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库岸滑坡的发育是关系水利水电建设和运营安全的重大环境问题,也是目前滑坡成灾演化理论研究的的热点和难点。库岸滑坡的演化中最敏感的影响因素是水环境条件,研究水条件变化响应机理是进行滑坡研究的切入点。库区水—土耦合作用典型,蓄水后滑坡对水条件变化的响应问题是电站建设中普遍面临的关键科学问题。因此,该论文是基于国家水电开发中灾害问题突出的背景,抓住滑坡成灾演化中关键水条件因素,提出“库岸滑坡演化特征及其对水条件的响应机理研究”的科学问题,不但对库岸滑坡的演化预测研究具有一定的理论借鉴意义,而且对其他水电开发中的灾害防治具有较好的实际参考价值。
本研究依托二滩电站工程实际,在充分获取第一手野外资料的基础上,利用金龙山滑坡观测实验站的便利和数据支撑,对二滩库区蓄水前后21年的库岸滑坡演化对水条件变化的响应问题进行研究。首先应用统计学的理论和方法系统对比分析了1988～2008蓄水前后库区滑坡演化特征,揭示了引起库岸滑坡演化的环境变化驱动力。然后深入研究了库岸滑坡位移演化对降水、库水、地下水响应特征,定量分析了浅表层滑坡与岩质滑坡响应的差异性。最后基于前面的研究结论,构建基于水条件响应的库岸滑坡的时空演化预测模型。
论文的创新点体现在三个方面:①二滩水库蓄水前后岸坡成灾的分析认为,库区的成灾条件、诱发因素总体向有利于斜坡稳定的方向发展,库岸的灾害发生数量呈逐渐减少的趋势;②定量揭示出库岸浅表层滑坡和岩质滑坡与库水位、降水和地下水等关键水条件变化响应的差异性与形成机理。在库水位日变化小于2m,周变化小于6m的条件下,库水位变化对库岸滑坡的响应不明显;③基于非平稳序列分解和神经网络方法,创建库岸滑坡演化的多参数时间预测模型。
本研究所获得的标志性结论和研究成果如下:
(1)库区蓄水后山地灾害成灾环境的改善,经历了蓄水初期库岸再造后,库岸滑坡活动性明显降低。由于岸坡岩质化,坡体趋于稳定,渗流条件变好,渗水应力减小,诱发灾害发生的强降雨概率降低,气候变化趋于温和,库区的总体植被覆盖度有所提高,使得山地灾害的发生概率总体向降低的方向发展。蓄水前后相比较,蓄水初期小型坡积层库岸滑坡增加明显,以库岸再造形成为主,降水诱发的大规模岩质滑坡数量减少;峡谷段库岸滑坡减少明显,斜坡的稳定性增加,宽缓河谷段,在经历了2～3年的库岸再造后,库岸渐趋稳定;蓄水后库岸滑坡后缘海拔高程较蓄水前有后移抬升的趋势。
(2)蓄水初期水条件变化剧烈,滑坡位移出现短暂跃增,在正常运行期后水条件变化渐趋稳定,滑坡位移的异常变化也趋于减少。蓄水初期,1998年出现强降雨,库水位动态调整,大幅度升降,地下水位出现异常极值,使得滑坡位移出现了短暂的跳跃性增加,正常运行期,强降水概率下降,水库调控得当,日落幅基本控制在1m以内,日落幅度明显小于日涨幅,地下水峰值逐年下降并趋于稳定,滑坡位移大幅增加的情况减少。
(3)库岸滑坡浅表层和深层岩体响应规律的差异性和形成机理。浅表层滑坡位移与地下水、降水的响应明显;受到降雨补给地下水的影响,地表位移对水条件的响应程度雨季大于旱季;响应在枯水年份表现更明显。深层岩质滑坡位移对地下水、库水位具有显著的分段响应特性;受渗透率和场的转化影响,响应程度下降期大于上升期;与库水位的人工调控和局地降雨条件改变、岸坡渗流场变化等条件的改变相关,响应特性正常运行期显著减弱。库岸滑坡位移对水条件的响应机理包含四个基本响应过程:降水或库水入渗、地下渗流场变化、坡体应力场变化和坡体变形;三种基本作用:渗流作用、场的转化作用和力学作用。
(4)时间演化预测方面,构建了基于位移分解的库岸滑坡演化的时间预测模型,可以很好地拟合位移演化的波动趋势特征,通过实际验证,达到了预期预测效果,预测思路和方法可以推广应用于其他库岸滑坡预测中。空间演化预测方面,建立了包含灾害因子、本底因子和水条件因子的库岸滑坡位移演化的空间预测指标体系;应用层次分析法确定出个指标权重;采用易发性指数模型和可靠度分析方法对库岸滑坡的空间易发性进行了预测和分析,预测检验结果一致。预测指标和方法均可以推广应用于其他水电站的库岸滑坡评价中。