高壩泄洪霧雨作用下飽和非飽和裂隙巖質邊坡穩(wěn)定性研究.pdf

1、高壩泄洪霧雨所引起的巖石高邊坡穩(wěn)定問題是目前我國西南地區(qū)水電工程面臨的一個重大難題，它涉及水力學、兩相流體力學以及巖體力學等多項交叉學科。研究高壩泄洪霧雨作用下飽和非飽和巖質高邊坡的穩(wěn)定性，科學問題主要集中在以下三個方面：一是對實際工程所關心的高壩泄洪霧化雨的降雨強度及分布的研究，目前主要是通過原體觀測和物理模型試驗，得出一些經(jīng)驗公式進行估算，很少有深入的系統(tǒng)的量化分析；二是泄洪霧雨的入滲是一個飽和非飽和滲流過程，關于裂隙巖體非飽和滲流

2、的研究，雖然提出了一些概念模型，但很多機理還不明白，非飽和狀態(tài)下的巖體水力學參數(shù)也很難確定，選擇什么樣的數(shù)學模型也有待研究；三是霧雨影響下的巖石高邊坡穩(wěn)定問題，由于霧雨的入滲使邊坡巖體的基質吸力降低、暫態(tài)水荷載增加，巖體強度降低，從而加速了邊坡失穩(wěn)，但如何來定量研究此問題還缺少可應用的成果。本文研究工作主要基于以上三個難點和科學問題，以構皮灘水電工程右岸泄洪霧雨區(qū)的邊坡為研究背景，研究高壩在泄洪霧雨作用下的巖石高邊坡穩(wěn)定性問題。

3、 本文的主要研究工作集中在以下幾個方面：1、限于目前對高壩泄洪霧化的霧雨強度和分布范圍研究的不足以及人們對其認識的模糊性，利用模糊數(shù)學的方法研究霧雨強度和分布，分析了引起泄洪霧化的影響因子，建立了泄洪霧化的模糊數(shù)學模型。為了盡量減少人為因素給工程分析帶來的主觀影響，尋求出一種盡可能少使用專家經(jīng)驗的方法來確定模糊分析所需的隸屬函數(shù)，也即在統(tǒng)計分析基礎上并結合專家經(jīng)驗的方法構造隸屬函數(shù)，再由模糊合成和綜合評判(最大隸屬度原則)來分析預報降雨

4、強度和分布范圍。 2、以構皮灘右岸霧雨區(qū)邊坡為研究背景，在掌握邊坡巖性、巖體結構、構造以及巖體變形和強度的基礎上，劃分出邊坡山體工程地質巖組。重點研究了邊坡卸荷帶巖體特征，并在此基礎上根據(jù)邊坡類型、巖性及構造、巖溶發(fā)育特征、卸荷特征以及受泄洪霧化影響程度等為依據(jù)將該區(qū)自然坡體劃分為五個工程地質分區(qū)。根據(jù)邊坡的地表信息、開挖信息、巖層分界信息以及排水洞和帷幕信息，利用自編軟件生成三維網(wǎng)格計算地質模型，為邊坡的滲流場和應力場分析奠定

5、基礎。用此方法所建立的模型基本上保存了原山體的信息，在網(wǎng)格規(guī)模一定時充分利用了邊坡中的控制信息，避免了建模過程中不必要的簡化所造成的失真，充分的反映了原坡體面貌和人工改造后的邊坡形態(tài)。 3、在野外大量實測裂隙資料的基礎上，進行裂隙密度、方位、大小、延續(xù)性、開度等幾何參數(shù)的統(tǒng)計分析，以EnhancedBaecher模型建立離散裂隙網(wǎng)絡隨機模型，利用MonteCarlo隨機模擬方法進行裂隙網(wǎng)絡隨機模擬，生成不同尺度的三維離散裂隙網(wǎng)絡

6、圖。在所生成的一定尺度三維裂隙網(wǎng)絡圖基礎上，進行了邊坡滲流場分析的等效連續(xù)介質模型判斷，并以統(tǒng)計幾何參數(shù)數(shù)據(jù)進行滲透張量的計算，為滲流場分析提供了重要的水力參數(shù)值。 4、研究了有泄洪霧雨和降雨等入滲情況下的邊坡水分運動特征和影響入滲的因素。根據(jù)飽和狀態(tài)時的控制方程和非飽和狀態(tài)下的控制方程，建立起整體的飽和非飽和非穩(wěn)定滲流控制方程。應用Galerkin加權余量法推導出其數(shù)學模型的有限元計算格式，研制了該非線性有限元計算迭代格式，并

7、用FORTRAN語言編制了有地表入滲作用的飽和非飽和非穩(wěn)定滲流三維有限元計算程序USSEEPAGE3D，該程序包括了前處理部分、主程序計算部分和后處理部分，每塊均具有獨立、明確的功能含義，能充分滿足實際工程問題復雜的要求，具有很好的靈活性；對有限元求解中的非飽和水力參數(shù)問題、初始水頭場問題作了相應的技術處理，使得求解方程的效率高、收斂速度快、減小計算中產(chǎn)生的振蕩。根據(jù)編制的程序以及求解技術方法對構皮灘霧雨區(qū)邊坡進行了霧雨入滲下的飽和非飽

8、和滲流場模擬，其計算成果為邊坡滲控措施提供參考依據(jù)。 5、深入研究了霧雨入滲引發(fā)邊坡失穩(wěn)的機理。通過裂隙巖體滲透性與應力關系、裂隙巖體的彈塑性本構關系以及滲流場的控制方程，建立了滲流場與應力場耦合的等效連續(xù)介質模型。通過迭代求解達到兩場耦合的目的。應用目前邊坡穩(wěn)定分析中比較成熟的方法—有限元法進行邊坡穩(wěn)定性評價。最后，以構皮灘右岸霧雨區(qū)邊坡為例，計算邊坡未考慮滲流場影響和考慮滲流場與應力場耦合作用后的邊坡巖體應力場和位移場，進行