（岩土工程专业论文）山区水库塌岸机理模型试验及预测方法研究.pdf

摘要 在总结前人研究成果的基础上，依托交通运输部西部交通建设科技项目( 编 号2 0 0 8 3 1 8 7 4 0 0 6 ) 和重庆市自然科学基金项目( 编号c s t c 2 0 0 9 b a 6 0 0 1 ) ，通过调 查、试验和分析等手段，对山区土质库岸塌岸机理、影响因素及预测方法进行研 究。完成的主要工作及取得的成果如下： ( 1 ) 通过大量现场塌岸调查，查明了山区土质库岸塌岸分布规律及其影响因 素。在此基础上建立了7 类室内物理模型，包括坡角不同、岸坡材料不同、岸坡 形态不同及岸坡内部构造不同，通过室内模拟试验再现了不同影响因素下不同岸 坡结构时的塌岸变形破坏方式和演化过程。 ( 2 ) 进行了塌岸物理模拟试验研究，重点研究了不同因素对塌岸的影响，以 及岸坡体内浸润线随着库水位的变化特征。试验结果表明，水位变化越快，岸坡 越易发生破坏。参照郑颖人等对岸坡浸润线变化的理论分析方法，对均质岸坡内 浸润线的试验结果进行拟合分析，提出了浸润线计算的修正公式，并验证了其合 理性。 ( 3 ) 针对山区土质岸坡，在总结分析现有图解法的基础上，提出了改进的塌 岸预测方法。建议在实际工作中，充分考察库岸的岩土性质、库岸结构、地质构 造及塌岸影响因素后，采用合适的预测方法进行预测。 关键词：山区土质库岸；塌岸机理；物理模拟试验；浸润线；预测方法 a b s t r a c t b a s e do np r e v i o u sr e s e a r c hw o r k s ，a n df u n d e db yt w op r o j e c t sw h i c hw e r ef r o m t h es c i e n c ea n dt e c h n o l o g yp r o j e c to fc h i n e s em i n i s t r yo ft r a n s p o r tu n d e rg r a n tn o 2 0 0 8 318 7 4 0 0 6a n df r o mt h en a t u r a ls c i e n c ef o u n d a t i o np r o j e c to fc h o n g q i n g s c i e n c e t e c h n o l o g yc o m m i s s i o no fc h i n au n d e rg r a n tn o c s t c 2 0 0 9 b a 6 0 01 t h r o u g hs u r v e y s ，t e s t i n ga n da n a l y s i s ，t h ec o l l a p s em e c h a n i s m ，i n f l u e n c i n gf a c t o r sa n d p r e d i c t i o nm e t h o do fb ys o i lr e s e r v o i rb a n ki nm o u n t a i na r e a sw e r ei n v e s t i g a t e d t h e m a i nw o r k sa n dc o n c l u s i o n sw e r ef o l l o w i n g ： ( 1 ) b a s e do nm a n ys u r v e y s ，t h ec h a r a c t e r i s t i c so fd i s t r i b u t i o na n dd e f o r m a t i o no f b a n kf a i l u r e sw e r ei n v e s t i g a t e d 砀e7t y p ep h y s i c a lm o d e l so fb a n ks l o p e sw i t h d i f f e r e n ta n g l e s ，m a t e r i a l s ，s l o p es h a p e sa n dt h ei n t e r n a ls t r u c t u r e sw e r ee s t a b l i s h e d t h r o u g hm o d e le x p e r i m e n t s t h ec o u r s eo fb a n kc o l l a p s ew a sr e p r o d u t e d ( 2 ) c a r r i e do u ts i m u l a t i o no ft h ep h y s i c a lb a n kc o l l a p s e ，e s p e c i a l l ys t u d i e do n t h ed i f f e r e n tf a c t o r so nt h ei m p a c to fb a n kc o l l a p s e a n dv a r i a t i o no ft h eb a n k p h r e a t i cl i n ew h i c hc h a n g e dw i t ht h ew a