（地质工程专业论文）波浪作用下水下岩质边坡稳定性模型试验分析.pdf

摘要 摘要 在水域宽大的湖泊、高陡的河流，特别是水库蓄水后的库区，原先已趋于 稳定的自然或人工岸坡，被水浸泡后并在波浪的周期性高频作用有可能丧失稳 定。而目前对于水下边坡稳定方面的研究主要集中在库岸坍塌和海底边坡方面， 对波浪作用下斜坡的稳定也主要关注土质斜坡和散体斜坡，对波浪作用下岩质 边坡稳定性的研究尚处于探讨阶段，因此，研究水下岩质边坡模型试验技术： 波浪冲击下岩质边坡的破坏机理、边坡破坏形态：波浪冲击对岩质边坡的附加 作用及其特征；波浪作用下岩质边坡稳定的预测及评价等等一系列问题将具有 十分重要的意义。 本文在结合岩石力学实验模拟技术以及港口、海洋工程水力模型试验理论 相关知识基础上，探讨水下岩质边坡稳定模型试验方法。通过设计制作边坡模 型及试验方案，在水槽中进行了不同波浪参数组合冲击下岩质边坡坡度为6 0 。 结构面倾角4 5 。和边坡坡度为4 5 。结构面倾角3 0 。两组模型试验，分析了边坡 坡面最大正向波压力的计算方法和结构面内孔隙水压力的变化规律，得到了一 些有意义的结论：( 1 ) s a i n f l o w 简化公式基本能反映斜坡面上波压力的分布规律， 在计算斜坡面上波压力时，可通过对s a i n f l o w 简化公式的修正得到较为精确的 波压力解；斜坡坡度愈接近直墙，运用s a i n f l o w 简化公式计算斜坡面上波压力 误差愈小；( 2 ) “活塞式 运动影响结构面内毛细水内的孔隙水压力变化；( 3 ) 结构面内孔隙水压力随波高，波周期和结构面倾角的增大而增大；孔隙水压力 变化幅值大致从坡顶到坡脚逐渐增大；( 4 ) 结构面孔隙水压力变化规律大致以 波浪作用稳定阶段为轴，波浪作用前期和后期阶段为镜像的变化规律；波浪作 用的后期阶段波周期、波高较大时孔压消散较明显；( 5 ) 在结构面倾角较大、 周期较小、波高较大时边界水流运动较剧烈；并分析了波浪作用过程中岩质边 坡失稳的波浪作用因素。 关键词：岩质边坡，波浪，模型试验，波压力，孔隙水压力 v a b s t r a e t ab s t r a c t t h ei n i t i a ls t a b i l i z i n gn a t u r a lo ra r t i f i c i a ls l o p e s ，a l o n gl a r g el a k e s ，s t e e pr i v e r s ， e s p e c i a l l yt h er e s e r v o i ra r e a sa f t e rs t o r i n g ，a l el i k e l yt of a i la f t e rb e i n gi m m e r s e di n w a t e ra n dp u s h e db yac y c l i c a lh i g h f r e q u e n c yw a v ef o r c e s of a rt h eu n d e r w a t e r s l o p es t a b i l i t ys t u d i e sm a i n l yf o c u so ns t a b i l i t ya n a l y s i so fr e s e r v o i rb a n k sc o l l a p s e a n ds u b m a r i n es l o p e s , a n dc l a ys l o p ea n dl o o s es o i ls l o p e sc o n c e r n e dw i t hs l o p e s t a b i l i t ya n a l y z i n gu n d e rt h ew a v ef o r c e t h es t u d yo nr o c ks l o p e ss t a b i l i t ya n a l y z i n g i sa tt h ei n i t i a ls t a g e ，t h u ss t u d yo fr o c ks l o p em o d e l i n gt e s tt e c h n i q u e s ，r o c ks l o p e f a i l u r em e c h a n i s mu n d e rw a v ea c t i o n ，t h ef a i l u r em o d e s ，a n dt h ei n f l u e n c eo ft h e w a v ef o r c eo nr o c ks l o p e sa sw e l l 豁t h es t u d yo nt h ep r e d i c t i o na n de v a l u a t i o no f r o c ks l o p es t a b i l i t yw o u l db eo fg r e a ts i g n i f i c a n c e t h i s p a p e r , c o m b i n i n gw