大型岩石高边坡开挖的地质-力学响应及其评价预测——以小湾水电站工程高边坡为例

摘要

数百米级岩石高边坡的开挖及其稳定性问题是目前我国大型水电工程建设中所遇到的重大工程技术问题。本文针对小湾水电站高达近700m的人工高边坡，通过大量现场跟踪施工的地质调查工作，结合系统的变形监测和三维有限元数值模拟分析，较为系统的揭示了大型人工高边坡开挖施工过程中，边坡所发生的以变形和卸荷破裂为代表的一系列地质-力学响应过程，进而探讨了此类边坡的变形稳定性问题。论文取得了以下主要研究成果： (1)首次针对高达数百米的复杂人工高边坡，系统揭示了边坡在开挖过程中所表现的变形和破裂行为，建立了一套对大型复杂岩石高边坡开挖过程地质-力学响应的系统认识，尤其是揭露和认识了开挖过程中若干有别于传统认识的新现象和新规律；形成了较为完整的分析和评价方法；积累和丰富了大型复杂岩石高边坡开挖工程的认识与经验，为今后类似工程的建设提供了理论指导与工程借鉴。 (2)紧密跟踪施工开挖过程，对揭露的各种结构面进行详细的地质编录和描述。在现场编录的基础上，进行系统的资料分析与整理，形成了对开挖边坡岩体结构特征较为系统和深入的认识。 (3)系统研究了复杂地质条件和高地应力环境下，岩石高边坡大坡比、强开挖所表现的变形响应，揭示了此类边坡变形响应的基本规律及特殊的表现，研究表明： ①高边坡开挖过程中，边坡的变形与开挖过程有较强的同步性；变形主要受开挖卸荷影响，以侧向水平卸荷回弹变形为主，垂直变形指向下，但量值很小，约为水平变形的9﹪～20﹪，变形矢量总体呈近水平的俯角，而不是通常有限元计算得出的指向上的仰角。 ②随开挖的进行，坡体的变形随开挖面的远离表现出总体衰减，最终稳定的响应特征，典型的变形响应曲线有三个阶段：即开挖后2～4个月的“变形快速增长阶段”，对应开挖面至测点的高度约为70～120m；开挖后18～22个月内“变形缓慢增长阶段”，开挖面距测点的高度为220～300m；此后，变形处于“稳定”阶段，不再受开挖过程的影响。 ③边坡开挖过程中，当出现大规模水平退坡开挖或大面积“揭底”开挖时，水平开挖面将产生强烈的垂直卸荷回弹，其程度可使上部大范围内的边坡岩体被垂直“抬升”，导致位移矢量成“仰角”状态。 ④揭示了高边坡的变形可归纳为三种性质，即浅表松弛型、协调渐变形型和回弹错动型；总体上以浅表松弛型为主。 (4)系统分析和总结了小湾高边坡开挖的卸荷破裂模式，提出了卸荷破裂发育程度变化的基本规律，建立了卸荷分带标准；尤其是揭示了在高地应力条件下，河床坝基开挖过程中一类具有典型意义的卸荷模式，即“席片状”和“板裂状”回弹破裂的“压致-拉裂”模式，研究表明： ①总体上，除了河床坝基和右岸拱肩槽与进水口的过渡段外，高边坡卸荷破裂响应比较微弱，以局部的张性裂缝形成为主。宏观上，卸荷破裂的程度左岸大于右岸，山脊部位大于沟谷部位。在河床坝基，上游段大于下游段，低高程大于高高程。 拱肩槽上游边坡的最大卸荷范围约60m(顺马道倾向)，下游边坡的卸荷范围约为30m，但其强卸荷范围一般小于8m。 ②揭示了一类高应力环境下，河床坝基的开挖所诱发的极为典型的坚硬岩石坝基强烈卸荷破裂现象，即平行建基面的“席片状”和“板裂状”，在分析其发生特点的基础上，认为这类卸荷破裂的形成机理是在开挖条件下，建基面附近主应力产生分异，致使平行建基面的最大主应力和垂直建基面的最小主应力组合满足Griffith破裂条件，从而导致岩体的“压致-拉裂”。 ③根据高边坡卸荷破裂现象的表现结合现场的测试分析，本文建立了以下高边坡和河床坝基的卸荷带划分标准：对天然边坡，强卸荷带：单条卸荷裂隙张开宽度大于2cm，Vp＜2.5km/s弱卸荷带：张开宽度小于2cm，Vp=3.0～4.0km/s。对开挖边坡，强卸荷带：单条卸荷裂隙张开宽度＞5mm，Vp＜4.5km/s，卸荷深度一般小于8m；弱卸荷带：单条卸荷裂隙张开宽度＜5mm，Vp＞4.5km/s，该带的深度8～12m。 (5)运用数值模拟技术，较好地模拟再现和预测评价了高边坡开挖的变形破裂响应过程。数值模拟结果与实际边坡的变形破裂响应有较好的吻合性，从而对大型复杂岩石高边坡开挖的地质-力学响应形成了系统的认识。综合研究表明，开挖支护后的高边坡整体是稳定的。

目录

文摘

英文文摘

创新点摘要

第1章前言

第2章坝区工程地质条件

第3章开挖高边坡岩体结构特征研究

3.1典型断层型结构面(Ⅲ级结构面)特征[8,25]

3.2蚀变岩带的发育及特征[25]

3.3片岩带(Ⅳ级结构面)的发育特征

3.4长大裂隙发育特征(Ⅳ级结构面)

3.5 Ⅴ级结构面

3.6小结

第4章高边坡开挖的变形响应研究

4.1概述

4.2开挖边坡概况

4.3右岸边坡开挖变形响应分析

4.4左岸边坡开挖变形响应分析

4.5小结

第5章高边坡卸荷破裂现象及模式分析

5.1概述

5.2高边坡岩体的卸荷类型及卸荷带划分

5.3河床坝基卸荷现象及模式分析

5.4进水口边坡卸荷现象及模式分析

5.5拱肩槽边坡卸荷现象及模式分析

5.6小结

第6章高边坡变形破坏类型及其稳定性评价

6.1概述

6.2块体失稳模式[90-93]

6.3堆积体失稳模式

6.4倾倒变形破坏

6.5阶梯状破坏

6.6平面滑动破坏

6.7崩塌破坏

6.8小结

第7章高边坡开挖地质—力学响应的三维数值模拟研究

7.1概述

7.2模型的建立及参数选取

7.3数值模拟成果及总体应力—形变场的特征

7.3.1应力场分析

7.3.2形变场分析

7.3.3高位边坡应力—形变场分析

7.4进水口边坡应力—形变场分析

7.5拱肩槽边坡应力—形变场分析

7.6河床坝基应力—形变场分析

7.7小结

结论

致谢

参考文献

附录