（岩土工程专业论文）三峡水库塌岸预测评价的物理模拟研究.pdf

三峡水库塌岸预测评价的物理模拟研究 作者简介：白建光，男，1 9 7 2 年5 月出生，2 0 0 4 年9 月师从于成都理工大学许 强教授，于2 0 0 7 年6 月获硕士学位。 摘要 水库蓄水后库岸边坡失稳破坏是一个复杂的过程，其塌岸模式和塌岸规模 往往受多种因素的影响。尽管目前有多种塌岸预测模型和方法，但其基本都是 基于对平原型水库的研究而提出的，大量的实例表明，并不太适用于象三蛱库 区这种山区河道型水库的塌岸预测。为了深入系统地研究水库塌岸机理、模式 及预测方法，本论文以三峡水库为典型实例，在对三峡库区典型塌岸段地质环 境条件调查研究的基础上，考虑了岸坡坡角、库水位、土质、降雨强度及波浪 等因素进行模拟试验，系统地研究了各影响因素与岸坡塌岸宽度之间的关系并 进行了塌岸机制分析。研究结果表明，塌岸宽度与岸坡坡角、岸坡物质组成、 降雨强度总体上成正相关关系；塌岸宽度对各影响因素的敏感程度不同；各因 素对塌岸宽度的影响还存在l 临界值，超过此临界值时，该因素对塌岸的影响程 度将明显变化；根据大量的水库塌岸物理模拟试验结果，提出了一种新的水库 塌岸宽度预测方法一“多元回归法”。实例检验结果表明，利用“多元回归法” 可以较为准确地预测三峡水库岸坡的塌岸宽度。以“多元回归法”为核心，研 制开发了“三峡水库塌岸预测评价系统”。利用该系统可以进行水库塌岸预测与 分析研究。 关键词：三峡水库，物理模拟，塌岸预测，多元回归法，敏感性 p h y s i c a lm o d e l i n g r e s e a r c ht o p r e d i c t i o n a n d a p p r a i s eo f b a n k c o l l a p s ei nt h et h r e eg o r g e s b a n kc o l l a p s ei sac o m p l e xp r o c e s sa f t e rr e s e i v o i t ss t o r ew a t e r , a n di t sp a t t e r n a n ds c a l e so fb a n kc o l l a p s ea l ei n f l u e n c e db ym a n yf a c t o r s a l t h o u g ht h e r ea r em a n y m o d e l sa n dm e t h o d so fp r e d i c t i o no fb a n kc o l l a p s en o w , t h e ya r ep u tf o r w a r d a c c o r d i n gt os t u d yo np l a i nr e s e r v o i rb a s i c a l l y i ti ss h o w nt h a ti ti sn o ts u i t a b l ef o r t h et h r e eg o r g e st op r e d i c tb a n kc o l l a p s ew i t ht h e m p h y s i c a lm o d e l i n ge x p e r i m e n t s w h i c hi su s e dt or e s e a r c hm e c h a n i s m p a t t e r na n dp r e d i d i o nm e t h o d so fb a n k c o l l a p s et h o r o u g h l ya n ds y s t e m a t i c a l l yi sc a r r i e da c c o r d i n gt ot h et h r e eg o r g e s o n t h eb a s i so fs t u d yo ng e o l o g ye n v i r o n m e n tc o n d i t i o ni nt h et h r e eg o r g e s ，s u c h f a c t o r sa sa n g l eo fs l o p e ，w a t e rl e v e l ，i n t e n s i t yo ft h er a i n ，e a r t h i n e s sa n dw a v ea r e c o n s i d e r e di nt h e s ee x p e r i m e n t s t h er e l a t i o nb e t w e e nw i d t ho fb a n kc o l l a p s ea n d e v e r yi n f l u e n c ef a c t o r si sr e s e a r c h e d , a n dt h em e c h a n i s mo fb a n kc o l l a p s ei sa n a l y s e d i ti ss h o w nt h a tt h er e l a t