i t ht h ee x p e r i m e n t a l r o c km e c h a n i c ss i m u l a t i o n t e c h n i q u e s ，a sw e l la st h et h e o r yo fb a s i ck n o w l e d g eo np o r t s ，m a r i n ee n g i n e e r i n g h y d r a u l i cm o d e lt e s t ，d i s c u s s e st h eu n d e r w a t e r r o c ks l o p es t a b i l i t ym o d e lt e s tm e t h o d i nt h es l o p em o d e l i n gt e s t , t w og r o u p so fs a m p l e su n d e rw a v ef o r c eo fd i f f e r e n t p a r a m e t e r sc o m b i n a t i o na r eo f f e r e d ，i no n eg r o u pt h er o c ks l o p eg r a d i e n ti s6 0 o a n d a n g l ei s4 5 ow h i l ei nt h eo t h e rg r o u p t h er o c ks l o p eg r a d i e n ti s4 5 oa n d a n g l ei s3 0 o f r o mt h et e s tt h ec a l c u l a t i o nm e t h o do fm a x i m a lv e r t i c a lw a v ep r e s s u r ei m p a c t e do n s l o p ea n dp r i n c i p l eo fj o i n tp o r ew a t e rp r e s s u r ei sa n a l y z e d , a n ds o m es i g n i f i c a n t r e s u l t sa r go b t a i n e d 嬲f o l l o w s ：( 1 ) s i m p l i f i e df o r m u l as a i n f l o wc a nb a s i c a l l yr e f l e c t t h ed i s t r i b u t i o no fp r e s s u r eo nt h es l o p e ss u r f a c e ，i nt h ec a l c u l a t i o no ft h ep r e s s u r e w a v eo ns l o p es u r f a c e ，m o r ep r e c i s ew a v ep r e s s u r es o l u t i o nc a nb eo b t a i n e dt h r o u g h u s i n ga m e n d e ds i m p l i f i e df o r m u l as a i n f l o w ；t h ec l o s e rt ou p r i g h t n e s ss l o p eg r a d i e n t i s ，t h el e s st h ee r r o rw o u l db ew h e nu s i n gs i m p l i f i e ds a i n f l o wt oc a l c u l a t et h es u r f a c e w a v ep r e s s u r e ( 2 ) ”p i s t o n ”m o v e m e n th a si n f l u e n c e dc a p i l l a r yp o r ew a t e rp r e s s u r e c h a n g ei nj o i n t ( 3 ) t h ep o r ew a t e rp r e s s u r ew o u l db ei n c r e a s i n ga l o n gw i t ht h e i n c r e a s eo fw a v eh e i g h t ，p e r i o da n dd i pa n g l e ；p o r ew a t e rp r e s s u r ec h a n g e sa m p l i t u d e i sg r a d u a l l yi n c r e a s i n gf r o mt h et o pt ot h ef o o to ft h es l o p e ；( 4 ) t h ec h a n g ep r i n c i p l e v i a b s t r a c t o f j o i n tp o r ew a t e rp r e s s u r