降雨的耦合效应和水库水位下降Baijiabao在三峡库区滑坡,中国

文摘

降雨和储层水平波动的两个主要因素导致水库滑坡。然而,在中国的三峡库区,当水库水位波动明显,谈到一次丰富的降雨,这使得它很难区分哪些因素主导着滑坡的变形。本研究着重于降雨和水库水位下降如何影响的渗流和位移场Baijiabao滑坡时空上在减少三峡库区水库水位,从而探索其运动机制。滑坡的监测数据分析了在过去的十年里,和降水之间的关系,水库水位下降,滑坡位移是澄清。数值模拟方法,该滑坡的变形演化机制在水库水位下降了,分别在三个条件下,即降雨、水库水位下降,耦合上面的两个条件。结果表明,Baijiabao滑坡的变形的耦合效应是降雨和水库水位下降,而后者的影响更明显。

1。介绍

在中国的三峡库区,大约有664个滑坡受水库水位的影响,和水动力条件,如降雨和水库水位变化产生不同程度的影响这些山体滑坡的稳定性1- - - - - -5]。一个关键问题是在考虑流固耦合水动力条件的影响,在三峡库区滑坡。条件下的入渗、水库水位变化,滑坡渗流场的可能变化,导致应力场的重新分配,这将反过来影响渗流场的变化。这是一个孔隙水压应力相互作用过程。

在土力学的研究,Terzaghi提出著名的有效应力原理,建立了一维固结模型。后来,Rendulic提议quasi-3D固结方程基于一维固结理论。在此基础上,毕奥(6)取得了一些突破性的研究成果,建立了一种改进的真实三维固结理论,作为理论依据后续学者开展研究流固耦合理论。它被广泛应用于滑坡稳定性和变形计算渗流之间通过相互影响机制、应力、位移场,尤其是受降雨和水库水位变化的影响。Paronuzzi et al。7维昂特大坝)分析了1963滑坡详细检查水库的影响太Toc边坡稳定的操作。太阳et al。8)模拟Sanmendong滑坡的hydraulic-mechanic耦合过程由软件产品的有限元分析和证实,水库水位波动和降雨的组合结果可能主要占该滑坡的位移的增加。Vallet et al。9]研究了流体力学的行为和rainfall-induced滑坡的演化受到蠕变变形。以前的研究主要是基于稳态方法,通过计算模型的变量在不同的水库水位,以近似模拟水库水位变化的动态过程。这显然不能反映瞬态响应的渗流场和应力场随时间在滑坡。本文采取Baijiabao中国三峡库区的滑坡为例,我们试图实现的动态响应渗流场,应力场和位移场复杂动态水力边界条件下的滑坡。

三峡大坝蓄水后,一些古滑坡复活,和新生成的山体滑坡。Baijiabao滑坡在湘西河流域是其中之一(10]。Baijiabao滑坡是一个典型的滑坡影响三峡库区的水动力条件。过去10年的监测数据表明,该滑坡位移时间曲线的增加逐步从每年4月至8月,这显然是受降雨影响,水库水位下降。滑坡监测数据的基础上,许多学者试图研究降雨、水库水位和地下水位影响滑坡的稳定性。彭和妞妞的结果(11)表明,降雨和水库水位变化的主要因素是导致季节性滑坡的变形。的关键因素导致滑坡位移速度的波动是降雨强度和水库水位下降速率。更重要的是,他们分析了地下水位的Baijiabao滑坡受降雨等因素的影响,水库水位12]。使用模型试验方法,模拟滑坡的变形,赵等人分别降雨和水库水位变化的条件下(13]。曹et al。14)用一个极端的学习机器预测状滑坡的位移与降雨量、水库水位和地下水位。吴et al。15)分类的月度位移Baijiabao使用两步聚类分析滑坡变形分为三个阶段:初始、常数,和快速变形阶段。通过分析10年期Baijiabao滑坡的监测数据,陆et al。16]研究了动态变形特征、变形机制、Baijiabao滑坡的影响因素及其动态变形预测的发展趋势。上述结果表明,降雨和水库水位下降的重要原因是每年Baijiabao滑坡的步进式变形。然而,他们只是基于监测数据的分析,并进一步研究仍需要机制耦合效应的降雨和水库水位下降Baijiabao滑坡,以及降雨和水库水位下降影响滑坡更重要。

