水位升降条件下牵引式滑坡离心模型试验

自三峡水库蓄水后,库区地质灾害频发,研究库水位升降条件下的库岸边坡稳定性与破坏模式日益重要。以三峡库区云阳县凉水井滑坡为原型,基于长江科学院CKY?200土工离心机,结合滑坡区工程地质概况,模拟制作了这一典型库岸滑坡的简化模型。采用高速相机、激光位移传感器、孔隙水压力传感器、土压力传感器等监测手段,在模型试验中实现了对边坡前缘水位高程及升降的控制,获取了试验过程中坡体水平位移和沉降、孔隙水压力、土压力值的变化规律,得到以下结论：试验从开始至加水阶段结束,模型位移以竖直方向为主,而在排水阶段则水平方向位移远大于竖直方向;试验过程中,在库水位上升与骤降作用下,首先在前缘产生裂隙,并逐渐向中部、后缘扩展,随后在中部产生较大变形,出现局部滑移,模型总体破坏形式呈牵引式破坏模式;试验结束时,模型自后缘起体积含水率逐渐增大;在水位上升期间,模型变形相对较小,主要滑移出现在水位下降期间,因此,该滑坡为动水压力型,产生变形破坏主要是由于动水压力效应所致。试验揭示了库岸牵引式滑坡在库水位升降条件下的破坏模式和变形失稳机制,为库区滑坡的防治提供了重要依据。     

水位骤降下边坡渗流场与应力场耦合数值分析

引入非饱和-饱和的渗流分析方法,考虑渗透系数以及饱和度与基质吸力之间的非线性关系,分析渗流场-应力场耦合机理和相互影响关系,并采用渗流场-应力场耦合有限元法对水位骤降下堤坝边坡位移场、孔隙水压力、超孔隙水压力进行具体分析。分析结果表明,利用渗流场-应力场耦合有限元法,比不考虑基质吸力和双场耦合作用分析,更加真实可靠。     

水位骤降时的非饱和坝坡稳定分析

从非饱和土抗剪强度理论出发,应用极限平衡法和以有限元应力计算为基础的极限平衡法,分别对库水位骤降时的坝坡稳定进行了计算。分析中采用非饱和-非稳定渗流理论,模拟了孔隙水压力的消散过程,并考虑基质吸力对土体抗剪强度的影响,将每个渗流分析结果调入稳定分析模块计算其稳定性。最后将两类极限平衡法稳定分析结果进行了比较,结果表明,库水位的骤降,易引起坝坡的滑动,随着超静孔隙水压力的消散,坝坡稳定性逐渐提高;随着孔压消散,基质吸力对抗剪强度的贡献增大。     

非饱和-非稳定渗流条件下的边坡临界滑动场

受季节性降雨或水库运行的影响,岸坡外水位及坡内孔隙水压力场的变化较大,不利于岸坡的稳定性。在水位变化过程中,利用非饱和-非稳定渗流有限元计算得到孔隙水压力场,基于非饱和土的渗流和抗剪强度理论,对水位变化过程中的边坡临界滑动场法进行改进,提出可考虑水位变化与岸坡非饱和-非稳定渗流过程的边坡临界滑动场数值模拟方法。将改进后的水位变化过程中的边坡临界滑动场法分别应用于黏土、粉土岸坡在水位升降过程中的稳定性分析,研究了水位升降速率及基质吸力对岸坡稳定性的影响,并揭示了边坡在水位变化过程中的稳定性变化历程。研究表明,该方法计算结果合理、可靠,更适用于涉水边坡的稳定性计算,且岸坡稳定性变化历程受水位升降速率、基质吸力等多种因素共同影响,只有在考虑非稳定渗流的基础上同时考虑基质吸力的作用才能正确得出水位变化过程中岸坡稳定性变化规律和实质。     

