三峡库区灰岩浸泡损伤-孔隙水压耦合模型研究

【目的】自2003年开始蓄水以来,三峡库区水库地震的数量达到上万次,对比蓄水前后的地震数据变化可以看出,库水浸泡作用明显改变了水库地震区域灰岩的力学特性。为了研究长期库水浸泡作用对库区灰岩力学特性的影响,【方法】针对库区蓄水环境,开展了不同浸泡时长和不同孔隙水压对灰岩三轴压缩强度的影响试验,以及浸泡作用下灰岩孔隙率变化的电镜扫描分析。【结果】试验结果显示:在浸泡作用和三轴试验中考虑不同孔隙水压时,灰岩的三轴抗压强度呈现出短期浸泡时的强度增强现象,与一些水岩相互作用理论存在差异。基于这些差异,从宏观力学特性和微观结构的角度分析了灰岩损伤发展规律,提出了灰岩浸泡损伤-孔隙水压耦合模型,估算了在试验条件下使溶孔产生破裂的孔隙压力临界值,按照静水压力取孔隙压力值为地下5.6 km处,与三峡库区高桥断裂区域的水库地震震源深度较为吻合。【结论】水库地震区域灰岩的损伤并非单一的浸泡损伤,是耦合了孔隙率演变、孔隙压力变化、孔隙水形态演化等一系列复杂现象的破坏失效过程。研究成果可为水利工程中诱发地震的机理研究提供一定的理论参考价值。

三峡库区降雨抬升地下水诱发滑坡变形特征及机理研究

三峡库区雨量充沛,降雨抬升地下水位使得滑坡控制性滑动面稳定性降低,加之地下水水力作用增强会诱发滑坡变形,严重威胁着人类生产生活,并对环境造成巨大破坏.本文借助三峡库区谭家河滑坡、谭家湾滑坡GPS监测数据、勘察资料等,采取定性与定量相结合的方法对降雨、地下水位数据进行分析与处理,对滑坡变形特征进行总结归纳.最后建立谭家河滑坡UDEC离散元模型,模拟降雨、库水、地下水联合作用下滑坡的变形,分析地下水位涨落条件下滑坡的变形机理.研究表明:滑坡变形与地下水位涨落具有较强关联性.降雨入渗滑坡体内,QSK2、S1地下水位分别上涨至241.7、275.3 m后,两滑坡体变形明显增强;当地下水位分别下降至240.7、271.5 m后,两滑坡体变形明显减弱.持续强降雨会明显抬高地下水位.日均降雨量达到6 mm以上,有利于地下水位上涨,使地下水位由下降阶段转换为上升阶段;日均降雨量在2 mm以下,降雨对地下水位抬升作用有限,地下水位由上升阶段转换为下降阶段.地下水位上涨期间,降雨强度越高,地下水位峰值往往越高,滑坡变形通常越剧烈;地下水位达到峰值后,持续强降雨使地下水保持高水位运行,滑坡“阶跃”变形时间跨度变长.目前,两滑坡体处于持续变形阶段,有产生小规模滑动的可能性,须加强地下水位、降雨监测和诱发机制研究.

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。

基于耐震时程法的高拱坝地震易损性分析

基于耐震时程分析方法(ETA),建立了三维坝体-库水-地基动力相互作用模型,进行高拱坝抗震性能评价。以基于目标反应谱合成的10条耐震加速度时程曲线为地震输入,选取坝体损伤体积比、坝顶坝踵顺河向相对位移和拱冠梁横缝开度作为结构性能指标,通过对结构不同性能水准的定义,建立了极限状态与结构性能指标之间的关系,以此为基础绘制易损性曲线。结果表明:随着耐震时程输入时间的增加,拱坝的各项响应值随之增大,不同响应指标对地震强度的敏感性不同,且ETA法与增量动力分析法(IDA)得到的响应结果基本一致,在同一性能水平下采用不同评价指标时对应的超越概率也不相同。因此,在进行结构的抗震性能评价时应综合考虑不同结构响应指标,选取不同性能下超越概率最大的结构响应指标进行分析。

