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岩质斜坡表生改造中分区破裂化特征及形成机理的数值模拟研究

张维熙  
【摘要】:岩质斜坡表生改造过程中,斜坡内部常出现中缓倾角裂隙等结构面。峡谷地区,往往发现这些裂隙(带)呈现裂隙密集带与裂隙稀疏带间隔分布的特征,如同深部岩体工程中常提及的分区破裂化现象。本文以怒江松塔水电站为例,在对坝址区的岩体结构、特别是卸荷裂隙的大量数据统计的基础上,我们发现到,斜坡浅表部的中缓裂具有明显的此类规律:即空间分布的不均匀性。故对斜坡内中缓裂性状特征进行整理,统计分析裂隙的表生改造特征、分带性特征,并结合岩体裂隙的宏观变形破裂迹象、微观破裂方式,以分区破裂化现象的相关理论来揭示岩质斜坡浅表部中缓裂发育的分带性特征,并采用FLAC~(3D)软件对中缓裂的发育分布特征进行数值模拟论证,取得以下主要研究成果:(1)斜坡两岸从坡面到坡内100~180m范围内,发育有大量中缓倾角裂隙,总体上倾向河谷,在剖面上呈倒“八”字形,多闭合,局部微张,属于河谷下切浅表生改造的产物。而这个岸坡浅表部中缓裂发育的范围,被称为斜坡岩体的“表生改造带”。斜坡表生改造范围内,中缓裂表现出空间分布的不均匀性:(1)沿斜坡由表及里的分带性。平硐硐壁上,中缓裂呈“疏-密-疏-密”的分布特征;(2)不同高程及不同侧岸坡发育程度的不对等性。低高程“缓而密”、高高程“陡而疏”,且低高程处,裂隙延续性较低(“密而短”)。而在高高程,延续性相对偏高(“疏而长”)。并且右岸裂隙发育程度明显高于左岸。(2)针对中缓倾角裂隙发育的分带性,从密度、波速这两方面入手,可知两者有较好的对应关系。中缓裂密集带处,波速曲线相对于前后硐段明显波动。针对中缓裂变形破裂的力学性质,从宏观与微观这两方面入手,可知裂隙以剪切破裂、拉张破裂方式为主,往往以组合的形式呈现在中缓裂破裂面上。在中缓裂的空间组合模式中,参考怒江河谷间歇性下切历程及对应阶地的基座顶面高程等,在斜坡上均可勾画出6条近倒“八”字形的密集延展带,倾向河谷。针对中缓裂的分带性特征,即表生改造中分区破裂化的形成机理,解释其成因:间歇性河谷下切引起最大剪应力带的不连续调整,平稳阶段时易形成大规模的卸荷裂隙,快速下切时在岩体中并不能形成明显的宏观裂缝。(3)在定性分析的基础上,采用FLAC~(3D)中应变软化模型,选取勘探线3-3'进行河谷下切的数值模拟计算,其中下切方式依据研究区的阶地形态,进行间歇性下切以便更好地趋近怒江的发育历程。河谷下切速度变化时,重点研究峡谷时期剪应变增量(带)的变化特征。峡谷时期,剪应变增量带与应力场、位移场、剪切和拉张塑性区的位置保持一致,均发育在平稳阶段,可与河谷下切的快慢间歇性对应起来。剪应变增量带从一个密集带“跃迁”到另一个密集带,与中缓裂间断分带现象具有很好的一致性,从而验证了岩质斜坡表生改造中分区破裂化的形成机理。另外,对软化模型的特有参数(ε_1~P、η)进行敏感性分析:一定数值区间内,若是斜坡岩土体脆性越强(即塑性应变指标ε_1~P越低),抑或斜坡变形区域与周围岩体强度差异较大(即残余系数η较小),则剪应变增量(带)的量值越高、范围更广。通过本文研究,希望对以后斜坡的工程地质分析有所裨益。


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