我们调查Baijiabao滑坡的变形,分析了监测数据在过去十年的累积位移及其与降水的相关性和水库水位的变化情况。基于流固耦合理论,模型Baijiabao滑坡在降雨和水库水位的水动力边界条件建立了通过有限元数值模拟,已被证实是一种有效的模型来分析复杂的动态水力边界条件对滑坡的影响。滑坡的变形演化机制在水库水位下降了,分别在三个条件下,即降雨、水库水位下降,和耦合的两个条件。它还可以提供参考的运动机制这样的山体滑坡。

2。流固耦合理论Saturated-Unsaturated土壤

外部水动力条件的变化,如降雨和储层水平波动,通过渗流,导致多孔土壤孔隙水压力的变化。因此,有效应力改变了土壤颗粒的接触,导致土壤的变形,这将反过来影响渗流和孔隙水压力。这是一个流固耦合的过程中多孔土壤。此外,有一个潜水面在滑坡,和下面的土壤饱和,而土壤上面是不饱和的。年降雨量和储层水平波动的情况下,该地区土壤水动力条件的影响将周期性饱和和不饱和之间转换。因此,saturated-unsaturated土壤中的流固耦合理论可以是一个很好的解决这些问题。

2.1。有效应力主要

一个基本的体积,,由一个体积固体材料的颗粒,孔隙的体积,,这是完全或部分饱和液体的体积,。饱和,被定义为流体体积的比值,孔隙体积:

在有限元分析程序中,拉应力为正,压应力为负,和液体压力和气体压力是积极的。因此,有效应力原理的表达式从传统土力学有限元分析略有不同,如下: 在哪里总压力,有效应力,是一个有效应力参数。当土壤完全饱和, ,而当土壤干燥, 。在有限元分析/标准,被认为是饱和。是单位矩阵。

2.2。压力平衡和流连续性

压力平衡的固相材料写作表达的体积的虚功原理考虑在当前的配置时间: 在哪里是虚拟的变形;是真正的有效应力;是一个虚拟的速度场;表面单位面积上的牵引;是身体力量(不含液体重量)单位体积;是饱和;介质的孔隙度;是流体的密度;和重力加速度。

在流体的连续性方程,流体体积增加的速度点等于体积的液体流入的速度点的时间内增加(17]: 在哪里的平均速度是相对于固相流体和向外正常吗。这个方程规范化了,参考密度的液体。

3所示。工程背景

3.1。地质条件

Baijiabao滑坡位于贵州镇,秭归县,110°45的经度33.4′′′E和纬度30°58 59.9′′′N,西边的湘西河,长江主要支流;2.5公里远离湘西河的河口,距三峡大坝29公里站点(图1)。滑坡的前沿在海拔约120米,后缘的基础是265米。左侧下基岩滑坡是有界的,右边是一个山脊上。滑坡占地面积22×10⁴米²,意味着纵向维度的550米和400米的宽度。平均滑动面深度约45米的总量Baijiabao压倒性的质量约为990×10⁴米³(图2)。

滑坡是第四纪沉积物的材料,包括砾石土,厚度的空间分布是不均匀的。之间的滑动面是由接口定义的基础和土壤。裸露的基岩阶层主要是侏罗纪湘西形成,由石英砂岩和粉砂质泥岩、倾斜方向250°和30°倾角(图2)。目前,有20人住在滑坡,自兴路穿过中间的压倒性的胜利。一旦滑坡失败,随之而来的灾难是不可想象的。

3.2。滑坡变形

曹et al。14)详细描述Baijiabao滑坡的变形演化从2007年6月到2012年7月,这显然表明Baijiabao滑坡变形。2015年10月,我们重新审视这个滑坡并记录当前的变形。有一个张力裂缝宽度的后缘2 - 10厘米,长200间歇性地(图3(a))。滑坡的北边界之间的交叉和自兴公路,人行道上与开裂和下沉(图严重受损3(c))。北部边界附近的一个房子的滑坡与海拔210 m已被摧毁,有严重裂缝的墙壁(图3(b))。裂纹沿南部边界附近的滑坡最初生成自兴公路和向上的后缘和向下扩展到前面的滑坡,导致路面的沉降和损伤自兴公路,如图3(f),南部边界附近的滑坡,上面的房子自兴公路有严重的地面变形(图3(e))和一些拉伸的失败可能会观察到在农村道路沿着南边界在海拔230米(图3(d))。被当地居民,在每年的雨季和水库水位下降,地面变形滑坡将进一步加剧。

3.3。地面位移监测

两个Baijiabao滑坡监测资料分布。一个是标记为一′(数字2和3),这是与主要的滑坡滑动方向一致,在滑坡的轴向位置安排;另一个是垂直于滑动方向,大约平行的道路穿过滑坡海拔约200米(图3)。有四个地面位移监控分两个部分,即ZG323, ZG324 ZG325, ZG326(图3)。监测始于2006年10月,监测数据在图所示4。