t e rl e v e l t h ee x p e r i m e n t s r e s u l t ss h o w e d t h a t ，t h ef a s t e rt h ew a t e rl e v e lc h a n g e s ，t h em o r ev u l n e r a b l eo fb a n k d a m a g e c o n s u l t e dz h e n gy i n g - r e na n d0 t h e rs c h o l a r s st h e o r e t i c a la n a l y s i sm e t h o d w h i c hw a sa b o u tt h ev a r i a t i o no fb a n kp h r e a t i cl i n e ，a f t e rf i t t i n ga n a l y s i so fv a r i a t i o n o fh o m o g e n e o u sp h r e a t i cl i n es l o p ei nt h ee x p e r i m e n tr e s u l t s ，am o d i f i e df o r m u l af o r c a l c u l a t i n gi n f i l t r a t i o nw a sp r o p o s e d ，a n dv e r i f i e dt h er a t i o n a l i t y ( 3 ) c o n t r a p o s et h em o u n t a i n o u ss o i lr e s e r v o i rb a n k ，t h r o u g ht h ea n a l y s i so fa v a r i e t yo fg r a p h i c a lm e t h o ds u m n l a r y , a ni m p r o v e dp r e d i c t i o n m e t h o do fb a n k c o l l a p s ew a sp r o p o s e d i np r a c t i c a lw o r k ，w es h o u l df u l l ye x a m i n et h eg e o t e c h n i c a l p r o p e r t i e s ，r e s e r v o i r - b a n ks t r u c t u r e ，g e o l o g i c a ls t r u c t u r ea n df a c t o r sa f f e c t i n gr e s e r v o i r b a n kc o l l a p s e ，a n dc h o s ea na p p r o p r i a t e f o r e c a s t i n gm e t h o dt op r e d i c tt h eb a n k c o l l a p s e k e yw o r d s ：m o u n t a i n o u ss o i lr e s e r v o i r ；m e c h a n i s mo fb a n kc o l l a p s e ；p h y s i c a l s i m u l a t i o ne x p e r i m e n t ；p h r e a t i cl i n e ；p r e d i c t i o nm e t h o d 重庆交通大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究 工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人 或集体己经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体， 均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 弓次磐 日期：劢年仁月哆日 重庆交通大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。 本人授权重庆交通大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库进行检索， 可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本人学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并进行 信息服务( 包括但不限于汇编、复制、发行、信息网络传播等) ，同时本人保留 在其他媒体发表论文的权利。 学位做储躲石玖老指剥币躲撖去。 日期：沙f 。年月刁日日期：砂，o 年牛月 厂日 本人同意将本学位论文提交至中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社c n k i 系 列数据库中全文发布，并按中国优秀博硕士学位论文全文数据库出版章程规 定享受相关权益。 