i o nb e t w e e nw i d t ho fb a n kc o l l a p s ea n da n g l eo ft h es l o p e ， p h y s i c a lm a k e u po ft h es l o p ea n di n t e n s i t yo ft h er a i ni sp o s i t i v e l yr e l a t e da saw h o l e , t h a ts o n s i t i v i t yt oe v e r yi n f l u e n c ef a c t o r sf o rw i d t ho fb a n kc o l l a p s ei sd i f f e r e n t , t h a t t h e r ei sac r i t i c a lv a l u eo fe v e r yf a c t o ra n dt h ef a c t o rw i l li n f l u e n c eo nb a n kc o l l a p s e d i f f e r e n t l yi fi t i sm o t et h a nt h i sv a l u e ，t h a tan e wm e t h o dn a m e do fm u l t i p l e r e g r e s s i o nm e t h o dw h i c hi su s e dt op r e d i c tw i d e t ho fr e s e r v o i rb a n kc o l l a p s ei sp u t f o r w a r da c c o r d i n gt om a n yr e s u l t so fp h y s i c a lm o d e l i n ge x p e r i m e n t so nr e s e r v o i r b a n kc o l l a p s e t h ew i d t ho fb a n kc o l l a p s ec a i lb cp r e d i c t e da c c u r a t e l yw i t ht h i s m e t h o dp r o v e db yr e s u l t so fs o m ee x a m p l e s b a s e do nm u l t i p l er e g r e s s i o nm e t h o d , b a n kc o l l a p s ep r e d i c t i o ns y s t e mo nt h et h r e eg o r g e si sd e v e l o p e d i tc a nb eu s e dt o p r e d i c ta n da n a l y s er e s e r v o i rb a n kc o l l a p s e k e y w o r d s ：t h et h r e eg o r g e s ，p h y s i c a lm o d e l i n g ，p r e d i c t i o no fb a n kc o l l a p s e ， m u l t i p l er e g r e s s i o nm e t h o d ，s e n s i t i v i t y 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得盛都堡王盍堂或其他教 育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者导师签名： 学位论文作者签名。 岛一里支 a 哆年，月哆日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盛壑理王太堂有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和 借阅。本人授权盛壑堡至太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数 据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名； 石- 乞l 文啼每忑 旯日 1 前言 1 1 选题依据及研究意义 1 前言 水利水电资源的开发利用对我国经济的发展日益起着举足轻重的作用。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。目前，仅长江流域己建大型水库 就达1 1 3 座，总库容达1 0 4 8 亿m 3 ，而在建的长江三峡水利枢纽工程是我国跨世纪 的宏伟工程，它肩负着防洪、发电、航运等重要功能，是开发治理长江的骨干 工程。长江三蛱的开发利用给沿岸城镇经济发展带来新的机遇，同时也面临诸 多挑战。 据已有的勘察成果资料，三峡库区的库岸总长约5 3 0 0 k i n 。其中，稳定性差 的库岸长4 4 1 k m ，占库岸总长的8 3 ；且城镇库岸长余枷k m 。