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高地应力区复杂岩质边坡开挖稳定性研究

钟卫  
【摘要】: 水电工程的修建过程中,经常会碰到复杂岩质边坡开挖稳定性问题。本文以世界第一高拱坝-锦屏一级水电站为依托工程,从工程地质调查分析入手,提出了高地应力区复杂岩质边坡坡体结构的概念、类型划分及其相应的破坏模式;根据实测的“点”地应力成果,回归反演了坝区的“场”地应力,在此基础上研究了回归地应力施加到计算模型上的方法;分析了边坡开挖的地应力释放规律,利用定性和定量方法对开挖引起的二次应力分区进行了研究,据此分析了边坡稳定性分析中的地应力考虑;然后根据损伤力学理论和岩石经验强度准则,推导了新的岩石统计损伤本构模型,再利用其强度折减原理,提出边坡考虑回归地应力的数值模拟方法以及基于变形-应力场的三维点安全系数法来评价边坡的稳定性;对坡体内含多组贯通结构面的块体组合,运用块体理论编制了相应的计算程序;最后通过现场监测成果,进行了三维监测反馈分析。论文在理论研究的同时,注重应用和试验验证,将研究成果应用于实际工程,接受实际工程的检验。主要取得了如下研究成果: (1)高地应力地区复杂岩质边坡坡体结构的概念、类型及其相应失稳破坏模式的确定。对比岩体结构、边坡结构的概念,提出了高地应力地区坡体结构的概念。在总结变形破坏模式和失稳机理的基础上,将坡体结构分为6个大类,并对在坡体内常见的发育1-3组节理的节理控制式坡体结构进行了亚类划分,初步建立起基于坡体结构的高地应力区复杂岩质边坡稳定性分析方法; (2)考虑河谷下切及地表剥蚀的区域地应力场回归。分析了坡体地应力的一般影响因素及深切河谷地区的地表剥蚀及河谷下切的特殊影响因素,根据实测的点应力,利用多元线性回归,得到了工程中可以利用的场应力,总结了深切河谷地区地应力场的分布规律,建立了从回归场应力到计算模型应力的施加方法; (3)边坡开挖引起的二次应力调整分析及边坡稳定性分析中构造应力的考虑。通过分析边坡开挖引起的地应力释放特点,从定性和定量两个方面分析边坡开挖引起的二次应力分区,在此基础上分析了边坡开挖稳定性中构造应力的考虑; (4)边坡开挖稳定性分析中考虑回归地应力的数值模拟方法。根据第1和第2提出的方法建立计算模型及确定模型上的地应力,基于损伤力学及岩石破坏的经验强度准则,通过室内岩石物理力学特性试验,推导了新的岩石损伤本构模型及损伤演化方程,并以FLAC3D为开发平台,利用其内嵌的FISH语言,编制了数据接口程序,在数值计算中反映了岩石破坏的损伤演化过程,从而确定出边坡的潜在破裂面,在此基础上,提出基于单元变形-应力场的三维点安全系数法来评价边坡的开挖稳定性; (5)编制了基于块体理论的岩质边坡三维块体稳定性分析程序。对于坡体内含多组贯通结构面的块体组合,根据块体理论的基本知识,利用程序语言编制了三维块体稳定性分析程序,解决了多结构面组合形成的临界失稳块体,特别是半确定性块体及随机块体中临界失稳块体的确定问题; (6)边坡的三维监测反馈分析。根据已获得的地质资料和岩石物理力学试验结果,结合计算域实际情况分析,确定待反演参数的变化范围,利用正交试验设计数值模拟方案,采用FLAC3D计算每组模拟方案对应边坡监测点的位移值。根据边坡监测点的位移值与各种参数方案所对应的计算值之间的函数关系(接近程度),确定出与计算模型范围和边界条件相适应的最佳计算参数,最后根据参数反演结果进行了开挖变形的正分析,参数的反演结果可以为数值计算和块体稳定性分析提供相应的参考。


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