澜沧江某水电站右岸碎裂松动岩体工程特性及岸坡稳定性研究

摘要

近年来，在水能资源开发的步伐迈向青藏高原地区的过程中，越来越多的不同于低海拔地区水电边坡的工程地质问题被揭露，本文重点研究的碎裂松动岩体即为其典型实例之一。对碎裂松动岩体的发育特征、工程特性、成因机制及工程边坡的稳定性开展深入的研究，将具有较为实用的科学实践意义和工程应用价值。
　　澜沧江上游某水电站中坝址右岸发育了四个较为大型的碎裂松动岩体，为查明其发育分布范围、岩体结构特征、变形破坏现象、成因机制、工程地质特性及对岸坡的稳定性影响，本文结合大量的野外调查与室内分析，开展了较为深入的研究，主要获得如下结论:
　　(1)通过现场踏勘调查、无人机航拍、三维激光扫描及室内研究分析，对研究区斜坡不同部位岩体结构特征及碎裂松动岩体的发育分布范围，进行了调查、圈定和校核。研究区发育的四个碎裂松动岩体SL18、SL20、SL22及SL24，主要分布于Ⅲ线马道以上，自然坡角为30°～55°;此外，四个碎裂松动岩体中以SL24估算方量最大，约为1350万m3，发育于坝肩边坡之上。
　　(2)研究区主要出露散体结构、碎裂结构、镶嵌-块状结构、块状-整体结构四大类岩体结构，本文结合现场工程地质条件，专门提出了碎裂松动岩体这一岩体类型。该类岩体一方面普遍具有“碎裂”的岩体结构特征，其岩体结构和厚度随所处部位和高程不同差异较大，表层以碎裂至散体结构为主，由坡内至浅表基本具备块裂～碎裂～散体的三重岩体结构;另一方面，此类岩体具有“松动”的变形破坏特征，即潜在或发育崩塌、倾倒、滑移等变形破坏现象。
　　(3)研究区主要发育四组优势结构面。参考工程规范要求和已有研究成果，将中坝址右岸结构面划分为Ⅰ级～Ⅴ级五大类结构面。其中，与碎裂松动岩体和斜坡卸荷带发育特征密切相关的Ⅳ级结构面，整体上出露两组产状:第1组反倾坡内，产状范围为N37°～79°W/SW∠73°～90°;第2组陡倾坡外，产状范围为N30°～76°W/NE∠69°～90°。
　　(4)现场调研发现，研究区岩石高边坡的卸荷情况与以往大型水电工程中岸坡常见的卸荷现象有很大的不同，在对斜坡岩体开展卸荷带的划分过程中，本文结合现场工程地质条件，参考规范和已有研究成果，提出了对极强卸荷带的划分标准，其带间分界面主要有两类:一类以张开宽度一般大于10cm的、具有拉张或剪切特性的卸荷裂隙为主，另一类为延伸宽度为几米至数十米的散体状卸荷岩体分布带。此外，在开展碎裂松动岩体与卸荷带发育深度的工程地质划分过程中，发现碎裂松动岩体的发育分布范围与该部位边坡的卸荷发育分带特征存在较强的相关性，碎裂松动岩体发育深度多位于极强卸荷带或强卸荷带底界附近。
　　(5)坡表及硐内调查结果显示，研究区碎裂松动岩体变形破坏的主要形式有三大类:①发育最为广泛的脆性倾倒变形，发育深度较浅，原生陡倾、中陡倾柱状节理及浅表生卸荷裂隙起控制作用，可进一步划分为倾倒变形深度数米至数十米不等的浅层倾倒，以及发育深度相对更浅、仅数米变形破坏深度的块状倾倒;②斜坡局部岩体受缓倾-中缓倾坡外为主的结构面影响，而发育滑移-压致拉裂、滑移-拉裂、阶梯状滑动等“滑移”一类变形破坏;③斜坡浅表的散体结构碎裂松动岩体，沿基-覆界面或圆弧状滑面发生的滑动破坏。
　　(6)本文从岩性、岩体结构、河谷演化、高地应力、气象水文等几方面控制性地质因素，对碎裂松动岩体的成因机制进行了分析。研究表明此类岩体的具体成因，为自身岩体结构与河谷演化、地应力场、高原冻融等内外因素长期作用下，由各类内外营力综合耦合产生。
　　(7)通过开展岩石单轴压缩试验、常规三轴压缩试验和岩石蠕变试验，对碎裂松动岩体的工程特性进行了较为深入的研究。试验结果显示，碎裂松动岩体为一类微裂隙较为发育的坚硬岩，其力学强度指标较微新英安岩有较为明显的降低;此类岩体蠕变特征不明显，长期强度指标与常规三轴强度指标相比，强度折减不显著（C值折减6.5％;ψ值折减7.7％），因而在水工建筑布置与工程岩体开挖的设计与施工过程中，可适当考虑碎裂松动岩体的蠕变特性。
　　(8)对右岸坝肩边坡碎裂松动岩体SL24开展了重点研究，并对该斜坡开展了碎裂松动岩体边坡的稳定性定性评价，和基于离散单元法、有限差分法和刚体极限平衡法的数值模拟定量分析。坝肩边坡在天然状态下整体稳定性较好，斜坡未来演化发展过程中，岩体的变形破坏形式以倾倒变形为主，且主要发育于碎裂松动岩体分布带内;斜坡浅表的散体状碎裂松动岩体，存在局部稳定性问题，在不利外营力影响下有局部滑塌的可能性。斜坡开挖后在无支护条件下稳定性较好，仅开挖面附近局部出现较为明显的变形破坏现象，表明贵阳院的设计开挖方案切实可行，但应注意合理设计开挖步骤和喷锚支护措施。