ei sm a i n l ys h o w ni nt h ep e r i o do fw a v es t a b l ea c t i o nt o s l o p e s ，a n da tt h ep r e a n dp o s t s t a g et h ec h a n g ep r i n c i p l e sa r em i r r o rr e f l e c t e d ；a tt h e l a t e rs t a g eo fw a v ea c t i o n ，t h ep o r ew a t e r p r e s s u r ed i s s i p a t i o ni sa p p a r e n t l ys e e nw h e n t h ew a v ep e r i o da n dh e i g h ti sr e l a t i v e l yh i 曲( 5 ) t h eb o u n d a r yc u r r e n ti si n t e n s i v e l y a c t i v ew h e nt h ed i pa n g l ea n dw a v eh e i g h ti s r e l a t i v e l yg r e a t , a n dt h ep e r i o di s r e l a t i v e l ys h o r t ；t h ec o n s t i t u t i v ea c t i o no fw a v ef o r c et o s l o p ef a i l u r eh a sb e e n a n a l y z e d k e yw o r d s ：r o c ks l o p e ；w a v e ；s i m i l a r i t ym o d e lt e s t ；w a v ef o r c e ；p o r ew a t e rp r e s s u r e i 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 名棚 学位论文作者签名f ? 。纠w 洲年弓月f 厂日 同济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，是本人在导师指导下，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，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 始彳，、矽， 钟岁月f 厂日 第l 章绪论 1 1 斜坡灾害问题 第1 章绪论 边坡，包括自然斜坡和人工边坡，是地球表面具有露天侧向临空面的地质 体。边坡的稳定和变形问题是工程地质学、岩石力学和土力学领域的经典命题 之一。边坡具有一定的高度和坡度，其本身内外因素在环境作用下不断发生变 化，有可能使得边坡发生不同形式的变形、破坏及崩塌和滑坡等一系列斜坡灾 害，导致交通中断、江河堵塞、塘库淤填，甚至酿成巨大灾害，如工程溃决和 城镇掩埋。 我国是一个多山的国家，尤其是我国西部地区及东南沿海的福建、广西、 广东、海南等地。随着我国西部开发的进展。大量民用与工业建筑不断兴起， 数量众多的建筑边坡应运而生，成为我国边坡工程的重要组成部分。例如，著 名的山城重庆，仅市中心区建筑边坡就数以万计；香港地区有记录的建筑边坡 就有5 万个。水利建设中黄河上的龙羊峡、李家峡、刘家峡、小浪底电站，长 江上的三峡、葛洲坝电站，其他如小弯、漫湾、二滩、五强溪、龙滩、天生桥、 溪洛渡、锦屏电站等都存在大量岩质边坡，有些边坡高达5 0 0 m t l l 。以长江三峡 工程为例，库区坍塌滑坡发育。经历年调查，在1 3 8 0 k m 长的干流库岸和3 l 条 主要支流约1 6 1 5 k m 长的库岸，发现残体大于1 0 1 0 4 m 3 的崩塌滑坡及危岩变形 体共4 2 8 个，总体积达2 7 6 5 7 6 1 9 1 0 4 m 3 。随着人类活动的不断加剧，三峡工程 的蓄水和移民迁建地质工作的深入，崩塌滑坡的数量和体积还将继续增加【2 】。 滑坡作用过程属于一种自然地质现象，但其造成的后果确实一种社会和经 济现象，具有灾害性，它不仅给人类生命安全带来威胁，而且对财产、环境、 资源等的破坏性。从地质灾害的角度看，滑坡给人类带来的损失可能仅次于地 震，但滑坡所发生的频率和范围又远远超过地震。无论是从单个滑坡所造成的 危害，还是从区域性的宏观角度观察，其灾害性己大得令人震惊。1 9 8 2 年长江 岸边重庆市云阳县鸡扒子滑坡的整治费用高达l 亿人民币；1 9 7 0 年秘鲁 h u a s c a r a n 山区因地震而触发的一起山崩，造成1 8 0 0 0 人死亡的惨局；1 9 6 3 年意 大利v a j o n t 水库滑坡致使当时世界上最高的双曲拱坝失效，涌浪夺去了坝下游 第1 章绪论 2 6 0 0 多人的生命；1 9 8 1 年我国四川盆地因暴雨而诱发大小不等的滑坡有6 万多 处，直接的经济损失超过3 亿人民币。