学位论文作者签名：cc 段磐 醐删啤m 7 日 指导教师签名： 日期：纠。年印月可日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 问题的提出 水能资源是我国经济社会的基础性资源和战略性资源，水能资源的可持续利 用开发是我国可持续发展战略的重要组成部分。随着我国国民经济的持续快速发 展和西部大开发战略的进一步实施，我国对水利水电资源的开发利用进入了前所 未有的阶段，水电利用出现了前所未有的高潮。 截止2 0 0 0 年底，我国已修建了水库8 5 1 2 0 座，其中大型水库4 2 0 座，中型水 库2 7 0 4 座，小型水库8 1 9 9 6 座【l 。2 1 。建成投入使用的长江三峡水利枢纽工程是我国 跨世纪的宏伟工程，是目前世界上规模最大的水利枢纽，它肩负着防洪、发电，航 运等重要功能，三峡工程的兴建特别是库区移民工程的兴建，使库区百万移民的 生产生活条件得到极大的改善。其库区位于长江上游湖北省宜昌市三斗坪至重庆 市江津之间，为典型的河谷型水库。三峡工程建成蓄水后水位在1 7 5 , - - - , 1 4 5 m 之间 调度，水位调幅变化达3 0 m ，形成的水库干、支流库岸总长5 3 0 0 k r n ，库区淹没涉 及重庆，湖北两省市的2 6 个县( 市，区) ，需要迁建2 座城市，1 1 个县城及1 1 4 个集镇。水库移民1 1 0 万人，主要采取就地后靠方式，少部分外迁。沿岸移民迁 建县、市级城镇1 3 座，乡镇级集镇1 1 6 个，村庄1 2 8 0 个。以滑坡为主的崩滑流 和水库塌岸( 岸坡再造) 是影响三峡水库移民工程安全的两类重大地质灾害问题。 在水库蓄水后，各类松散堆积层和软岩组成的库岸，受库水浸泡，风浪及船 行波浪冲击，水流侵蚀以及干湿交替等影响，使库岸岩土体风化加剧，抗剪强度 降低及库水位涨落引起库岸地下水动水压力变化而形成库岸侵蚀的再造变形，使 库岸不断后移，即水库塌岸，如图1 1 所示。 在已建成的水库中，由于库水的浸泡和水位的频起频落，造成库岸的土质条 件下降、土质变疏松、抗剪能力下降，土中的孔隙水压力升高，也很容易发生塌 岸。官厅水库当库水水位按照4 7 9 米运行的时候，库岸将发生不同程度的坍塌p j 。 三门峡水库河南段、潼三段自建成后两岸受水流冲顶、风浪冲刷，经常发生塌岸。 其中潼三段还发生过塌村，给沿岸群众生产、生活带来直接影响【4 j 。汾河水库，由 于库区黄土岸坡坍塌严重，导致泥沙直接人库，加上上游侵蚀来沙，致使库容已 淤积3 3 亿m 3 ，占拦沙库容的9 5 6 8 ，并侵占兴利库容0 4 8 1 亿，现存的库容 仅为初建时的一半。不仅污染了水源，更重要的是减少了人民的耕地【5 】。巢湖湖岸 崩塌的存在和发展，不仅吞噬大量耕地被，破坏工农业生产，而且还危及沿湖人 民财产安全旧j 。 第一章绪论 ( e 圈11 七质库岸坍塌示意图 f i g 1 1s c h e m a t i c d i a g r a mo f t h es o l lr 粼r v o l r b a n kc o l h d 三峡水库沿岸地质地貌条件复杂，且处于亚热带气候区，雨量充沛，且多暴 雨三峡水库修建以来，库区由于受三峡水库本身的蓄水水位升高和水库水位涨落 以及库水冲刷的影响，故塌岸、泥石流等地质灾害时有发生。由于这个地带古滑 豁 第一章绪论 坡分布甚多，地质灾害和人类活动等很容易使古滑坡带复活，产生更大的地质灾 害 7 1 。重庆3 4 1 段共1 4 3 1k m ，于2 0 0 9 年三峡大坝四期蓄水之前，必须进行有效 的防护【8 1 。 从以上实例中可以看出，水库塌岸具有巨大的危害性，能影响人民群众的正 常生活，给国家和人民带来直接的经济损失。总结起来，塌岸的危害主要体现在 以下几个方面：近库区的大型塌岸将产生大规模的波浪，危及水库大坝的安全； 引起古滑坡体复活，产生更大的危害；塌岸将危及沿岸主要城镇和工矿企业等建 筑物的安全；塌岸入库的土石将引起库水污染、引起水库淤积、减少库容、影响 水库的正常运行。还有可能产生碍航，影响水库的经济效益。 因此，非常有必要对山区库岸塌岸进行研究，借此对山区库岸塌岸机理及库 岸的稳定性有一定的认识，为山区库岸塌岸及塌岸的范围提供理论依据。由于库 岸发生再造主要发生在土质岸坡中，岩质岸坡几乎不会发生坍塌破坏，故本文主 要对山区土质库岸塌岸进行研究。 本文依托交通部西部建设科技项目( 编号：2 0 0 8 3 1 8 7 4 0 0 6 ) “山区库岸公路路 基稳定技术研究 子专题“山区水库塌岸预测与库岸路基稳定试验研究”、重庆市 自然科学基金项目( 编号：c s t c 2 0 0 7 b b 7 4 2 2 ) “土质岸坡塌岸机理与防治技术 和重庆市教育委员会科学技术研究项目( 编号：0 7 0 4 1 6 ) “水库塌岸稳定性评价 和预测方法 开展研究工作。鉴于目前山区库岸发生的坍塌及引发的灾害，山区 土质库岸塌岸机理及预测方法研究既可以为库岸发生坍塌的原因与范围提供合理 依据，也可以为库岸坍塌机理和防护治理设计方案选择提供充分的论证依据。同 时，目前人们对库岸塌岸的机理尚未完全弄清，使得库岸塌岸防治方案的选择、 设计和施工存在许多不确定或需要进一步研究的问题的存在。