高地应力区复杂结构河谷应力场特征——以锦屏Ⅰ级水电站为例

以锦屏Ⅰ级水电站为例,在实际地质调查基础上,分析整理实测地应力数据,以数值模拟为手段,对高地应力区复杂结构谷坡应力场特征进行了研究。结果表明:高地应力区具有复杂结构的河谷,遭受河谷快速下切改造后,其谷坡应力场存在"四区"分布特征,即应力降低区、应力过渡区、应力增高区及原始应力区;背景构造应力和河谷形态特征是导致谷底高地应力现象出现的2个重要因素;谷坡内的软弱带对应力场分布产生重大影响,尤其是倾坡外断层的存在,更易于谷坡应力卸荷,这是导致锦屏左岸深卸荷形成的重要原因,以及导致左岸卸荷基准面高程低于右岸的原因之一;河谷下切过程中,右岸顺倾岸坡发生应力调整的坡体范围比左岸的反倾岸坡大,因此其原始应力区在更深的深度内才出现。简单探讨了锦屏深裂缝的成因机制,认为河谷迅速下切导致的快速卸荷是锦屏深裂缝形成的原因之一。     

岩质高边坡卸荷带形成及其工程性状研究

首先针对边坡开挖或河谷下切的卸荷过程, 讨论了边坡应力场的分布, 提出了边坡二次应力的驼峰应力分布规律。在此基础上, 分析了伴随边坡二次应力场的形成, 岩质高边坡卸荷带的形成机理。进-步, 结合三峡船闸高边坡的开挖和监测实践, 讨论了卸荷带的工程地质意义及其力学性状表现。最后, 利用本文的基本观点, 对三峡船闸高边坡卸荷带进行了合理的数值模拟研究。     

金沙江某水电站上下坝址岩体卸荷差异研究

在河流下切、斜坡成坡过程中,斜坡应力场不断调整和适应坡体的变化,表浅部岩体在应力变化过程中往坡外发生卸荷,在同一地区岩体卸荷深度应当相差不大。而在西南某水电站相隔仅1.4km上下坝址勘察过程中发现,两坝址岩体卸荷深度却存在较大差异,上坝址岩体卸荷深度在20m以上,最大深度达到90m;下坝址岩体卸荷深度仅为5~20m。,通过现场调查及数值模拟成果表明,上下坝址岩层方位是两坝址岩体卸荷差异的决定性因素,上坝址为顺向坡,岩层走向与边坡走向平行,倾角较陡的岩层形成拉裂面,易于风化营力的侵入,岩体卸荷深度大;下坝址为横向坡,岩层走向与边坡走向近于垂直,岩体强度远大于岩层面的强度,且平行坡向的结构面数量少,岩体卸荷深度在20m以内。     

锦屏Ⅰ级水电站解放沟左岸边坡倾倒变形机制的3D数值模拟

为研究某一边坡的变形机制问题,采用3D-σ模拟了地质体演化机理,用FLAC-3D模拟与3D-σ的模拟结果相互验证;获得了河谷下切过程中边坡的变形特征,揭示左岸边坡的变形破裂形成机制。经分析得出如下主要结论:从地应力的角度分析河谷边坡变形的成因机制是切实可行的方法;坡体的卸荷促进弯曲倾倒变形的进行,并为它划定界限;作者提出的解放沟左岸边坡变形的成因机制是合理的;卸荷回弹也是促进倾内层状体边坡中深层弯曲倾倒变形进行的起始因素,并为变形划定界限;倾倒变形的破坏面是双折线型的。      

边坡开挖卸荷松弛区的力学性质研究

开挖卸荷松弛区对边坡稳定性分析与防护加固工程设计具有重要的作用和影响,重点体现在松弛区的分布特征及松弛岩土的强度衰减效应。基于典型边坡的开挖模拟,研究其最大主应力增量及塑性区力学特征与分布规律,结果表明:边坡开挖应力调整引起的最大主应力增量的负值区与坡面塑性区的分布形态与发展规律吻合;基于边坡开挖卸荷松弛的基本力学原理,以开挖边坡应力张量增量的最大主应力分量增减变化作为开挖卸荷松弛区的划分标准,提出了接近开挖坡面的应力衰减塑性松驰区、远离开挖坡面的原岩应力区及介于两者之间的应力集聚弹性挤压区的三场确定方法。     

