降雨和库水位变化联合作用下边坡稳定分析及可靠度评价

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三峡大坝是世界上规模最大的水利水电工程之一,对我国能源安全及民生保障具有至关重要的作用。自三峡水库于2003年第一次开始蓄水试验以来,库岸两侧发生了多次滑坡现象,对当地居民生命财产安全及航道正常通行造成了极大的威胁。广泛认为,季节性降雨和周期性库水位波动是诱发库岸滑坡的两个重要因素。三峡水库地处降雨充沛地区,且库水位常年在145m到175m之间周期性波动,导致消落带内岩土体材料在不断地经历干湿循环变化,这种长期的地下水作用使得库岸边坡内岩土体材料的强度逐渐降低,进而削弱库岸边坡的稳定性,导致滑坡的产生。一直以来,三峡库区广泛分布的库岸边坡的稳定性受到众多学者的密切关注。本文在现有研究的基础上,开展降雨和库水位波动联合作用下合理考虑岩土体参数统计不确定性的库岸边坡稳定性可靠度研究,讨论了边坡稳定性潜在影响要素对理想边坡和三峡库区八字门滑坡的稳定性影响,主要研究内容如下:
  (1)在广泛阅读相关文献,总结已有工作的经验及针对本文主要研究对象的基础上,本文收集了大量数值模拟建模数据,包括非饱和土水力模型参数、抗剪强度参数分布特征、抗剪强度参数相关程度、降雨及库水位实测数据。
  (2)在极限平衡法及非饱和土力学理论的基础上,建立了理想库岸边坡有限元计算模型,分析了水位变化速率、土体类型、降雨强度、降雨持时、降雨模式、水位波动方向、累计降雨量及岩土体参数变异性对该理想边坡稳定性的影响。研究表明,对于排水性能较好的土质边坡,边坡稳定性更容易受降雨影响;而对于排水性能较差的土质边坡,边坡稳定性受库水位波动的影响更大,而且该影响也更为全面,与土体类型、波动方向、波动速度密切相关。库水位波动方向对岸坡稳定性有相反的作用,水位下降会对边坡稳定性造成很大的危害,而水位上升则对维护边坡稳定有积极作用。研究还发现,水位下降速度越快,则低渗透性岸坡的稳定性损失越多。抗剪强度参数c和?各自的离散程度比彼此间的相关关系对滑坡的影响更大,也即在用概率稳定性分析方法分析边坡稳定的时候,变异系数(COV)是一个十分值得重视的统计特征。在短期降雨条件下,降雨模式对边坡稳定性的影响相对次要。相比之下,累积降雨量及最大日降雨强度在诱发滑坡中起着更为重要的作用。
  (3)建立了三峡库区八字门滑坡的有限元计算模型,根据该处滑坡近三年的位移和水文监测资料,研究了降雨和库区水位波动共同作用下八字门滑坡的变形特征。通过统计分析和工程类比的方法,利用岩土模型计算滑坡稳定性的年周期变化和四个代表性阶段的失效概率。根据监测数据和整体稳定性分析,稳定性系数的年周期变化与库水位的波动吻合较好。降雨对八字门滑坡的稳定性具有暂时性和次要影响。最小稳定系数出现在库水位快速下降期。因此,每年3月至4月应是预警和风险管理的重点时段。四个代表性时期的概率稳定性分析表明,初始滑动面是控制八字门滑坡稳定性的关键区域。最大破坏概率随土体性质变异程度的增大而增大。不同深度土体的含水量和饱和度表明,降雨更容易诱发浅层滑坡,而库水位波动对临界滑动面影响较大,也即更容易诱发深层滑坡。
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