因此，论文选题对 保证库区人民生命财产安全，保证水利水电工程的正常运行，保护库区地质环境 和迁建城镇安全，推动地质灾害防治事业的发展，促进库区区域经济的可持续发 展具有重要的理论和现实意义。 1 2 国内外研究现状 结合本课题的研究内容，从以下六个方面总结和评述现有研究成果： 1 2 1 渗流作用下的岸坡稳定性研究 长期蓄水的水库，当库水位以太快的速度下降时，岸坡内孔隙水压力常常不 能很快消散，因而岸坡的浸润线高于库水水面。在这种情况下，渗流的动水压力 或渗透力的作用对岸坡造成浮起及下滑的趋势，甚至酿成滑坡事故。为进行岸坡 的稳定分析，需要确定库水位下降过程中各时段岸坡浸润线的位置，而浸润线的 确定恰是其中的重点和难点。 4 第一章绪论 ( 1 ) 影响浸润线下降速度的因素 浸润线下降的速度，一般决定于库水位下降的速度v 、岸坡土体的渗透系数k 以及土体的给水度肛等因素，与岸坡岩土体的地质结构特别是临水面的排水条件 也有很大关系。其中土体的给水度p 表示单位体积土体在饱和含水情况下水位下 降后排出的水量，又称土体的排水孔隙率。其值大小取决于土的性质、密实程度 以及排水的时间等因素。 ( 2 ) 库水位降落速度及其衡量标准 由模型试验的相似分析可知，在几何相似条件下，当比值k ( v ) 为某一常值 时，浸润线下降到相同的位置。在已有的研究成果中，大多数学者都用该比值作 为库水位降落快慢的指标，来判别对岸坡及土石坝坝坡稳定性的影响。很明显， 如假定渗流坡降j = 1 ，肜表示了坡体水流质点的真实渗流速度，( k 。u ) v 也 可理解为土体孔隙中水质点降落速度与库水位降落速度间的比值关系。 当k y ) 寸0 时，坡体内自由面在库水位下降过程中就接近不变动，自然属 于库水位骤降；当k i ( g v ) _ o o 时，自由面下降速度几乎和库水位降落相同，因坡 体内孔隙水压力很快消散对岸坡稳定也自然不存在影响，因而是属于库水位极缓 慢下降。但由于所研究的岸坡结构和排水条件不同，各家给出的判别库水位降落 快慢的指标数值不完全相同。 根据对上游坝坡排水条件不好的均质坝体和心墙砂壳坝的分析计算结果，可 以规定：k v ) 6 0 时为缓慢下降，此时坝体自由面保持有总水头的1 0 以下，已不 致影响坝坡，因此一般不需要进行不稳定渗流的计算。 只有在1 1 0 k ( g v j 6 0 的范围内，浸润线的下降介于上述两种情况之间， 为进行坝坡稳定分析，应按照缓降过程计算浸润线下降的位置。 ( 3 ) 库水位骤降时的边坡稳定分析方法 1 9 6 3 年m o r g e n s t e m 9 在研究库水骤降时，运用了1 9 5 4 年b i s h o p 的假定，即 在库水骤降时，不考虑坝体中孑l 隙水压力的消散，假定孔隙压力比否为1 。对于这 个假定，一些学者对一些坝体进行了调查量测，观察结果证明这个假定对于库水 瞬时骤降的情况下是合理的。如1 9 4 8 年g l o v e r 等对a l c o v a 坝进行试验，得到的 结果与1 相比，其平均误差在6 以内；1 9 6 0 年p a t o na n ds e m p l e 对g l e ns h r a 坝 的研究表明，用实测的孔隙压力计算得到的稳定系数比假定孔隙比等于1 得到的 稳定系数大1 0 左右。在这样的假定下，浸水坝体中的流网简化成图1 2 所示的流 第一章绪论 5 网，1 9 4 8 年t e r z a g h i 和p e c k 也曾建议用这样的流网近似地估算水位瞬时下降情况 下的孔隙水压力。在这种流网情况下，坝体中的孔隙水压力就可以表述成下式 “= y w h ， ( 1 1 ) 式中：y 。为水的重度，为计算点到坡面的高度。 图1 2 库水位骤降时的流网 f i g 1 2t h es t o i i e h o u s e 、) i r a t e rl e v e lp l u m m e t st l l et i m ed r i f tn e t 在用式( 1 1 ) 确定孔隙水压力的基础上，m o g e n s t e m 采用了一个无量纲的参数 制定出了库水骤降情况下均质、简单边坡的稳定分析图表。在图表的制定过程中， 假定初始水位与坝顶平行，坝体处在完全淹没状态。通过这些图表可以直接确定 库水完全骤降情况下的最小安全系数，对于部分骤降的情况由于不能确定最小滑 弧位置，所以不能给出最小安全系数。 由于粘性土的渗透系数较小，库水骤降时土中的水来不及排出，因此可以认 为库水骤降时坝体是不排水的。众所周知，饱和粘性土在不排水条件下提供的抗 剪强度只和加荷以前的孔隙比有关，与加荷过程和破坏时的总应力无关。根据这 个原理，美国陆军师团手册中提出了一种方法，该方法的分析步骤与陈祖煜教授 提出的库水骤降时边坡稳定分析的总应力法完全一致。按照这个方法，其分析步 骤如下： 1 ) 相应于库水位骤降前的水位，计算滑裂面上各土条底的法向有效应力即 式( 1 2 ) 中的仃； f ，= c 翻+ 盯：t a n 缈似 ( 1 2 ) 式中：f ，一土体的抗剪强度，k p a ： c 。、伊。一固结不排水剪总强度指标，k p a ，。； 仃j 一库水位降落前的法向有效应力，k p a 。 