三峡库区河道滑坡涌浪消减简单结构物型式优化研究

三峡库区水位变化加剧了河道内滑坡涌浪产生的频次。为了保证人民生命财产安全,对滑坡涌浪产生的能量进行了消减分析。通过物理模型试验对板式(T字型、十字型)、栅栏式(单列型、多列型)以及多孔式(整体型、分割型)消浪结构物进行消浪效率、消浪机制以及综合性应用对比分析,得到主要结论如下:栅栏式单列型在河道应急、涌浪消减方面效果最优,按照衰减性能与能量耗散共分为4种模式(入射波浪反射、竖向挡浪板对水体运动的阻挡、浮板与水体相互摩擦和回流)。在对比试验基础上对栅栏式消浪结构物单列型进行试验参数优化、分析推导出栅栏式消能结构物最优型设计公式,并得出了在L/hw为0.65~0.75范围内时栅栏式消浪效率(β≥15%)和适用性最优。同时,在计算二维条件下最优消能效率值方法的基础上,进行三维条件消能结构物最优值的求解方法讨论并给出消能结构物在实际应用中的防治措施与建议。

融合贴近摄影和LiDAR技术的危岩体三维模型构建及稳定性分析

高陡危岩崩塌是我国山区常见的一种地质灾害,但由于通行困难等客观因素的限制,导致人工地质勘查工作效率低,安全风险高,存在调查死角。以三峡库区老鼠错3号高陡危岩体为例,融合无人机贴近摄影测量和机载LiDAR技术,建立了高陡危岩体调查分析方法体系。在此基础上,系统构建了老鼠错3号危岩体的三维地质模型,获取了该危岩体工程地质特征。研究显示老鼠错3号危岩体发育有5条控制结构面,软弱层最宽27.30 m,凹腔最深2.19 m,崩塌类型为倾倒式崩塌;危岩体稳定性系数在自然工况下为1.375,处于稳定状态,暴雨工况下为1.01,处于欠稳定状态,需进行治理。结果表明融合贴近摄影和LiDAR技术方法对高陡危岩体调查具有较好的互补性,可为高陡危岩体的非接触式测量、地质信息获取及稳定性分析提供一种新的调查思路,为库区的防灾减灾工作提供一定的技术支撑。

三峡库区消落带岩体劣化下危岩体长期变形破坏机理——以冠木岭为例

三峡库区水位周期性变动导致消落带岩体劣化,加速了库区部分危岩体朝不稳定方向发展,潜在涌浪灾害威胁长江航道。本文以冠木岭危岩体为研究对象,阐述了冠木岭危岩体下部软弱层在收到上部荷载作用及库水波动影响下,岩体强度不断减弱,最终演化为倾倒滑移或基座压裂座滑的破坏模式。使用抗剪强度折减法计算了5种工况下随水位周期该危岩体的稳定性系数,结果表明:在现状自然工况下危岩体处于基本稳定状态,稳定性系数大约在1.3;在劣化工况下,强度以每个周期下降1%的速率进行折减,岩体劣化与强降雨+岩体劣化两种工况下,在20个水文周期的库水变动影响下,稳定性系数维持在1.1以上,处于基本稳定状态;库水+岩体劣化工况下稳定性系数由1.3下降到1.0,稳定性状态也从稳定状态过渡到极限平衡状态;库水+强降水+岩体劣化工况处于极限平衡-不稳定状态,在此种最不利条件下,危岩位移量达到11 m,稳定性系数下降到0.76,危岩处于不稳定状态;在经过长达20个水文周期的库水位变化后,考虑岩体劣化工况下的冠木岭危岩已处于极限平衡状态或不稳定状态,建议开展专项岩体劣化防治,提高危岩体稳定性,以保障航道安全。

