三峡库区万州区库岸堆积层滑坡变形特征及位移预测研究

论文摘要

自2003年三峡水库蓄水以来,库区地质环境发生强烈改变,导致大量库岸滑坡变形甚至失稳,其中以堆积层滑坡数量最多。开展库岸堆积层滑坡变形特征及位移预测研究,能够为库区内滑坡灾害的风险评价、规避和缓解提供科学依据,对减少治理经费、避免生命伤亡及财产损失具有极其重要的社会及经济效应。论文以三峡库区万州区库岸堆积层滑坡为研究对象,基于详尽的地质基础资料和专业监测资料,归纳总结研究区库岸堆积层滑坡的发育规律,并从地质环境因素和外部诱发因素两个方面分析滑坡影响因素;以塘角1号滑坡和三舟溪滑坡为例,探究库水位下降和上升诱发的堆积层滑坡变形特征及变形机理;在此基础上,合理选取滑坡变形影响因素,开展库岸堆积层滑坡位移预测研究。主要研究内容和成果如下:(1)从分布规律、发育特征和变形特征三个方面,归纳总结了万州区库岸堆积层滑坡发育规律。分布规律包括空间分布、规模分布、厚度分布;发育特征包括形态特征、物质组成和水文地质条件;变形特征包括地表位移特征、深部位移特征和变形破坏模式。总体来看,万州区库岸堆积层滑坡以大型和中型、中层滑坡为主。前缘高程集中在175m以下,多属涉水滑坡;后缘高程集中在205~265m,在人类工程活动范围内;坡高集中在40~120m;长度和宽度集中在200~600m;面积多在30万m~2以内。平面形态多呈箕形和横长形、剖面形态以阶梯形和凸形为主、滑面多呈弧形,滑坡集中发育的坡度为10~30°,近90%的滑体属中等渗透性。地表位移具阶跃型特征的滑坡最多,深部位移揭示滑坡前缘多已形成明显的滑动面而中后部仍处于蠕变阶段,其变形模式以牵引式为主。(2)以塘角1号滑坡为例,系统开展了库水位下降诱发堆积层滑坡变形特征及机理分析。塘角1号滑坡前缘的大幅度位移增加均出现在库水位快速下降阶段,其变形对库水位波动的响应存在滞后性,且响应程度随时间的发展呈逐渐衰减的趋势。采用加卸载响应比理论分析滑坡地表位移与库水位的响应关系,根据滑坡在整个变形阶跃期和一周7天两个时间尺度上的加卸载响应比,初步判定塘角1号滑坡在库水位快速下降阶段趋于失稳,尤其在第3周对库水位下降的变形响应最大,应加强该时段内滑坡的监测和预警。根据滑坡前缘在库水位快速下降阶段和缓慢下降阶段坡体内的水力梯度,揭示导致变形差异的原因在于,库水位下降速率增大使得坡体内水力梯度增加进而导致动水压力增大,造成滑坡变形加剧。滑坡在库水位快速下降阶段、低水位阶段以及快速上升阶段的初期均处于欠稳定状态,尤其以库水位快速下降阶段的稳定性最差;滑坡前缘稳定性受降雨影响非常有限。从地质环境因素和外部诱发因素两方面分析塘角1号滑坡变形机制。有利于滑坡发生和发展的地质环境因素包括在地质构造影响下受重力作用明显而易产生崩滑,前缘及两侧具备较好的临空条件,滑带中含遇水膨胀、软化的蒙脱石和高岭土而导致其抗剪强度降低等;不利的地质环境因素包括地形相对较缓,阶梯形剖面使得坡体局部存在抗滑段等。导致滑坡不同部位变形的外界诱发因素存在差异,滑坡前缘变形主要由库水位快速下降导致,中后部变形主要受降雨和人类工程活动的影响。