2 ) 相应库水位骤降后的水位进行稳定分析，此时根据式( 1 2 ) 确定f 厂，然后取 = 0 ，吒= r r 进行常规的条分法分析。 总应力法分析时，无需绕一个弯，先设法确定滑裂面上的总应力和孔隙水压 6 第一章绪论 力，然后确定抗剪强度。而是直接由下降前的状态确定抗剪强度，无需计算骤降 后的孔隙水压力。这样的计算简化了库水骤降时坡体稳定分析的过程，更加便于 工程应用。 ( 4 ) 库水瞬态下降方面的研究 库水的骤降和缓降是库水下降中的两个极端情况，这样假定可以避免复杂的 渗流分析，便于工程应用。对于实际工程来说，多数是处在骤降与缓降之间，对 于这种情况可以用保守的方法采用骤降来分析，但这样会造成投资增加。为此一 些学者对库水瞬态下降进行了初步研究。1 9 7 2 年d e s a i 用有限元法分析了河水下 降时河岸中的渗流情况，有限元分析中假定渗流通过刚性多孔介质，土颗粒是不 可压缩的，并且剪切变形不引起孔隙压力的改变。1 9 7 7 年又将有限元应用到坝体 承受库水瞬态下降的稳定分析中，用有限元确定坝体中不同时刻浸润面的位置， 然后用瑞典圆弧法分析了密西西比河( m i s s i s s i p p ir i v e r ) 河岸的稳定性，并采用 了一些无量纲的参数绘出了简单均质边坡在河水等速下降情况下稳定系数的计算 图表，供工程设计人员使用。分析中考虑了下降速度与材料渗透系数的比值，但 他认为这个因素对坝体稳定来说是次要的，也就是说渗流对形成坝体的破坏来说 是次要的，认为这样得到的安全系数比骤降得到的安全系数大2 - - - 8 ，依此结果 进行工程设计可以节约经费。而l a n e 和g r i f f i t h s 用有限元法与之进行了对比，认 为库水下降条件下的影响大于d e s a i 的结果，有些情况下可高达4 0 。 2 0 0 0 年l a n e 和g r i f f i t h s 1 0 】将强度折减有限元法应用到库水下降情况下坝体的 稳定分析中，可以自动分析计算库水作用下坝体中的孔隙水压力，并将其应用到 坝体的稳定分析中，能够考虑各种复杂的边界条件和材料特性，更能模拟坝体的 实际情况。土的抗剪强度是土抵抗外部荷载的能力，它是有效应力的函数，有效 应力又取决于每一点的孔隙水压力，孔隙水压力可以根据历史条件或现场量测得 到。用有限元分析骤降问题时，首先指定浸润面与原始水面相同，但是库水的面 荷载仍然由库水位决定，这时的库水位低于坝体中的自由面。为了便于比较，他 分析了两个极端情况，即完全淹没和完全排水两种情况，得到的结果与b i s h o p 和 m o r g e n s t e r n ( 1 9 6 0 ) 1 1 j 以及m o r g e n s t e m ( 1 9 6 3 ) t 9 的结果非常吻合。有限元非稳定 渗流的分析结果表明：当下降比为o 7 时坝体的稳定系数最小。产生最小值的原因 是土的自重和抗剪强度随库水位的下降是变化的，在初始阶段( o 7 ) ，抗剪强度的增加大于重量的增加，稳定系数就增大。1 9 9 7 年l a n e 和g r i 伍t h s 在对某边坡的分析时曾发现这个情况，坝体在干燥状态或完全 淹没状态下，坝体是稳定的，当库水下降比为o 7 时，坝体的稳定系数小于1 ，坝 体变得不稳定。 第一章绪论 7 除了上面介绍的以外，有许多学者 b r o w z i n ( 1 9 6 1 ) 、b r a h m a 和h a r r ( 1 9 6 3 ) 、 n e w l i n 和r o s s i e 等 也用数值方法做过一些类似的研究，这些研究虽然考虑了渗流 的影响，但仅考虑饱和渗流，并且没有考虑土的压缩性。实际上，库水下降过程 中，坡体中的土是从饱和状态向非饱和状态变化的，在此变化中，孔隙水压力减 小，基质吸力增大，土体的贮水系数与渗透系数都随基质吸力的变化而变化。将 试验得到的水土特性曲线以及渗透系数与基质吸力的关系应用到饱和与非饱和土 的分析中，才是比较符合实际的，f r e d l u n d 教授在这方面做了有益的工作，并编制 了相应分析程序，该程序从理论上来说比较完善，但计算需要较多的试验数据， 如水土特性曲线、吸力与渗透系数的关系曲线，对于这些关系需要试验才能确定， 将其应用到科学研究中是很精确的，但将其应用到实际工程中仍存在一些问题。 1 2 2 水一岩土体相互作用研究 水( 地下水和地表水) 的作用全面地影响岩土体力学系统，由于水的存在使系统 中的力学参量之间相互影响，相互促进，从而改变力学系统的各个参数及力学行 为。水的存在和作用使有效正压力减小，抗滑力下降，土体稳定性降低。我们都 知道，岩土体抗滑能力主要由两部分组成，内摩擦角引起的抗滑阻力和粘聚力引 起的抗滑力。水渗入滑体，使岩土体处于饱水状态，这样不仅降低了粘聚力的抗 滑性，更重要的是减少了岩土体内摩擦角，降低了土颗粒之间的摩擦阻力，因而 岩土体抗剪强度大大降低。 水岩相互作用( w a t e r - r o c ki n t e r a c t i o n ，简称w r i ) 这一术语由水文地球化学学科 的奠基人之一、前苏联a m o 。h m h h m 。于2 0 世纪5 0 年代提出。沈照理【1 2 j 对水岩 相互作用的研究历史进行了回顾总结并对水- 岩相互作用能够取得创新成果的领域 进行了展望。