不同渗流边界条件下粉砂边坡失稳模型试验研究

研究不同渗流边界条件下粉砂边坡的稳定特性对滑坡安全评价及防灾减灾具有重要意义。开发研制了室内边坡模型试验系统,分别进行了在上部边界入渗、侧向边界入渗和底部边界入渗的边坡失稳模型试验。分析了各试验中边坡内部不同位置体积含水率、孔隙水压力和基质吸力的变化规律以及坡体破坏过程。结果表明,不同入渗边界条件下边坡土体局部由非饱和变为饱和状态,基质吸力消失,最后在坡面形成不稳定区域塌落破坏。上部边界入渗、侧向边界入渗和底部边界入渗所引起的破坏模式根据其特点可分为局部浅层破坏、多级后退式破坏和坡面滑动破坏。通过监测边坡不同位置的体积含水率,可以为渗流引发的边坡失稳预警机制提供参考依据。     

降雨和库水位联合作用下库岸滑坡模型试验研究

受库区水位波动和降雨影响,库岸大量老滑坡体变形加剧,地质灾害问题十分突出。为研究库岸滑坡影响因素、变形演化规律及失稳条件,以大型物理模型试验为手段,选取三峡库区黄土坡滑坡临江Ⅰ号崩滑体为对象,通过考虑水位波动、降雨及其组合作用等诱发因素,开展了一系列的库岸滑坡模型试验研究。试验结果表明：水位升降,变形主要集中于模型坡体前缘,其中,水位抬升过程中,滑坡模型变形较小,变形加速阶段出现于水位下降期间,且变形速率与水位下降速率成正比,即临江Ⅰ号崩滑体为典型的动水压力型滑坡;降雨影响下坡体变形在时间和空间上存在明显分区现象,时间上,变形发展主要集中于坡体浅表层饱和之后,即短时降雨对坡体变形未产生显著影响,空间上,坡体前缘和后缘变形剧烈;库水位下降和强降雨联合作用下坡体前缘产生局部流滑破坏,并溯源发展至前缘整体破坏,为典型的牵引式破坏模式。试验揭示处于临滑阶段坡体,其孔隙水压力、土压力变化呈现异常频繁的波动现象,可为滑坡预警预报提供一定参考依据。     

库水位下降时的岸坡非稳定渗流问题研究

水位下降时岸坡的渗流是涉及土体由饱和向非饱和状态过渡的水-气二相流过程,目前相关研究成果大都假设孔隙气压力为0,忽略孔隙气的影响。根据水、空气的质量守恒定律和达西定律,结合多相流理论建立水-气二相流模型,采用高效的积分有限差分法求解,通过变换主要变量,实现饱和（单相）与非饱和（二相）的相互转变,并给出各种边界条件下合理的数学处理方法。通过Muskat渗流问题,验证了上述模型的正确性;并对某土质岸坡水位下降时的非稳定渗流问题进行分析,结果表明,岸坡的基质吸力小于浸润线以上的负孔隙水压力,在浸润线以上的很大区域为毛细管水饱和带,其土体饱和且基质吸力为0,这对边坡稳定十分不利,精确分析水位下降的边坡稳定问题时,孔隙气压力变化的影响值得研究。     

岩体三维非稳定渗流模型及数值模拟

地下水是导致地质灾害发生的重要因素之一。岩体本身的复杂性及地下水在岩体内随时间而变化造成地下水在岩体内运动机理的复杂性。文章采用数值模拟方法探索地下水在岩体内的运动规律,了解其致灾机理。以岩体结构力学为基础,运用现代分形理论,建立主干裂隙分形网络;根据裂隙发育规模与工程尺度关系将岩体看作拟连续介质与块裂介质混合介质,并根据两类介质接触处水头相等及节点流量相等建立合理的三维非稳定渗流模型;给出渗流模型的有限元解法,开发出相应的有限元软件;给出算例,计算结果体现了主干裂隙在渗流中的强导水作用及网络状裂隙的贮水功能与渗流滞后效应;强调根据裂隙发育规模与工程尺度关系确定合理渗流模型的重要性。     

