大型巖石高邊坡開挖的地質(zhì)-力學(xué)響應(yīng)及其評價預(yù)測——以小灣水電站工程高邊坡為例.pdf

1、數(shù)百米級巖石高邊坡的開挖及其穩(wěn)定性問題是目前我國大型水電工程建設(shè)中所遇到的重大工程技術(shù)問題。本文針對小灣水電站高達(dá)近700m的人工高邊坡，通過大量現(xiàn)場跟蹤施工的地質(zhì)調(diào)查工作，結(jié)合系統(tǒng)的變形監(jiān)測和三維有限元數(shù)值模擬分析，較為系統(tǒng)的揭示了大型人工高邊坡開挖施工過程中，邊坡所發(fā)生的以變形和卸荷破裂為代表的一系列地質(zhì)-力學(xué)響應(yīng)過程，進(jìn)而探討了此類邊坡的變形穩(wěn)定性問題。論文取得了以下主要研究成果： (1)首次針對高達(dá)數(shù)百米的復(fù)雜人工高邊坡

2、，系統(tǒng)揭示了邊坡在開挖過程中所表現(xiàn)的變形和破裂行為，建立了一套對大型復(fù)雜巖石高邊坡開挖過程地質(zhì)-力學(xué)響應(yīng)的系統(tǒng)認(rèn)識，尤其是揭露和認(rèn)識了開挖過程中若干有別于傳統(tǒng)認(rèn)識的新現(xiàn)象和新規(guī)律；形成了較為完整的分析和評價方法；積累和豐富了大型復(fù)雜巖石高邊坡開挖工程的認(rèn)識與經(jīng)驗(yàn)，為今后類似工程的建設(shè)提供了理論指導(dǎo)與工程借鑒。 (2)緊密跟蹤施工開挖過程，對揭露的各種結(jié)構(gòu)面進(jìn)行詳細(xì)的地質(zhì)編錄和描述。在現(xiàn)場編錄的基礎(chǔ)上，進(jìn)行系統(tǒng)的資料分析與整理，形

3、成了對開挖邊坡巖體結(jié)構(gòu)特征較為系統(tǒng)和深入的認(rèn)識。 (3)系統(tǒng)研究了復(fù)雜地質(zhì)條件和高地應(yīng)力環(huán)境下，巖石高邊坡大坡比、強(qiáng)開挖所表現(xiàn)的變形響應(yīng)，揭示了此類邊坡變形響應(yīng)的基本規(guī)律及特殊的表現(xiàn)，研究表明： ①高邊坡開挖過程中，邊坡的變形與開挖過程有較強(qiáng)的同步性；變形主要受開挖卸荷影響，以側(cè)向水平卸荷回彈變形為主，垂直變形指向下，但量值很小，約為水平變形的9﹪～20﹪，變形矢量總體呈近水平的俯角，而不是通常有限元計(jì)算得出的指向上的仰

4、角。 ②隨開挖的進(jìn)行，坡體的變形隨開挖面的遠(yuǎn)離表現(xiàn)出總體衰減，最終穩(wěn)定的響應(yīng)特征，典型的變形響應(yīng)曲線有三個階段：即開挖后2～4個月的“變形快速增長階段”，對應(yīng)開挖面至測點(diǎn)的高度約為70～120m；開挖后18～22個月內(nèi)“變形緩慢增長階段”，開挖面距測點(diǎn)的高度為220～300m；此后，變形處于“穩(wěn)定”階段，不再受開挖過程的影響。 ③邊坡開挖過程中，當(dāng)出現(xiàn)大規(guī)模水平退坡開挖或大面積“揭底”開挖時，水平開挖面將產(chǎn)生強(qiáng)烈的垂直卸

5、荷回彈，其程度可使上部大范圍內(nèi)的邊坡巖體被垂直“抬升”，導(dǎo)致位移矢量成“仰角”狀態(tài)。 ④揭示了高邊坡的變形可歸納為三種性質(zhì)，即淺表松弛型、協(xié)調(diào)漸變形型和回彈錯動型；總體上以淺表松弛型為主。 (4)系統(tǒng)分析和總結(jié)了小灣高邊坡開挖的卸荷破裂模式，提出了卸荷破裂發(fā)育程度變化的基本規(guī)律，建立了卸荷分帶標(biāo)準(zhǔn)；尤其是揭示了在高地應(yīng)力條件下，河床壩基開挖過程中一類具有典型意義的卸荷模式，即“席片狀”和“板裂狀”回彈破裂的“壓致-拉裂”

6、模式，研究表明： ①總體上，除了河床壩基和右岸拱肩槽與進(jìn)水口的過渡段外，高邊坡卸荷破裂響應(yīng)比較微弱，以局部的張性裂縫形成為主。宏觀上，卸荷破裂的程度左岸大于右岸，山脊部位大于溝谷部位。在河床壩基，上游段大于下游段，低高程大于高高程。 拱肩槽上游邊坡的最大卸荷范圍約60m(順馬道傾向)，下游邊坡的卸荷范圍約為30m，但其強(qiáng)卸荷范圍一般小于8m。 ②揭示了一類高應(yīng)力環(huán)境下，河床壩基的開挖所誘發(fā)的極為典型的堅(jiān)硬巖石壩基

7、強(qiáng)烈卸荷破裂現(xiàn)象，即平行建基面的“席片狀”和“板裂狀”，在分析其發(fā)生特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，認(rèn)為這類卸荷破裂的形成機(jī)理是在開挖條件下，建基面附近主應(yīng)力產(chǎn)生分異，致使平行建基面的最大主應(yīng)力和垂直建基面的最小主應(yīng)力組合滿足Griffith破裂條件，從而導(dǎo)致巖體的“壓致-拉裂”。 ③根據(jù)高邊坡卸荷破裂現(xiàn)象的表現(xiàn)結(jié)合現(xiàn)場的測試分析，本文建立了以下高邊坡和河床壩基的卸荷帶劃分標(biāo)準(zhǔn)：對天然邊坡，強(qiáng)卸荷帶：單條卸荷裂隙張開寬度大于2cm，Vp＜2.5k

8、m/s弱卸荷帶：張開寬度小于2cm，Vp=3.0～4.0km/s。對開挖邊坡，強(qiáng)卸荷帶：單條卸荷裂隙張開寬度＞5mm，Vp＜4.5km/s，卸荷深度一般小于8m；弱卸荷帶：單條卸荷裂隙張開寬度＜5mm，Vp＞4.5km/s，該帶的深度8～12m。 (5)運(yùn)用數(shù)值模擬技術(shù)，較好地模擬再現(xiàn)和預(yù)測評價了高邊坡開挖的變形破裂響應(yīng)過程。數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)際邊坡的變形破裂響應(yīng)有較好的吻合性，從而對大型復(fù)雜巖石高邊坡開挖的地質(zhì)-力學(xué)響應(yīng)形成了系