水库运行期涉水岸坡稳定系数计算的传递系数法改进

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三峡水库自2003年开始蓄水以来,由于库水位的波动的影响,涉水岸坡土体内部的细颗粒会随着渗流作用而被侵蚀、迁移,同时岸坡土体的孔隙率、渗透系数等物理参数会发生相应变化,引起岸坡发生较大的变形,甚至导致岸坡的失稳、破坏。已有的研究表明涉水岸坡土体内部的颗粒迁移亦被认为是岸坡失稳破坏的主要原因之一。我国水利和交通部门普遍采用传递系数法对涉水岸坡进行稳定性分析,岸坡稳定系数计算过程中传统的传递系数法并未考虑到颗粒迁移的影响。鉴于此,本文利用自主改进的渗透装置,模拟了含碎石粉质黏土在库水位快速下降过程中的渗透过程,从理论上验证了动水压力的存在;根据现有的对土体内部颗粒迁移机理研究,通过Fortran语言编写了一套颗粒迁移条件下岸坡渗流计算的有限元程序,以此为基础改进了传统的传递系数法,以考虑颗粒迁移对岸坡稳定性的影响;最后,针对已改进传递系数法进行了程序编写,结合上述有限元渗流计算程序开发了一套可同时用于岸坡渗流分析及稳定系数计算的程序,并以三峡库区的树坪滑坡为例,利用上述程序对树坪滑坡的浸润线及稳定性进行计算分析。主要研究成果如下:(1)基于动水压力的概念,对含碎石粉质黏土进行了渗透试验。试验结果表明,在同一水头下,随着土样渗透系数的减小,土样的测压管水头明显增大,且土体内部总应力亦呈增大的趋势。据此证明库水位快速下降过程中,如果土体的渗透系数较小,则土体内部地下水位下降会滞后于库水位的下降,从而产生动水压力。(2)基于渗流作用下土体内部颗粒迁移理论,利用Fortran语言,编写了涉水岸坡土体渗流场计算分析的有限元程序,通过模拟堆积体碎石土渗透试验,对比该堆积体渗透试验结果,验证程序的正确性。计算结果表明,有限元计算的颗粒迁移率在库水位上升的过程中不断升高,且颗粒迁移量的累积速率逐渐增大;在库水位下降的过程中,颗粒迁移的累积速率开始减小,最终逐渐趋于平缓。且计算结果的颗粒迁移率与试验结果的颗粒流失率最大相差0.8%,证明了该有限元程序可运用于考虑颗粒迁移条件下岸坡的渗流分析。(3)基于上述渗流有限元程序以及动水压力概念的理论分析,对传统传递系数法进行改进并开发了计算稳定系数的子程序,通过与有限元渗流计算程序的结合,实现了岸坡渗流分析以及稳定系数计算的一体化。(4)以三峡库区树坪滑坡为例,通过上述有限元程序得到了在库水位从175m降至145m过程中(速率1.2m/d)考虑颗粒迁移影响后的树坪滑坡浸润线;并基于上述浸润线结果,计算得到了考虑颗粒迁移影响的树坪滑坡稳定系数为0.71,传统传递系数法计算结果为1.21。且考虑颗粒迁移影响的树坪滑坡在库水位降低至160m时稳定系数已经低于1.0,证明此时滑坡已经开始失稳,该计算结果与通过分析树坪滑坡变形的监测资料得出的结果基本一致。
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