延安市阳崖黄土边坡开挖破坏离心模拟试验研究

人工开挖是黄土地区滑坡形成的主要诱发因素之一,开挖导致斜坡一定范围内产生卸荷回弹和应力重分布,斜坡应力重新平衡的过程伴随着斜坡形变,甚至破坏。延安市宝塔区枣园镇阳崖滑坡为典型开挖诱发的黄土边坡,本文选取阳崖滑坡为地质原型,采用TLJ-500大型土工离心机对边坡坡脚开挖状态下变形破坏过程进行模拟试验,通过对模型控制点监测数据分析,研究边坡坡脚开挖前后坡体形变位移特征、坡体内部土压力响应特征以及边坡变形破坏机理。结果表明:坡脚开挖后临空面附近产生局部垮塌,其坡体位移、潜在滑移面以及拉张裂缝均由坡体前缘往后部渐进性变化发展。开挖后坡体内部产生明显的应力松弛,且越靠近开挖面卸荷效应越明显,开挖主要影响坡体的中前部分,对坡体后部影响较小甚至无影响,分析得知坡体变形破坏机理为典型的渐进后退式。     

高地应力地区河谷应力场特征

利用数值模拟以及地应力实测资料,研究了高地应力区河谷应力场的分布特征,发现对于无卸荷带的均质弹性边坡,从坡表到坡内可以划分为应力降低区（ ）、应力平稳区（ ）2个区;对于存在卸荷带的边坡,从坡表到坡内可以划分为3个区：应力降低区（ ）、应力升高区（ ）、应力平稳区（ ）。卸荷带的存在是最大主应力从坡表至坡内出现3个带的本质原因。高地应力区边坡由于构造应力场的存在,使得边坡应力集中的水平明显提高,集中的范围明显变大,边坡常常存在较宽卸荷带,因此,高地应力地区高陡边坡的应力场也可以大致划分为应力降低区、应力升高区、应力平稳区3个带。但一些高地应力地区边坡内部发育深部卸荷裂缝,其应力集中区向坡体内部转移,应力降低区内的应力出现波动变化,深部裂缝存在部位应力明显降低     

深切河谷岩体结构的表生改造

岩体结构的表生改造是指河谷下切过程中,由于应力释放,岸坡岩体将向临空面方向发生卸荷回弹变形,谷坡应力场产生新的调整,伴随这一过程岩体结构所产生的一系列新的变异或变化。岩体结构的表生改造一般具有两类形式,即原有构造或原生结构面的进一步改造,或新的表生破裂体系的形成。其结果是在河谷岸坡一定深度范围内,形成类似于地下硐室围岩“松动圈”的岸坡卸荷带,从而恶化岩体的工程性状,降低结构面强度,对工程具有明显的     

长河坝水电站河谷应力场特征三维数值模拟研究

根据水压致裂法及孔径变形法的应力实测成果,采用三维有限元分析方法模拟河谷形成的下切过程。结果表明,最大主应力在河谷谷底部位较为集中,其迹线在坡面附近发生明显偏转;断层造成地应力局部分区和局部地应力集中,但未改变应力场的整体分布规律。研究成果对认识深切河谷区斜坡应力场特征具有重要意义。     

白鹤滩水电站左岸边坡深部破裂成因探讨

在对白鹤滩水电站坝址区河谷地质条件、地应力分布及左岸边坡深部破裂发育特征详细分析的基础上,采用离散元数值软件UDEC以剥蚀法模拟河谷演化发育过程,分析白鹤滩水电站左岸边坡深部破裂的形成原因。模拟结果反映河谷应力场分布呈现出了典型深切河谷所具有的应力松弛、升高及原始三区以及谷底存在高地应力包的规律。同时对河谷边坡不同部位、不同阶段的应力变化规律进行了深入分析并结合现今河谷地质特征,认为该深部破裂是在河谷地层顺倾、区域高地应力、不对称V型河谷、下蚀迅速等特定条件下,在河谷演化过程中局部应力集中使岩体发生剪切屈服,并发育剪切破坏,河谷剥蚀卸荷后顺倾向错动带的出露使剪切破坏进一步发育成张性破坏的结果。     

基于开挖卸荷劣化的边坡岩体宏观力学参数USMR分析评价方法及验证

为研究锦屏某边坡岩体在开挖卸荷条件下的岩体宏观力学参数,对该区砂岩进行室内卸荷试验研究,结果表明：相对于加载试验,卸荷过程中岩样的强度及变形参数发生了劣化,低、高围压下岩石变形及破裂形式也有所不同。为此,在对SMR及CSMR修正的基础上,提出了考虑开挖方式、边坡形态及卸荷损伤的边坡卸荷岩体的评价体系USMR法。基于USMR法对研究区边坡开挖岩体宏观参数（变形模量Em、岩体抗压强度 、岩体抗拉强度 、岩体抗剪强度参数cm和 ）进行了动态分析,并分别考虑了不同围压 及卸荷损伤De条件下岩体参数的劣化规律。分析表明：开挖卸荷过程中岩体宏观参数发生了不同程度的劣化,拉应力区、低应力区和高应力区岩体参数的劣化规律有所不同,拉应力区及低应力区岩体力学参数对开挖卸荷更加敏感。研究结果对边坡开挖卸荷岩体的稳定性分析与评价具有一定指导意义。     