滑坡各级平台之间相互独立而不存在力学联系。滑坡前缘已形成明显的滑动带,在水库快速下降的影响下趋于失稳;中后部仍处于缓慢蠕变状态。(3)以三舟溪滑坡为例,系统开展了库水位上升诱发堆积层滑坡变形特征及机理研究。采用灰色关联分析法探究三舟溪滑坡前缘不同演化时段的变形主控因素,揭示该滑坡的变形主控因素由监测初期的降雨作用逐渐转化为库水位上升作用。S_i(S_f)指标分析法结果表明,滑坡中前部的滑带还未完全破坏,判断该滑坡仍处于蠕滑状态,其变形呈缓慢增长趋势。滑坡变形在高水位阶段显著增加,在其余阶段出现负位移(向坡体移动)。滑坡整体处于稳定或基本稳定状态,且在高水位阶段稳定性系数持续减小;降雨的联合作用导致稳定性系数最大下降0.018。从地质环境因素和外部诱发因素两方面分析三舟溪滑坡变形机制。地质环境因素包括直线形剖面使其易受重力作用的影响而产生长期、缓慢的渐进变形,滑带富含蒙脱石矿物并发育大量微裂隙和微孔隙使其遇水后抗剪强度降低等。外部诱发因素主要为库水位和降雨及人类工程活动。滑坡中前部变形受库水位上升和降雨的共同影响,以库水位波动为主控因素;后部变形主要由降雨导致。前缘开挖工程导致滑坡产生次级滑动,且开挖形成的近垂直切坡为滑坡的发生和发展创造了临空条件。受水库蓄水的影响,三舟溪滑坡变形模式由推移式逐渐转变为牵引式。(4)采用基于小波变换(WT)和长短时记忆网络(LSTM)的滑坡位移动态预测模型,开展了库岸堆积层滑坡位移预测研究。目前流行的静态模型将位移预测视为静态回归问题,而忽略了滑坡演化的动态系统本质。针对这一问题,本文提出了一种基于小波变换(WT)和长短时记忆网络(LSTM)的滑坡位移动态预测模型。该模型首先利用WT将滑坡累积位移分解为趋势项和周期项,采用单变量LSTM模型预测趋势项位移;基于库水位下降诱发和库水位上升诱发的堆积层滑坡变形特征和机理分析,选取合理的变形影响因素,采用多变量LSTM模型预测周期项位移,并与单变量LSTM、多变量SVR和多变量BPNN模型对比。结果表明考虑诱发因子的多变量LSTM模型的预测结果优于不考虑诱发因子的单变量LSTM模型。由于滑坡位移是多种因素共同作用的结果,考虑诱发因素的响应能够反映滑坡变形的内在机制,从而有效提高模型预测精度。针对库岸堆积层滑坡,影响因子的选取应以库水位波动诱发滑坡变形特征和机理分析为基础。与SVR和BPNN等静态模型相比,动态模型LSTM的预测精度更高,且在预警关键的阶跃式变形期的预测优势尤为突出。其良好的预测能力归因于该模型实现了状态反馈,能更好地反映滑坡演化的动态系统本质;且该模型具有记忆功能,能够充分利用滑坡历史信息,从而有效提高位移预测精度;此外,模型独特的设计结构使其不依赖于训练数据时效性的分析。本文所提出的模型对塘角1号滑坡(库水位下降诱发变形)的位移预测精度略高于三舟溪滑坡(库水位上升诱发变形)的预测精度,这与库水诱发滑坡变形机理不同导致滑坡变形特征差异有关。库水位上升作用与降雨作用的不同步使得三舟溪滑坡变形规律更为复杂,滑坡变形与诱发因素之间复杂的响应关系增加了选取合理影响因子的难度,易导致滑坡位移预测精度受到影响。

