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堆积层滑坡广义上是指斜坡上由物质坡移堆积而形成的松散堆积物(包括碎屑、老滑坡堆积物、崩塌堆积物等)沿基岩面发生的滑动,物质组成为残坡积物、崩坡积物、洪积物、人工填筑土等,物质成分以砾石土、碎块石土、碎裂岩块等为主。这种物质构成决定了其具有与库岸岩质滑坡不同的变形失稳演化机制。
在我国三峡库区,堆积层滑坡广泛发育,但目前对此类滑坡的变形破坏模式缺少系统研究,也没有对三峡库区堆积层滑坡的发育规律进行总结,并且以地表位移与深部钻孔位移监测资料为基础的堆积层滑坡变形破坏机理分析也不多见。随着三峡水库的正式蓄水运行以及库区人类工程活动范围和规模的进一步扩大,库岸堆积层滑坡的变形与稳定性将直接制约库区经济的可持续发展,影响和危害库区人民的生命财产安全,已成为三峡库区重大的环境地质问题之一。库岸堆积层滑坡所处的地质环境,以及受到库水位升降和降雨等诱发因素的影响,决定了其自身的变形破坏规律。研究库岸堆积层滑坡的变形破坏规律,有助于揭示其变形演化历史,指导滑坡防治工程实践;通过研究其破坏机理,提出失稳判据,将此类滑坡的预测预报研究与机理研究紧密结合起来。因此,研究三峡库区堆积层滑坡的破坏机理,并对其进行预测预报直接关系到目前正在紧张进行的库区滑坡治理工程的措施与效果、库区人民的生命财产安全和水库的正常运营,对库区的防灾减灾具有重要的意义。
论文以三峡库区典型堆积层滑坡之一的八字门滑坡为研究对象,在统计分析三峡库区堆积层滑坡发育规律及变形破坏特征的基础上,提出了库岸堆积层滑坡的渐进变形破坏模式。通过分析八字门滑坡的工程地质条件,建立了八字门滑坡地质概化模型,并以此为基础提出了八字门滑坡渐进破坏分析的双层滑带力学模型,从力学机理上揭示库岸堆积层滑坡的变形破坏特征。应用GEO-Studio软件中的SEEP/W模块对八字门滑坡在库水位升降条件下的渗流场进行模拟,得出了滑坡体在库水位升降下地下水位线与孔隙水压力分布状况。应用FLAC3D软件对八字门滑坡渐进破坏机理进行数值分析,分别从滑坡体应力状态、应变状态、位移状态以及塑性区发展状态分析该滑坡的变形破坏特征。最后根据八字门滑坡的变形监测资料,应用3个预测模型对该滑坡的变形发展趋势进行预测,并对预测结果建立综合评判模型得出合理的发展趋势预测。综合论文的研究内容,取得了如下初步成果:
(1)选取了三峡库区秭归-万州段40个典型库岸堆积层滑坡作为统计分析对象,从滑坡的发育地质背景、滑坡分布高程、坡体特征及滑带特征等方面进行统计分析。认为三叠系中统巴东组(T2b)和侏罗系中统上沙溪庙组(J2s)两组地层中堆积层滑坡最为发育,大部分为中厚层大型堆积层滑坡,坡体以残积成因、坡积成因、崩坡积成因、滑坡堆积成因以及残坡积成因的碎块石土、碎石土、粘土夹碎块石以及碎块石夹粘性土为主。区段内80%的堆积层滑坡高程分布在500m以下,处于人类工程活动和水库水位变动的影响范围内。
(2)根据八字门滑坡的滑动面特征,将此滑坡分为两个研究区,即前缘阻滑段和中后部的主滑段,并假定该滑坡属推移式滑坡。在长期的自重、库水位以及降雨等因素作用下,其中后部首先出现拉张及剪切破坏区,并且在滑坡体应力场的不断调整过程中,其破坏范围逐渐向下扩展,直至对下部条块的下滑推力小于0,如此可确定滑坡体失稳破坏的范围。若对前缘阻滑段的下滑推力达到使其产生整体失稳的最小推力值,则其剪出口逐渐形成,滑坡可能发生整体失稳。滑坡体中条块一旦失稳滑移,若其受前缘坡体的阻挡,上部滑坡体在惯性作用下可能会沿着其间发育的软弱层(可能的次级滑带)发生滑移。判断是否滑移,亦即次级滑带能否形成的关键是判断软弱层中土体的应力是否达到能使其产生破坏的状态。一旦土体达到使次级滑带形成的应力状态,则形成该堆积层滑坡的双层滑移,且此种类型的双层滑移属惯性分异性推移式滑移。
(3)对八字门滑坡进行库水位升降条件下的渗流场模拟,并对其渐进破坏进行了数值分析。模拟结果为:①主应力主要集中于主滑带,并在坡角处处于拉应力状态。在库水位下降过程中,主应力集中区有所扩大,坡体表面逐渐形成拉应力区;②在库水位上升过程中,剪应变增量基本无变化甚至略有减小,因此水位的抬升有助于坡体的自稳。滑坡体的变形基本在库水位变动范围内,并由坡体表面向深部滑带发展,这与堆积层滑坡往往坡体表面水平位移变化较大但滑带变形很小的现象吻合,因而表现为堆积层滑坡水平累计位移曲线的阶跃性,这是由于坡体物质自身的变形调整所致;③堆积层滑坡的塑性区发展是渐进的,滑坡体上的松散堆积体最先处于剪切屈服状态,而滑带的屈服贯通滞后于滑坡体,这也证明了第二点结论。在滑坡后缘和前缘一般均有拉张塑性区的产生。所以一般来说当拉破坏区失稳后,对于推移式堆积层滑坡来说,其破坏自中后部向前缘渐进发展,最终导致滑坡体的失稳破坏。
(4)选取非平稳时间序列模型、Pearl生物生长模型及BP神经网络模型分别对八字门滑坡的变形趋势进行预测。鉴于预测模型的不充分性分析,建立了多模型预测结果的综合评判模型,获得了八字门滑坡至2009年12月的变形预测趋势。