至2 0 0 9 年水库正 常蓄水至1 7 5 m 后，库尾回水至重庆江津市附近，受库水淹没影响的范围扩大到 兴山县、开县、长寿县和重庆市等1 4 县市和沿江1 0 0 个区、乡级集镇。三峡水 库蓄水后，库岸斜坡受库水浸泡、风浪冲击、水流侵蚀以及降雨等的影响，使 库岸岩、士体风化加剧，抗剪强度降低及地下水动力场发生变化，必然引起沿 江两岸1 3 5 m 1 7 5 m 范围库岸边坡的不稳定，从而造成库岸侵蚀剥蚀、崩塌、 滑移等水库塌岸或边岸再造现象。 塌岸的严重后果主要表现在以下几个方面：塌岸使大批( 数千处) 已有滑 坡复活，同时也会诱发新的崩塌和滑坡，对水利枢纽工程和航运造成威胁，可 能会局部堵江、中断航运；由于泥沙涌入库内，形成库底泥沙淤积，减小有效 库容；塌岸将对附近人民的生命和财产造成严重的威胁，关系到社会安定和政 治稳定。 水库开发诱发的塌岸等多种地质问题又会影响和弱化三峡库区生态环境， 影响移民迁建安置环境。长江三峡库区人口众多，长期过渡开垦，水土流失严 重，后备土地资源紧缺，地质环境容量极为有限，人地关系紧张，安置难度大。 从1 9 9 3 年起，随着库区城镇迁建工作的全面展开，这一问题越来越成为一个制 约城镇建设、港口建设、沿江公路建设，进而影响城镇安全和人民群众生命财 产安全所不容忽视的问题。 水库蓄水后库岸边坡失稳破坏是一个复杂的过程。其塌岸模式和塌岸规模 往往受多种因素的影响，如岸坡岩土体性质、岸坡岩土体结构、岸坡坡角、库 水位、波浪及降雨等，而各因素对塌岸的影响程度在不同环境中又不尽相同。 成都理工大学硕士学位论文 塌岸又是一个长期渐进的过程。要想在短时间内了解并掌握水库塌岸的规律， 一种途径可通过对与研究对象条件类似且已蓄水运行多年的水库的实际塌岸情 况迸行分析总结；另一种行之有效的方法就是室内物理模拟，物理模拟具有直 观性好，研究速度快等优点，是研究水库塌岸的一种有效的方法。 为了系统地研究水库塌岸的影响因素，并由此探寻水库塌岸预测方法，国 家相关部门下达了对三峡库区进行三期地质灾害防治的科研工作，即对三峡库 区两岸进行塌岸地质调查、塌岸预测、塌岸防治的工程技术以及塌岸防治信息 管理系统与决策支持系统等进行的专题研究。其中，需要在查明三峡库区岸坡 工程地质条件的基础上，对三峡库区的塌岸成因机理、模式、参数、预测方法 进行深入系统的研究，对三峡库区塌岸范围迸行预测评价，并据此提出合理有 效的防治处理措施。 依托于三峡库区三期地质灾害防治科研项目“三峡库区塌岸预测与防治专 题研究”，本论文拟利用物理模拟的手段进行三蛱水库塌岸预测评价，为三蛱水 库的塌岸预测与防治提供定的理论基础。 1 2 研究现状 水库塌岸预测评价的物理模拟研究涉及物理模拟、边坡变形破坏及塌岸预 测方法等内容，因此论文以物理模拟对边坡变形破坏及塌岸预测方法为两个主 要方面来介绍其研究现状。 1 2 1 物理模拟对边坡变形破坏的研究现状 物理模拟研究方法，应用于斜坡岩体的稳定性分析起源于2 0 世纪7 0 年代， 它具有两个突出的意义：一是能直接观测和记录研究对象的变形、破坏演变过 程；二是可以通过应力分析获得研究对象的变形演变过程中各个阶段应力分布 状态以及由于变形与局部破坏导致的应力重分布情况【l l 。由于物理模拟试验方法 本身的特点，所以发展迅速。特别是近年来，岩土体力学模型试验在模型材料、 测试技术、试验研究等方面得到了广泛的发展，使其从定性分析转向定量分析， 并与有限元计算配合进行工程结构和岩体稳定性分析研究，成为在复杂岩体条 件下研究工程稳定的应力应变机制的重要手段。 采用物理模拟的方法研究边坡问题大致可以划分为以下三个阶段： ( 1 ) 2 0 世纪7 0 年代8 0 年代是采用物理模拟手段研究边坡的探索阶段。王兰 生等采用物理模拟的办法先后模拟了新滩滑坡、链子崖变形体、黄腊石滑坡以 及西安地裂缝等，并且都取得了较理想的成果，为物理模拟试验的方法及在工 2 i 前言 程中的应用指引了方向。通过建立新滩滑坡的物理模型，再结合实测资料，掌 握了新滩滑坡的成因机制和运动学特点；采用物理模拟的办法，模拟、研究了 大型滑移弯曲式滑坡形成演化机制以及外倾层状体高边坡滑移弯曲的变形机 制。 ( 2 ) 2 0 世纪9 0 年代是人们采用物理模拟方法研究边坡的发展阶段。俄国学者 b a r o n i i h v v 1 2 | 等( 1 9 9 2 ) 采用仿真物理模拟试验模拟水库波浪对滑坡体作用。认 为正确模拟滑坡体所在地地质环境和滑坡体运动方式是分析滑坡机制最重要的 前提。建立了滑坡稳定性与浪高之问的方程。b o r g a ，m 1 3 l 等( 1 9 9 8 ) 根据莫尔一 库仑理论，建立了地下水稳定的滑坡物理模型，分析并研究了地形地貌和浅层 地下水对滑坡产生机制的影响。通过比较试验数据和实测数据，由于地下水的 作用，组成滑坡体物质强度降低，是古滑坡复活的次要因素，而滑坡体所在地 的地形地貌才是决定滑坡复活的主要因素。王兰生、刘汉超、徐进等( 1 9 9 6 ) 对韩城坑口电站边坡变形破裂体进行物理模拟试验研究。试验以相似理论为基 础，得到了边坡变形破坏的力学过程：煤层开采一围岩变形一坡体沉降一侧向 推挤一坡前厂坪隆升。