锦屏二级水电站引水隧洞爆破开挖损伤特性研究

爆破开挖导致的围岩损伤是围岩稳定性的重要影响因素。采用数值分析及现场检测的方法研究了锦屏二级引水隧洞岩体爆破开挖损伤特性。数值模拟结果表明,引水隧洞开挖引起的围岩应力重分布是围岩损伤的主要原因,爆炸荷载和应力重分布的耦合作用将增大引水隧洞围岩损伤区范围,增大的损伤深度可达1.5 m,考虑开挖荷载瞬态卸荷动态损伤效应的损伤区范围最大,较单独考虑围岩地应力准静态重分布所导致的损伤深度可增大1.9 m,平均损伤深度增大近1倍。现场检测成果较好地验证了数值模拟结果,表明爆破开挖可显著增大围岩的损伤范围。锦屏二级水电站引水隧洞开挖过程中,不可忽视爆炸荷载及开挖瞬态卸荷对围岩的损伤作用。     

金沙江特大桥左岸岸坡岩体结构面强度参数取值及工程稳定性评价

丽香铁路金沙江特大桥位于金沙江虎跳峡镇高地震烈度深切峡谷地段。香格里拉端岸坡地形陡峻,卸荷裂隙发育,岸坡岩体在地震及工程荷载作用下的稳定性直接控制了桥梁选址方案的可行性。在深入分析对岸坡工程地质条件的基础上,基于节理特征分析的Barton模型、岩体结构面强度实验,讨论了岩体结构面强度参数,并在此基础上采用底摩擦实验研究了岸坡在自然和工程荷载作用下的稳定性,进而采用离散单元法计算分析了岸坡岩体在自然、桥基荷载作用下、地震加桥基荷载作用工况条件下的破坏趋势。研究表明,岸坡整体稳定,但在地震和桥梁荷载作用下,岸坡卸荷裂隙进一步发育,对桥基影响较大,应加强卸荷带岩体的工程整治以确保桥基安全。     

基于结构面网络模拟的节理岩质边坡可靠性分析

在节理岩质边坡的稳定性分析中,往往很少考虑结构面的随机分布特征。结构面网络模拟能较好地模拟结构面的随机分布,因此,本文将结构面网络模拟应用于节理岩质边坡的稳定性分析中。首先,运用岩体结构面网络模拟技术,建立岩质边坡的结构面网络模型。然后,将模拟的结果与有限元强度折减法相结合求取边坡的安全系数。最后,对边坡进行一定次数的结构面网络模拟并得到对应的安全系数,进而进行节理岩质边坡的可靠性分析。工程实例结果表明:(1)节理岩质边坡的稳定性主要受坡面附近结构面的数量及切割组合关系影响,结构面的数量越多,连通情况越好,则边坡稳定性安全系数越小; (2)该边坡的平均稳定性安全系数为3.06,失效概率为5%,表明该边坡有较高的可靠性,这与实际情况比较一致。本文的分析方法主要考虑了结构面的随机分布特征,能为节理岩质边坡的稳定性分析提供一条新的思路和方法。     

The evolution of rock failure with discontinuities due to shear creep

A two-dimensional brittle creep model for rock provides insight into the initiation of shear fracture along weak discontinuities in rock. The model accounts for material heterogeneity and introduces the concept of a mesoscopic renormalization to capture the cooperative interaction between cracks in the transition from distributed to localized damage. A series of shear creep tests on rock with discontinuities were performed to simulate the initiation and propagation of crack along a pre-existing weakness under sustained shear stress and normal stress. The investigation showed that shear stress level and the normal stress level might have significant effect on the long-term behavior of rock with weak discontinuities. Moreover, a case study of rock slope instability was also investigated, where the numerically simulated instability failure of rock slope with discontinuities showed that both tensile and shear damage at the weakest elements are the trigger for the failure surface initiation in the rock slope. Once damage occurs, redistributed stress concentrations would then intensify fracture propagation and coalescence within these damage zones, leading to the progressive development of a failure surface. Moreover, failure surface extending is not only dominated by the properties and the position of discontinuities but also influenced remarkably by the complex interaction between existing discontinuities and fracture propagation. The results are of general interest because they can be applied to the investigation of time-dependent instability in rock masses, to the mitigation of associated rock hazards in rock engineering, and even to a better understanding of the physical phenomena governing the stability of rock slope.     