王士天等【l3 】以大量的实际资料及深入的研究成果，较全面的论述了 大型水域的水岩相互作用及其导致的地质灾害。对水库地区的水- 岩土体作用的类 型及特征进行了总结，参见表1 1 。汤连生【1 4 d8 】通过试验分析了水岩土力学效应的 机理，从水岩化学效应以及水岩断裂力学效应方面对对岩土体成灾及对环境效应 的改变做了深入的研究，并探讨了水- 岩土反应环境力学效应的研究思路、方法及 相关的应用。钟声辉【1 9 】从分析水岩体系中边坡稳定性的概念模型入手，探讨有地 下水渗流效应的边坡稳定性分析模型，考虑了结构面腐蚀及渗流场动态变化对水 岩综合体系静力学平衡的影响后提出了透水的饱水带边坡稳定性预报方法，并结 合实例进行边坡稳定性的预报，取得了良好的效果。廖秋林等【2 0 1 针对川藏公路1 0 2 滑坡段对水岩土体作用的决定性影响因素进行了分析，并根据影响因素对1 0 2 滑 坡段的稳定性进行了计算分析，得出了水岩作用制约着滑坡体的形成与演化规律 ( 参见图1 3 ) 。徐则引2 1 】对水- 岩化学作用的综合机理进行了阐述及其对斜坡演化 的综合贡献进行了评估。王思敬等 2 2 】对水库地区水环境系统的变化及水岩作用类 第一章绪论 型和机制进行了总结归纳，并在此基础上讨论了水库区地质环境的变化和环境灾 害的发生，提出以水环境变化和水岩作用为中心的水库地质环境评价和灾害预测 的研究方向。马水山等【2 3 】从水岩作用的材料力学效应、水力学效应、化学效应及 地震效应4 个方面对某一滑坡体的水岩作川机制进行了分析，认为前3 种作用机 制对滑坡体的变形演化与复活关系最为密切，并在此基础上，对滑坡体变形机理 进行了综合分析，分析认为，滑坡发育的基本条件有软硬相间的有利地层结构、 地质构造条件等；滑坡发育的诱发因素有降雨、水库蓄水及人类活动等。 表1 1 水库区水岩作用的类型及特征n 3 3 t a b l e1 1t y p e so fw a t e r - r o c ki n t e r a c t i o n n 3 1 水库的部位水岩作用类型作用特征 软化及泥化作用通过提高上石的含水性而降低其强度的物理作用 干缩，湿胀与崩解通过改变上石的含水性而恶化其性质的物理作用 库岸及渗透变形通过水流带走土石中的细小颗粒而降低其承载能力的物理作用 枢细反冰冻膨胀作用通过水冻结成冰，产生体积膨胀而使裂隙劈裂的物理作用 浅部岩体 化学潜蚀与溶蚀通过带走土石中的可溶性成分。而恶化其工程性质的化学作用 动水( 或渗透) 压力 通过水的渗流对土体施加一定推力的力学作用 空隙水压力效应通过减小岩土体在破坏面上有效正应力而降低强度的力学作用 水力冲刷作用通过强烈的水流冲击而使岩土体破坏的力学作用 坝下游边坡雨雾浸润导致的 及河床软化、泥化及空隙 水压力效应 荷载作用是一种库水以面荷载的方式作用于库盘的力学作用 空隙水压力效应 库盘较深部 水热与气化膨胀地表水渗漏到地下深处与高温岩体接触而产生的吸热膨胀或汽 岩体作用化膨胀 应力腐蚀作用承载的硅酸盐岩遇水后，岩体内原有裂隙端部的拉应力集中， 会使其硅氧键发生加速的水化作用，并使其强度随之而降低 第一章绪论 9 水 i 7 i 岩土体 r 地形地貌 上t i 气候，气温 降雨特点力学参数物理参数 岩性结构坡度，坡形 滑坡的形成发展 一 刊 滑坡发生 图1 3 滑坡岩土体的水岩作用把们 f i g 1 3t h ew a t e r - r o c ki n t e r a c t i o ni nl a n d s l i d eb o d y 2 0 】 1 2 3 塌岸的影响因素及塌岸类型的划分 1 2 3 1 影响因素 左建等【2 4 l 将水库坍滑因素归纳为三个方面，即： ( 1 ) 地形条件。 山区和平原河流，水库坍岸所造成的影响有很大的差别。低平的平原岸坡很 少有坍岸作用。而山区坍滑是很普遍的。 ( 2 ) 水库岸坡的地层岩性及地质构造条件是影响坍滑的内因。 各种岩土边坡具有不同的抗剪强度和抗冲刷能力，它们决定着最终坍滑的范 围、作用强度和坍滑类型。 ( 3 ) 库岸坍滑的外因。 水库水位升高、水文地质条件改变、岩土物理力学性质恶化、岩体内的抗剪 强度降低、浮托力增大等。 刘红星【2 5 1 等认为影响岸坡稳定的因素很多，大致可划分为：地质因素、河流 及水动力学因素、水文气象因素等自然的以及人类活动因素等4 大类、1 0 个方面， 这些方面又包含着许多具体因素，详见表1 2 。 地质因素中对岸坡稳定起着决定作用的最主要因素是岸坡因素。当土体长期 处于饱和时，其土体强度( c 、驴) 降低，岸坡稳定性也随之降低；地下水对岸坡的 稳定有直接的影响，不同的地下水类型，补给量的大小、排泄速度以及不同季节 与江水之间的补排关系等等，都会导致水压力的变化，从而影响到岸坡稳态的变 化；河流及水动力因素对于岸坡稳定也有重要的作用，可以说岸坡稳态的变化是 河流及水动力直接作用的结果；水文及气象因素中流量的大小、泥沙特性及水位 高低、涨落幅度等方面的变化往往引起岸坡形态的改变或导致崩岸的发生，而降 雨时间集中、周期较长、降雨量的增大( 特别是暴雨期) 等都会导致河床水流量的增 大、水位的抬高、地表水人渗量增大、土体强度降低等一系列变化，从而导致岸 1 0 第一章绪论 坡稳态的变化。