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高陡岩质斜坡崩落岩体运动参数、击浪高度及其对工程影响研究

作　者: 贺咏梅
导　师: 聂德新
学　校: 成都理工大学
专　业: 地质工程
关键词: 危岩体落石击浪冲击能冲击速度涌浪传播防护
分类号: TV221.2
类　型: 博士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

大型水电工程往往都建在深切峡谷当中,库岸斜坡的整体稳定性多是被关心的焦点之一,但在陡峻岸坡表部也存在有潜在破坏可能的大型危险岩体,其发育状况、分布、稳定性、失稳危害等方面的研究相对薄弱许多。尤其是斜坡上存在的欠稳定状态的大型危岩体,一旦失稳下落入大坝前后的水体里,会产生什么后果,也是至今为止还没有人讨论过的问题。拉西瓦电站坝区山高坡陡,峡窄谷深,高陡的岸坡大量分布有规模不同的危岩体,是威胁大坝施工和运营安全的主要地质灾害类型之一。针对上述问题,本文以拉西瓦电站坝址右岸高陡边坡危岩体为研究对象,通过现场调查、结构面资料分析及3D激光扫描技术等手段,采集拉西瓦高陡边坡危岩体信息,较系统和准确掌握了研究区危岩体的发育情况和分布特征。采用Rockfall软件模拟高陡边坡危岩体坠落的运动轨迹,求得各危岩体落入水库或水垫塘时的运动速度和冲击动能等参数,期望通过这些定量参数,以解析解计算高陡边坡危岩体坠落至水库中产生击浪的高度和传播状况,以便为电站运营提供可能的危害预警。研究取得了以下主要成果:(1)通过对拉西瓦电站坝址右岸高边坡危岩体调查研究,查明了右岸坝址危岩体的分布规律,危岩体发育与地形地貌、岩体结构、岩体风化、地应力条件及卸荷、地震、空隙水压力等关系密切。(2)拉西瓦坝址右岸危岩体失稳破坏多发生于降雨过程中,控制危岩体发育的几组不利结构面在雨水渗入时,一方面降低了结构面的摩擦力,另一方面其空隙水压力的增大直接提供给危岩体向临空面的推力,从而导致危岩体失稳。(3)采用工程地质调查、ILRIS 3D激光数值扫描、结构面分析的方法,提取了坝址右岸坝前500m和水垫塘范围内对坝址工程危害较大的危岩体信息,对危岩体位置、形态、规模、失稳下落的运动特征等进行系统定位分析。(4)根据危岩体发育的位置,垂直于河流流向剖切了9条剖面,做为实际计算剖面,采用Rockfall软件,对坝址右岸26块危岩体下落的运动过程进行数值模拟,分析危岩体坠落的运动轨迹,确定落点位置,分别计算了危岩体坠落到坝前和水垫塘的冲击动能和速度。(5)提出落石高速坠入水体里将会产生击浪的概念,通过多次试验,对落石击浪形成过程进行分析,提出了击浪产生的机理,即:落石坠入水面,由于具有较快的速度,落点周围一定范围内的水体受到落石体积和落石速度作用而加速运动,这些被加速的水体受周围静止水体的阻碍,会向水面上方运动,在平静水面上方形成一水柱。这个水柱在回落过程中自身呈自由落体状态,水柱降至水面时,势能转化为动能,形成上下波动的阻尼振动,推动周围水体运动,形成的波浪,并逐渐向四周传播。(6)根据试验分析,落石初始击浪的体积由两部分组成,一部分是落体体积,另一部分为落体在水中由于受到水阻力减速运动形成的冲击体积。运用水动力学原理,结合现场试验观察,推导出落石击浪的初始波浪高度、传播速度、传播影响范围的计算公式。公式有较强的适应性,具有实际意义。(7)利用推导的计算公式,对拉西瓦电站坝址右岸26块危岩落入水库产生的击浪初始浪高和传播进行计算,对结果比对分析,有较好的对应性。(8)研究了控制落石击浪产生的主要因素和影响因素。落石具备一定体积和一定入水速度是落石击浪形成的必要条件。其它影响因素,如落石入水时的最大横截面积不同,也会引起的击浪高度值发生变化。(9)根据计算结果,W5、W6、W8、W9、W13危岩体坠落产生的击浪传播到坝前的波浪高度11.72～63.3m。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-12
第1章前言  12-25
  1.1 立题依据与研究意义  12-14
  1.2 国内外研究现状  14-21
    1.2.1 国外研究现状及动态  14-17
    1.2.2 国内研究动态  17-21
    1.2.3 存在的主要问题  21
  1.3 论文主要研究内容及成果  21-25
    1.3.1 主要研究内容  22-24
    1.3.2 研究取得的主要成果和创新点  24-25
第2章研究区地质环境条件  25-39
  2.1 区域地质环境概况  25-28
  2.2 自然地理条件  28-30
    2.2.1 交通及气候  28-29
    2.2.2 地形地貌  29-30
  2.3 地层岩性  30-32
  2.4 地质构造  32-36
    2.4.1 断裂构造  32-35
    2.4.2 节理、裂隙  35-36