三峡库区巫峡段消落带碳酸盐岩强度弱化研究

三峡库区175m蓄水以来,巫峡段碳酸盐类岩溶岸坡在周期性水位变动下岩体劣化强烈,新生或加速形成了大量地质灾害。为探讨在周期性水位变动下碳酸盐岩类岸坡的强度弱化规律,文章从岩石(体)物理结构、化学性质、力学性质等方面开展研究,通过在巫峡最具代表性的6处库岸段开展原位岩体回弹强度测试、原位点荷载试验以及室内干湿循环试验、岩石矿物成分分析、岩石表观裂隙扫描等试验,获取水位变动条件下碳酸盐类岩石(体)的强度弱化数据。原位岩体回弹强度测试结果表明,原位岩体单一年度的强度弱化率为0.3%~25.9%,岩体强度弱化主要沿结构面产生;室内干湿循环试验结果表明,在50次干湿循环后,岩石强度弱化率为16.4%~23.9%,变形模量弱化率为17.1%~24.9%;岩石矿物成分分析结果表明,在100次循环后,CaO的溶失量为0.5%~5.6%;岩石表观裂隙扫描结果表明,岩块表面裂纹发育位置发生了水蚀痕迹加重、溶孔变大、裂纹延伸等变形现象。基于干湿循环试验数据,建立岩石强度弱化函数,推导出各点位上的指数函数弱化计算模型。该计算模型可用来预测岩石强度、变形模量与水位循环次数间的数值关系。最后以曲子滩危岩“溃屈”式破坏计算为例,探讨了岩体强度弱化后的灾变效应。研究提出的工作方法和通过试验所得到的数据可为三峡库区岸坡劣化带的防治提供数据和技术支撑。

三峡库区典型岩溶岸坡危岩体失稳模式和长期稳定性分析

三峡库区地质环境复杂,受库水位升降作用影响岩溶岸坡消落区岩体劣化,加快了岸坡不稳定性发展。文章以三峡库区黄岩窝危岩体为研究对象,现场详查了消落带岩体劣化现象,计算了危岩体的长期稳定性数值。研究表明:黄岩窝危岩体存在垂直岩溶带和底部渗流带;底部渗流带处于消落带部位,存在软弱区和岩体劣化现象。考虑库水位和暴雨时岩溶水压岸坡稳定性系数为1.69,危岩体处于稳定状态。随着岩体劣化导致底部软弱区岩体参数不断下降,稳定性系数年均下降约0.01。预测在约57个周期性水位变动之后黄岩窝危岩体变为欠稳定状态,62个周期后发生失稳破坏。危岩体的破坏模式是顶部出现岩块倾倒崩落和底部软弱区贯通之后发生滑移的复合式破坏,与野外调查定性认识基本一致。研究结果对库区类似的地质灾害预警和防治有着重要的指导意义。

顺层岩质滑坡防治方案研究——以重庆市石柱县龙井滑坡为例

顺层岩质滑坡已对人类造成难以量计的灾害及损失,滑坡的防治方案研究对减少此类灾害发生意义重大。为了对顺层岩质滑坡的防治方案进行研究,以重庆市石柱县龙井滑坡为研究对象,通过方案对比的方法得出了更适合该滑坡的防治方案,并利用数值模拟对此方案进行了治理效果评价。结果表明,“两级抗滑支挡+地表排水+地裂缝封闭”更适用于龙井滑坡,根据治理效果模拟,滑坡最大水平位移减少58.9%,最大竖向位移减少58.1%,最大剪切应变增量减少52.9%。两级抗滑支挡能改善顺层岩质滑坡应力分布,提供抗滑力,减少塑性区范围以及减缓下滑趋势。

三峡库区涉水滑坡涌浪预测分析

三峡库区涉水滑坡分布广泛,其运动方式、涌浪波特征与涉水情况紧密相关。现有的滑坡涌浪预测方法中,鲜有考虑滑坡涉水情况对涌浪的影响。基于此,通过滑坡物理概化模型试验,对涉水滑坡涌浪特征及不同淹没度λ(滑体滑动前水下部分滑体体积与整体体积之比)情况下滑坡涌浪首浪最大波高计算公式进行研究。研究发现:随着淹没度的增加,滑坡涌浪类型逐渐由水上滑坡涌浪向水下滑坡涌浪转变,且涌浪波高逐渐减小。结合试验数据通过非线性回归分析得出涉水滑坡涌浪首浪最大波高计算公式,与Node公式、潘家铮公式相比较,所推导的经验公式适合涉水滑坡涌浪首浪最大波高计算,预测精度更高,可为涉水滑坡涌浪灾害预测预报分析提供参考。