人类活动因素可以直接改变岸坡的稳定程度，不当的人类活动方 式，将引起岸坡稳态的恶化或直接造成失稳。 宋岳等【2 6 】在分析官厅水库塌岸因素时候，根据多年来水库塌岸的发展和塌岸 对经济环境的影响将官厅水库塌岸分为严重塌岸段，中等塌岸段和轻度塌岸段。 其中严重塌岸段一般为土质岸坡。通过对水库塌岸产生的原因分析，影响水库塌 岸的因素主要有：岸坡物质组成、岸坡形态与方向、波浪、库水位变化、库岸流、 冻融、水流冲刷、水库淤积等。并对各种影响因素做了细致的分析，如下： ( 1 ) 岸坡物质组成及土层性质是影响水库塌岸的内在因素。 由碎石土、砂砾石组成的岸坡，抗冲刷能力较强，塌岸速度缓慢；由黄土状 土、砂壤土及粉砂组成的土质岸坡，抗冲刷能力差，塌岸速度较快。 表1 2 影响岸坡稳定因素分类 t a b l e l 2f a c t o r sa f f e c t i n gb a n ks t a b i l i t yc l a s s i f i c a t i o n 大类类号名称原因 1 地层岩性因素内因 2 岸坡冈素 地质因素 3构造因素 4 地下水 5 河道及河势特征内因一外因 河流及水动力因素 6 水动力因素 7 水文因素 水文及气象因素 8 气象因素外因 9 不当的活动因素 人类活动因素 1 0 工程措施 ( 2 ) 岸坡形态与方向对塌岸的影响。 主要表现在岸坡越高，坡度越陡，塌岸越严重；弯曲的库岸较平直库岸易发 生塌岸；凸岸较凹岸塌岸更严重；与风向垂直的岸坡较其它方向的岸坡塌岸严重。 ( 3 ) 波浪对塌岸的影响。 主要表现为波浪对岸壁土体的淘蚀，和对塌落物质进行搬运。 ( 4 ) 水库水位发生变化，波浪的影响范围也随之变化。 随着库水位上升，一方面使原来的水上浅滩处于水位以下，促使浅滩再造， 并使库水直接作用于岸壁，从而加速塌岸的进程；另一方面库水位升高使水深加 大、水面加宽，在同样风速条件下，波浪对库岸的破坏作用更强。 第一章绪论 ( 5 ) 库岸流可对库岸产生冲刷，并对塌落物质进行搬运，加速塌岸进程。 ( 6 ) 岸坡土体孔隙和裂隙中的水结冰后体积膨胀，产生冰劈作用，并破坏了 土体结构，解冻后，土体强度降低，致使岸坡发生破坏。 ( 7 ) 水库淤积，加快了浅滩的形成，抑制了塌岸的发展。 总体来讲，引起水库岸坡变形与失稳的因素可归结为三方面【2 7 。2 8 】，即材料力 学效应、水力学效应和机械作用。材料力学效应主要是库水对岸坡岩土体及结构 面强度的弱化作用。天然状态下处于非饱和带的岩土体，蓄水后在库水浸泡条件 下，强度会有较大幅度的降低【2 乒3 0 】，原先稳定的岸坡就可能产生失稳现象；从水 力学角度分析，库水对岸坡的不利作用体现在两个方面，即静水压力和动水压力。 在大多数情况下，水库蓄水时，岸坡坡脚首先被淹，斜坡稳定性总体呈现下降趋 势【3 。在库水降落过程中，坡体内形成渗透压力，直接增大下滑力 3 2 - 3 3 】；水力机 械作用包括浪蚀作用、波浪及岸边流的搬运作用，虽然它造成的一次性破坏规模 较小，但作用的面较广，且可以为岸坡的后退提供必需的临空条件【3 4 】。 通过以上给你分析可以看出水库岸坡坍塌是各种因素综合作用的结果。其中 岸坡的地质构造以及地层特性是构成水库塌岸的内因。同时库水水位变化和地下 水也对岸坡稳定有一定影响。分析库岸塌岸机理一定要抓住影响库岸稳定的内因， 这样才能清楚正确的认识到库岸坍塌的机理，从而正确的预测水库塌岸和采取正 确合理的防治措施。 1 2 3 2 塌岸类型的划分 汤明高等【3 5 】对三峡库区的典型塌岸模式做了细致的调查，将塌岸模式分为五 大类：冲蚀磨蚀型、坍塌型、崩塌( 落) 型、滑移型、流土型。有的类型还可以 再进行细分。具体可以总结为表1 3 。 唐辉明【3 6 】将水库塌岸分为渐进式和突发式。这只是对水库塌岸模式的比较粗 略的分类，大致可以和汤明高所分的类型对应上。 综上所述，许多学者已经深入研究了水库塌岸的模式，并且对于这一问题有 了比较清楚的认识，为正确认识水库塌岸机理和采取良好的防治措施打下了良好 的基础。塌岸的发生往往具有突发性，因此它的危害相对来说也就比较大。做好 塌岸预测就显得非常重要，而塌岸预测是建立在对塌岸机理的非常清楚的认识的 基础之上的。并且通过上述分析可以看出：土质库岸特别容易发生塌岸灾害，因 此研究土质库岸的塌岸就显得非常重要。 1 2 4 塌岸机理研究 现阶段，水库塌岸调查采用的技术方法主要还是参考崩塌、滑坡的调查方法， 具有一定的局限性。如此一来，经验不足的工程技术人员往往抓不住水库塌岸过 程的实质，而当作一般的边坡稳定问题来对待，例如不管什么类型的塌岸，都当 1 2 第一章绪论 表1 3 三峡库区典型塌岸模式 t a b l e l 3t h et y p i c a lb a n kc o l l a p s em o d e lo f t h et h r e eg o r g e sr e s e r v o i r 特点 类型 分类特点总特点 冲近似河岸再造、非淤积且稳定性 蚀较好的岸坡中普遍存在：一般发 磨 生在地形坡度较缓的土质岸坡及 蚀软岩岩质岸坡的残坡积层和强风 型化带；缓慢性、持久性。 最终表现为阶梯斜坡状。破坏高垂直位移大于水平位移；分布范 冲蚀狼坎型 度与风浪爬高有明显的对应关系围大、涉及岸线长。一般发生在 坍 坍塌后退速度快、后退幅度大、 地形坡度较陡的土质岸坡内。 