叶巴滩水电站坝区右岸深部变形破裂成因模拟研究

摘要

自上世纪八十年代，深部变形破裂在水电站坝址区揭示以来，其成因机理一直受到工程界和学术界广泛关注，目前这一问题尚无统一定论。揭示深部变形破裂的成因机制对水电站工程勘察、设计、施工和运营有重要的现实意义和理论价值。
　　本文以叶巴滩右岸典型的深部变形破裂为研究对象，在野外详查资料的基础上，结合室内试验结果，利用地震波CT技术，揭示硐间岩体的深部变形破裂发育分布规律和变形破坏特征;根据岩体内深部变形破裂的特征，建立地质力学模型开展物理模拟试验，分析加-卸荷条件下，应力集中区与断层对应关系;利用3DEC离散元软件，建立三维模型进行数值模拟仿真试验，分析了多次加载～卸载过程中，受平行结构面切割的岩体内应力集中-扩散规律。通过将上述试验与现场深部变形破裂的对比，进一步讨论断层控制型深部变形破裂的成因机制。本文主要的研究成果如下:
　　(1)深部变形破裂的分布规律。坝区右岸深部变形破裂集中发育于高高程区域，随高程的降低，深部变形破裂数量快速减少。深部变形破裂发育的水平深度为硐口以里80m-150m，破裂带宽度一般为4m～55m。深部变形破裂在同一水平高程贯通性好，延伸较宽，在垂直方向上贯通性差。
　　(2)坝区右岸深部变形破裂主要表现出受断层控制。深部变形破裂的优势方向为NW向，对深部变形起控制作用的断层共14条，其优势方向为NWW向和NE向。右岸结构面表现出“X”共轭体系，因此右岸深部变形破裂是在构造主应力方向为N60°～80°E的应力场环境中，受断层影响，在断层围限区域中形成，属于断层控制型深部变形破裂。
　　(3)岸坡岩体在卸荷状态下，积聚的残余应变能快速释放，在断层交切、发育平行断层的岩体中形成大量拉应力集中区。其规律在于:拉应力集中区主要分布平行断层之间，且一般最大值出现在断层端部，在多条断层交汇区域应力集中情况明显增强，同时拉应力集中区往往呈带状发育。上述发育分布规律与深部变形破裂在空间的分布规律一致。
　　(4)深部变形破裂形成过程从应力聚散角度可划分为两个阶段，应变能积聚阶段和应变能集中释放阶段。深部变形破裂发育区域表现出强烈的能量聚集～释放迹象，随岩体卸荷，岩体在中局部压应力逐渐减小，甚至变成局部拉应力，在此过程中，岩体中储存的能量大量释放。
　　(5)叶巴滩水电站坝址区右岸这套深部变形破裂体系是在叶巴滩高边坡高地应力环境中，伴随峡谷形成过程中边坡应力强烈释放，同时叠加叶巴滩特殊的卸荷方式（卸荷方向为最大主应力方向且与岸坡走向垂直）效应，在岩体内两组各自平行、相互交切的NWW向和NE向结构面（小断层）的控制区域内，先期储存的应变能向临空方向强烈释放，产生差异卸荷回弹形成的。

目录

声明

摘要

第1章 引言

1．1 研究意义与选题依据

1．2 国内外研究现状

1．2．1 深部变形破裂的成因机制研究

1．2．2 深部变形破裂的研究手段

1．2．4 主要存在的不足

1．3 研究内容与技术路线

1．3．1 研究内容

1．3．2 技术路线

第2章 坝址区地质环境背景

2．1 地形地貌

2．2 地层岩性

2．3 岩体卸荷

2．4 地质构造

2．4．1 区域地质构造

2．4．2 坝址区地质构造

2．4．3 构造应力场

2．5 水文地质特征

2．6 地应力特征

2．6．1 高地应力现象

2．6．2 实测地应力

第3章 右岸边坡深部变形破裂的基本特征

3．1 深部变形破裂概述与分类

3．2 深部变形破裂的基本特征

3．2．1 深部变形破裂总体特征

3．2．2 深部变形破裂沿高程分布特征

3．2．3 深部变形破裂沿水平方向分布特征

3．3 断层控制型变形破坏特征

3．3．1 优势方向

3．3．2 发育规模、破裂面特征

3．3．3 断层控制特征分析

3．4 挤压错动型变形破坏特征

3．4．1 优势方向

3．4．2 发育规模、破裂面特征

3．5 深部变形破裂地震波CT成像检测

3．5．1 地震波CT的原理

3．5．2 右岸硐间地震波层析成像解译

3．6 小结

第4章 深部变形破裂物理模拟试验

4．1 物理模型试验的相似理论

4．1．1 基本相似原理

4．1．2 相似材料的选择

4．2 模型设计

4．2．1 试验原型与概化

4．2．2 试验加载设备和观测设备

4．2．3 模型制作

4．3 试验设计

4．3．1 试验准备与调试

4．3．2 加载-卸载设计

4．3．3 试验记录

4．4 数据处理的计算原理

4．5 试验结果分析

4．5．1 试验现象分析

4．5．2 试验图像分析

4．5．2 应力集中区的规律分析

第5章 深部变形破裂数值模拟

5．1 离散元法和3DEC简介

5．2 计算模型及方案

5．2．1 计算模型分析

5．2．2 模拟方案

5．3 模型参数

5．4 数值模拟仿真结果分析

5．4．1 计算结果分析

5．4．2 数值模拟与物理模拟的对比分析

第6章 深部变形破裂的成因机制

6．1 关键因素分析

6．2 叶巴滩右岸深部变形破裂的成因机制

结论与展望

结论

展望

致谢

参考文献

攻读学位期间取得的学术成果