三峡库区塌岸的物理模拟研究

三峡水库正常蓄水以后,涉水岸坡岩土体内部的地下水动力场和应力场都将发生较大的改变,再加上库水位变动、风浪侵蚀以及暴雨等外部营力作用,岸坡稳定性将发生显著变化,并可能导致塌岸的发生。为了研究三峡水库的塌岸模式和成因机理,本文在查明三峡库区塌岸工程地质条件的基础上,采用物理模拟手段,利用正交设计原理,分析研究了塌岸模式及塌岸宽度与岸坡坡角、水位、降雨强度、土质及波浪等影响因素的关系和敏感程度。     

三峡水库塌岸影响因素的物理模拟研究

水库蓄水后库岸边坡失稳破坏是一个复杂的过程,其塌岸模式及塌岸规模往往受多种因素的影响。文章在对三峡库区典型塌岸段地质条件调查研究的基础上,利用物理模拟手段,系统地研究了水库岸坡土体材料、岸坡坡角、库水位、降雨强度对岸坡流失量的影响。研究结果表明,三峡水库存在冲磨蚀型及滑移型两种主要的塌岸模式。岸坡土体流失量与岸坡坡角、岸坡物质组成、降雨强度等成正相关关系,且各因素对流失量的影响程度不同,岸坡物质组成及岸坡坡角是主要影响因素。各因素对岸坡流失量的影响还存在临界值,超过此临界值时,该因素对塌岸的影响将变得非常明显。由于物理模拟经历的时间较短,试验所得规律仅适用于水库蓄水后一定时期内塌岸的研究。     

长江三峡工程水库塌岸与工程治理研究

水库塌岸(岸坡再造)是影响三峡水库移民工程安全的重大地质灾害问题.本文在分析三峡库区塌岸特征的基础上,总结了近期库区塌岸治理工程的若干关键技术问题,论述了三峡库区塌岸预测方法.以兴山县高阳镇库岸治理工程为例,介绍了岸坡稳定性分析、岸坡再造范围预测、库岸稳定性分区和工程治理方案论证的方法、步骤和具体内容.     

三峡库区重庆段塌岸预测研究

三峡水库蓄水将会引起库区两岸变形再造,为了研究重庆段库岸塌岸变形,通过对重庆段重点库岸段的详细地质调查,总结出重庆库岸段存在如下三种主要的塌岸模式:冲蚀磨蚀型、坍(崩)塌型、滑移型;其中冲蚀磨蚀型约占调查总长的54%,坍(崩)塌型约占42%,滑移型仅占4%左右。在调查的基础上,针对不同的库岸塌岸模式和岸坡结构,采用不同的塌岸预测方法和预测参数开展了重庆段重点库岸段的塌岸预测,得出重庆段80%的库岸再造范围在20 m以内,而再造变形范围大于20 m的库岸段大多表现为滑移型。以上为重庆段库岸塌岸的防治措施提供了理论依据。     

三峡库区典型塌岸模式研究

三峡库区塌岸地质条件调查结果表明,不同的岸坡结构,蓄水后库岸的变形破坏形式塌岸模式,往往差别较大。本文根据现场调查成果,结合室内分析,总结归纳出三峡库区几种典型的塌岸模式,即冲蚀磨蚀型、坍塌型、崩塌(落)型、、滑移型和流土型。在此基础上,对不同塌岸模式的发展演进过程、发育分布特征,以及塌岸与岸坡岩土结构、地形地貌等的关系进行了深入系统地研究,提出了三峡库区典型塌岸发育的一般地质条件。     

三峡库区塌岸预测新方法——岸坡结构法

水库塌岸是三峡库区重大地质灾害之一.通过三峡库区数百段库岸的塌岸地质现场调查和预测分析的基础上,提出了类似三峡这种山区河道型水库的塌岸预测新方法--岸坡结构法(RBSM),并给出了详细的图解方法和预测步骤.同时,开展了二滩、宝珠寺和龚咀三个运行中的类比水库和三峡水库(139m蓄水)的塌岸预测检验,验证结果表明该方法适宜于三峡水库以及类似的山区河道型水库塌岸预测,从而为水库塌岸预测与防治工程提供重要依据.     