世界上滑坡灾害严重的国家，如美国、 日本、意大利、印度、中国等，每年因滑坡造成的损失均在1 0 亿美元。 我国是世界上滑坡灾害最严重的国家之一，在过去的2 0 多年内，我国相继 发生了一系列重大的滑坡灾害，这些滑坡灾害时间均造成了重大的人员伤亡和 经济损失并造成重大的环境影响。同时，由于气象、水库兴修等外部因素的影 响，大区域的滑坡灾害群发事件也时有发生，如：1 9 9 8 年全国共发生滑坡、崩 塌、泥石流达1 8 万处，较大规模的有4 4 7 处，造成1 1 5 7 人失望，l 万多人受伤， 5 0 多万问房屋被毁，经济损失2 7 0 亿人民币；2 0 0 0 年的6 至7 月期间，陕西南 部秦巴山区的安康地区连续受到5 次特大暴雨袭击，诱发了规模不等的滑坡、 崩塌、泥石流等灾害超过4 0 0 0 处，造成2 1 3 人死亡，并使多处桥梁、路基被毁， 5 条国、省干线公路和4 9 条县乡级公路终端，襄渝铁路中断行车达7 天之久。 最近十多年来，随着滑坡灾害理论研究和防治水平逐步在提高，但由于全球气 候变化异常和工程建设等人类活动在内的因素作用，滑坡灾害却越来越严重。 受潜在威胁的滑坡灾害困扰的县级城镇达4 0 0 多个，有l 万多个村庄受到滑坡、 崩塌、泥石流等灾害的威胁，人类活动与滑坡灾害之间变得日渐相关【引。 因此，继续对滑坡进行理论、预测与防治方面的研究仍然具有十分重要的 现实意思。研究滑坡的首要出发点是探讨滑坡的形成条件，必须考虑影响边坡 稳定性的因素，通常把影响边坡稳定的因素分为内在因素和外在因素两方面。 内在因素有组成边坡岩土体的性质、地质构造、岩体结构、地应力等。它们常 常起着主要的控制作用。外在因素有地表水和地下水的作用、地震、风化作用、 人工开挖、爆破以及工程荷载等。其中地表水和地下水是影响边坡稳定最重要、 最活跃的外在因素，其他大多起触发作用。查明和掌握这些影响因素对了解边 坡失稳的发生发展规律，以及制定防治措施是非常必要的1 4 j 。 1 2 波浪对人类活动的影响 在比较广阔的水域，波浪是一种很常见的自然现象。从江河、湖泊、水库 水面的涟漪、小型风浪，到海洋面上的巨浪、海啸，都属于波浪的范畴。波浪 对人类活动的影响多属于不利方面，包括影响船舶航行和对海洋、江河、湖泊 沿线堤岸等建筑物造成破坏。 2 第l 章绪论 波浪对堤岸构造物的破坏作用，一直是工程界广泛重视的问题。斜坡堤是 岸线构造物采用最传统、最广泛的一种形式，它可以用作防波堤、码头、海岸 防护用的海堤，运河护坡以及水库土坝、库岸沿线的防浪护面等。波浪对斜坡 堤的破坏，主要包括两种：一种是长期作用，即波浪在较长时间内反复对坡岸 进行冲刷，一次性冲刷的强度不高，但是数年的长期作用最终造成斜坡堤的破 坏，对土质或散体斜坡堤这种破坏尤为明显；另一种是突发性作用，比如历时 很短的巨浪、发生频率极低的海啸等，都会在短时间内冲毁堤岸，这种情况的 破坏程度通常比第一种更可怕。 作用在斜坡堤上的波浪会产生破碎，破碎程度相当剧烈，而且其破碎规律 也比较复杂，加上对波浪长期的精确观测资料有限，基于这些原因，虽然对斜 坡堤岸的应用与研究已经有相当长的历史，但随着工程建设日益向深海、深水 发展，近几十年工程失事仍有出现。其中最严重的引起世界震惊的是葡萄牙锡 尼斯( s i n e s ) 港的外堤失事 8 1 。该外堤位于大西洋东岸的5 0 米水深停泊5 0 万吨超 级油轮的港口。它是重4 2 吨工字块体护面的斜坡堤，顶部有一个小的钢筋混凝 土挡浪墙，设计波高为1 1 米，周期为1 3 5 秒。在1 9 7 8 年2 月的一场风暴袭击 下有4 5 0 米长的外堤遭到严重破坏，其中1 3 地段的工字块体在水面附近完全消 失，工字块体大部分发生断裂。风暴后开始修复工作，但1 9 7 8 年1 2 月及1 9 7 9 年2 月又接连发生两场风暴，致使残留的工字块体，包括修复补放的块体全部 损失，上部挡浪结构也遭破坏。事后进行了多次国际调查，各国学者进行了许 多专门研究，认为主要是对波浪的瞬时破坏作用和工字块体设计未考虑充分。 在我国也发生过风损事故，最突出的是7 2 0 3 号及7 4 0 6 号台风对北方一些港口 设施的影响，为此国内曾专门召开7 2 0 3 号台风风损研讨会。如嫩江半拉山扬水 站西( 嫩江2 0 + 0 0 0 - 2 0 + 7 0 0 及2 3 + 1 6 2 2 4 + 9 6 0 段) ，1 9 9 8 年7 月2 日，第一次 洪峰流量7 4 8 0 m 3 s ，北风7 级，浪高1 5 m ，该堤段冲刷严重；8 月7 日流量 8 0 7 0 m 3 s ，东北风6 级，浪高1 2 m ，洪水冲刷堤坡严重；8 月1 4 日，嫩江江桥 站峰顶1 4 2 3 7 m ，西北风7 级，浪高1 5 m ，大堤临水坡被洪水波浪淘刷失2 3 t 7 1 。 这些事故都表明波浪，尤其是风浪，对斜坡堤的破坏作用相当强烈，也非常复 杂，值得长期深入研究。这些事故都表明波浪，尤其是风浪，对斜坡堤的破坏 作用相当强烈，也非常复杂，值得长期深入研究。 3 第l 章绪论 1 3 波浪对斜坡灾害的影响 近年来，随着我国经济建设的发展、西部大开发的需要以及国际能源形式 的不断严峻，各大型水利水电工程建设在西部地区如火如荼。