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含软岩高边坡稳定性的系统工程地质研究

曹运江  
【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,φ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,φ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


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