从2015年12月开始的监控,水平的累积位移监测点ZG323 ZG324, ZG325,和ZG326 Baijiabao滑坡是963.2毫米,1118.1毫米,1050.9毫米,1333.7毫米,分别。累积位移曲线显示阶梯上升趋势,与飞跃从每年4月至8月,在其他几个月几乎保持不变。因此,滑坡变形主要发生在4月至8月,有更多的降雨相比其他个月;更重要的是,它是在三峡水库水位一直在下降。因此,不难发现位移增加与降雨和水库水位下降显著相关。然而,正如上面所描述的那样,仍然需要进一步的研究机制耦合效应的降雨和水库水位下降Baijiabao滑坡,以及降雨和水库水位下降影响滑坡更重要。

4所示。流固耦合有限元模型

有限元分析有能力通过多孔介质单相流的治疗,包括完全饱和流,部分饱和流,或两者的结合,采用。基于saturated-unsaturated土壤fluid-soil耦合理论,采用有限元方法来模拟降雨和水库水位下降的耦合效应对Baijiabao滑坡在水库水位的下降从12月1日,2014(水库水位175米),2015年8月18日(水库水位145米)。在此期间,现场监测位移突变的这个滑坡是最明显的。

4.1。模拟方案

耦合模型的降雨和水库水位Baijiabao滑坡图所示5。模型由滑动,滑动区和滑动床。模型的大小是完全根据实际情况,确定滑带土的是0.5米厚。执行stress-pore pressure-displacement分析,6225 eight-node组成的网状孔隙流体应力,reduced-integration四边形元素(CPE8RP)是用于离散化材料。滑带土滑动部分的质量和更精细的网格是使用考虑其可能的更大的变形和塑性行为,针对摩尔-库仑失效准则和本构模型的线性弹性屈服之前,它可以描述土壤的瞬态响应的影响下降雨和水库水位下降,而在滑床组成的基岩,不会发生明显的变形,相对较粗网格,并应用了线性弹性模型。ZG324和ZG325地面位移监测点,分别位于海拔180米和194米的滑坡,分别。

位移边界条件,在模型的左右两端固定,以及水平和垂直位移模型的底部也是固定的。定水头边界条件的243是应用于模型的左边界。右边边界,边界条件的水库运用水位低于海拔175米的地面模型和降雨边界条件应用高于海拔175米。降雨边界函数表示为降雨强度,即单位循环(米/秒)。由于松散结构和局部裂缝,表层土壤的特点是大的渗透速率,使其合理假定降雨都渗透和地表径流不会发生。drainage-only流边界条件的假定孔隙流体的流速成正比时孔隙压力边界是正的孔隙压力和流量被限制到零负孔隙压力时被分配在地面没有降雨边界条件实施以上水库撤军的任何阶段的水平。

初始应力场和渗流场模型的建模前要获得降雨和水库水位的变化。在这里,模型的应力状态与水库水位175米是为后续仿真初始条件。也就是说,在画面左侧的模式下,提供恒定水头243米是左边边界,和不断的总水头175米是正确应用于边界低于海拔175米;通过这种方式,初始应力场和渗流场计算。接下来,以上述结果为初始条件,以下三个条件模拟:(1)只考虑降雨的影响。降雨的边界条件是应用海拔175米以上的地表模型。从2014年12月1日降雨过程,8月18日,2015年,如图6。175的总孔隙水的头一直不变低于海拔175米。(2)只考虑水库水位下降的影响。水库水位变化的边界条件是应用地面海拔175米以下的表面模型。水库水位变化的过程,从12月1日,2014年8月18日,2015年,如图6。表面上方的储层水平的任何阶段撤军是drainage-only流边界。(3)考虑耦合效应的降雨和水库水位下降。降雨的边界条件是应用地面海拔175米以上模型的表面,而水库水位变化的边界条件应用海拔175米以下,而表面以下、175米以上的储层水平下降的任何阶段应用于drainage-only流边界条件。

4.2。模型参数

渗透系数函数(HCF)和工程水土特征曲线(SWCC)对饱和-非饱和土流固耦合分析很重要。渗透系数之间的关系和材料的基质吸力模型可以表示为18,19] 在哪里饱和土的渗透系数,其值从现场和实验室测试显示在表吗1;和分别是土壤中的空气压力和水压力;和,,是材料系数。

