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西藏玉曲河扎拉水电站厂址边坡变形破坏机制及开挖变形响应研究

李文龙  
【摘要】:西藏玉曲河扎拉水电站厂址后边坡为反倾“上硬下软”型岩质高边坡,在长期的坡体演化过程中,边坡产生了较强烈的倾倒及卸荷变形现象。且由于边坡独特的二元坡体结构,使边坡呈现出复杂的变形破坏特征,稳定性问题突出。厂房的修建不可避免要涉及到边坡开挖的问题,边坡开挖后坡体的稳定性关乎水电工程建设与运营安全。本文在现场调查的基础上,通过物理模拟试验与数值模拟计算研究上硬下软边坡的变形破坏特征及开挖坡脚条件下边坡的的变形响应,具有较大的工程应用价值及理论研究意义,取得的主要研究成果如下:(1)扎拉水电站厂址后边坡在坡体结构上具有“上硬下软”的特征,上部硬岩为三叠系瓦浦组(T_3wp)中厚层夹薄层状结晶灰岩、大理岩,下部较软岩为三叠系瓦浦组(T_3wp)薄层状钙质板岩夹碳质板岩。正常板理均倾北北东,倾角70°~80°。边坡的总体变形特征为上部硬岩的卸荷拉张变形与下部较软岩的倾倒弯曲变形,按岩体卸荷强弱将上部硬岩分为极强卸荷带(0~21.5m)、强卸荷带(21.5~79.6m)、弱卸荷带(79.6~185m);根据岩体倾倒变形破裂程度将下部板岩分为A类极强倾倒变形(0~22m)、B类强倾倒变形(22~69m)及C类弱倾倒变形(69m~未见底)。(2)通过离散元软件模拟厂址边坡在河谷下切作用下的演化过程,将边坡的变形破坏机制过程划分为硬岩卸荷变形发展阶段、软岩倾倒初始变形阶段及卸荷-倾倒组合变形阶段;并得到其可能的变形破坏模式为下部软岩的倾倒弯曲变形与上部卸荷拉张带的组合破坏即倾倒弯曲-卸荷扩展-剪切滑移。(3)边坡开挖的物理试验结果表明:(1)良好的临空条件(开挖坡脚)是边坡倾倒变形再变形的必要条件,当下部倾倒变形发育至一定程度,即弯折带逐步贯通形成连续滑面时,倾倒岩体即发生滑移破坏,此时若上部卸荷岩体沿卸荷裂隙集中产生的剪切作用力突破分界处的锁固段,与下部倾倒岩体共同变形,便会产生倾倒-卸荷组合滑移破坏。(2)清除极强倾倒区岩体对于边坡的稳定性影响不大,但当开挖涉及到强倾倒区坡脚岩体时,下部板岩强倾倒区会较迅速产生较大变形并促使中上部硬岩的卸荷岩体发生剪切破坏。(4)如厂址边坡此类的上硬下软型边坡的变形破坏,首先是由下部软岩的倾倒变形岩体产生的,并逐渐向坡后延伸。同时坡体后缘张拉裂隙扩展或出现张拉裂隙并追踪原有结构面发育,若后缘裂隙与逐渐错动的倾倒弯折带连接形成贯通的滑面,边坡即发生失稳,产生倾倒-剪断-滑移型破坏。且边坡发生大变形往往是瞬时或在短时间内完成的,但其前期变形或能量的积累是一个较长的过程。在适应新的坡体状态后,会保持长期的暂态稳定,并积蓄能量,待下一次存在能量释放的突破口时,又发生迅速变形。(5)厂址边坡在板岩倾倒变形及硬岩卸荷变形的共同作用下,在岩性分界处会产生应力集中现象,形成类似于锁固段的区域。锁固段的强度对于边坡整体稳定性十分重要,因此对边坡加固时要重点关注锁固段强度问题;强倾倒区对开挖的变形响应最为剧烈,对强倾倒区岩体要加强支护。综合考虑,下部倾倒区锚固及中部锁固段固腰为较为有效的针对性支护措施。(6)采用有限差分数值模拟研究边坡开挖及加固后的应力及位移变化规律,结果表明:天然状态下,厂址边坡的变形破坏主要来自于上部卸荷带控制的卸荷岩体,下部软岩变形较小;边坡开挖坡脚尤其是第二级开挖后,下部板岩倾倒变形区岩体产生较大变形,其中强倾倒区岩体变形最为剧烈,需要重点关注;边坡在开挖条件下的失稳模式为:下部软岩倾倒再变形与上部卸荷带控制的卸荷岩体剪切变形组合形成剪切-滑移破坏;采用“开挖面锚固+固腰”的加固方案能够有效的阻止下部倾倒变形进一步发展及上部卸荷岩体的剪切变形,保证边坡在开挖坡脚后的稳定性。


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