我国西部地区高 陡坡、沟壑纵横、水系落差大等复杂多变的地形地貌，决定了西部地区面临大 量的滑坡、崩塌隐患。水库的兴建一方面可带来防洪、供水蓄水、发电、航运 等经济和社会效益；另一方面，水库修建后，部分或全部改变天然河流的水文 特征，在上游形成蓄水集水的人工湖并得到了新的库岸线。库区内库周地带地 下水位上升、岩土体浸润带变化，都可能造成库区局部沼泽化、盐渍化，临岸 建筑物地基条件恶化，地下工程和开矿涌水量增加等现象。其中库岸坍塌和滑 坡成为库岸失稳的主要破坏形式之一，已成为危害水库正常运营的重要因素。 如上述意大利v a j o n t 水库滑坡；美国大古力( g r a n dg o u l e e ) 水库，在4 肛5 0 年 代的十余年间，库岸坍塌、滑坡5 0 0 余处；我国三门峡水库的黄土岸坡坍岸量 为9 2 3 亿m 3 ，坍岸面积为2 8 7 3 k m 3 ，左岸最大坍岸宽为9 5 0 m ，右岸最大坍岸 宽为7 2 0 m ，因坍岸造成2 次、3 次搬迁的群众多达6 9 6 1 人；在三峡水库第一期 蓄水开始后的第4 3 天( 2 0 0 3 年7 月1 3 日) ，引发长江支流青干河古滑坡的复活， 大规模滑坡直抵对岸，堵塞、切断了河道，掀起2 0 m 多高的涌浪，有2 2 艘船舶 翻沉，滑坡体形成的堆石坝上下游水位差1 2 m ，断流7 天后爆破通流( 江河水 位升降对堤岸边坡稳定性的影响) 。在三峡库区，三峡工程主流库段长6 9 0 k m ， 单侧岸坡长1 3 8 0 k m ；3 1 条较大支流库段总长8 0 7 8 k m ，单侧岸坡长1 6 1 5 6 k m 。 其中土质岸坡共长1 4 0 5 k m ，占总长的4 6 9 ，大部稳定性较差；块状结晶岸坡 共长3 2 k m ，占总长的1 0 6 ，数量最少，稳定性最好。碎屑岩岸坡共长2 3 6 8 6 k m ， 占总长的7 9 0 6 ；碳酸盐岩岸坡共长4 5 4 5 ，占总长的1 5 1 8 。岩质边坡的 数量和危害在库区凸显，因而库区岩质边坡的稳定是影响库区安全的主要因素 专一【4 】 “一 。 水库蓄水后，相关河流的水路航运能力将得到提升。而水库库岸和沿江两 岸原来稳定性存在着一定问题的边坡岩体被水浸泡后，在波浪的冲击下，都将 孕育库区和水路沿岸的地质灾害隐患。以三峡工程为例，2 0 0 9 年枢纽工程竣工 后，坝前正常水位为1 7 5 m ，上游沿江两岸的水位也将有不同程度的上升。三峡 库区和沿江的大大小小的崩、滑体和危岩体，其目前或今后一段时间内还处于 稳定或处于稳定性差、有的局部已经有明显的变形状态。三峡库区蓄水后，这 4 第l 章绪论 些崩、滑体和危岩体的稳定性将降低，有的滑坡体甚至会复活再次破坏。而在 暴雨和特大洪水、库水低频波浪等自然营力作用下，可能出现局部或整体性失 稳。一旦大规模失稳发生，将给相关水路的航运和库区的工作带来巨大的灾难。 当洪峰期来临时，位于库岸及沿江两岸的天然或人工边坡岩体上的公路路堤以 及沿江两岸坡体，其水文地质工程地质环境将发生一些变化：库水位上升及周 期性涨落引起临水面坡体的静水压力和动水压力的变化；库水位上升后，水位 以下的岩土体力学性能弱化；水流和波浪对临水面坡体的冲击、冲刷等。这些 复杂的外部条件作用于原本复杂的岩土介质，使得岩土体稳定性问题变得更加 敏感和脆弱。总而言之，由于洪峰期波浪、水流等的作用，水库库岸和沿江两 岸边坡的力学性能将发生复杂的改变。在这些复杂的内外条件作用下，原有沿 河、沿岸公路路基及水路两岸边坡的稳定性将随之发生改变。 1 4 波浪对土坡坍塌破坏过程的影响嗍 将波浪造成土坡坍塌破坏的普遍过程描述为：首先波浪在岸线附近破碎， 随即形成向前的涌浪对直立土坎根部进行淘蚀，波浪回落时在冲刷面上形成的 回流不断将淘蚀的土体带走，在斜坡上形成堆积。由于粘土本身具有一定的粘 结强度，较长时间后土坡坡脚沿岸线就会形成内凹的空洞，在内凹空洞上部形 成悬空的土体，当内凹达到一定深度时，悬空土体就会向下坍塌，接着波浪又 对新形成的直立土坎进行淘蚀，形成新的内凹空洞，空洞上的悬空土体又发生 塌落，周而复始，最终表现为整个土质岸坡的坍塌破坏。破坏过程的详细示意 见图1 1 土坡坍塌破坏过程示意图。 由图1 1 可见，波浪对土质边坡的破坏过程是通过若干次崩塌而逐渐发展起 来的，是一种重复的坍塌破坏。在图1 1 的基础上，可将波浪对土坡的冲蚀过程 分三个阶段：第一阶段，波浪对土坡根部的淘刷，图1 1 中s t e p l 一s t e p 4 ：第二 阶段，上部挂空土体的崩塌，图1 1 中s t e p 5 ；第三阶段，崩塌下来的土体被波 浪回流带走，图1 1 中s t e p 5 - - s t e p 6 。崩塌下来的土体在被水流挟带走前，堆积 在直立土坎根部，使得土坡难以进一步被冲蚀。同时，回流输运土体也需要一 定时间，这也延迟了土坡的进一步冲蚀。当土坡坍塌到一定的深度时，由于破 波后涌浪朝土坎根部前进的距离过长，能量损失待尽，不能形成有效的冲蚀， 这时土坡不在发生坍塌，整个土坡形态趋于稳定。 