饱和度之间的关系和材料的基质吸力模型可以表示为18,19] 在哪里是饱和;是残余饱和度;是最大的饱和度,其值设置为1;,,是材料系数。

根据滑体的材料类型(主要由砾石土),滑带(主要由粘土)、滑床(主要由粉砂岩和粉砂质泥岩),颗粒级配特征,提供的示例HCF功能和SWCC GeoStudio软件修改加拿大获得估计曲线,分别,然后安装(5)和(6)获得最终HCF和SWCC(图7)应用于有限元模型。HCF和SWCC相关的参数如表所示1。

每个材料的力学参数在模型中通过三轴压缩试验,如表所示2。

5。仿真结果

Baijiabao滑坡的流固耦合模型,建立了基于有限元法的特点进行调查Baijiabao滑坡渗流场的变化造成的降雨和水库水位下降在水库水位的下降从12月1日,2014年8月18日,2015年,以及规则的应力场和位移场变化引起的渗流场的变化。图8显示了孔隙水压力的分布在不同边界条件下滑坡模拟的最后一天。黑色部分是负孔隙水压力的面积。数据8(一个),8 (b),8 (c)分别是孔隙水压力的影响下降雨、水库水位下降,和耦合的上述两个条件。通过对比图8(一个)和图8 (b)可以看出,滑坡的地下水位明显上涨时只考虑降雨的影响,而在边界条件的情况下,只有水库水位下降,地下水位下降很明显,和部分的孔隙水压力降低;更重要的是,地下水梯度增加。与条件,只有水库水位下降被认为是(图8 (b)),地下水位略有上升,尤其是在海拔175到200米的耦合效应下降雨和水库水位下降(图8 (c))。即当地下水位接近地表,土壤会更容易饱和的影响下降雨。

为了更好地显示孔隙水压力的变化特征内部滑坡在不同条件下,孔隙水压力增量后的整个过程如图9。结果表明,孔隙水压力在整个滑坡体仅增加了降雨条件下,在不同程度上降低储层条件下的水平下降。当考虑上面的几个影响条件下,滑坡在第一部分孔隙压力的增加由于降雨,而在第二部分减少储层水平下降的结果。在水库水位的下降,孔隙水压力的梯度区域附近的水库(175 ~ 145)水平变化大大不同,这表明有明显的流体压力在这部分由于储层水平的下降。

图10显示了流体速度矢量Baijiabao滑坡考虑耦合效应的降雨和水库水位下降,分别在第一天,第120天,最后一天的整个建模过程持续了260天。结果表明,孔隙水的速度是非常缓慢的在模型的初始状态(图10 ()),但是中间的流向和后方的滑坡与泥石流运动的方向是相一致的。流速是不明显的前面滑坡由于水库水压力的作用,达到平衡与地下水压力在滑坡,而水库水面附近的地下水流动明显的十字路口水库水面和滑坡地表,由于从外部水库水的静水压力的消失。后120天(图10 (b)外),流速显著增加的斜率在水库水位下降的区域。在最后一天(图10 (c)),地下水的速度滑坡显著增加,前面和后面的浸润线附近的山体滑坡,孔隙水速度也显示出一定程度的增加由于降雨的影响。降雨和水库水位下降过程中,滑坡向外排放的地下水,导致孔隙水压力的变化。

根据流固耦合理论,渗流场、应力场和位移场相互影响。一旦滑坡中的孔隙水压力节点发生变化时,节点上的有效应力的变化,从而导致位移。土壤孔隙水压力增加时,显示肿胀变形,而减少时,它显示了固结变形的方向是由压力特征的节点上。分析了渗流场的变化特征在上述动态水力边界条件;在下面,渗流场变化的位移场的影响将进一步分析。

图11显示了滑坡的位移仿真的最后一天。数据(11日),11 (b),11 (c)分别显示位移的影响下降雨、水库水位下降,和耦合的上述两个条件。当只考虑降雨,滑坡的变形相对较小,主要集中在中间的滑坡在海拔175到230米(图(11日))。根据孔隙水变化的轮廓图9基于有效应力原理,不难推断出降雨导致的饱和度和孔隙水压力增量的土壤,从而导致肿胀变形浅层滑坡的一部分。的影响下水库水位下降,中间,前面的滑坡变形(图很明显11 (b))。变形是主要分布在海拔220 m,沿滑动方向,变形幅度逐渐增加,在概要的纵切面,位移随深度。水库水位的下降导致滑坡的孔隙水压力的减少,导致土壤中整合。耦合效应下的降雨和水库水位下降,位移分布如图11 (c)。范围从滑坡前缘的海拔230米已明显变形。根据前面分析的孔隙水压力,该地区海拔190米以上主要显示土壤膨胀变形受降雨的影响,而该地区海拔190米以下显示土壤固结,其主要方向是向下和向外的斜坡,分别。