认为厂区工程荷载对其下部岩体变形、隆升部位具有一 定的影响；煤柱破坏是加剧坡体变形的最主要原因；排水洞对减缓边坡岩体变 形起到了很重要的作用。试验结果为工程治理起到了关键性的作用。 ( 3 ) - - - - 十一世纪以来，物理模拟广泛应用于边坡破坏成因机制分析及综合治 理等方面。g u i m a r a e s ，r e n a t of o n t e s l 4 1 等( 2 0 0 3 ) 认为建立滑坡的物理模型最关 键的问题是选择适当材料去模拟滑坡体的物质特征。建立模型的过程中重点考 虑地形地貌、组成滑坡体物质的参数值等因素，试验结果表明：采用物理模拟 试验的办法分析滑坡稳定性时，与物理模型总体质量相比，精确确定滑坡体参 数是次要因素。d h a k a l , a m o ds i s ! 等( 2 0 0 4 ) 通过物理模拟试验，考虑地表水、 波浪、地下水、暴雨等因素对滑坡的影响，揭示了暴雨、滑坡体内地下水与滑 坡稳定性的关系，并且认为滑坡稳定性与暴雨强度有关。王兰生1 6 】等( 2 0 0 5 ) 针 对叠溪地震滑坡，建立了振动物理模型系统，深入研究其地质、力学机制。得 到了主要受地震因素控制的叠溪滑坡与地震之间的关系。胡修文，唐辉明川等 ( 2 0 0 5 ) 对赵树岭滑坡稳定性进行了物理模拟试验研究，确定了三峡库水位变化 与滑坡失稳的关系，探讨了由库水位变化引起的滑坡机制。沈辉、吴剑1 8 】等( 2 0 0 5 ) 采用大型滑坡试验平台和y 射线透射法水分测试系统等试验手段，模拟了滑坡 在水库水位变化导致地下水渗流场变化过程。确定了三峡库区水位升降与滑坡 体内部水位的关系。罗先启、陈海玉1 9 l 等( 2 0 0 5 ) 以石榴树包滑坡为例，应用非 接触式光学测量方法中自动网格法原理，研究了大型滑坡模型试验中的位移测 试方法及其分布规律。针对自动网格法用于大型滑坡模型试验位移测量时所存 3 成都理工大学硕士学位论文 在的问题提出了解决措旌，并对石榴树包滑坡在不同水位运行工况下的位移规 律进行了研究分析。冯文凯、石豫川等【1 0 】( 2 0 0 4 ) 针对某高速公路缓倾角顺层 岩质高边坡滑坡，为了研究其变形破坏机制，运用物理模拟研究方法，分岩层 缓倾坡外和缓倾坡内两种情况，再现了该边坡变形破坏的全过程，并对不同阶 段的变形及最终破坏机制进行了深入分析。认为岩层缓倾坡外时边坡属滑移一 压致拉裂型破坏，层间错动明显；岩层缓倾坡内时边坡基本处于稳定状态，无 明显层间错动。陈海玉、徐福卫、陶莉【1 l 】等( 2 0 0 5 ) 提出一种基于非接触式光 学测量技术的滑坡物理模型试验位移测试方法，并应用该方法记录滑坡模型在 不同水位运营状态下的位移发展情况。任伟中、陈浩等【1 2 l ( 2 0 0 5 ) 通过地质力 学模型试验，模拟并研究了不同工况下滑坡体位移、抗滑桩和锚杆的受力状态 随试验步骤的变化，根据试验结果对滑坡变形与破坏机理进行了分析，比较了2 种加固设计参数下的整治效果并进行优化。深入研究了滑坡的变形破坏机理以 及整治效果，该成果可为该类滑坡的机理研究和有效整治提供科学依据。 1 2 2 塌岸预测方法研究现状 水库塌岸预测研究早在上世纪中叶就已开始，当时卡丘金、卓洛塔寥夫等 根据前苏联的水库塌岸问题，考虑了比较全面的地质因素，提出了塌岸宽度预 测的基本方法。到目前为止，预测水库塌岸或水库边岸再造范围的方法主要有 如下几种：卡丘金法、图解法、两段法、佐洛塔寥夫法、平衡剖面法、动力法 和岩质库岸的经验法以及一些考虑冻土或红层等特殊条件的预测法等。 1 2 2 1 卡丘金法”州 e r 卡丘金于1 9 4 9 年提出库岸最终塌岸预测宽度计算方法。其基本原理 是：考虑原始岸坡坡角、水位变幅带的浅滩磨蚀角、水上岸坡的稳定坡角、设 计低水位及洪水位等参数，根据图解的方法求解最终塌岸预测宽度，具体图解 如图1 1 所示，据此得到计算公式( 式1 1 ) 。 s n + | 1 1 2 + i l lj c t g a + 协3 一i l i i 喀侈一晒+ 2 ) c t g r j ( 1 - 1 ) 式中：s ：最终塌岸宽度；：与地层成分有关的系数；日，：最高洪水位：日： 正常高水位；h ，：设计低水位；h ，：波浪侵蚀高：h ：浪爬影响深度：也：库 岸高出最高洪水位的商度；口：水库水位涨落幅度，a h ，一h ，；b h ：一h ，； 口；浅滩磨蚀坡角：；水上岸坡的稳定坡角；y ：原始岸坡的坡角。 参数取值：n 、c t 、p 、h ，等可以根据岸坡土质成分性质、波高等因素查 表获取，其它参数需要通过实际地质调查进行统计分析。 4 i 前言 图i - i 卡丘金法预测图解 卡丘金法应用广泛，尤其对于小型水库及由黄土、砂土、及粘土等组成的 库岸所得结果甚为准确。对大型水库，此法适用于水库的中、上游地带，此处 水较浅，波商也较小但是该法偏于安全。 1 2 2 2 图解法1 图解法的基本思路：在系统分析库岸地质环境及地质条件的基础上，根据工 程地质条件相近的邻近河谷岸坡形态参数( 包括水下、水上、水位变幅带的侵蚀、 堆积稳定坡角统计值等1 类推水库蓄水后相应水位作用带的最终稳定坡角。然后 以库岸不同高程的稳定坡角为基础，用图解法求取蓄水运行后的最终塌岸宽度。 