库水位升降条件下不同渗透性的滑坡体稳定性变化规律

库水位升降作用下不同材料滑坡体稳定性变化规律不同。选择代表三峡库区不同土体材料滑坡4个数量级的饱和渗透系数,采用Geostudio软件Seep/W和Slope/W模块,分析了三峡水库库水位升降作用下不同渗透系数滑坡体浸润线的分布规律及由此引起的滑坡稳定性变化规律,结果表明:库区涉水滑坡体稳定性的变化与滑坡体的渗透系数密切相关,在库水位上升阶段,随着滑坡体渗透系数逐渐变小,浮托力增大的速率变缓,指向坡内的渗压逐渐增强,滑坡稳定性系数有相对增大趋势。在库水位下降阶段,随着滑坡体渗透系数逐渐变小,浮托力减小的速率变缓,指向坡外的渗压逐渐增强,滑坡稳定性系数有相对减小趋势。     

岩体裂隙网络非稳定渗流分析与数值模拟

针对裂隙岩体的非稳定渗流问题,通过将Darcy定理扩展到包含干区的整个裂隙网络区域,并令潜在溢出边界条件为Signorini型互补边界条件,将湿区上的非稳定渗流问题转化为全域上的一个新的初边值问题。为降低试探函数选取的难度,建立与定义在整个裂隙网络区域上的偏微分方程（PDE）提法等价的抛物型变分不等式（PVI）提法,并给出裂隙网络非稳定渗流分析的有限元数值分析格式和迭代算法,与砂槽模型试验数据的对比分析,验证其有效性。最后,将文中发展的计算方法应用到含复杂裂隙网络的边坡非稳定渗流分析,计算结果很好地反映出边坡内部自由面随库水降落的变化规律,并能准确地描述裂隙网络内部渗流运动特征及流量分布的不均匀性。     

高堆石坝心墙渗流特性离心模型试验研究

高土石坝在施工期心墙会产生超静孔隙水压力,且难以有效消散,蓄水后心墙从非稳定渗流状态到稳定渗流状态,因此,渗流特性异常复杂。目前,有限元方法进行渗流计算不能考虑施工期引起的孔隙水压力,因而不能完全了解土石坝的渗流特性。长河坝为砾石土心墙堆石坝,最大坝高为240 m。利用离心模型试验技术,通过分析长河坝施工期和运行期心墙的孔隙水压力的产生和消散变化规律研究大坝心墙的渗流特性。试验结果表明,心墙孔隙水压力经历施工时的增长期、竣工后的消散期、非稳定渗流时的增长期和消散期、稳定渗流时的稳定期5个阶段。心墙高程不同、填筑含水率不同,各阶段的孔隙水压力和历时也不同。心墙位置越高或填筑含水率越大,施工期孔隙水压力系数越大,形成稳定渗流所需时间越短。心墙位置越高或填筑含水率越小,心墙位势越大,非稳定渗流期心墙位势大于稳定渗流期。研究成果对高心墙堆石坝设计和施工具有指导意义。     

库水位骤降后面板缺陷坝体渗漏量和坝坡稳定性分析

为研究库水位变动情况下面板不同缺陷的面板堆石坝渗透稳定特性,利用著名岩土分析软件Geo-studio的Seep/w与Slope/w模块,以浙江省临海市西部括苍镇境内某面板堆石坝为例,对不同土工膜缺陷及库水位变动工况的组合进行了渗流特性及稳定性的数值模拟分析,得到了浸润线,渗漏量及稳定性系数的变化曲线,计算结果表明:(1)面板一旦发生缺陷,静库水位下坝体的浸润线有一个明显的抬升,缺陷尺寸越大,浸润线高程越高,但是差异不大。库水位高程越高,静库水位下坝体内部的浸润线高程也就越高;(2)库水位水平越高,缺陷尺寸越大,坝体渗漏量也就越大;(3)库水位骤降下面板坝内部浸润线呈现先疏后密的规律,库水位下降速率越大,上游坝体浸润线疏的部分则越疏。在库水位骤降经过面板坝缺陷高程时,有一个浸润线突降的过程;(4)从整体上看,上游坝坡的稳定性系数要大于下游坝坡的稳定性系数;静库水位下,库水位水平越高,上游坝坡稳定性系数越大,而下游坝坡稳定性系数则越小,缺陷位置越高,稳定性系数越低;库水位骤降情况下上游坝坡稳定性系数随库水位下降呈现先下降后上升的趋势,下游坝坡则呈现一直上升的规律,一旦面板发生缺陷,稳定性系数较完整面板来说有一个较大幅度的下降,面板缺陷尺寸越大,稳定性系数整体上越小。     