滑体破碎程度对滑坡涌浪特征的影响研究

滑坡岩土体在运动过程中大多会发生切割性破碎,破碎滑体入江会强烈影响产生的涌浪特征;破碎滑体造浪效应尚需进一步揭示。基于大型三维滑坡涌浪缩尺物理试验,开展了不同滑体破碎程度下的滑坡产生涌浪物理试验,对破碎滑体的造浪效应进行分析。研究结果表明,随着滑体破碎程度的增加,涌浪第一波峰、最大波高及传播速度均呈减小的趋势。其中,滑体破碎程度从小到大,涌浪最大波幅减小幅度依次为8.84%、19.75%,首浪最大波高减小幅度依次为12.49%、21.13%。通过试验现象可知,滑体破碎程度主要通过控制滑体运动速度和滑体-水体相互作用过程对涌浪特征造成影响;并基于滑体-水体相互作用,提出滑体结构重组、渗透流、涌浪波消减3种作用机制。这些新认识揭示了滑坡运动-破碎-造浪特征,深化了滑坡涌浪形成机制研究。

三峡库区岸坡消落带岩体劣化分形特征与演化预测研究

三峡库区岸坡岩体劣化的关键在于岩体节理的持续扩展。本文采用分形理论对消落带上下岸坡测窗岩体劣化程度、劣化破碎相变时间及发展趋势进行了分析。研究表明:岩体节理劣化分布具有分形属性,可将缺项值Λ(r)曲线陡缓转折点视为REV(表征单元)岩体尺寸下限;整体来看,劣化使得岩体节理生长向更加均匀、密布的趋势发展,呈现升维特征;进一步利用节理升维值ΔD_(b)建立了劣化程度分级标准,升维值ΔD_(b)与面积节理数增量ΔJ_(ov)、地质强度指标变化值ΔGSI满足指数函数关系;最后探讨并提出了2种节理分维数劣化演变模式,采用岩体劣化破碎相变时间计算式可进行相应的演化预测分析,且岩体劣化破碎相变时间预测是基于割线的估计。由于分维数D_(b)具有较高的统计稳定性,能够满足工程应用需求。研究成果为库区岸坡劣化程度调查以及劣化演化预测提供了新的方法。

基于裂隙网络渗流差异的消落带岩体劣化空间预测方法

三峡水库175 m蓄水以来,水位周期性涨落,使得岸坡岩体强度下降而逐渐劣化,易导致岩质岸坡失稳破坏,因此引起了广泛的关注。岩体劣化与库水位的波动有关,其损伤劣化区域必然与水力调整范围有一定的关系。本文提出了基于裂隙网络模型渗流差异的岩体劣化空间分析方法。利用Beacher模型结合裂隙几何参数分布概型模拟岩体裂隙的空间分布,并基于裂隙截面面积相等,在裂隙网络中简化面状渗流为管道流,构建出裂隙网络渗流空间图。同时利用拓扑关系求解实际工况中岩体裂隙网络渗流空间的水头分布区域,通过不同水位下的渗流差异区域来推测发生岩体劣化的空间,基于理论分析和数值模拟得出存在水力差异的区域和新增的渗流区域两种情况合集即为岩体劣化区域。这一预测方法将对量化三峡库区岩体劣化空间强度及岸坡稳定性有重要的指导意义。

三峡工程库区岩溶岸坡岩体劣化及其灾变效应

三峡工程库区175 m试验性蓄水10多年后,峡谷区岩溶岸坡水位变动带岩体劣化强烈,新生或加速形成了大量地质灾害,引起研究人员和政府的广泛关注。文章从微细观到宏观、由点到面,采用野外调查、室内试验分析了三峡库区岩溶岸坡岩体劣化及其灾变效应。野外调查显示,溶蚀岩体劣化集中发育于三峡、大宁河等干支流峡谷区域,其中以巫峡共约10 km长的岸坡最为典型。溶蚀岩体劣化机制包括以机械搬运为主的物理机制、以溶蚀/溶解为主的化学机制和以应力腐蚀断裂为主的力学机制。岩体劣化导致溶蚀岩体结构降级,岸坡局部持续形变。岩体劣化、岩溶水动力作用、岸坡形变相互促进,推动了岸坡灾变的发生。大量案例表明,岩溶岸坡岩体劣化引起灾变效应早期,破坏浅表层、岸坡不断后退。岩体劣化影响下岩溶岸坡破坏模式包括崩塌、滑移和倾倒3种主要类型。库水位长期变动导致的溶蚀岩体劣化带来了前所未有的高陡岸坡灾变威胁,可能将三峡库区地质灾害带入新的发育阶段。本研究将为三峡库区岩溶地质灾害隐患点识别与防灾减灾提供技术支撑。