具体图解如图i - 2 所示，其中的参数分别为：口：磨蚀角，可调查当地河谷 多年平均洪水位的岸坡角并加以分析确定；d ；水下岸坡稳定蚀角；口：水上岸 坡稳定角，与该层的自然稳定坡度相同；h ，( o 5 1 0 ) h 。，其中氟为波浪侵蚀 高度( m ) ，h 。为正常高水位时的波浪高度( m ) ；h ：- ( 1 5 2 5 狮。”，其中h ，为 波浪影响深度( m ) ，h b ”为设计低水位时的波浪高度( m ) 。 图i - 2 图解法图示 5 成都理工大学硕士学位论文 图解法是一种普遍适用的方法，可直接运用于均质土质岸坡或均质岩质岸 坡的塌岸预测，但不能用于预测岸坡结构复杂的库岸岸坡。 1 2 2 3 两段法1 两段法的原理为：预测塌岸线由水下稳定岸坡线和水上稳定岸坡线组成， 水上稳定岸坡线的起点所对应的同高度的原始岸坡点与该线终点之间的水平距 离，即为预测的塌岸宽度& 。水下稳定岸坡线由原河道多年最高洪水位h 及倾 角n 确定，水上稳定岸坡线由设计洪水位和毛细水上升高度日及倾角声确定。 具体图解见图1 3 。 两段法的参数取值，多年最高洪水位取原河道的历史最高洪水位与蓄水后 第一年的淤积高程的较高值。水下稳定岸坡角和水上稳定岸坡角采用综合计算 法，当是非粘性土时：口、芦一妒，当是粘性土时：口、芦- 九，九利用公式( 1 - 2 ) 计算，即 九一a f c t a i i 【t 柚妒+ c 【r j 日) j ( 1 2 ) 式中：，f 为岸坡地层的容重；h 为水下或水上岸坡起点到终点的高程。毛细水 上升高度根据现场调查来确定。 水上稳 岸坡线 圈1 - 3 两段法塌岸预测囱解 矩 位h 两段法的适用条件为：我国南方山区的峡谷型水库，库面较窄，风浪作用 较，j 、，岸坡地层为粘性土、砂性土、碎石类土、弃碴及岩石的全风化地层，有 较完整的水文气象资料等。 对于我国南方山区峡谷型水库，用两段法预测其塌岸宽度比较接近实际。 但在使用两段法预测坍岸宽度的同时，还需用卡丘金法进行比较验证。说明其 适用性有待于进一步验证。 6 1 前言 1 2 2 4 r c 佐洛塔寥夫法邮1 r c 佐洛塔寥夫法基本原理；考虑地质、地貌及水文等方面的资料，将整个 岸坡剖面划分为五个区，利用五个区的稳定坡角计算塌岸宽度。具体图解如图 1 4 所示。 该法适用于各种自然地理条件下的平原与山区水库，从地形地貌方面来说 是一个普遍适用的方法。但是在具体应用时确定水下浅滩堆积部分前缘端点位 置比较困难，因此，该法的应用有较大难度。 s 刀、 。正常高水位 秀一| i ：水下浅滩的台坎；：水下浅滩的堆积部分；m ：水下浅滩的剥蚀部分 ：浪爬带；v ：水上斜坡面：冉i t 波浪影响深度；矗2 ；浪爬高度 局、芦2 ，岛，反店：相应段稳定坡角；s ：塌岸宽度 图1 - 4 佐洛塔寥夫法预测图解 1 2 2 5 平衡剖面法 水库岸坡在风、水库波浪及船行波的长期作用下，岸玻断面将逐渐调整至 平衡位置，形成平衡断面。当地形坡度甚缓时，岸坡不但不会产生水库塌岸， 还会产生局部淤积，并进而调整至平衡态。对于这类岸坡通常是无需采取护坡 措施，经验的数据缓于l ：5 就无需护坡；相反，当地形坡度较陡时，岸坡将会产 生快速的塌岸过程，直至断面平衡为止。根据水库运行性质、波浪作用规律， 以及岸坡岩土体工程地质特征，运用水力学、泥沙运动学等理论以及实际观察 数据，可以建立基于经验的数学模型，用于预测此平衡断面，从而获得水库塌 岸的空间规模。 7 成都理：e 大学硕十学位论文 该法建立数学模型复杂，不适用。 1 2 2 6 动力法“7 1 “” 动力法的基本原理：水域边岸冲刷和破坏的强度与该地的波浪能成正比。 根据塌岸量与波能、岩土抗冲刷强度及岸坡高度等之间的关系( 式1 3 ) 可以进 行塌岸宽度预测。 q - e 七。k 。t 6 ( 1 3 ) 式中：q ：库岸在单位宽度内被冲刷的岩土体的体积( m ) ；e ：非结冰期内 波浪作用于岸边1 m 宽度范围内的动能( 咖1 ) ；k ，：土石抗冲刷系数( m 3 i ) ；k 。： 考虑岸高的系数；f ：水库运用年数；b ：指数指标，取决于波能强度和士石抵 抗冲刷能力。 在正确选用测试资料的前提下，该法可以提供比较精确的预测，但是该法 中的波能值较难确定。 1 2 2 7 徐瑞春关于红层塌岸预测的若干修正 “红层”在我国主要是指中生代以来即三叠系、侏罗系、自垩系和新生代 第三系湖相、河流相、河湖交替相或是山麓洪积相等陆相碎屑岩。由红层构成 的岸坡比由坚硬岩体构成的岸坡稳定性差，但又远较由松软土体构成的岸坡稳 定性好。所以，预测红层岸坡垮塌的方法不能照搬固结岩体或者松散土体岸坡 垮塌的预测方法。 徐瑞春在多年对四川盆地红层河谷边坡研究的基础上，考虑了岩层变化、 裂隙发育情况及软弱基座与水位的相互关系等多个因素，提出了红层塌岸预测 图解方法的若干修正，预测更科学、结果更可靠。但该法仅适用于红层地区。 1 2 2 8 多年冻土区库岸塌岸预测8 “ 在多年冻土发育区的库岸再造预测中，a a - 卡甘等人根据水库投运第一年的 观测结果，得出了在特定条件下，即季节性解冻层厚度超过了3 年暖和期内土 层的冲刷厚度时，解冻土库岸随时阃推移而后退的经验公式： e - b o 一口p 。)