塌坍塌后退型分布岸线长、持续时间长。多呈具有突发性，特别容易发生在暴 型条带状少数为窝状。具有突发性。雨期和库水位急剧变化期 周围土体由四周向中心发生变形 塌陷型 破坏 岩体沿着节理裂隙面发生崩塌或 一般发生在岩质岸坡的强风化或 块状崩踏( 落) 型 崩落 强卸荷裂隙带内；具有突发性 崩 岩层是倾向坡内的，岩层的倾角 软弱基座型一般小于1 5 。坡体结构为上硬下 塌 软 型 上部砂岩受重力作用沿着近直立 凹岩腔型的裂隙产生拉裂破坏容易出现渐 退式的塌岸破坏现象 古滑坡复活型岸坡岩土体向临空方向发生整体 深厚松散堆积层 成因的深厚层堆积体，出现浅表 滑移 部蠕滑变形或前缘局部滑移变形 滑浅表部滑移型 的现象 移 沿基一覆界面滑移堆积体沿着基一覆界面发生整体 型 型性滑移 基岩顺层滑移型 库岸再造类型的塌岸规模一般较 流土型小，仅在第四系松散堆积层岸坡 中可见。 第一章绪论 作滑坡来进行稳定性分析和计算，并依此开展塌岸治理工程设计，其结果或偏于 安全或会带来工程隐患。 国内外对于塌岸机理和塌岸演化过程的研究不多。研究塌岸机理的方法有试 验研究和理论研究两类。现将各个学者的研究做个归纳。 黄涛等【3 刀通过室内模型试验，研究了地表水入渗情况下带软弱夹层均匀土质 边坡的稳定性问题。邓卫东等【3 8 】对了平坦地基( 地基为土或岩石) 和斜坡地基( 地 基为土或岩石) 两种情况下的路堤边坡进行了雨水渗流模型试验研究。周顺华等【3 州 对水下粉砂质和细砂质边坡的稳定性进行了离心模型试验研究。徐光明等1 4 u j 采用 土工离心模型试验对岸坡稳定性进行了研究，试验中考虑蓄水、地震等多种工况。 高长胜等】对堤防边坡的稳定性进行了离心模型试验研究，分别进行了模拟竣工 期、蓄水和水位骤降，以及破坏性试验三种工况的试验。郑颖人等【3 3 j 指出，边坡 中的地下水对坡体的稳定系数起着决定性的作用，并推求了库水位下降时坡体内 浸润线的简化计算公式。张文杰等【3 2 】从非饱和土的渗流和抗剪强度理论出发，指 出土体的饱和渗透系数和土水特征曲线共同决定了水位升降时岸坡内孔隙水压力 的大小及分布。包太【2 8 等通过水压力不同的分布方式边坡裂隙中可能发生的水锤 效应相耦合，分析了边坡失稳的机理及稳定性。刘才华掣4 2 】通过莫尔一库仑强度准 则描述了孔隙水压力对土体应力状态的影响，及在水浸后的岸坡稳定参数的弱化 情况下，库岸容易发生失稳。 s h e n g w e nq i 等m 3 j 认为水库蓄水是滑坡再发生的触发因素。当水库蓄水后，会 使岸坡土体内的空隙水压力发生变化，在这种情况下，渗透性好的土体更容易稳 定。当岸坡土体油不饱和状态转到饱和状态时，土体的粘结力和内摩擦角都要变 小，其中粘结力的变化要明显很多。 程昌华，邓伯强m 1 ( 1 9 9 6 年) 曾开展了影响库岸坍塌的水动力特性研究，并选 取三峡工程重庆段库岸为原型，通过模型试验研究，分析了库岸坍塌变形与波高、 岸坡坡度、岸坡土质等要素间的关系。卢桂兰【4 5 1 ( 2 0 0 2 年) ，李永乐m ( 2 0 0 3 年) 曾 对河南三门峡库区塌岸进行了成因分析。卢桂兰主要从水力作用，波浪冲击，水 的浸泡，水位升降及河势变化等方面进行分析。李永乐主要从地质环境，地形地 貌，地质结构和岩土特征以及水力条件( 大气降水、地表水和地下水) 等方面开展了 - - i 峡水库塌岸成因分析。缪吉伦 4 7 ( 2 0 0 3 年) 认为水库塌岸是由水、土、风等因 素造成的。其中土质的好坏是塌岸的内在因素，水则是塌岸的主要外力因素。水 流因素是造成河段崩岸的重要外在条件，主要反映在主流顶冲，弯道环流动力作 用及高低水位的突变等。此外，地质因素、河床边界条件、风浪淘蚀、可液化土 体均是产生塌岸的重要因素。由于河床组成，河岸边界条件的不同，各河段崩塌 的具体原因又有所不同，即可能的情况为：在同一河段，水流因素是崩塌的主要 1 4 第一章绪论 原因，其它因素仅起着次要作用；对另一河段，水流因素可能不是主要的，而河 岸组成或其它因素则是造成崩岸的主要原因。 张奇华【3 1 】等( 2 0 0 2 年) 开展了三峡库区奉节段库岸蓄水再造研究，根据奉节段 库岸岸坡的空间几何形态、岩土体特性、现有变形堆积体性质、蓄水后水位及地 下水变化特点，将库岸再造形式分为：冲刷塌岸型、整体滑移型、岩坡崩塌型。 宋岳【2 6 】等( 2 0 0 4 年) 开展了官厅水库塌岸影响因素分析，认为塌岸是指水库岸坡在 波浪、库水位变化、冻融、水流冲刷等外力作用下发生坍塌的现象。其影响水库 塌岸的因素主要有：岸坡物质组成，岸坡形态与方向，波浪，库水位变化，库岸 流，冻融，水流冲刷，水库淤积等。 高超【4 8 】等( 2 0 0 5 年) 开展过巢湖崩塌岸成因初步研究，收集了巢湖1 9 5 7 2 0 0 3 年气象、水文资料，利用巢湖地区多时相航空、航天遥感数据，结合环湖野外地 质地貌及水位调查，从自然因素与人为因素两方面分析了巢湖湖岸崩塌的成因：多 组北东向、北西向断裂构造宏观上控制着巢湖塌岸分布，地层岩性微观上影响崩 塌程度；降水、风速和风向等气象因素影响水位变化，进而造成湖岸崩塌的时段性； 人类生产生活特别是对巢湖大闸不合理调控等人为因素影响造成了水土流失、泥 沙淤积，进而抬高水位，亦是