲流場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)耦合作用后的邊坡巖體應(yīng)力場(chǎng)和位移場(chǎng)，進(jìn)行