目录

声明

摘要

第1章 引言

1．1 选题依据及研究意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 碎裂岩体研究现状

1．2．2 岩石流变特性研究现状

1．2．3 边坡稳定性研究现状

第2章 坝址区地质环境条件

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 物理地质现象

2．6 地震

第3章 中坝址右岸碎裂松动岩体发育特征

3．1 概述

3．2 碎裂松动岩体总体发育与分布特征

3．2．1 中坝址右岸岩体结构特征

3．2．2 斜坡岩体卸荷程度的工程地质划分

3．2．3 研究区碎裂松动岩体变形破坏特征

3．3 坝肩边坡碎裂松动岩体的发育特征

3．3．1 坝肩边坡碎裂松动岩体的发育分布范围

3．3．2 坝肩边坡岩体结构发育特征

3．3．3 坝肩边坡岩体变形破裂与破坏特征

3．3．4 坝肩边坡碎裂松动岩体发育深度的工程地质划分

3．4 碎裂松动岩体的成因分析

3．4．1 岩性

3．4．2 河谷演化

3．4．3 地应力

3．4．4 气候

3．5 本章小结

第4章 碎裂松动岩体工程特性研究

4．1 试样的物理性质

4．2 试验仪器与试验方案

4．3 单轴压缩试验

4．4 常规三轴压缩试验

4．4．1 试验过程

4．4．2 常规三轴试验结果及分析

4．5 岩石三轴蠕变试验

4．5．1 概述

4．5．2 岩石三轴蠕变的变形特征

4．5．3 岩石三轴蠕变的强度特征

4．6 本章小结

第5章 坝肩边坡稳定性的数值模拟研究

5．1 坝肩边坡的稳定性定性评价

5．2 坝肩边坡碎裂松动岩体二维离散元演化发展研究

5．2．1 参数选取与计算模型建立

5．2．2 计算结果分析

5．2．3 小结

5．3 基于有限差分法的边坡稳定性分析

5．3．1 数值模型建立与计算参数选取

5．3．2 天然状态下坝肩边坡稳定性分析

5．3．3 坝肩边坡开挖后稳定性分析

5．3．4 小结

5．4 基于刚体极限平衡法的边坡稳定性评价

5．4．1 计算方法与计算标准

5．4．2 计算模型与计算参数

5．4．3 计算结果分析

5．5 开挖与支护建议

5．6 本章小结

结论

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间取得学术成果