澜沧江如美水电站泄水口边坡开挖力学响应及其稳定性评价

摘要

随着西藏水电能源逐渐得到开发，在高山峡谷地带修建大型水电站，由于水电站拟建位置复杂的地质环境，导致了越来越多的岩质高边坡的稳定性问题。如美水电站地处澜沧江上游河段的西藏芒康县境内，水电站拟建的心墙堆石坝高达315m，是我国甚至是世界上的高坝之一。如美水电站泄水口边坡的主要岩性为英安岩，为深切“V”字型河谷。泄水口边坡地形上表现为陡峻，组成边坡的岩石坚硬、岩体的结构面比较发育、地表岩体受到风化作用以及卸荷的作用强烈，泄水口附近区域的地应力比较复杂。因此，对泄水口边坡的开挖以及稳定性的分析具有十分重要的现实意义。本文以如美水电站泄水口边坡为研究对象，通过对边坡的工程地质条件、岩体结构特征等研究，以定性和定量分析相结合的思路来综合评价泄水口边坡在天然以及分级开挖条件下的变形破坏，基于其变形破坏形式来评价泄水口边坡的开挖以及稳定性。取得的主要研究成果如下:
　　(1)根据对泄水口边坡的地质调查，结合复查结果，查明了泄水口边坡结构面的发育特征。将泄水口边坡的结构面分为原生、构造以及浅表生结构面;根据结构面分级标准，在泄水口附近仅发育有后三种结构面，分别为Ⅲ级、Ⅳ级以及Ⅴ级结构面。根据野外调查结果，发现泄水口边坡的岩体受到的风化作用比较强烈，主要为表层岩体的均匀风化;山脊和沟谷处的卸荷深度不同，山脊处的卸荷深度大于沟谷处的卸荷深度;在岸坡坡脚和岸坡部分缓坡区域多集中发育有崩塌堆积。
　　(2)由二维离散元UDEC模拟结果可知，泄水口边坡的变形破坏模式与现有的破坏现象比较相符。在天然状态下，表层的局部位置存在有较大的变形，但总体的变形较小，坡体位移由坡表至深部逐渐减小，碎裂岩体分布区域位移显著大于其他区域，这与现场和平硐调查定性分析的结果一致。暴雨工况下边坡的总的位移规律没有变化，但坡体的位移增大范围有所扩增。边坡在分级开挖的工况下，后一级开挖的变形大于前一级，但前三级开挖条件下都未形成潜在的不稳定块体，仅在第四级开挖条件下产生了潜在的不稳定块体。
　　(3)采用有限差分法和传递系数法，系统研究了在天然状态、暴雨状态和开挖工况下泄水口边坡的稳定性。用有限差分法得到边坡在天然和分级开挖状态下的应力、变形情况，并采用了传递系数法分析了边坡潜在的组合块体的稳定性情况。由三维数值模拟知:天然状态下，在边界、断层和长大裂隙周边会出现局部的拉应力集中现象，总体上认为边坡是稳定的;暴雨工况下边坡相较于天然工况无论是坡表拉应力水平，还是坡体内部剪应力水平均有明显的升高，坡体内尽管存在剪应变集中，但其带尚未贯通，边坡在暴雨条件产生整体失稳的可能性较小;在第一、二级开挖后，在开挖底面及其附近的开挖面可能会产生破坏，第三阶段开挖后，除了卸荷回弹外其他的变形不显著，但总体的变形仍然较大，边坡的稳定性差。根据传递系数法结果可知:仅在地震条件下，块体的稳定性较差，在其他工况下的边坡均处于稳定状态。在地震工况下，未开挖时的块体1和块体3处于欠稳定状态，开挖后块体1、块体3、块体4岩脉前部分处于不稳定状态，各块体组合处于稳定状态。
　　(4)基于上述研究成果，泄水口边坡开挖后主要影响的范围是开挖底面及附近的开挖面的岩体，其发生失稳的可能较大，是边坡治理的重点，要防止开开挖底面及其附近的开挖面在开挖面附近发生剪出。

目录

声明

摘要

第1章 前言

1．1 选题依据与研究意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 岩质边坡变形破坏模式研究

1．2．2 岩质边坡稳定性评价研究现状

1．2．3 如美水电站研究现状

1．3 主要研究内容与技术路线

1．3．1 主要研究内容

1．3．2 技术路线

第2章 研究区工程地质条件

2．1 地形地貌

2．2 地层岩性

2．3 地质构造

2．4 水文地质条件

2．5 不良地质现象

2．5．1 风化

2．5．2 卸荷

2．5．3 崩塌堆积

2．5．4 碎裂松动岩体

2．6 地震

第3章 泄水口边坡岩体结构特征

3．1 边坡基本特征

3．2 边坡坡体结构特征

3．2．1 优势结构面发育特征

3．2．2 软弱结构面发育特征

3．2．3 硬性结构面发育特征

3．2．4 结构面组合对边坡的影响

3．3 结构面主要类型及分级

3．3．1 岩体结构面基本的类型

3．3．2 岩体结构面的工程地质分级特征

3．4 本章小结

第4章 泄水口边坡变形破坏模式分析

4．1 边坡已有变形特征

4．1．1 局部变形破坏特征

4．1．2 整体变形破坏特征

4．2 边坡破坏定性分析

4．3 边坡变形演化过程离散元模拟分析

4．3．1 模型建立

4．3．2 计算参数及边界条件

4．3．3 计算工况

4．3．4 计算结果分析

4．4 本章小结

第5章 泄水口边坡稳定性分析

5．1 基于三维有限差分法的边坡稳定性分析

5．1．1 地质模型概化与三维模型的建立

5．1．2 计算参数取值与工况

5．1．3 计算结果

5．2 边坡稳定性定量评价

5．2．1 模型建立

5．2．2 计算工况及参数

5．2．3 计算结果

5．3 本章小结

结论

致谢

参考文献

攻读学位期间取得学术成果