5 第l 章绪论 s t e p q s t e p - 3 s t e p - 5 遐落豹 主体 s t e p - 2 s t e p - 4 图1 1 土坡坍塌破坏过程示意图 1 5 波浪对散体斜坡破坏过程影响n 们 s t e p 缶 散体岸坡是由大量的颗粒材料组成，颗粒之间没有粘结力，只有相互的嵌 锁作用。散体斜坡上受力见图1 2 。波浪对整个岸坡的冲刷破坏是大量散体颗粒 运动的集中反映。同时，在波浪运动的不同阶段，坡面颗粒材料的受力和运动 状况都不一样。 在一个波浪周期内，波浪在岸坡上的运动主要包括三个阶段：( 1 ) 入射， 波浪在临界水深处破碎( 波峰) ，形成入射水流，冲击岸坡；( 2 ) 上爬，破波形 成上爬水流，沿坡面向上运动；( 3 ) 回落，波浪上爬至最大高度，水流旋即沿 坡面向下运动，形成回落水流，冲刷坡面。 6 第1 章绪论 黝戮渡受力 图1 2 波浪作用下散体斜坡受力示意图 1 6 库水及波浪对岩质边坡稳定的影响嘲 水对岩质边坡稳定的影响是十分显著的，其影响岩质边坡稳定的因素也很 多。水库蓄水后，库水位和地下水位壅高，将对自然边坡的稳定产生如下的影 响： 1 ) 库坡下部岩体在浮托力作用下，有效重量减少，使阻滑部分的抗剪强度 减小； 2 ) 在隔水作用的结构面上存在静水压力和水锤作用； 3 ) 库水位消落时，岸坡内形成渗水动压力； 4 ) 库面出现风浪和水流的淘刷力以及冰冻作用力，滑坡涌浪的冲击作用； 5 ) 诱发水库地震，附加地震惯性力； 6 ) 库水位消落区岩体风化作用加速； 7 ) 库坡内的软弱泥质岩层和夹泥层软化，抗剪强度降低。水的软化作用对 岩质边坡稳定的危害性较大。当岩体中各种结构面的岩石为亲水性很强，或者 易溶于水的矿物，浸水后容易发生变化，使得原有岩石和岩体的结构受到破坏， 发生崩解或泥化作用； 7 第l 章绪论 8 ) 使已经稳定的滑坡复活。 由此可见，库水作用下的岩质边坡受到的稳定性影响因素比一般的水上边 坡要复杂很多，在水利水电等工程建设兴起的今天，研究库水作用下岩质边坡 的稳定性具有十分重要的理论和现实意义。 而国外对水库库岸地质灾害关注很少，由于人口相对较少的原因，对库岸 地域的开发利用一般持保守态度1 6 】。 1 7 国内外对波浪作用下斜坡稳定的研究现状 水下岩质边坡的稳定性分析虽然也已经历了几十年的探索，并取得了一定 的进展。国内外学者从不同角度开展了相关研究，杨太华【l l 】等( 1 9 9 7 ) 讨论了 复杂岩体工程中渗流场与损伤场的相互作用问题，建立了渗流损伤耦合作用数 学模型，并运用数值方法对三峡船闸高边坡节理岩体中的渗流场和损伤场的相 互作用机理以及对工程岩体稳定的影响进行了分析研究；马崇武【l2 】等( 2 0 0 0 ) 分析了江河水位升降对堤岸岩质边坡稳定性的影响；彭良泉【1 3 l 【1 4 l 等( 2 0 0 3 ) 基 于临界土力学理论，利用状态路径图对库水位降落作用下的边坡失稳机理进行 了研究。孙瑞娟【l5 】等( 2 0 0 3 ) 对三峡库区蓄水后江边岸坡坡体稳定进行了研究， 分析了滑面参数，蓄水水位和坡脚破坏对坡体稳定性的影响。 重庆大学的包太1 6 】【1 7 】【18 1 ( 2 0 0 4 ) 对水下边坡的研究作了一些工作，针对岩 土介质边坡，通过理论计算和模型试验，分析边坡在水( 尤其是波浪) 作用下 的静动力反应，探讨在边坡在水流场环境中的破坏机理和破坏模式，提出了水 库水位下降时会对边坡产生卸荷作用，和边坡裂隙中产生水锤效应等；同时， 还进行波浪作用下水下土质边坡动力反应的有限元分析，认为水下土质边坡为 多孔线弹性体，可采用动弹性固结有限元法来讨论波浪产生的循环水压力作用 下，边坡所引起的超孔隙水压力和位移自由场响应。 同济大学的周顺华【阳】【2 0 】【2 l 】( 2 0 0 1 ) 教授主要针对越江沉管隧道水下开挖的 粉砂质边坡和细砂质边坡进行了计算模式探讨和离心机模拟试验研究，得出了： 水下边坡的破坏始于坡角；不同的水流速度可能导致的临界边坡角有较大的差 异，水流速度越大，临界边坡角越小：在动水场中水下边坡的临界坡率与水流 速度、水力坡降及砂土内的渗流等因素有关，同时，水下边坡的稳定坡率和边 坡材料的颗粒大小有关等有意义的结论。 8 第1 章绪论 研究水下岩质边坡的稳定性问题，应综合考虑波浪对边坡的作用和边坡的 稳定性。 波浪对岩质边坡的作用可借助于波浪对结构物力学作用的研究。从波浪力 学的研究成果来看，目前主要的成果体现在波浪对直立式结构的作用，而对斜 坡式结构而言，研究成果相对较少，大都采用前苏联的规范中所列出的计算公 式。对于波浪对斜坡式结构作用力研究，徐绩青【2 2 1 1 2 3 】( 2 0 0 5 ) 等在模型试验的 基础上，讨论了波浪所产生的压力分布特征和最大压力受波长( 或周期) 的影 响，并将试验结果与前苏联的规范进行了比较分析，同时还研究了波浪正面入 射和斜向入射对斜坡面上作用压力的影响等；蒋宗燕【2 4 】( 1 9 9 8 ) 等通过模型试 验提出波浪压力有三部分组成，分析了波浪压力的主要影响因素以及压力分布 特征和最大压力作用点位置等；李玉成【2 5 1 1 2 6 1 ( 2 0 0 2 ) 等通过试验方式对斜向波 直墙作用研究，得出斜向波作用下每延米波浪力与正向波每延米波浪力之间的 折减系数，同时还比较了斜向波和正向波两种不同波向对直墙的作用下的压力 分布图波的反射系数：俞聿修【2 7 】( 2 0 0 3 ) 试验研究了斜向波作用于直立堤上的 单位堤长波浪力，着重分析了波浪方向、波陡和波浪不规则性对单位堤长波力 ( 包括浮托力) 的影响，试验结果并于日本合田良实公式进行了比较。 