九寨沟火花海钙华坝渗流特征与稳定性评价

作     者：梁芊 

作者单位：成都理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：杨艳娜

授予年度：2020年

学科分类：08[工学] 0815[工学-水利工程] 081503[工学-水工结构工程] 

主      题：火花海 钙华残余坝 渗流场 渗透稳定性 

摘      要：2017年九寨沟地震造成九寨沟景区内火花海与下游景点之间的天然钙华坝发生局部溃决,火花海地表水体流失,引发湖底植被死亡和裸漏的钙华沉积沙化等一系列环境灾害。溃决口将原始钙华坝分为左、右两侧钙华残余堆积体(以下简称残余坝),后期在溃决处修筑人工坝体,以恢复火花海地表水体景观。但地震发生后,两侧残余坝前缘发生垮塌,坝体表面发育多条新生裂缝,加之残余坝自身具有非均质性、各向异性和疏松多孔等特点,在后期上游水体的渗透作用下,两侧残余坝体的稳定性受到威胁。在火花海重新蓄水和高水位稳定运行期间,为保证残余坝在渗透作用下具有足够的稳定性,亟需对两侧残余坝进行稳定性评价,以便及时开展后续修复工作。本研究通过资料搜集、野外调查等方法掌握了九寨沟区域水文与工程区地质背景,分析了火花海地下水循环特征,通过分析震后火花海的震损特征,揭示了已溃坝体的溃决模式,在掌握残余坝基本特征的基础之上,利用类比分析的方法,通过对溃坝影响因素的分析,进一步预测了残余坝潜在的渗透破坏模式。利用室内物理模型试验和经验公式法揭示了残余坝的管涌、流土破坏机制,结合有限元分析软件FLAC3D分析了火花海在以不同水位上升速率和在不同稳定水位条件下残余坝的地下水渗流场特征,并且对残余坝的渗透稳定性进行了评价。基于以上研究,主要研究成果如下:(1)对九寨沟区域的工程区地质与水文地质背景进行分析,火花海地下水循环特征受区域地质条件与气象水文的控制,火花海主要接受上游地表水补给,沿基岩上覆的钙华覆盖层以潜流的方式向下游运移或者沿可溶岩内的溶隙裂隙运移,最终通过松散多孔的钙华覆盖层出露。火花海钙华坝的成因受地层岩性、地形地貌、生物作用和温度等多方面影响,导致坝体物质组成在空间上呈现差异性,钙华坝渗透性也存在差异性。(2)九寨沟8·8地震火花海钙华坝溃坝为地震和渗透共同作用的结果,地震产生裂缝,地下水渗入到陡倾裂缝中,在静水压力和渗透力的作用下裂缝继续扩展,最后在静水压力和扬压力的联合作用下坝体发生溃滑。基于残余坝渗漏条件和物质组成特征,类比已溃坝体溃决成因,揭示残余坝潜在的渗透破坏模式为裂隙扩展崩塌型、水压作用整体失稳型和管涌、流土型破坏。(3)利用室内物理模型试验构建了多层结构的残余坝模型,模拟了两侧残余坝在不同密度、水力坡度条件下的渗透破坏特征,结合经验公式计算了左、右两侧残余坝的临界水力梯度,且分别为0.22和0.19。(4)运用FLAC3D有限元分析,揭示了残余坝在火花海稳定高水位和水位上升条件下的位移、剪应变和孔隙水压力的演化过程及分布特征。其结果表明,在火花海保持2210m高水位稳定运行时,左侧残余坝上游坡脚和右侧残余坝中部坡脚处有发生溃滑的可能性,无论是在稳定高水位和水位上升条件下,残余坝都面临发生渗透破坏的威胁。(5)根据火花海残余坝渗透稳定性评价结果和渗漏特征,提出了上游坝坡坡面防渗,坝身内部设置灌浆帷幕的治理方案。