地震波斜入射作用下重力坝地震响应分析

为了研究地震波斜入射作用下重力坝的地震响应,本文基于黏弹性边界及相应的地震动输入方法,分别推导了P波和SV波倾斜入射时的等效地震力,构建了考虑地震波斜入射的黏弹性静-动力统一型人工边界.以黄登混凝土坝为研究对象,研究了P波和SV波在不同斜入射角度下混凝土坝的地震响应,重点分析了重力坝在地震作用下的水平、竖直相对位移与主应力.研究结果表明:混凝土重力坝的地震响应中在斜入射情况下P波与SV波有明显的差异,考虑地震波的斜入射很有必要;P波斜入射时,随着入射角度的增加,坝体关键点的水平、竖直相对位移与主应力值逐渐增加(60°时达到最大);SV波斜入射时随着角度的增加关键点相对位移与坝体主应力变化不大,但整体来看入射角度为0°时(即垂直入射)与其他入射角度相比无论是竖直、水平相对位移或坝体关键点主应力均为最大.

银川城市地下空间开发的地质安全风险分析

城市地下空间受地质环境的影响和制约,评价地质环境的安全成为地下空间开发的先导问题。结合银川市地下空间资源调查和区划,选择了地震(活动断裂和场地地震效应)、砂土液化、富水砂卵石层、地基承载力和地表载荷等因素作为评价因子,在分别确定各要素空间分布的基础上,进行了单因素的地质风险分析;采用层次分析和乘积标度相结合的方法,进行银川市地下空间开发的多因素地质安全风险综合评价。结果表明:银川市地下空间开发的最主要制约因素是地震和砂土液化;地质风险的强风险区面积最小,占总面积的4.10%,中风险区面积占19.69%,弱风险区面积最大,占41.07%,低风险区占35.13%。这为银川市地下空间开发建设等提供地质参考。

后浇带区域受力性能及临时支撑布置方法研究

对后浇带区域受力性能及临时独立支撑布置方法进行了研究.首先基于力学原理建立后浇带区域变形的计算模型,根据规范取后浇带所在跨跨度的1/1000作为支撑布置的挠度控制指标,推导出支撑布置计算判据,以此判定需要布置支撑的后浇带区域,提出后浇带临时支撑布设方案;然后总结支撑布置规律,给出支撑布设位置速查表;最后以具体工程为例验证所提出的支撑布设方案的适用性.

含软弱夹层场地的一维等效线性化地震响应研究

为了探明软弱夹层对场地的地震动响应影响,明确软弱夹层对地震场地的影响方式,基于等效线性化方法构建一维场地模型,对场地进行不同幅值的基岩地震动输入的响应计算,得到了多种地震工况下场地的PGA和地震波傅里叶谱.分析了地震波频谱在场地自然频率附近波段的谱值比曲线变化和软弱夹层对不同频率波段的消减情况,并根据滞回理论探明了地表加速度减小的原因.研究结果表明:在受到地震作用时,场地中的软弱夹层的剪切模量减小并且阻尼比增大,使得软弱夹层出现大应变并消耗了高频段的地震能量,使得传输到地表的地震波PGA减小;且当基岩输入地震强度增大时,地表PGA放大系数曲线呈现出逐渐减小并趋于平稳的规律性.

膨润土颗粒充填施工接缝的缓冲层膨胀力研究

在高放废物处置库中,缓冲层通常以高压实膨润土砌块拼接回填形成,这势必在金属罐、砌块、围岩之间留下不可忽略的施工接缝.通过在位于试验舱底的压实膨润土上部预留接缝,开展接缝充填膨润土颗粒工况下的试样膨胀力测试,以掌握膨润土颗粒充填施工接缝对缓冲层膨胀力特性的影响.研究结果表明:试样水化方向不同,膨胀力发展过程存在较大差异,但膨胀稳定时间差别不大;从接缝端入渗时,试样均表现出随注水时间增长,膨胀力逐步提升,直至稳定在最高膨胀力;随着接缝宽度增大,最终膨胀力出现显著降低,且膨胀稳定时间显著增加;在施工接缝中充填膨润土颗粒可显著提升缓冲层最终膨胀力,保证其“自密封”要求.

