水库运行条件下马家沟滑坡—抗滑桩体系多场特征与演化机理研究

来源 :中国地质大学 | 被引量 : 9次 | 上传用户:heyouzhang034
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水库滑坡地质灾害的有效防控及科学评价是保障大型水利工程建设顺利实施与安全运行的迫切需求。在水库运行条件下,库水位周期性波动使得滑坡渗流场发生周期性变化,进而引起应力场、位移场等多场的动态响应,改变滑坡稳定性及其变形演化进程。抗滑桩作为滑坡防治的主要措施之一,已大量应用于库区滑坡地质灾害治理工程中。对已经植入抗滑桩的滑坡,库水位周期性波动还会影响抗滑桩等防治结构的抗滑效果。因此,迫切需要在研究水库滑坡变形演化规律和多场特征的基础上,研究滑坡-抗滑桩体系的多场特征和演化机理,为滑坡治理设计和体系长期稳定性分析提供依据。目前在三峡库区已有工程实例表明,在库水位周期性的波动作用下,已植入抗滑桩治理的滑坡仍会出现不同程度的变形。采用抗滑桩治理后的滑坡,中前部滑体易受库水作用发生变形,从而导致抗滑桩的桩前抗力减小,直接影响抗滑桩的防治效果。三峡库区马家沟滑坡自2003年水库初次蓄水后发生明显变形,在后缘出现大规模的拉裂缝,但在2007年采取抗滑桩措施治理后,滑坡变形并未停止,抗滑桩没有起到有效的抗滑作用。为了探究马家沟滑坡抗滑桩治理工程失效的原因,获取滑坡-抗滑桩体系变形演化规律,揭示体系的变形演化机理,本文选取三峡库区马家沟滑坡为研究对象,基于现场试验监测和数值模拟两种手段,开展马家沟滑坡-抗滑桩体系多场特征与变形演化机理方面的相关研究。主要研究成果如下:(1)确定了马家沟滑坡三层滑面的空间展布与运动特征。其中浅层滑面S1位于滑坡基覆界面处,发育在基岩内的深层滑面S3位于滑坡深部的紫红色泥岩软弱夹层处,发育于以上两层滑面之间的滑面S2位于变形岩体内的软弱夹层。深层滑面S3是滑坡的主滑面,其剪切位移量及变形速率最大。基于水库蓄水和滑坡变形的历史演化进程,确定了深层滑面S3和S2的诱发原因均为水库蓄水到相应软弱夹层的位置,使其受到了地下水的浸泡软化作用进而产生滑动。(2)根据滑坡累积位移监测结果表明,马家沟滑坡的变形演化特征主要有两点:第一,滑坡在库水位下降阶段和汛期阶段出现加速变形,而在其他阶段处于蠕滑变形状态,地表累积位移呈“阶跃型”增长,位移速率表现为快慢交替的特点;第二,滑坡变形呈现出空间差异性,前缘变形量最大,对外界因素响应最为明显,其变形量值和响应程度由前往后逐渐减弱;第三,滑坡的变形演化主要受到库水位下降和降雨二者联合作用的影响,其中滑坡变形对库水位下降的响应程度更大,且滑坡不同部位对外界因素的响应程度不同,具体表现为由前缘往后缘对库水位的响应程度逐渐减弱,而对降雨因素的响应有所增加。(3)开展了滑坡-抗滑桩体系现场试验与多场监测研究,揭示了水库运行条件下的体系多场响应特征。滑坡-抗滑桩体系的多场监测包括滑坡和试验桩两个方面,其中滑坡监测包括地表位移监测、深部位移监测、光纤监测等,试验桩监测包括钢筋轴力监测、桩身混凝土应变监测、桩周土压力计监测等。监测结果表明:第一,滑坡渗流场对库水位的周期性波具有动态响应特征,表现为滑坡前缘地下水位随库水位同步升降,而滑坡中后部地下水位对库水的响应存在12个月的滞后;第二,试验桩对滑坡起到了局部的抗滑作用,但不足以承受由周期性的库水位波动和降雨导致的循环荷载作用;第三,试验桩应力、应变监测规律较为一致,桩身受到后侧的两个滑坡推力集中荷载与前侧的三个桩前抗力集中荷载。桩身呈柔性弯曲变形,在深层滑面S2和S3处向前弯曲变形,在滑面S1出现反弯变形,随桩周滑体发生协同变形;第四,滑坡-抗滑桩体系的变形演化对滑坡渗流场具有动态响应特征,在库水位下降阶段,滑坡与试验桩的变形量值均随时间曲线均呈现出“阶跃型”增长特征。(4)基于改进的支持向量机算法与有限元方法智能反演了马家沟滑坡渗透系数。首先采用均匀设计方法设计滑坡渗透系数的训练样本,基于饱和-非饱和渗流场有限元计算软件生成学习样本,然后借助于改进的支持向量机建立渗透系数与水头之间的映射关系,最后基于滑坡地下水位监测数据智能反演滑坡渗透系数。反演结果为:碎、块石土渗透系数为1.17×10-2cm/s,含裂隙岩体渗透系数为6.43×10-4cm/s,稳定基岩渗透系数5.72×10-5cm/s。将反演值代入有限元模型中进行库水位波动条件下的滑坡渗流场分析,结果表明库水下降时产生的动水压力值和滑坡受影响范围均要大于库水上升时的动水压力值及滑坡受影响范围。(5)基于流固耦合数值模拟手段,考虑库水位周期性波动和降雨影响因素,分别研究了马家沟滑坡在无桩、植入工程桩以及植入试验桩条件下的多场特征及其演化机理。研究结果表明:第一,滑坡渗流场对库水位波动具有动态响应特征,进而引发滑坡应力场重分布和位移场的动态响应;第二,滑坡不同部位对库水位波动和降雨的响应程度不同,滑坡中前部主要受库水位下降作用影响,但滑坡中后部对降雨因素更为敏感;第三,工程桩对滑面S1起到了一定的局部阻滑作用,但是桩体相比原位土体重度增加,加剧了滑面S2的变形反而不利于滑坡整体稳定;第四,试验桩对滑坡中后部起到了一定的阻滑作用,但在库水位下降后,由于滑坡前部变形加剧,桩前土体抗力降低,使得试验桩与滑坡体发生协同变形,在三层滑面处试验桩发生应力集中和弯曲变形现象;第五,提出了一种针对在水库运行条件下的动水压力型滑坡智能降排水防治方法,并采用数值模拟对该方法的防治效果进行了验证,计结果表明该方法对马家沟滑坡中前部变形能起到较好的控制效果。
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