论文目录

• 作者简介
• 摘要
• abstract
• 第一章 绪论
•   §1.1 研究的背景及意义
•   §1.2 国内外研究现状
•     1.2.1 堆积层滑坡成因机制及变形破坏机理研究现状
•     1.2.2 库水位波动诱发库岸滑坡研究现状
•     1.2.3 滑坡位移预测研究现状
•     1.2.4 研究现状总结
•   §1.3 研究内容及技术路线
•     1.3.1 研究内容
•     1.3.2 技术路线
•     1.3.3 创新点
• 第二章 万州区库岸堆积层滑坡发育规律及影响因素分析
•   §2.1 万州区自然地理及地质环境概况
•     2.1.1 万州区自然地理概况
•     2.1.2 万州区地质环境概况
•   §2.2 库岸堆积层滑坡发育规律研究
•     2.2.1 分布规律
•     2.2.2 发育特征
•     2.2.3 变形特征
•   §2.3 库岸堆积层滑坡影响因素分析
•     2.3.1 地质环境因素
•     2.3.2 外部诱发因素
•   §2.4 本章小结
• 第三章 库水位下降诱发堆积层滑坡变形特征及机理分析—以塘角 1 号滑坡为例
•   §3.1 塘角1号滑坡概况
•     3.1.1 滑坡基本特征
•     3.1.2 滑坡监测系统布置
•   §3.2 滑坡地下水位波动规律
•     3.2.1 三峡水库运行调度规律
•     3.2.2 地下水位监测数据分析
•   §3.3 滑坡位移演化特征
•     3.3.1 滑坡地表位移演化特征
•     3.3.2 滑坡深部位移演化特征
•     3.3.3 基于位移的滑坡稳定性评价
•   §3.4 滑坡变形演化数值模拟研究
•     3.4.1 基本原理及方法
•     3.4.2 模型分析与建立
•     3.4.3 数值模拟结果分析
•   §3.5 塘角1号滑坡变形机制
•   §3.6 本章小结
• 第四章 库水位上升诱发堆积层滑坡变形特征及机理分析—以三舟溪滑坡为例
•   §4.1 三舟溪滑坡概况
•     4.1.1 滑坡基本特征
•     4.1.2 滑坡监测系统布置
•   §4.2 滑坡地下水波动规律
•   §4.3 滑坡位移演化特征
•     4.3.1 滑坡地表位移演化特征
•     4.3.2 滑坡深部位移演化特征
•     4.3.3 基于滑带位移的滑坡稳定性评价
•   §4.4 滑坡变形演化数值模拟研究
•     4.4.1 模型分析与建立
•     4.4.2 数值模拟结果分析
•   §4.5 三舟溪滑坡变形机制
•   §4.6 本章小结
• 第五章 库岸堆积层滑坡位移预测研究
•   §5.1 引言
•   §5.2 滑坡位移预测方法原理
•     5.2.1 位移时间序列分析
•     5.2.2 小波变换
•     5.2.3 机器学习模型
•     5.2.4 基于WT与 LSTM的滑坡位移动态预测模型
•   §5.3 库岸堆积层滑坡位移预测
•     5.3.1 滑坡位移时间序列分解
•     5.3.2 趋势项位移预测
•     5.3.3 周期项位移预测
•     5.3.4 总位移预测
•     5.3.5 模型分析与评价
•   §5.4 本章小结
• 第六章 结论与展望
•   §6.1 结论
•   §6.2 展望
• 致谢
• 参考文献

文章来源

类型: 博士论文

作者: 杨背背

导师: 殷坤龙

关键词: 三峡库区,库水位波动,堆积层滑坡,变形特征,位移预测

来源: 中国地质大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅱ辑

专业: 地质学,地质学,工业通用技术及设备,水利水电工程,水利水电工程

单位: 中国地质大学

基金: 《极端条件下的大区域电网设施安全保障技术》(项目编号:2018YFC0809400),《三峡水库水位日降幅对库区地质灾害防治工程影响的调查综合研究》(项目编号:2014054051),《县域地质灾害风险管理研究》(项目编号:1212011220173)

分类号: P642.22;TV223

DOI: 10.27492/d.cnki.gzdzu.2019.000051

总页数: 162

文件大小: 13016K

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