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。

2060 MPa级高强钢丝高温力学性能及破断模式

采用非接触式光学应变测试系统,跟踪测试了2060 MPa级高强钢丝试件在20~900℃下的全过程应力-应变曲线,建立了高温钢丝各力学性能指标的高温函数模型,得到其高温破断参数.结果表明:高温下高强钢丝试件的各力学性能指标均有不同程度折损.当温度低于200℃时,试件的力学性能指标折损率不超过10%,破断模式为脆性破坏;当温度超过200℃后,试件的各力学性能指标折损率显著增大,破断模式逐渐由脆性破坏转变为塑性破坏.

基于比例边界有限元法计算应力强度因子的不确定量化分析

应力强度因子是预测荷载作用下结构中裂纹产生和扩展的重要参数。半解析的比例边界有限元法结合了有限元和边界元法的优势,在裂纹尖端或存在奇异应力的区域不需要局部网格细化,可以直接提取应力强度因子。在比例边界有限元法计算应力强度因子的框架下,引入随机参数进行蒙特卡罗模拟(Monte Carlo simulation, MCS),并提出一种新颖的基于MCS的不确定量化分析。与直接的MCS不同,采用奇异值分解构造低阶的子空间,降低系统的自由度,并使用径向基函数对子空间进行近似,通过子空间的线性组合获得新的结构响应,实现基于MCS的快速不确定量化分析。考虑不同荷载状况下,结构形状参数和材料属性参数对应力强度因子的影响,使用改进的MCS计算应力强度因子的统计特征,量化不确定参数对结构的影响。最后通过若干算例验证了该算法的准确性和有效性。

基于结构面粗糙度随机场表征的抗剪强度变异性

岩体结构面抗剪强度参数具有变异性是客观事实,而受限于室内外直剪试验成本而导致抗剪强度变异性指标获取困难是目前制约岩质边坡可靠度评价发展的主要原因之一。鉴于此,提出了一种利用少量实测结构面粗糙度曲线样本和岩块物理力学参数,结合JRC-JCS(joint roughness coefficient-joint compressive strength)剪切强度模型、随机场理论和非侵入式离散元数值试验,获取结构面抗剪强度参数变异性指标的方法。将此方法应用于某隧道进口段岩质边坡可靠度评价中,研究发现:(1)该岩质边坡主控结构面粗糙度纵坐标方差为0.012 5 cm2,相关距离为0.75 cm,生成的随机粗糙度曲线与实测样本相似;(2)结构面黏聚力和内摩擦角均值分别为0.427 MPa和54.9°,标准差分别为0.229 MPa和4.47°,变异系数分别为53.63%和8.14%;(3)此边坡稳定性系数服从正态分布,失稳概率为2.8%,可靠度为1.52。

根系影响下粗糙土-岩接触面剪切损伤模型研究

合理描述根系和岩面粗糙度影响下土-岩接触面的剪切行为是开展土岩混合边坡稳定评价的关键。基于Weibull分布并考虑含根率、粗糙度的影响建立了土-岩接触面剪切统计损伤模型。根据试验结果,确定了含根率、粗糙度对接触面剪切刚度的影响函数及模型参数,并验证了模型的可行性;进一步,探讨了含根率、粗糙度和模型参数m、w 0对接触面剪切变形和损伤演化的影响。研究表明:根系与粗糙度均能抑制接触面损伤发展从而提高接触面强度;提出的损伤模型能较好地描述根系和粗糙度影响下土-岩接触面剪切损伤演化和剪切力学特性。研究成果可为土-岩接触面剪切性能分析及土岩混合边坡稳定评价提供理论参考。

