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开挖条件对反倾斜坡变形的影响及开挖变形规律研究

刘浩  
【摘要】:我国环青藏高原东麓坡度陡降带内地势高陡,峡谷交错,该地区涵盖了我国主要的水电能源部署,快速河流侵蚀、高地应力场、强烈构造活动背景条件下,催生了大量的斜坡地质灾害问题,严重危害着这些能源工程及临近区县安全,反倾斜坡倾倒问题便是其中一种。自然条件下反倾斜坡倾倒破坏是一个漫长的地质历史演化过程,人类工程开挖诱发下,这个演化过程大大缩短,使得原本暂趋稳定的坡体出现变形破坏。目前,专门针对反倾斜坡开挖影响的研究成果较少,而开挖对反倾斜坡的影响与对顺向坡、切向坡等其他结构坡体是存在差异的,故所得结论适用性非常有限。针对开挖反倾斜坡,本文搜集了多个与开挖有关的倾倒斜坡实例,采用数学统计分析方法,总结开挖条件下的反倾斜坡倾倒发育规律,提出倾倒优势条件;依据统计规律建模,设置数值试验探讨不同开挖因子对反倾斜坡变形响应的影响,并以灰色关联法为手段,分析了各开挖因子的敏感性;然后以典型开挖反倾斜坡案例为对象,对前文统计规律及数值试验所得结论进行举例及印证。本文针对开挖反倾斜坡,以工程地质分析、岩体力学为指导,结合统计学和数值模拟等技术手段,主要进行了如下研究:(1)统计了国内40个典型开挖反倾斜坡案例(先开挖后倾倒11处,先倾倒后开挖29处),分析了其区域分布特征以及斜坡地质特征,并提出如下反倾斜坡倾倒发育条件:(1)斜坡坡向与层面(或结构面)倾向相反,且两者夹角应≥120°;(2)斜坡坡角β≥30°,岩层倾角α≥40°;(3)85°≤α+β≤130°;(4)岩性:软硬相间(互层),上硬下软,软弱岩体,变质或节理化严重的硬岩;(5)坡体横向不连续,侧缘存在下切或临空。(2)分别设置中倾角组、陡倾角组数值试验,模拟先开挖后倾倒和先倾倒后开挖两类斜坡,自然工况(无开挖)下,中倾角组变形不明显,而陡倾角组变形达6.32m,发生了显著倾倒变形。分析了开挖部位ΔH、开挖高度h、开挖坡度ω、开挖速率v对反倾斜坡变形的影响,采用灰色关联法得出不同斜坡的开挖因子敏感性排序分别为(1)中倾角组:开挖高度(h)开挖坡度(ω)开挖部位(ΔH)开挖速率(v);(2)陡倾角组:开挖高度(h)开挖部位(ΔH)开挖坡度(ω)开挖速率(v)。(3)总结两组开挖数值试验得出如下规律:(1)变形范围均位于岩层法平面(Aydan基准面)以上坡体;(2)岩层倾角越陡越易倾倒,出现倾倒变形时,中倾角反向坡极易整体失稳,陡倾角反向坡能够出现较大变形(位移可达十米以上)但整体不失稳;(3)中倾角反向坡出现的倾倒变形深度一般应较陡倾角反向坡浅,但变形失稳更具突发性。(4)通过现场调查某水电站典型开挖反倾斜坡的变形裂缝发育特征、以及首次开挖、二次开挖后的变形监测数据,认为斜坡变形主要分布在3240m马道以上,并且上游侧变形明显大于下游侧。从变形破坏过程及破坏特征分析,认为该斜坡变形破坏机制为上部卸荷拉裂~中部倾倒折断~下部下坐垮塌型,方量约30~35万m~3。(5)基于某水电站典型开挖反倾斜坡概化模型,进行不同开挖工况下的斜坡变形响应的数值分析,首次开挖工况下,斜坡变形破坏;二次开挖工况及优化开挖方案条件下,斜坡变形不显著;优化开挖方案在保证稳定性的前提下,开挖量较二次开挖工况低。


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