平缓细粒土岸坡水库塌岸机理研究

大量工程实践和统计数据表明,水库塌岸多发生在自然坡度15°以上的松散堆积层岸坡。一般认为自然坡度10°左右的平缓堆积层岸坡发生水库塌岸的可能性小,但在四川省宝兴河硗碛水电站库区却发生了大规模的平缓型堆积层塌岸,蚂蝗沟5#堆积体即属于此类型。蚂蝗沟5#堆积体由砾质黏土组成,土中小于0.075mm的细粒含量约占60%,蓄水后塌岸模式为缓慢的蠕滑变形。蓄水9年多来,变形范围由前缘的小规模塌岸逐渐向后缘扩展至大范围滑坡,目前变形仍然在持续。本文以该堆积体为例,通过对土体结构、颗粒组成等的勘探试验,并结合水库运行方式和变形监测成果,采用有限元瞬态渗流分析与稳定性分析的耦合分析计算,系统地开展了其塌岸机理研究。研究结果表明:细粒为主的土体结构及其弱透水性,是平缓堆积体在库水位反复升降作用下蠕滑变形的根本原因;平缓细粒土岸坡的稳定性与库水位的升降具有明显的相关性,随库水位的周期性变化岸坡呈现出不同的稳定状态,其蠕滑变形速率也明显不同。     

基于人工神经网络的三峡库区丰都县水库塌岸预测

为了建立一个适合于三峡库区的塌岸预测方法体系,采用具有处理非线性关系功能的人工神经网络方法对水库塌岸问题进行研究。通过训练、学习和仿真,获得预测正确率为97.2%的具有7-32-14网络结构的BP神经网络模型,采用该模型对蓄水位为175　m时丰都县各岸段进行塌岸预测,并将预测结果与传统经验公式计算法所得结果及实际监测数据进行对比。结果表明:基于人工神经网络的塌岸预测宽度与实际监测数据很接近,偏差在5 m以内;公式法计算结果与监测值平均偏差为15.9 m,而且对于部分坡段,公式法计算结果比实际监测值小8～11 m,没能预测出塌岸的真正范围。采用神经网络模型对丰都县水库进行塌岸预测,预测结果与实际监测数据平均偏差约3.8%,表明其预测结果可靠。     

库水位等速上升中均质库岸塌岸现象及浸润线试验研究

为了研究库水位等速上升过程中均质水库岸坡的塌岸现象及岸坡内浸润线的变化特点,以取自三峡库区的含黏粒粉砂为主要试验土料,设计了3个不同结构的均质岸坡模型,对每个模型进行了4种不同速率的水位上升试验。试验结果表明,库水位上升速率越大,均质水库岸坡的塌岸现象越易发生;在库水位上升过程中,库水和地下水与岸坡土体的相互作用同时存在对岸坡稳定有利和不利的因素,其中地下水浸没区的毛细力消失是引起塌岸的关键因素;试验测得浸润线与理论计算结果的比较分析表明,浸润线的理论计算方法可能过高地估计浸润线的位置。     

典型山区河道型水库塌岸模式研究

通过对已蓄水运行的三峡、二滩、宝珠寺、大朝山、漫湾、天生桥一级和紫坪铺7个山区河道型水库实际塌岸的现场调查和室内分析,提出冲磨蚀型、崩(坍)塌型、滑移型和流土型4种塌岸模式,描述了各塌岸模式的发生条件及特点.在计算各水库塌岸岸坡结构和塌岸模式分布概率的基础上,分析塌岸的影响因索.结果显示,山区河道型水库塌岸主要发育于残...     

Experimental research on the effect of slope morphology on bank collapse in mountain reservoir

Farmers along the Amazon River each year face multiple natural hazards that threaten crop production and limit the potential for agricultural development of the expansive floodplain and active channel. In this paper we report the findings of a study of natural hazard-related risk associated with rice production on silt bars in the active channel of the Amazon River near Iquitos, Peru. Data were gathered in four rice producing communities in 2014 using household surveys (n = 83 households), focus group discussions, surveying of land elevations along the Amazon River, and interpretation of remote sensing imagery. The probability, extent, and severity of rice crop shortfalls were estimated for recent production years and the economic losses to farming households were also assessed. Our findings point to a very high risk of crop shortfalls due to natural hazards, suggesting that a good year brings rice farmers bounty and a bad year, near penury. River stage reversals (repiquetes) and edaphic conditions were found to be more problematic than the often cited hazard of high and/or early floods. Also surprisingly, farmers’ perceptions of hazards and risk diverged markedly from actual shortfalls experienced during the production years studied. Our results provide the first quantitative estimates of risk due to the multiple natural hazards along the Amazon River and point to the need to assist lowland farmers with risk mitigation so as to unlock the considerable potential of Amazon floodlands for agricultural production.     

