含软岩高边坡稳定性的系统工程地质研究——以岷江紫坪铺水利枢纽工程为例

摘要

软岩(软弱结构面)对高边坡稳定性构成不同程度的威胁，直接制约着水工建筑物的安全运营。岷江紫坪铺水利枢纽工程修建于含软岩的地层环境中，工程开挖边坡高达300m±。本论文立足于施工期高边坡稳定性评价和支护措施优化，结合含软岩高边坡的特点，通过跟踪高边坡的施工开挖过程，在获取各类工程地质及变形破坏响应信息的基础上，采用工程地质分析和数值模拟相结合的手段，对施工期和水库蓄水过程中高边坡的稳定性进行了系统评价，尤其是在施工开挖期间，对高边坡的支护设计进行了动态优化分析，为确保施工期边坡的安全稳定和长期运行提供了科学依据。论文工作取得了如下研究成果： (1)针对含软岩高边坡的特点，以“地质过程机制分析-量化评价”的学术思想为核心，“系统工程地质研究”的方法论为指导，结合岷江紫坪铺工程条形山脊高边坡开挖，建立了一套含软岩高边坡稳定性评价与分析的方法，形成了较为完整的施工期高边坡稳定性动态研究、支护措施优化及运行期高边坡稳定性分析的技术路线。研究成果直接服务于工程实践，取得了较好的应用效果。这套技术路线和方法的建立，丰富了含软岩高边坡的研究内容，对类似地质条件下高边坡的稳定性评价具有一定的指导意义。 (2)通过测制精细地质剖面和扫描电镜微观分析，揭示了边坡软岩和软弱结构面的基本类型及组构特征。指出边坡软岩主要为在软质岩基础上，叠加构造破碎的“构造软岩”，表现为结构面(带)形式则可分为炭质页岩型、泥化夹层型和煤线型等3种类型。通过崩解试验，揭示了软岩泥化物含量与软岩崩解特性的关系，建立了崩解度与循环次数的关系，确定了5种崩解破坏形式。 (3)设计和开发了饱水条件下，软岩和软弱结构面剪切和压缩流变试验装置，系统开展了高边坡软岩和软弱结构面的时效变形特性研究，尤其是通过长达近1年的流变力学试验，应用Burgers流变方程，建立了各种类型软岩和软弱结构面的时效本构方程，获得了长期强度参数。研究结果表明，边坡中所发育的软弱岩组的天然抗压强度泥质粉砂岩13.5～48.4MPa、炭质页岩8.9～10.1MPa、泥页岩19.6～27.1MPa等，各向抗压强度异性指数在1.8～2.5；利用携剪试验，采用加权平均获取层间剪切错动(软)带的抗剪强度参数c值80～190kPa，平均120kPa，(ψ)值13.3～36.9°，均值22.94°；饱水状态下，软弱结构面长期强度参数c值在57～160kPa之间，(ψ)值在12～18°之间，比饱水快剪强度参数折减约60﹪。建立了软弱结构面的剪切流变本构方程和软岩压缩蠕变本构方程，为水库运行期提供软岩和软弱结构面的长期强度： 剪切流变γ(τ,t)=1/136.0-149.1τ+τ·t/(1.86-1.93τ)×107+τ/159.3-158.0τ{1-exp[-(159.3-158.0τ)t/(5.78-6.19τ)×106]}压缩蠕变ε(t)=0.0044+1.96×10-9t+0.0023(1-e-1.36×10-5t) (4)建立了条形山脊高边坡6类地质结构模型、4类结构面等级，结合高边坡施工过程中所表现的变形破坏现象和变形监测资料，将边坡的变形破坏机理归纳为7大类12个亚类。在此基础上，对溢洪道下段边坡稳定性进行了地质-工程分区(共划分为5个区)，进而提出了边坡支护措施优化方案，认为其中D区为厚层状砂岩体发育的横向岩石高边坡，稳定性条件好，直接减少D区锚索近千根。 (5)在工程地质原型调研、试验测试及变形破坏“概念模型”的基础上，通过建立开挖边坡的地质-力学模型和施工过程模型，对条形山脊两侧高边坡开挖过程进行了全过程的数值模拟，揭示了开挖过程中边坡变形破坏的地质-力学行为，从而对各部位高边坡及条形山脊的整体稳定性进行了系统评价。这一过程中，通过模拟诸如引水发电洞进水口开挖高边坡EL.885平台的塑性变形区和受控于下伏L11软岩基座的倾倒蠕滑变形等不同开挖阶段成果反馈，及时为高边坡的开挖施工及支护提供了大量信息和合理的支护措施建议。 (6)建立了水库蓄水过程中，条形山脊地下水的渗流模型及水岩作用模式。以上述开挖边坡地质-力学模型(GMD模型)为基础，进一步考虑蓄水渗流场的变化，对不同蓄水位高边坡的稳定性进行了数值模拟研究，揭示了蓄水过程中，条形山脊高边坡形变-应力场特征及稳定性状况。三维仿真模拟不同蓄水位结果认为，进水口一侧边坡在库水位上升过程中，岩体的变形范围将随水位的增高逐渐扩大，量级呈递增趋势。 (7)开发了利用3D激光扫描技术进行条形山脊高边坡整体微小变形评价的方法。采用这一方法，配合监测资料与数值模拟手段，对施工完成两年后高边坡的整体变形和稳定性进行了检验性评价，研究结果表明，高边坡开挖竣工两年后，变形被有效的控制在了工程允许的范围内。

目录

文摘

英文文摘

创新性成果摘要

第1章前言

第2章高边坡工程地质环境条件概况

第3章工程高边坡地质结构模型研究

3.1边坡软弱岩体工程地质研究

3.2高边坡岩体结构特征研究

3.3工程边坡地质结构类型及其基本特征

3.4小结

第4章边坡软岩及软弱结构面特性的试验研究

4.1概述

4.2边坡岩体一般物理力学指标

4.3软岩单轴抗压变形强度特性

4.4软岩的水理性质

4.5压缩流变试验研究

4.6软弱结构面的剪切力学特性试验研究

4.7小结

第5章工程高边坡变形破坏模式研究及稳定性地质-工程分区评价

5.1概述

5.2开挖高边坡主要失稳破坏模式

5.3重点工程部位开挖边坡失稳破坏模式分析

5.4稳定性地质-工程分区评价

5.5小结

第6章施工期高边坡稳定性的三维数值模拟分析

6.1概述

6.2面向开挖对象的概念模型

6.3天然状况下条形山脊变形的数值模拟分析

6.4条形山脊边坡开挖的数值模拟及重点边坡稳定性评价

6.4.1条形山脊开挖高边坡计算模型

6.4.2引水发电洞进水口开挖边坡数值模拟分析

6.4.3泄洪洞进水口开挖边坡数值模拟分析

6.4.4溢洪道开挖边坡数值模拟分析

6.5条形山脊两侧边坡开挖施工期稳定性评价

6.6小结

第7章水库运行期高边坡稳定性预测评价

7.1概述

7.2条形山脊地下水位分布特征

7.3蓄水条件下边坡变形及其稳定性预测

7.4不同工况下泄洪洞进水口边坡二维稳定性评价

7.5蓄水阶段进水口边坡稳定性预测评价

7.6条形山脊开挖边坡支护效果检验及其稳定性评价

7.7小结

结论与建议

致谢

参考文献

附录