同济大学沈明荣教授指导下，由姜海西( 2 0 0 6 ) 以及赵程( 2 0 0 6 ) 两位的 硕士所完成的学位论文作为本课题的模型试验基础研究，在进行了波流水槽中 的边坡模型试验后，得出了一些初步的结论：在波浪冲击下，边坡内的水压力 增量可分为三个区域，第一个区域直接受波浪的冲击的影响，在该区域内冲击 水压力的增量值较大，且波动也很大；第二个区域随压力的增量相对较小，表 现为冲击压力与孔隙水压力的组合作用，使得波动也相应的减小；第三个区域 表现出水压力增量最小，且相对比较稳定，主要体现了孔隙水压力作用。同时 由试验可知：波浪冲击的两个主要的因素中，对水压力增量起主要作用的是波 浪的波幅，而波浪周期的影响并不是很大。邓海荣( 2 0 0 5 ) 硕士尝试了利用静 力的方法施加波浪对边坡的作用荷载，采用a n s y s 商用软件对岩质边坡的稳定 性进行了分析，计算结果中尤其是塑性区的分布特征取得了比较合理的成果， 对水下岩质边坡的破坏机理的分析提供了较好的佐证。 国外在类似的研究课题主要集中在对于海底边坡的研究。目前，在海底边 坡稳定性分析方面已经做了一些工作，研究的对象主要是欠固结软土。在对海 底边坡的研究中发现波浪影响作用是海底边坡稳定问题的最大特点。根据前人 9 第l 章绪论 的研究，由于海底波浪低频长时间的作用，得出海底边坡除受自身的重力荷载 外，还有波浪复杂的周期性荷载作用，造成海底边坡岩土体强度和模量的降低， 产生瞬态孔隙水压力和残余孔隙水压力。在由于海底边坡的特殊性，当前的研 究主要是致力于结合实测资料，特别是搜集海底边坡滑动的实例，修改或综合 已有的稳定性评价方法，同时，也可以结合模型试验预测海底压力、土中应力、 位移和破坏等特征，由此提出相应的稳定性评价方法。n i k o ( 2 0 0 0 ) 2 8 1 、 n i e l s e n | 2 9 1 ( 1 9 9 0 ) 、b a r r y 、l i t 3 0 】【3 l 】【3 2 】【3 3 】【3 4 1 和p a r l a n g e t 3 5 1 ( 1 9 8 7 ) 曾采用把波浪看作 一系列余弦波的迭加作为边界条件，而水分在堤内的演化则认为满足裘布衣假 定而采用一维的布辛内斯克( b o u s s i n e s q ) 方程，因问题过于简化而无法进行与局 部渗流密切相关的堤岸稳定性分析；z h a n g 3 6 1 ( 1 9 9 9 ) 、l i t 3 7 1 ( 1 9 9 7 ) 、s y n o l a k i s 3 8 1 ( 1 9 8 7 ) 、h o t 3 9 1 ( 1 9 6 4 ) 、和董国涮4 0 1 ( 1 9 9 8 ) 、邹光远【4 1 1 ( 1 9 8 9 ) 等用浅水波方程 对波浪近岸边的运动进行过数值模拟，但未涉及到堤岸的渗流和稳定性；毛旭 熙1 4 2 1 用波浪的观测资料进行海底的稳定性分析，但忽略了土体和水体的耦合 作用，具有一定的局限性。 目前，国内外关于波浪破碎时对坡岸的作用特性研究，主要集中在海岸。 研究的内容大多分布于下面几个方面： ( 1 ) 波浪接近海岸时波要素的变化、波能的损耗研究； ( 2 ) 用何种理论来描述近岸带即将破碎的波浪的形态； ( 3 ) 波浪破碎时，波浪的增水、爬高、回落等特性研究： ( 4 ) 波浪在斜坡岸、直墙建筑物和圆柱形( 椭圆形) 构造物上破碎时，所产生正 向作用力研究，以及反射、折射、绕射现象研究： ( 5 ) 波浪破碎时，所产生的岸线方向的沿岸流特性及其输沙率研究； ( 6 ) 波浪对有糙率和可渗透性的沙质或碎石海岸作用特性研究( 较理想化； ( 7 ) 波浪回落时，海岸泥沙运动特性研究( 从速度角度) 。 1 8 本文研究的目的和意义及研究方法 1 8 1 本文研究的目的和意义 综上所述，目前对水下边坡的研究主要集中在土质边坡，进行了计算模式 讨论和一些模型试验研究，并取得了一些成果。但是，对水下岩质边坡的研究 l o 第1 章绪论 仅仅局限于理论模式的探索阶段。在波浪冲击下岩质边坡的破坏机理、边坡破 坏形态：波浪冲击对岩质边坡的附加作用及其特征：在波浪冲击下岩质边坡内 的应力、位移分布特征和结构面中孔隙水压力的分布规律；水下岩体强度的劣 化以及参数确定；水下岩质边坡模型试验技术等一系列问题研究甚少，有必要 在这方面进行系统地研究。因此，水下岩质边坡在波浪冲击下的稳定性研究作 为一个全新的研究课题，不仅为边坡工程的理论填补空白，又能解决我国西部 地区公路建设以及运营中地质灾害的预报和整治，有着重大的现实意义。 1 8 2 本文研究的内容和方法 综上所述，波浪对斜坡灾害的影响作用是不容忽视的，而波浪对岩质边坡 稳定的影响鲜有研究，为了丰富、完善边坡稳定性评价体系，本文对对波浪作 用下岩质边坡稳定性进行初步研究。