水力冲刷过程中塌岸淤床交互影响试验

在弯道水槽中展开系列试验,研究水力冲刷过程中非粘性岸坡冲刷崩塌与河床冲淤交互作用过程及其影响因素,进一步分析塌岸淤床泥沙贡献率。试验成果表明,水流冲刷过程中岸坡破坏是水流淘刷岸坡坡脚、岸坡崩塌及崩塌体淤积坡脚并在河床上输移掺混的交互作用反复循环过程。塌岸淤床模式及掺混程度与近岸流速、主流贴岸程度、水位及河床边界条件等关系密切。近岸流速越大、水位越高,岸坡总冲刷坍塌量、河床总淤积量以及河床累计淤积率也越大,稳定后的岸坡越趋平缓;河床可动程度越大,岸坡总冲刷坍塌量及其在河床上的总淤积量也越大,但河床累计淤积率却越小;水位越高,在弯道段等横向输沙强度较大的地方,岸坡冲刷崩塌体与河床发生掺混的程度也越大。     

均质土岸坡崩塌与河床冲淤交互过程试验

在弯道水槽中展开系列试验,研究水力冲刷过程中均质土岸坡冲刷崩塌输移与河床冲淤过程及其影响因素。该过程及变化特征可描述为:水下坡面侵蚀及坡脚淘刷导致岸坡失稳崩塌;暂时堆积在凹岸坡脚处的崩塌体加剧附近水流紊动程度利于其输运与分解;分解后较粗的颗粒随弯道螺旋流以推移质形式被输移至下游凸岸落淤,较细的颗粒大部分都随水流以悬移质形式被携带至下游出口;水流结构随岸坡及河床变形而调整;如此循环往复。试验成果进一步表明:冲刷状态下,试验材料黏性越小、近岸流速越大、作用时间越长,岸坡冲刷崩塌量及河床冲刷量都越大;同条件下岸坡冲刷崩塌总量大于河床冲刷总量,且河床相对冲刷率随岸坡冲刷崩塌量的增大而减小,数值范围为0.40~0.92。     

断层对顶板稳定性影响相似模拟试验研究

通过相似模拟试验方法分析了不同倾向高角度正断层, 在采动影响下顶板岩体变形破坏和矿压分布规律。结果表明, 在采动影响下断层“活化”,断层带及其影响范围内的岩体破碎, 表现为周期断裂步距小, 冒落带高, 尤其是断层下盘, 顶板稳定性差; 当工作面开采到离断层面22.5~ 30 m时, 直到断层位置的前方煤体中支承压力增大, 煤体被压碎, 且随着距断层面距离的缩小, 支承压力的峰值位置向工作面前方转移; 通过断层后, 顶板岩体中支承压力减小, 比无断层存在的情况要低。     

岩溶(土洞)塌陷TDR监测试验研究

结合土洞的分布和形成演化的特点,采用具有分布式特点的同轴电缆时域反射(TDR)技术开展岩溶土洞监测研究。通过室内同轴电缆的抗拉、胶结同轴电缆的抗折等试验,以及在建高速公路上铺设方法的对比,得到以下结论:TDR用于野外岩溶土洞发育区的监测是可行的,但要求同轴电缆的拉断荷载低于200N,水泥砂浆的配比在1∶3～1∶4之间,且梁式胶结同轴电缆铺设方法较好。     

危岩崩塌启动机制离心模型试验研究

大型高陡危岩崩塌初始失稳过程短暂,难以在现场进行及时观测并获取有效数据,为此引入离心模型试验。以重庆甑子岩陡崖高陡危岩崩塌为原型,对危岩崩塌启动机制展开研究,获取关键数据,定量化验证甑子岩危岩失稳的关键影响因素,探索危岩崩塌的离心模型试验方法。试验较好地完成了对岩质崩塌初始失稳过程的模拟,当危岩模型底部区域抗压强度为60 kPa时,失稳时刻离心加速度为73g;当抗压强度降至40 kPa时,失稳时刻离心加速度仅为18g;对照组试验证明高陡危岩底部区域强度对其整体稳定性起控制性作用。试验模型中上部岩体的失稳方式与原型具有一定差异,分析认为其原因除试验因素引入外力作用之外,主要是由于模型材料没有考虑原型的节理裂隙与抗拉强度所致,这表明高陡危岩崩塌模式除受底部岩体强度控制外,还与中上部岩体性状密切相关。研究结果可为高陡危岩压裂溃屈失稳机制提供试验依据与数据支撑,对崩塌灾害机理研究具有重要参考。     

