采矿引起的边坡倾倒滑移变形机理与变形安全性分析研究—以抚顺西露天矿边坡为例

在矿山开发、水电建设过程中倾倒变形问题日渐突出。倾倒变形边坡一般具有反倾边坡结构,变形的过程和机理比较复杂、涉及的变形岩体范围较大、危害严重。论文以抚顺西露天矿边坡为例,通过岩体位移监测资料的跟踪分析、底面摩擦模拟试验,以岩体力学、松散介质力学原理为理论基础,探讨了采矿影响下边坡倾倒滑移体的变形机理,分析认为采矿引起的倾倒滑移变形问题是在特定的地质构造和采矿工程条件下产生的,并提出了岩体变形安全性分析方法。通过工程实例,验证了方法的实用性,并针对实际问题提出了变形整治对策。     

桥基岸坡变形破坏机制物理模拟研究

结合某大桥桥基岸坡地质条件,采用相似原理为基础的底摩擦试验方法,定性模拟分析了在天然状态和加载条件下岸坡岩体的变形破坏过程和模式。试验结果表明：在天然状态下,左右岸岸坡岩体处于稳定状态;在加载条件下,左岸岸坡岩体稳定,右岸发育的错落体失稳,而导致整个岸坡不稳定,建议对其进行预加固或改变桥墩位置     

基于总位移指标的反倾岩质边坡倾倒变形影响因子敏感性分析

为分析反倾边坡倾倒变形影响因子敏感性差异,本文采用数值模拟与灰色关联相结合的方法进行研究。首先将边坡几何特征参数、岩体物理力学参数、岩层力学参数定为反倾边坡第一级倾倒变形影响因子,并从各一级因子中进一步划分出边坡坡度、岩层倾角、岩层柔度等12个次级影响因子;然后对各二级影响因子分别选取11个水平数,并将12个二级影响因子、11级水平数随机组合成11套数值模拟方案,采用UDEC进行各方案数值模拟分析;最后采用灰色关联理论以坡顶倾倒变形水平位移为参考序列对12个二级影响因子进行关联度计算,并进一步分析出了3个一级影响因子敏感性大小。研究结果表明：（1）12个二级影响因子对倾倒变形影响最大的是岩层倾角;（2）三个一级影响因子中几何特征参数对倾倒变形影响最大,岩层层理力学参数对反倾边坡变形影响次之,岩块物理力学参数对反倾边坡变形影响最小。     

澜沧江上游某水电站坝肩岩体倾倒变形的成因控制条件研究

该变形体是一个较独特的倾倒变形问题,它与澜沧江上游河谷其他地段倾倒变形问题的形成控制因素有着较大的不同。通过深入研究该倾倒变形岩体的分布情况、基本形式及变形特征、发展过程及力学机制等方面,本文从地形临空条件、岩体结构、特殊的侧向切割结构面等3个方面阐述了该倾倒变形体特殊的控制条件,并进一步分析了该倾倒变形体的形成发展演化全过程。     

地下洞室变形破坏物理模拟的力学相似畸变映射原理与实例分析

相似物理模拟是研究地下工程变形破坏问题的重要手段,然而经典相似理论关于相似模型与工程原型之间的几何相似比和材料力学参数相似比的相互约束,导致室内物理相似模型尺寸和材料力学参数一直面临难以完全满足相似准则的困局,从而产生力学畸变和模拟试验结果解译困难。为此,提出了地下洞室变形破坏物理模拟的力学相似畸变映射处理方法,引进畸变系数和映射系数,通过耦合解析法或数值法来映射畸变效应,实现地下洞室物理模拟结果对原型力学行为的定量解译;以圆形隧洞为工程原型,采用水泥基3D打印隧洞物理模型进行相似物理超载试验,基于提出的耦合力学相似畸变法与解析法对物理模拟结果进行了定量分析和对比验证;以某水电站地下洞室群为研究原型,通过砂岩3D打印洞室群物理模型的超载试验获得洞室破坏的变形值,采用耦合力学相似畸变法与数值方法对物理模拟结果进行定量分析。实例分析结果表明,在物理相似模拟中几何相似比和力学相似比不满足经典相似准则条件下,该方法可实现圆形隧洞或复杂洞室群原型的相似物理模拟结果的定量映射分析,对非恒定相似比的地下洞室物理模拟畸变分析具有普适性。     