为了进一步研究Baijiabao滑坡的变形演化机制下外部的水动力条件和验证模型的有效性,模型的地面上的两个点都是被监控的。监控点分别在180米和194米的海拔,现场监测对应点ZG324 ZG325,分别。图12仿真结果显示水平累积位移在监视点ZG324 ZG325,从12月1日,2014年,8月18日,2015(持续260天),分别在降雨的影响,水库水位下降,以上两个因素的耦合。在这个图中,模拟结果与现场测量结果进行比较。

仿真结果(图12)的最终水平累积位移点ZG324和ZG325分别为0.250米和0.164米的耦合效应下降雨和水库水位下降,接近现场的测量值(0.206米和0.181米,职责)。随着位移的增加过程中,它可以分为三个阶段以监测点ZG324为例(图12(一个))。从第0个阶段我是第120天。在这个阶段,水平累积位移几乎没有增加。在此期间,降雨量很小和水库水位缓慢下降阶段,加之地下水变化滞后于储层水平的滞后效应;因此,滑坡的渗流场的变化不明显,而且没有重大变化的位移场。第二阶段是从120到205天。降雨和水库水位下降的耦合效应是明显的在这个阶段。在此期间,降水显著增加,水库水位的下降率增加(图6)。在耦合效应下,水库的水平位移呈现加速趋势增加。从曲线,水库水位下降对水平位移的影响在这个阶段比降雨的影响更明显。第三阶段是从第205到第260天。在此期间,水库水位波动约145,而降雨持续(图6)。前20天这个阶段,水平位移持续加速增长的趋势,由于渗流场在II期的滞后效应。之后,增长放缓的趋势,但仍有一些增加的影响下降雨。因此,在这个阶段水平位移的增加更明显受到降雨的影响。

6。结论

本研究着重于降雨和水库水位下降如何影响的渗流和位移场Baijiabao滑坡在时空上撤走在三峡库区水库水位,从而探索其运动机理、山体滑坡等提供参考。基于流固耦合理论,Baijiabao滑坡在水动力数值模型的边界条件,建立了降雨和水库水位下降的有限元方法。滑坡的变形演化机制在水库水位下降2014年12月至2015年8月被揭露,分别降雨条件下,水库水位下降,和耦合的上述两个条件。以下的结论。(1)渗流和应力耦合的有限元模型Baijiabao滑坡,可以实现动态响应的渗流场,应力场和位移场的复杂动态水力边界条件下的滑坡。更重要的是,结果与实际情况一致,这表明该模型适用于分析复杂动态水力边界条件对滑坡的影响。(2)储层水平下降的主要原因是Baijiabao滑坡的变形。它会导致减少孔隙压力在中间和前部的滑坡,导致土壤固结,其主要方向是向下和向外的斜坡,分别。降雨导致饱和度和孔隙水压力增量的土壤,从而导致肿胀变形的浅层滑坡的一部分在海拔175到230米。考虑到以上两个条件的耦合效应时,滑坡的空间变形特性几乎是按照现场变形,所以滑坡的变形是降雨的综合效应的结果,水库水位下降。(3)降雨和水库水位下降对滑坡变形的不同阶段有不同的影响。考虑耦合效应的降雨和水库水位下降,Baijiabao滑坡的变形过程在水库水位下降,持续260天,可分为三个阶段。从第0个阶段我是第120天。在这个阶段中,位移没有显著增加。第二阶段是从120到205天。在此期间,降水显著增加,水库水位的下降率增加。两个因素的耦合效应下,位移呈现加速趋势增加。更重要的是,水库水位下降的影响在这个阶段的水平位移比降雨的影响更明显。第三阶段是从第205到第260天。在此期间,水库水位波动约145,而降雨仍在持续。 In the early period of this stage, the horizontal displacement continued the trend of accelerated increase due to the hysteresis effect of seepage field that groundwater variation lags behind reservoir level. After that, the trend of increase slowed down, but there was still some increase under the influence of rainfall. Therefore, the increase of horizontal displacement at this stage was more obviously affected by rainfall.

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

这项研究受到了滑坡监测团队领导的中国三峡大学教授易。作者感谢他们提供有价值的数据和讨论Baijiabao压倒性的胜利。也要感谢中国国家自然科学基金委的支持(没有。41672317)。

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