库区城镇滑坡涌浪风险评价与减灾研究

强烈的人类工程扰动和水库蓄水作用导致地质灾害高易发区的水库城镇大多存在滑坡涌浪风险;以往灾难性案例较多,危害巨大。本文构建了以潜在涌浪源调查、变形破坏研究、涌浪危险性分析、脆弱性调查、风险评价和减灾对策分析等六个步骤为主的山区水库城镇滑坡涌浪风险评价技术框架流程。以三峡库区巫山县城为例,遴选离县城最近的龙门寨危岩体进行技术示范。该柱状危岩体体积约30.4×10^(4)m^(3),当前处于欠稳定—基本稳定状态。颗粒-流体耦合数值模型分析显示在145m和175m水位工况下危岩体崩塌将分别产生最大约17.9 m和11.6m的涌浪。巫山县城密集的码头船只和频繁的旅游船是主要承灾体。旅游船只暴露涌浪中的概率为3.4×10^(-4)/a,超过可接受风险限值。景区码头和古城码头因涌浪而导致的潜在直接经济损失大(超过200万),县城各大码头趸船人员具有高—极高风险。针对当前案例,讨论了四种具体减灾方案。相关研究可为山区水库城镇防灾减灾提供技术支撑和借鉴。

三峡库区香溪河段典型滑坡变形特征分析

本文从坡形采集入手,对三峡库区香溪河段蓄水后发生变形的滑坡进行归纳统计。统计表明,近水库岸坡为凸形的滑坡更容易发生变形。对香溪河段典型滑坡进行了长期地表位移监测,获得八字门滑坡和白家包滑坡的变形曲线为台阶状,耿家坪滑坡的变形曲线为脉动形。近库水微地貌为凸岸,滑体物质为老滑坡堆积物的滑坡变形曲线为台阶状,变形具积累性;近库水微地貌为凹岸,滑体物质为崩塌堆积物的滑坡变形曲线为脉动形,变形具“弹性”。

碎裂岩体失稳产生涌浪原型物理相似试验研究

崩滑体涌浪事件具有突发性和灾难性,且实测资料有限,原型物理相似试验研究这种涌浪现象是很好的方法。以三峡库区龚家方崩滑体涌浪事件为原型,探索构建三峡水库蓄水后干流上第一个涌浪大型物理相似试验模型,其长24 m,宽8 m,高1.3 m,几何相似比为1∶200。试验采用大理石材质、d50=1.47 mm的粗砂模拟碎裂岩体,利用波高仪、高速摄影机和爬高测试带监测河道内的水波变化过程,实施了以前缘入水速度为变量的6组涌浪试验。试验结果与龚家方涌浪事件调查结果对比表明,该试验方法可用于预测和研究类似碎裂岩体失稳产生涌浪问题。系列试验分析后,首次通过数据展示碎裂岩体失稳产生的涌浪在传播过程中波的追逐、叠加及反射波叠加等相互作用过程,精细地刻画了河道内涌浪传播和爬高衰减率的差异性。通过该原型模型系列试验,探讨碎裂岩体失稳产生涌浪模型试验的改进方向。采用的物理相似试验方法为碎裂岩体失稳产生涌浪研究提供了很好的借鉴,试验得到的数据及规律认识将为三峡库区类似岩质岸坡失稳产生涌浪预测提供极大的技术支撑。

巫山县望霞乡桐心村危岩体变形破坏机制分析

本文通过详细调查危岩体所处斜坡变形现象发现,斜坡下部有约1m厚煤层被开采,斜坡上有塌陷和岩体开裂两种变形现象,两种变形均在继续发展;且这两者均与煤层开采有较大关联。工程地质类比法认为采煤引起的沉陷-掀斜变形机制对地表变形起主导作用。采用UDEC数值模拟表明,煤层开采后,位移变形由下向上传递。地表沉陷量向临空面增加,水平位移量也向临空面增加。上部坡体变形受垂直裂隙控制,下部坡体变形受水平层面和煤层控制;整体形成沉陷-掀斜。计算变形曲线显示变形有两个阶段,突破式跳跃变形阶段和缓慢变形阶段;如果没有新的开采活动,随着时间的推移山体最终会自行稳定下来。临空面的孤立危岩体在斜坡系统平衡后仍有较大速率,其稳定性较差,建议对其进行清除。