( 1 - 4 ) 式中：口、b ：经验系数；e ：自然对数的底；曰。：塌岸总宽度；口：水库投运 第一年的冲刷带总宽度；t ：水库蓄水后的时间。 该法仅在多年冻土地区有一定的适用性。 8 l 前言 1 2 2 9 岩质库岸的经验法删 根据维尼诺沃日洛夫介绍的塌岸预测方法，将岩质岸坡的塌岸预测的经验 法简述如下。该法的图解如图1 - 5 所示。 对于非均质的基岩岸坡，我们一般采用如下的经验计算公式( 1 - 5 ) 来预测其 塌岸的宽度。 s - ( 6 一曰一 p ) c o t p + 但+ p + h b ) c o t a + m , s c o t p b o o t y ( i - 5 ) 式中：s ：塌岸最终宽度( m ) ；6 ：松软岩层底板至正常高水位之距离( m ) ； 君：库水位涨落幅度( m ) ；h 。：波浪影响深度( m ) ，相当于1 o 2 0 倍波高； k ：波浪爬升高度( m ) ，采用0 2 5 倍波高；肼。：水上岸壁岩层厚度( m ) ；p ： 波浪冲刷深度以下水下岸坡坡角；口：浅滩冲磨蚀坡角；口：水上岸坡岩层的 坡角；7 ：原始岸坡坡角。 图卜5 岩质库岸塌岸预测经验法图勰 该法属于经验法，可用于软岩或者强风化岩质库岸的塌岸宽度预测，其有 效性还有待进一步验证。 1 2 2 1 0 其它方法 e b r a h i ma m i r i - t o k a l d a n y , s t e p h e ne d a r b y 矧( 2 0 0 3 ) 等人考虑了岸坡在饱 和与非饱和状态下的孔隙水压力及水对岸坡产生的静水压力等因素，建立了岸 坡稳定分析的经验分析法。 该法对其它岸坡破坏因素欠缺考虑，其有效性有待进一步验证。 9 成都理工大学硕士学位论文 1 2 3 研究现状评价 利用物理模拟手段对边坡变形破坏研究的评价：主要选取矿山排土场、路 基边坡等滑坡体为原型，对于水库塌岸的模拟较少；主要侧重于定性分析边坡 的变形破坏过程，获得一些宏观认识，没有定量地给出边坡塌岸范围与其影响 因素间的量化关系。 塌岸预测方法研究的评价：目前研究有关预测水库塌岸问题的文献较多， 但几乎所有的塌岸预测方法都有各自的适用条件，且大部分方法条件要求苛刻， 计算准确度差。特别是对于三峡库区这种山区河道型水库，边岸再造过程复杂 并缺乏此类现象发育的动力学直接观测资料，应用以上方法进行塌岸预测难度 大而且预测结果不理想。 综上所述，到目前为止对于三峡水库的塌岸预测评价，没有充分发挥物理 模拟这一快捷而有效的手段，而且塌岸预测没有理想的方法，更缺乏物理模拟 与塌岸预测相结合的深入的研究。 1 3 主要研究内容与创新点 1 3 1 主要研究内容 本论文旨在查明三峡库区典型塌岸段地质条件，分析影响塌岸的主要因素 ( 如岸坡坡角、库水位、土质、降雨强度、波浪及岸坡结构等) 与塌岸范围的 相互关系，分析总结三峡库区的塌岸机制与塌岸模式，形成一套适合于三峡库 区的塌岸预测方法，开发三峡水库塌岸预测分析研究系统。具体包括以下几个 方面的内容。 ( 1 ) 三峡库区的工程地质环境条件 三峡库区延伸数百公里，地处高山峡谷区，库区的工程地质环境条件复杂 多变，这些条件从不同程度上对塌岸产生了影响，同时又是进行室内物理模拟 试验的依据。因此，查明三峡库区的地质环境条件不仅是进行三峡库区塌岸预 测的重要步骤，而且成为物理模拟试验能否成功的关键。需要查明的具体内容 主要包括：自然地理、地形地貌、地层岩性、地质构造、水文地质条件、不良 地质现象、地震及人工活动等。 ( 2 ) 物理模拟试验研究物理模拟试验是以实际岸坡地质条件为依据，根据 一定的相似性原理，室内模拟实际岸坡情况。模拟试验能否取得预期效果，一 方面取决于实测资料的准确性；另一方面取决于试验原理、试验设备及试验方 案等的完备性与合理性。因此试验中需要详细研究的内容有：相似性原则、试 1 前言 验材料、试验设备、试验方案设计及试验过程等。 ( 3 ) 水库塌岸的物理模拟研究在模拟试验的基础上，以岸坡的塌岸宽度作 为衡量塌岸规模的指标，分析岸坡塌岸宽度与岸坡坡角、库水位、土质、降雨 强度等因素的相互关系及塌岸宽度对各个因素的敏感性。利用多次模拟试验现 象，分析总结三峡库区的塌岸机制与典型塌岸模式。 鳓塌岸预测的多元回归法研究根据试验中测得的塌岸宽度，采用多元回 归的方法，建立塌岸宽度与岸坡坡角、库水位、土质、降雨强度等因素的关系 式，得到一种适合于三峡水库塌岸预测的行之有效的塌岸预测方法一多元回归 法。 ( 5 ) 塌岸预测的实例验证根据收集到的现有的典型塌岸段的资料，利用本 论文提出的塌岸预测方法进行塌岸预测，通过分析比较，验证本论文提出的塌 岸预测方法的可行性。 ( 6 ) - - 峡水库塌岸预测评价系统开发以v b 程序设计语言为平台，根据物理 模拟试验成果及前人研究资料开发三峡水库塌岸预测评价系统，据此可进行塌 岸预测及塌岸分析研究。 1 3 2 研究的创新点 ( 1 ) 通过物理模拟手段，建立塌岸过程中产生的土体的塌岸宽度与岸坡坡角、 岸坡物质组成、库水位及降雨强度等因素的相互关系。 但) 分析得到塌岸宽度对各个因素变化的敏感性，找出影响塌岸的最敏感因 素。 ( 3 ) 根据物理模拟试验结果，提出一种适合于三峡水库塌岸预测的新方法一 多元回归法。 ( 4 ) 研制开发了三峡水库塌岸预测评价系统，集多种塌岸预测方法于一体， 可进行塌岸预测与分析评价。 1 4 研究思路与技术路线 山区型水库塌岸预测评价研究不是一个纯理论问题，而是一个具有较强实 践性的应用课题。 本论文的研究思路是：首先查明三蛱库区塌岸工程地质环境条件，然后采 用物理模拟手段，利用正交设计原理，建立典型塌岸模式的物理模拟模型，进 行水库塌岸研究。在此基础上，根据试验数据建立塌岸宽度与岸坡坡角、库水 位、土质、降雨强度等影响因素的关系，进行塌岸机制分析和塌岸影响因素的 成都理工大学硕士学位论文 敏感性分析，利用多元回归的方法建立一种适合于三峡水库塌岸预测的方法并 进行验证分析。开发三峡水库塌岸预测评价系统，为塌岸的预测提供简捷方便 的工具。 根据研究的基本思路，本论文研究工作的技术路线如图1 6 所示。 图卜6 研究技术路线框图 2 三峡库区工程地质环境条件 2 三峡库区工程地质环境条件 三峡工程规模浩大，库区延伸数百公里，沿岸地层岩性、地质构造等地质 环境条件复杂多变，由此造成塌岸的复杂性，并对塌岸预测的难度产生直接影 响。 2 1 自然地理概况 2 1 1 地理位置 三峡库区位于长江上游的最后一段，跨越了四川省东部、重庆市和湖北省 西部，即从重庆到湖北省宜昌约6 0 0 多公里的范围( 如图2 1 所示) 。位置地跨东 径1 0 5 。4 4 1 1 1 。3 97 ，北纬2 8 。3 2 3 1 。4 4 ，。 图2 - l 三峡工程地理位置图 长江三峡得天独厚，不仅为黄金水道，可直通大海，而且地处我国中部， 空中和陆上交通也特别方便，四通八达。宜昌市位居三峡出口处，为葛洲坝工 程所在地；三峡枢纽工程离这儿也只4 0 来公里。所以不管是上水还是下水，一 般都可在这里停留或者中转进峡，是出入三蛱的交通枢纽。北京、武汉、柳州 都有铁路直通宜昌；广州、北京、武汉、西安、长沙等地也有班机和这里通航。 成都理工大学硕士学位论文 2 1 2 气象水文 本区地处中纬度，属湿润亚热带季风气候，其特征是： 具有暖春早、夏季伏旱、秋雨多、湿度大以及云雾多等特征。年均气温1 5 1 9 ，积温5 0 0 0 6 0 0 0 ，无霜期2 9 0 3 4 0 天，一月平均气温3 6 7 3 。c ，不管 是1 月平均气温，年平均气温，还是大于1 0 度的年积温都比浙江、江西、湖南等 纬度稍底的地区高出3 以上，极端最低气温一2 5 - - 5 6 c ，三月上旬已普遍 入春，比长江下游一带提早1 5 2 0 天。 降水量充沛，时空分配不均i 矧。区内大部分地区年降水量为1 0 0 0 1 3 0 0 毫 米，降水量的6 5 7 0 集中在夏半年。主要表现在5 6 月暴雨成灾，7 8 月常 有伏旱，秋季多绵雨。在空间分布上，水资源的垂直差异比之水平分异更明显， 一般海拔每上升1 0 0 米，平均气温下降0 4 o 6 ，降水增加5 5 毫米。 川i 东鄂西地区是我国的暴雨中心之一。据记载一九三五年六月三十日至七 月五日连续七昼夜，最大一日降雨量达6 0 0 毫米以上，最大三日降雨量达1 0 0 0 毫 米以上。一九七五年八月八日至十日姊归县降暴雨达3 0 0 多毫米。 2 1 3 社会经济条件 三峡库区沿岸人口众多，人口密度受地形条件影响很大，人口多集中于河 谷平原地带i 刎。库区平均每平方公里4 1 4 人；川鄂山地区，每平方公里1 4 0 2 0 0 人，而川东平行岭谷区，平均每平方公里3 0 0 6 0 0 人。其中长江沿岸是人口密 集区，每平方公里在6 0 0 人以上【2 5 l 。库区的万县市、涪陵市及十多个县市都分布 于沿江的狭长地带上。人口文化水平和劳动力素质的地区差别与人口分布特征 基本一致。 三峡库区不仅有丰富的水能资源、小规模煤矿，有利于大耗能的盐化工业 及农村产品的深度开发；而且农业、旅游业也具备得天独厚的优势，近些年得 到迅猛发展。 三峡地区的农林牧副渔业方面都得到全面发展。农作物、经济作物、林副 产品、畜禽等品质多、产量高，给工业及其它产业的发展奠定了基础。 三峡地区自古以其奇石怪峰、山弯水曲的美丽风光就是旅游胜地，今天， 随着三峡水利枢纽工程的建设，更成了旅游的热点。 近年来，三峡沿岸的工业、交通运输、商业、金融事业和文教卫生事业进 一步迅速发展。城市建设在一天天扩大整齐，使重庆、宜昌等市成了三峡地区 最大的工商业、交通、金融城市和政治文化中心，居全国的重要地位。 2 三峡库区工程地质环境条件 2 2 地形地貌 三峡库区东西横贯两大自然地理单元，大致以奉节为界，库区东段为深嵌 于巫山山脉中的三峡峡谷，西段为四川盆地东部低山丘陵区，以宽谷为主。 三峡峡谷两岸的巫山山脉属于以侵蚀作用为主兼有溶蚀作用的中高山地貌 景观。其东部山脉呈s n 走向，中部和西部主脉大体呈n l 卜s w 走向。长江深切 上述山系，相对高差达8 0 0 1 5 0 0 m ，江面宽一般为2 0 0 3 0 0 m ，最窄处仅9 0 m 。 由于长期受水的溶融作用，不仅在三峡中形成峭壁深谷，而且还在云阳和巴东 山地中形成峰从洼地或溶烛残丘，川东条形山地的顶部也有溶蚀槽谷生成。 