  2.5 坝址区岩体风化、卸荷特征  36-38
  2.6 水文地质条件  38
  2.7 地震与新构造运动  38-39
第3章危岩信息采集方法与拉西瓦电站坝址右岸危岩体分布特征研究  39-66
  3.1 危岩落石信息采集方法  39-45
    3.1.1 论文研究的危岩落石的范畴  39-43
    3.1.2 危岩体的调查与研究方法  43-45
  3.2 右岸高陡边坡危岩体分布的调查和发育特征分析  45-57
    3.2.1 鸡冠梁危岩体分布  46-47
    3.2.2 石门沟危岩体分布  47-48
    3.2.3 青石梁危岩体分布  48-50
    3.2.4 青草沟危岩体分布  50
    3.2.5 右岸缆机平台边坡上方危岩体分布  50-54
    3.2.6 出线平台边危岩体分布  54-57
  3.3 3D 激光扫描技术采集落石信息  57-66
    3.3.1 三维激光扫描系统及工作原理  57-58
    3.3.2 数据采集与处理  58-59
    3.3.3 拉西瓦电站坝址危岩信息提取  59-66
第4章斜坡危岩体运动特征及运动参数研究  66-114
  4.1 危岩落石运动学特征的研究方法和研究现状  66-78
    4.1.1 危岩体落石运动学特征的研究方法  66-72
    4.1.2 危岩落石运动学特征的表述  72-73
    4.1.3 落石不同运动方式的计算  73-78
  4.2 落石运动轨迹的计算机数值模拟  78-86
    4.2.1 Rockfall 软件介绍  79-80
    4.2.2 Rockfall 软件运算原理  80-85
    4.2.3 Rockfall 软件的主要计算成果  85-86
  4.3 拉西瓦电站坝址右岸典型危岩落石运动模拟  86-108
    4.3.1 拉西瓦水电站坝址右岸危岩典型剖面的选取  86
    4.3.2 计算参数选取  86-93
    4.3.3 落石模拟抛射次数选择  93
    4.3.4 拉西瓦电站坝址典型危岩落石运动  93-108
  4.4 影响落石运动特征变化的主要因素分析  108-113
    4.4.1 落石启落高度对落石冲击能量和速度的影响分析  108
    4.4.2 落石重量对落石冲击能量和速度的影响分析  108-109
    4.4.3 边坡形态对落石运动轨迹、冲击能量和速度的影响  109-111
    4.4.4 恢复系数（法向）变化对落石冲击能量、速度的影响  111-113
  4.5 本章小结  113-114
第5章高陡斜坡大型崩落岩体入水击浪研究  114-145
  5.1 落石击浪概念的提出  114
  5.2 滑坡涌浪的研究现状和计算方法  114-120
    5.2.1 滑坡涌浪研究现状分析  114-116
    5.2.2 几种滑坡涌浪计算方法简介  116-120
  5.3 高速落石击浪试验研究  120-125
    5.3.1 试验的目的  120
    5.3.2 落石击浪现场试验概况  120-123
    5.3.3 落石击浪产生过程和击浪传播分析  123-125
  5.4 落石击浪高度、传播的计算方法与公式推导  125-133
    5.4.1 落石击浪初始高度的计算  125-128
    5.4.2 落石击浪传播速度c 的计算  128-132
    5.4.3 击浪在传播中高度的衰减  132-133
  5.5 拉西瓦电站坝址典型崩落岩体击浪的计算  133-144
    5.5.1 拉西瓦电站坝前设施及水垫塘概况  133-134
    5.5.2 拉西瓦电站坝址危岩体初始击浪高度计算  134-143
    5.5.3 击浪在传播中高度的衰减  143-144
  5.6 本章小结  144-145
第6章危岩体防治对策及在拉西瓦电站的运用  145-160
  6.1 危岩落石防治技术  145-150
    6.1.1 危岩落石防护原则和技术类型  145-146
    6.1.2 各种防护措施的评价  146-150
  6.2 拉西瓦电站坝址危岩落石的防护  150-159
    6.2.1 拉西瓦电站坝址危岩落石防护的思路  150-151
    6.2.2 拉西瓦电站坝址右岸落石治理与防护概况  151-159
  6.3 本章小结  159-160
结论  160-163
致谢  163-164
参考文献  164-171
读博士期间取得学术成果  171
攻读博士期间参与的主要科研生产项目  171

高陡岩质斜坡崩落岩体运动参数、击浪高度及其对工程影响研究

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