三峡库区巫山县廖家坪危岩体倾倒机制数值模拟分析

廖家坪危岩体位于三峡库区长江左岸,危岩体内部发育有7层软弱岩层和2组裂隙,其变形机制为次生倾倒。采用UDEC离散元模型,对该危岩体倾倒机制进行了数值模拟。模拟结果表明,廖家坪坡体内因次生倾倒形成的拉裂破坏向坡内呈递减趋势;坡体内的倾倒块体受软弱层控制,一般不穿越软弱层,因此不会发生整体性倾倒破坏。各次级悬崖上的危岩体岩柱形成后,出现了向前倾倒翻转破坏和向后仰剧冲或蠕滑两种破坏方式。倾倒的方向与下伏软弱层破坏的关系密切,危岩体跟趾部破坏强烈则向前倾倒翻转破坏,趾部破坏强烈则向后仰剧冲或蠕滑。

香溪河流域白家堡滑坡变形失稳机制分析

白家堡滑坡位于香溪河河口附近,三峡库区蓄水以来,该滑坡的变形持续加剧。地表调查表明滑坡出现了剪性、张性及挤压裂缝;全站仪监测数据表明滑坡中后部位移大于前缘位移,滑动方向由于139 m蓄水而发生改变;深部位移监测表明滑坡体中上部已经形成一个十分明显的滑面。因此,滑坡变形机制为前缘牵引后缘平推式,前期以牵引为主,后期以平推为主。滑坡从变形到失稳转换的关键在于碎裂岩区滑面的贯通,通过有限元方法认为滑坡的应力集中区位于滑体中部的碎裂岩区,通过工程地质类比法认为可能的失稳破坏方式为中低速滑动。

GIS技术支持下的滑坡涌浪灾害分析研究

引入水波动力学模型,结合GIS技术,开发形成滑坡涌浪灾害快速评价系统软件(FAST),该软件由前处理模块、涌浪计算模块和后处理模块组成,能够按滑坡失稳类型处理涌浪计算,能够更直观地展示水质点、剖面线、水面和水体的高程变化情况,具有易入手、易操作、高效率和可视化等特点。以三峡库区巫峡茅草坡滑坡为例,应用FAST预测该滑坡失稳后的涌浪效应,验证FAST的可行性和实用性。模拟结果表明茅草坡滑坡失稳会造成最大的涌浪高度为25 m,最大涌浪爬高为12.5 m,滑坡发生444.5 s后以2.5 m的最大爬坡浪到达巫山县城。该技术方法为快速合理确定水库崩滑体涌浪灾害预警范围及风险管理评价等工作提供一套新的分析手段和可视化平台。

柱状危岩体坐落式崩塌产生涌浪的简化数值模型与校验

许多水库峡谷区和海岸带存在柱状崩塌,它们可能因为软弱基座的破坏而发生坐落式崩塌,碎屑冲击入水将形成涌浪;快速、准确地预测分析大面积、长距离的该类涌浪问题面临着挑战。将崩塌体-水体耦合作用过程黑箱化,利用物理试验公式形成高精度的初始涌浪产生模型,利用Boussinesq模型控制初始涌浪事件波的传播,构建了一个计算精度与物理试验相近的简化涌浪数值模型3D-LWBM。并对这一数值模型进行了应用校验,结果显示:(1)3D-LWBM模拟的伪二维数值液面和测点水位过程的时序性和精确度都和物理试验结果有很好的一致性,精确度高。(2)在三峡库区龙门寨危岩体复杂地形河道中,3D-LWBM预测了涌浪的产生与传播;与流固全耦合模拟结果相比较,它具有较好的计算精度和极快的计算速度。(3)网格尺寸是初始波长的1/6~1/4时,3D-LWBM可以得到较精确的合理解;同时,3D-LWBM有其自身的适用范围。该研究可为相关涌浪防灾减灾提供技术支撑。

基于蒙特卡罗法的崩塌涌浪分析方法

因目前国内外研究涌浪大多采用确定性的计算方法,忽视参数的随机性。故构建蒙特卡罗法求解崩塌涌浪的基本思想,并引入涌浪计算状态函数。以三峡库区箭穿洞危岩体为例,分析水深、崩塌体入水速度和崩塌体入水体积等随机变量的概率分布,利用蒙特卡罗法分析随机变量的敏感性及涌浪值的概率分布。研究结果显示,箭穿洞危岩体形成涌浪的计算变量敏感性强弱排序为入水速度、入水体积和水深;产生的涌浪值分布符合正态分布,其均值为7.02 m。产生涌浪红色预警区的概率为90.8%,建议对其进行治理,以降低涌浪风险。基于蒙特卡罗法的崩塌涌浪分析方法是今后涌浪研究的重要方向,可以更好地理解涌浪风险,并可用于水库地质灾害风险管理和航道风险管理中。