由于各库段组成岩性、地质结构和地壳升降幅度的不同，地貌特征也有所差异。 山脉连绵起伏，平均海拔变化较大，形成南北高、中间低，从南北向河谷倾斜 的地貌，构成以山地为主的地形状态。 三峡西段自东向西两岸地势由高变低，即由8 0 0 1 0 0 0 m 标高的中、低山渐 变为4 0 0 6 0 0 m 标高的低山、丘陵，河谷类型以宽谷为主，仅有罗家沱附近的关 刀峡、黄柏溪附近的巴堰峡两个峡谷段。地貌特征是一系列平行的条带中、低 山脉为骨架，间布相对较低的台状山地或丘陵区，并零星见有河流阶地【2 7 1 。 2 3 地层岩性 横惯本区中部，穿越香溪至渔洋的仙女山断裂，将本区分为东西两部分。 以海相沉积为主的震旦纪和古生物地层主要出露在本区东部，它们呈条带状围 绕着以前震旦纪花岗岩、片岩和片麻岩为基底的黄陵背斜和以三叠系为核部的 任和坪向斜周缘分布。由海相一海陆交互相一陆相沉积所组成的中生代地层主 要分布在西部的秭归盆地和东部的荆门一当阳盆地及其周围。这里的新生代地 层均为陆相沉积，主要分布在本区东部的宜都、枝城和当阳一带。区内除泥盆、 石炭纪地层发育不够完全外，其它各时代地层均发育较好，化石丰富。尤其是 出露在宜昌莲沱的震旦系剖面、宜昌黄花场的奥陶系剖面和宜昌王家湾的奥陶 系与志留系界线剖面，对研究全球同期地层的划分与对比都有重要的作用【捌。 三峡地区岩性主要分为砂岩、泥岩、碳酸盐岩和侵入岩3 大类型。在云阳以西地 带和宜昌附近岩性主要属于砂岩、泥岩。具体地层分布如表2 1 所示。 2 4 地质构造 在距今1 8 亿年的侏罗纪，川东鄂四一带是一片汪洋大海。侏罗纪后期，我 成都理i = 大学硕士学位论文 表2 - i 三峡库区地层分布简表【冽 系 统 组( 群) 名称代号厚度( m )岩性简述 第四 棕红色、棕灰色粘七、弧枯十、 系 q 砂七、砂卵砾七、含碎石十。 、， 灰红、棕红色巨厚层砾岩夹砂 白 上统 罗镜滩组 k 2 12 7 3 8 0 l 岩、粉砂岩 垩 系 下统 石门组、五龙组 k l2 0 7 6 砖红色厚层砾岩为主、夹灰黄 色石英砂岩、砂岩、泥质砂岩 紫红色、灰白色长石砂岩、石 蓬莱镇组 山p 6 2 0 _ 一1 6 0 0 英砂岩与泥岩不等厚互层、下 上统 部夹段续煤线。 紫红色、灰紫色泥岩、泥质粉 遂宁组j 3 s 3 7 0 _ 6 7 8 砂岩与砂岩、钙质粉砂岩互层 紫红色、灰黄色厚层长i i 砂岩 上砂溪庙组j 2 s 11 5 2 1 6 0 0 与泥岩、粉砂质泥岩互层。 侏 中统 下砂溪庙组j 2 x s 3 5 4 4 紫红色、青红色泥岩、粉砂质 罗 泥岩与长石砂岩不等厚互层。 系 灰黄、灰绿色砂质页岩、泥岩 新田沟组j 2 x 2 4 0 _ 一3 6 0 与石英砂岩、粉砂岩互层。 灰、深灰、灰绿色页岩、粉砂 自流井组 j l _ 2 z 1 6 5 _ 一1 8 9 质页岩、泥岩、泥质粉砂岩、 灰岩、含磷铁矿。 下统 灰、黄灰、灰绿色石英砂岩、 珍珠冲组j l z 2 5 0 - 3 6 1 泥质粉砂岩、粉砂质泥岩、页 岩、含薄煤层与菱铁矿。 须家河组沙镇灰一灰绿色薄至厚层石英砂 上统溪组t 3 x j t 3 s 8 7 - 4 5 8岩、粉砂岩、含砾砂岩夹粘土 岩、炭质页岩、煤层。 巴东组雷口坡灰、紫红、灰黄色粘土岩、水 = 中统 组t 2 b t 2 13 7 8 一1 3 1 0云母粘土岩，页岩与泥灰岩、 泥质白云岩、灰岩。 叠 浅灰、灰色薄一厚层灰岩、白 系 嘉陵江组 t l j 1 5 2 _ 2 4 8 云质灰岩、盐溶角砾岩、含石 膏 下统 灰色、肉红色一中厚层灰岩、 大冶组飞仙关 t l d t l f 5 0 - 7 5 6 泥质灰岩和黄绿色页岩、炭质 组 页岩。 长兴组大隆组浅灰至灰黑色薄一厚层燧石结 二叠 上统吴家坪组龙谭n 4 7 - 2 8 1 核灰岩、灰岩、灰黑色页岩、 系 至一 硬砂岩和煤层、黄铁矿。 1 6 2 三峡库区工程地质环境条件 表2 - i 三峡库区地层分布简表l 冽 系统组( 群) 名称代号厚度( m )岩性简述 灰至灰黑色薄至巨厚层灰岩、燧 二 茅口组、栖霞组 石结核灰岩、钙质页岩、硅质页 叠下统 p l2 4 8 - 4 5 5 岩，灰绿、灰黑色页岩、粘土岩、 系 马鞍组粱山组 砂岩。含煤层、铝土矿层和赤铁 矿 灰、灰白色巨厚层灰岩、白云质 石 中统 黄龙组( 群) c c h 2 8 0 0 细碧岩，含赤铁矿。 前震黑云角闶奥长、斜长混合岩，斜 旦系长片麻岩，花岗片麻岩，黑云角 崆岭群p l k n 5 4 1 8 闪、黑云母、石英、石墨片岩和 大理岩。 一地震震中：1 一m s = l 肛1 9 级；2 _ 一m s = 2 0 - 2 9 缎：3 - - m ：s = 3 0 - 3 9 级；4 b = 4 0 - 4 9 级；5 - h b = 5 0 - 5 - 9 级二断裂t6 仙女断裂；7 - - 九湾溪断裂：8 一新华断裂：9 一齐岳山断裂# 1 0 - - 马良断裂；1 1 青丰断裂 三褶曲；1 2 、1 3 - - - 向斜、背斜( 1 一黄陵背斜i 卜秭归向斜；卜流来观背斜，卜官渡口向斜；5 - - 巫峡 背斜：卜巫峡向斜：7 一罂塘峡背斜：8 一故陵向斜；争- 万县向斜；1 0