某大型水电站左岸高边坡开挖数值模拟及支护建议

应用3D-? 软件对西南某大型水电站左岸边坡开挖过程进行三维数值模拟,模拟结果表明：开挖坡面产生不同程度的张拉应力区域;缆机平台和拱肩槽槽坡底部产生一些竖直方向的回弹变形和水平向坡外的变形;5#梁山脊在拱肩槽开挖后将产生进一步的卸荷松弛,表层岩体稳定性将可能恶化,f42-9断层以上的大块岩体将是一个潜在的威胁;根据以上分析对开挖边坡制定了分层开挖、分层加固的方案,支护方案采用预应力锚索及排水系统的组合形式进行加固,支护后的稳定性计算表明,采用的支护措施是有效的,达到了工程设计的要求。     

软岩高边坡开挖卸荷变形研究

以大型岩土工程数值分析软件（ADINA）为研究手段,基于卸荷岩体力学理论与方法,对某公路开挖高边坡进行了开挖卸荷分析,综合考虑了初始工况、开挖工况、卸荷工况,加固工况,并与监测数据进行了对比分析,卸荷岩体力学理论考虑了边坡开挖面附近的强卸荷区域以及该区域岩体参数的劣化,计算结果与监测数据吻合较好,进而也验证了卸荷岩体力学理论在边坡开挖计算分析中的合理性。研究成果对边坡的后期运营提供了指导,对其他工程也有一定的借鉴作用。     

某反倾页岩边坡破坏面确定及其稳定性分析

破坏面确定是边坡稳定性分析的基础,存在各级滑动面。不同结构类型边坡,其确定方法也随之不同。对于反倾软岩边坡,不能通过不连续面空间展布分析确定其破坏面。联合FLAC3D和极限平衡方法分析具有节理块体切割破坏模式的某反倾页岩边坡稳定性。在野外调查基础上分析边坡的变形破坏机制,应用FLAC3D研究其应力、应变等值线及相应增量等值线图确定边坡潜在最危险滑动面和次级滑动面,计算其稳定性系数。在防护设计中考虑次级滑动面,针对边坡危险区域分析其防护效果。应用强度折减计算两危险区域稳定性系数,表明防护后边坡整体稳定性较好。该方法对反倾软岩边坡的稳定性分析有一定的借鉴价值,在防护设计中考虑次级滑动面的影响具有一定的实际指导意义。     

Dynamic stability analysis of rock slope considering the strength vibration degradation of through-type rock discontinuitiesEI北大核心

考虑结构面抗剪强度震动退化效应对分析与评价岩质边坡动力稳定性具有重要意义。基于岩石动力试验获取了多因素影响的结构面强度震动退化系数方程,结合极限平衡理论和动态矢量法原理,以UDEC程序作为计算引擎,采用其内置Fish语言编程实时刷新结构面强度特性参数和捕获任意地震历时时刻边坡地震惯性力,并以最小平均安全系数法求解边坡最终动力稳定性评价指标值,从而提出了一种考虑结构面强度震动退化的边坡动力稳定性系数动态算法。研究表明:结构面强度震动退化系数是取决于岩块间循环剪切次数、循环剪切幅度及相对运动速度响应值的动态变量;将该算法应用于含贯通型平直状结构面边坡动力稳定性算例中,其分析结果表明,动力作用时程内考虑结构面强度震动退化的边坡动力稳定性系数较未考虑该效应时的系数衰减更为明显,即前者计算结果更符合一般性自然规律,亦即验证了该算法的可行性;结构面最小强度震动退化系数随动力激励时程变化近似呈负指数函数形式逐渐衰减,且当结构面初始黏聚力(内摩擦角)越大、而坡角(层面倾角)或动荷载幅值(频率)越小时,地震历时过程中边坡最小动力稳定性系数越大,此时边坡最终动力稳定性相对越强。     

两种卸荷路径下泥岩流变特性试验研究

分析岩石流变特性对边坡长期变形稳定性具有十分重要的意义。以贵州省某高速公路为背景,在施工现场取样,设计了恒轴压卸围压与等比例卸围压和轴压两种应力路径下的分级卸荷流变试验。试验结果表明,两种应力路径下泥岩岩样卸荷流变趋势大体一致,破坏应力下岩样的侧向变形迅速增长并超过了轴向变形,侧向扩容较显著;对比恒轴压卸荷,等比例卸荷历时较长,岩样轴向变形虽出现了回弹,但轴向变形量和侧向变形量所占全变形的比例较大,约为恒轴压卸荷的2倍,说明等比例卸载围压和卸轴压应力路径下岩样破坏可预见性更小,但其破坏影响更大。等比例卸荷实验参照实际边坡开挖坡度选取比例设计实验,对实际边坡工程长期稳定性分析极具参考价值。