Alteration processes of cement induced by CO2-saturated water and its effect on physical properties: Experimental and geochemical modeling study

The objective of this study is to understand cement alteration processes with the evolution of porosity and hardness under geologic CO₂ storage conditions. For this study, the cylindrical cement cores (class G) were reacted with CO₂–saturated water in a vessel (40 °C and 8 MPa) for 10 and 100 days. After the experiment, the CO₂ concentration and Vickers hardness were measured in the hydrated cement core to estimate the carbonation depth and to identify the change in hardness, respectively. Diffusive-reactive transport modeling was also performed to trace the alteration processes and subsequent porosity changes. The results show that cement alteration mainly results from carbonation. With alteration processes, four different reaction zones are developed: degradation zone, carbonation zone, portlandite depletion zone, and unreacted zone. In the degradation zone, the re-dissolution of calcite formed in the carbonation zone leads to the increase of porosity. In contrast, the carbonation zone is characterized by calcite formation resulting mainly from the dissolution of portlandite. The carbonation zone acts as a barrier to CO₂ intrusion by consuming dissolved CO₂. Especially in this zone, although the porosity decreases, the Vickers hardness increases. Our results show that cement alteration processes can affect the physical and hydrological properties of the hydrated cement under CO₂-saturated conditions. Further long-term observation is required to confirm our results under in-situ fluid chemistry of a CO₂ storage reservoir. Nonetheless, this study would be helpful to understand alteration processes of wellbore cements under CO₂ storage conditions.     

Large-scale physical modeling study on the interaction between rockfall and flexible barrier

Flexible barriers have been widely applied in rockfall mitigation in recent years. However, the behavior of flexible barriers under the impact of boulders is still not fully understood. To investigate the interaction between a flexible barrier and a falling boulder, a large-scale physical modeling device has been constructed at a site in Hong Kong. Using this device, large-scale impact tests using boulders with different diameters were conducted. Test results are presented and analyzed in this paper. The motion of the boulder during impact is traced and analyzed. The impact forces on the flexible ring net and the supporting structures are measured and compared. From the comparison, the impact reduction rates (IRR) of boulders with different diameters are calculated. Moreover, a simple approach for estimating the impact loading of a boulder on a flexible barrier is proposed in this study. This approach is calibrated and verified using measured impact forces in the tests.     

先存薄弱带对帕米尔弧形构造带形成的影响：来自构造物理模拟实验的制约

帕米尔弧形构造带的形成与先存弧形薄弱带密切相关,这些先存薄弱带如何在印度-欧亚板块碰撞初期就被活化是地学界关注的科学问题。本文利用构造物理模拟实验,研究先存弧形构造薄弱带如何影响帕米尔弧形构造带的形成。本文依据相似性准则,设计了两组构造物理模拟实验,包括先存弧形薄弱带(对比模型)和先存弧形薄弱带加地壳滑脱层。实验结果表明:①先存弧形构造带上继承性发育从而形成帕米尔弧形构造带是完全可能的;②在先存弧形薄弱带而无滑脱层的情况下,变形逐渐由南向北传递,呈现典型的前展式的变形过程,最终变形到达先存弧形薄弱带的时间较晚;构造样式上主要表现为一系列南倾断裂控制的变形带不断向北增宽;所造成的地形格局总体上呈现向北单调递减的地形楔形态;③在先存弧形薄弱带而有地壳滑脱层的情况下,先存弧形薄弱带在变形初期就立即活化,之后变形带才表现出从推板向北逐渐传递的过程,最终当变形量足够大时,会在弧形薄弱带前缘形成前锋断裂;构造样式上,表现为一系列的冲起构造;所造成的地形格局总体上为山-谷相间的形态;④帕米尔北缘的先存薄弱带如果在新生代印度-欧亚板块碰撞初期就开始活化,必须存在滑脱层(解耦层)。该新生代早期的滑脱层是否存在、位于什么深度和界面仍有待于进一步研究。