研究成果主要是通过在流波水槽中模拟波 浪作用的环境，通过对试验数据的测量和试验现象的观测，加以详细的数据比 较分析，结合现有的波浪动力学及边坡稳定性分析理论知识，得到斜坡面上波 压力的计算方法及波浪作用下规则齿形结构面内孔隙水压力的变化规律，并从 波浪作用过程分析边坡的稳定性。本文研究的内容具体包括以下几个方面： ( 1 ) 结合海工港口模型模拟波浪作用下岩质边坡稳定性的模型试验； ( 2 ) 根据水下模型试验的特点，设计水下边坡稳定性模型的步骤及相关 考虑因素； ( 3 ) 在试验过程中，测量坡面上波压力变化过程及结构面内孔隙水压力 变化过程并观测试验过程中边坡两侧边界的存在对波浪作用的影 响； ( 4 ) 探讨边坡坡面上波压力的计算方法，探讨结构面内孔隙水压力变化 过程及孔隙水压力在结构面内分布规律： ( 5 ) 推断现有模型在波浪作用下的稳定性问题。 第2 章波浪作用下岩质边坡稳定分析理论基础 第2 章波浪作用下岩质边坡稳定分析理论基础 研究波浪作用下岩质边坡的稳定性问题，应当结合波浪力学和边坡工程地 质学，从理论和实际两方面探讨波浪作用下岩质边坡的破坏机理及破坏模式， 弄清波浪在岩质边坡失稳破坏的演化规律和作用机理。以及岩质边坡在波浪作 用下的动力效应和边坡稳定性问题。下面就波浪力学和边坡稳定出发分述这两 方面的基本理论及研究成果。 2 1 波浪力学理论 1 9 世纪中期至2 0 世纪初期，不少科学家提出了很多种描述海浪的波浪理论， 这些理论可以分属于两个领域。一个领域，是从流体力学的角度加以研究，研 究液体内部单个质点的运动状态，这种研究包括线性波浪理论和非线性波浪理 论。线性波浪理论，主要是微幅波理论( a i r y 波理论) 。非线性波浪理论，根据波 浪的不同特征有：有限振幅波理论( s t o k e s 波理论) 、孤立波理论( s o l i t a r y 波理论) 和椭圆余弦波理论( c n o i d a l 波理论) 等。另一领域，则是将波动看作一个随机的 过程，研究其随机性，从而揭示波浪内部波动能量的分布特性，从统计意义上 对液体内部各个质点的运动状态进行描述。对于波、流的共同作用，目前的处 理方法是：规则线性波，通常将水质点在波浪和水流单独作用的运动规律进行 叠加，得到总的波流共同作用规律。但是，对那些规则非线性波或不规则波( 随 机波) ，这种叠加往往会带来很大的误差，较为有效的方法是：规则非线性波， 采用基于流函数的高阶波浪理论来描述，或者非线性波浪的直接数值分析来进 行计算；不规则波，采用随机过程的统计分析和波浪谱来描述【4 3 1 。 波浪的一些基本概念( 以规则波为例) m j ： 规则波一古典流体力学上所讨论的波浪。薄面为一光华曲线。当水深一定 时，波形周期性地重复，波高和波长分别保持常值不变。 波峰一波面曲线上的最高各点称为波峰。 波谷一波面曲线上的最高各点称为波谷。 波高h 一波峰与波谷间的垂直距离。 1 2 第2 章波浪作用下岩质边坡稳定分析理论基础 波长l 一相邻两波峰和相邻两波谷之间的水平距离。 波周期t - 一为波峰沿波浪传播方向移动一个波长距离所经历的时间间隔。 波速c 一波面形态在表观上的移动速度。 位 b ( 波谷) d ( 波谷) 图2 1 规则波的波面曲线 对于堤坝防浪护坡而言，主要涉及推进波，其波长、周期、波高之间存在 如下关系： f ：嬖t a n h 孕 ( 2 1 ) 2 万三 、 c = 募啪h 孕= 等t a n h 孕 c 2 国 l = c t ( 2 3 ) 式中：g 一重力加速度 d _ 坡前水深 波浪要素一波高、波长、波周期或波速综称为波浪要素或波要素。 波浪陡度、波浪坦度一波高对波长的比值称为波浪陡度，简称波陡；波陡 的倒数，即波长对波高的比值称为波浪坦度，简称波坦。 2 1 1 规则波理论 各种规则波理论的提出，都必须基于一个最基本假设：波浪在传播过程中， 波要素( 波高、波长和周期) 固定不变。脱离该假设的波浪理论，即为不规则波理 论。规则波理论包括线性波浪理论和非线性波浪理论。 1 线性波理论 在简要介绍线性波理论之前，先引入几个重要的波浪参数：h 一波高，即波 1 3 第2 章波浪作用下岩质边坡稳定分析理论基础 峰至波谷的垂直距离；l 一波长；d 一水深；冬一相对波高；譬一相对水深；与 al口 一相对波长；一u r s e l l 数； u r ：孕f = ll “l ，它与非线性波浪理论中的二阶 l a 与一阶项之比值成正比，其中r i 晷为波峰顶在水面以上的升高。 线性波理论，微幅波理论( a i r y 波理论) ，采用流体的流速( x ，z ，t ) 来 研究波浪运动，坐标系统如图2 2 所示。理论假定：波浪水质点的运动速度缓慢， 且其波动幅度很小，水体底部为水平不透水平面。 基本方程为 图2 2 a i r y 波坐标系统 号+ g z - 6 三0 2 4 - 詈= op 三? o t 式中：p 一流体中各点的压力。 u ，v 一流场内各点处的水质点水平流速和竖向流速， 可知“：型，y ：丝。 撖出 势流场边界条件为： a 在海底z = - - d 处， ，：业：0 a 2 b 在水面z = 处，存在两个边界条件。 1 4 ( 2 4 ) 根据流速势的定义， 第2 章波