大坝渗流基流的分析模型研究

深入研究了库水位等变化对渗流变化滞后效应,探讨了渗流的滞后模型,利用该模型进行优化分析,确定了渗流滞后天数和影响天数以及上游有效水深等参数;并借助于上游有效水深,将非稳定渗流计算问题转化为稳定渗流的求解问题,简化了计算;在此基础上,结合实测资料及渗流分析,建立了大坝渗流基流的分析模型。算例表明：建立的模型能较好地反映基流的变化性态。     

坝基二维渗流场的大尺寸物理模型试验

利用大尺寸砂槽试验模型模拟了坝基二维渗流全过程,并着重分析了坝基二维渗流场的变化情况。模型槽内土样渗透变形破坏后,取不同区域土样进行颗粒分析试验。根据渗透变形试验所获得的参数,运用GeoStudio 2007软件对坝基渗流场进行数值分析,所得渗流场分布与物理模型试验结果基本吻合,说明该二维渗流场的物理模型试验结果较为合理。结果表明,渗透破坏主要发生在坝体下渗透路径较短的区域内,而坝基上下游基本未产生渗透变形;产生渗透破坏后,渗流路径发生较大改变,导致渗透破坏区域渗流量大幅增加,加速坝基破坏进程。     

应用高密度电阻率法实现坝体渗漏快速探测

坝体渗漏探测是水利工程除险加固工作的重要环节,事关大坝安全运行,具有重要工程意义。文中以某坝体渗漏处理的问题为例,为解决传统探测手段的不足,开展了高密度电阻率法探测试验,结合工区地质和岩体地球物理特征分析,快速定位坝体渗漏区域。工程处理结果表明,高密度电阻率法可有效地解决小范围和小渗流量的渗漏部位探测问题,定位快速准确,可为查找坝体渗漏的原因以及工程治理措施提供依据。     

水位波动下路基湿度动态响应及地下防排水模型试验研究

设计加工了室内路基防排水模型试验系统,进行了地下水位波动影响下的路基水分迁移及地下防排水的室内试验研究。通过改变地下水位高度,研究了无任何隔水措施、加入普通砂垫层及新型防排水材料作为地下防排水基层工况下路基湿度的动态响应,评价了公路路基地下防排水基层的防排水效果。试验结果表明,在地下水位的波动影响下,近地下水位的路基湿度不仅随着地下水位的变化作相应的变化,上部土体湿度因毛细作用的存在也有较大幅度的增加,当地下水位较低时,砂垫层起到了较好的防排水效果;而当地下水位较高时,砂垫层内部的毛细水上升高度大于砂垫层的高度,路基湿度产生较大变化;新型的防排水材料能有效阻止毛细水进入路基内部,具有较好的防排水效果。     

渗流作用下软基心墙坝稳定性分析

基于心墙坝的渗流特性建立了渗流分析模型和坝坡渗透稳定分析模型,并进一步考虑坝下软土地基的压缩特性提出了与当前应力状态有关的软土层渗流分析模型,将所建模型应用于某水利枢纽主土坝典型软基断面不同运行工况的计算,详细分析了心墙的防渗作用和软土层变形对渗透稳定的不良影响。     

库水位骤降时的滑坡稳定性评价方法研究

三峡水库蓄水及水位波动,将极大地改变滑坡体内的水文地质条件,库水位骤降和暴雨入渗是导致滑坡的主要因素。库水位骤降时的滑坡稳定性评价是滑坡防治中的一个难题。根据三峡水库水位调控方案和库区滑坡地下水作用的力学模式,利用有限元模拟库水位从175 m骤降至145 m时的滑坡暂态渗流场。建立了渗透力作用下滑坡稳定性评价的不平衡推力法。研究表明：滑坡的渗透系数和库水位下降速度是影响滑坡稳定性的主要因素,当库区堆积层滑坡渗透系数小于0.864 m/d,库水位发生骤降为2 m/d。库水位骤降时滑坡稳定性降到最小的水位通常在175 m水位以下10～20 m处。其研究为库区 175 m水位滑坡治理提供了科学依据。