球(片)状石墨-膨润土混合物的渗透性能

膨润土作为核废料处置库的缓冲材料需具有良好的导热性与隔离防渗能力.石墨具有高导热性,掺入膨润土中可以提高膨润土的导热率.因此,选择球状石墨和片状石墨,开展了不同掺入率下球(片)状石墨-膨润土混合物的渗透试验,研究了石墨掺入率与石墨形态对膨润土渗透性能的影响.结果表明:膨润土有效干密度相同时,随石墨掺入率增大,石墨-膨润土混合物中石墨颗粒易相互接触,形成架空孔隙,导致混合物的渗透系数增大.相同石墨掺入率20%下,片状石墨-膨润土混合物渗透系数(2.53×10^(-12) m/s)大于球状石墨-膨润土(9.4×10^(-13) m/s).究其原因,片状石墨与膨润土颗粒为点-面搭接,球状石墨与膨润土颗粒为点-点搭接,前者容易在片状石墨边缘形成未被充填的孔隙,最后演变成渗流通道,故球状石墨-膨润土混合物具有更好的防渗性能.

三峡库区靠椅状土质滑坡变形特征及机制分析

自三峡库区蓄水以来,库区不少滑坡监测位移–时间曲线呈台阶状阶跃变化,靠椅状土质滑坡尤为明显,此现象加大了滑坡稳定状态的识别度,严重影响滑坡的预警预报。以白家包滑坡为例,通过多次野外地质调查、长期现场巡查、十多年的GPS位移监测数据、1a多全自动监测数据及滑坡学相关理论等,较深入研究了在库水升降及降雨条件下该滑坡的变形演化规律。结果表明,在汛期及库水位升降时滑坡发生变形,库水位下降为诱发变形的主要因素,年位移量在35~250 mm,历年位移曲线呈"W"型波动,一次跃阶30~180 mm位移量集中在20~30 d完成。库水位下降25m水位高程为150m左右时,位移跃阶启动。库水位下降至145m后1周,跃阶日位移达最大值5~8mm/d。降雨只在库水位下降期间对滑坡的变形有一定的助推效果,在库水位上升期间,几乎没有影响。受靠椅状等坡体结构特征制约,在库水位升降作用下坡体会反复变形,但难以发生整体性大破坏。

三峡库区靠椅状土质滑坡变形规律及机理--以秭归八字门滑坡为例

三峡水库蓄水以来,不少滑坡监测位移-时间曲线呈阶跃变化,导致稳定状态识别难度较大,严重影响滑坡预警预报,靠椅状土质滑坡尤为明显。以八字门滑坡为例,通过多次野外地质调查、长期现场巡查、10多年的GPS位移监测数据、2年多全自动监测数据等,较深入研究了该滑坡在库水涨落及降雨条件下的变形规律。结果表明,库水位下降期间,特别是库水位下降15m以后,由160m下降至145m,滑坡体变形存在20d左右的滞后,滑坡变形曲线出现突跃,日位移量达1.5~2.2mm。一次降雨量在80mm以上会明显诱发坡体加速。库水位上升期间,库水位在175m左右时,月位移量出现5~10mm负值。一次降雨量在150mm左右未能诱发坡体加速;但一次降雨量在200mm以上,滑坡体位移速度明显加大。滑坡体在降雨量诱发后,位移加速后在降雨结束后持续5~7d恢复正常水平。在周期性降雨和库水位涨落的循环作用下,滑坡体反复受到"推-拉"作用,导致滑坡的位移-时间曲线呈阶跃特征。靠椅状土质滑坡为一类特殊的滑坡,库水位升降是八字门滑坡目前变形的主要因素,而降雨对滑坡变形起到了促进作用。受靠椅状等坡体结构特征制约,在库水位升降作用下坡体会反复变形,但难以发生快速的整体破坏。