倾倒变形岩体发育强度与极限深度的确定方法

以澜沧江某水电站右坝肩倾倒变形岩体为例,根据倾倒变形岩体的宏观地质特征及其地质环境背景条件,系统分析了影响倾倒变形岩体发育的地质因素。运用离散元数值分析方法,模拟了不同影响因素对岩体变形强度的影响程度,并与实际边坡开挖揭露的岩体变形特征进行对比分析,得到了发生岩体变形的控制因素、变形发展过程的时间效应与空间分布特征。研究结果表明,导致岩体发生倾倒变形的外部因素是重力、地应力、卸荷方向与卸荷强度,提出了倾倒变形极限深度的概念。通过地质成因分析、离散元数值分析和理论公式推导,建立了由地表变形弯折强度确定变形随深度变化的计算模型,为开挖边坡的稳定性评价及系统锚索深度设计提供了重要的依据。     

澜沧江某水电站右坝肩岩体倾倒变形的数值模拟

对该水电站坝址区陡立反倾板状结构岩体而言,纵向河谷的地形特征,使坝址两岸边坡大范围发育倾倒变形。针对该水电站倾倒变形问题,在掌握坝址区工程地质条件背景的基础上,通过对岩体倾倒变形基本特征及破裂程度分级等分析,建立边坡离散元的工程开挖和破坏机理的数值计算模型,得出了工程开挖边坡岩体倾倒变形特征和变形破坏机理发展过程为:初期弱倾倒变形岩体的层内剪切错动、强倾倒变形岩体的层内拉张变形、强倾倒变形岩体的切层张-剪破裂及极强倾倒破裂岩体的折断张裂(坠覆)破裂。研究结果为倾滑体的稳定性评价及工程开挖施工提供一定科学依据。     

大型地下洞室群地震模拟振动台试验研究(Ⅰ):岩体相似材料配比试验

结合大型地下洞室群地震模拟振动台模型试验研究,根据相似原理,利用正交试验和二次细化试验相结合的试验方法,对岩体相似材料进行配比试验。选用铁精粉、重晶石粉和石英砂作为骨料,石膏为胶凝材料,甘油为调节剂。正交试验以相似材料的密度、抗压强度和变形模量为控制指标,通过极差分析得到各影响因素的重要程度,并在此基础上进行二次细化试验,二次细化试验增加测试相似材料的抗拉强度。这种组合试验方法可通过较少的试验次数得到符合相似指标要求的材料配比,大大提高了配比试验的效率。试验得出的相似材料配比与物理力学指标的变化规律及运用组合试验高效确定具体配比的方法,对类似工程动静力模型试验相似材料模拟具有一定的参考意义。     

基于正交设计的岩石相似材料配比研究及底摩擦物理模型试验应用

在铁精砂胶材料基础上,加入黏土作为增塑剂,应用正交设计法,以黏土/(骨料+黏土)、(铁粉+重晶石粉)/骨料、铁粉/(铁粉+重晶石粉)及石膏/混合料为4个因素,每个因素设置5个水平,共25组材料配比方案,开展相关试验测定了各组材料的密度、抗压强度、抗拉强度、弹性模量、泊松比、内摩擦角及黏聚力等参数指标,并研究了参数与影响因素之间的变化规律。基于上述分析,配制了两种不同岩石相似材料,并开展了相关底摩擦模型试验。研究结果表明:(1)根据配比方案所配制的相似材料物理力学参数分布范围广,可满足不同岩性相似材料的配制需求;(2)各个因素对相似材料物理力学参数影响效果规律性强,便于通过调节配比模拟不同岩石材料;(3)应用配比方案对两种岩性差异较大的岩石相似材料进行配制,其物理力学参数与原岩具有较高的吻合度;(4)基于所配相似材料开展的反倾边坡底摩擦模型试验具有很好的试验效果。     

巴东县杨家坪煤炭采空区岩体力学性质试验研究

对杨家坪煤炭采空区主要岩层进行了较系统的试验研究,包括岩体结构的野外调查、岩块与结构面室内试验及岩体力学参数经验估算,岩体结构面网络模拟等。对各种试验数据进行了分析整理,得到了岩块、结构面的物理力学性质参数。并用岩体工程分类及Hoek-Brown经验方法对各类岩体的力学参数进行了估算。在分析对比基础上,考虑了岩体所处地质条件,给出了各种岩体的计算参数建议值。有限元计算结果表明,建议参数值能较好地反映采空区岩体的力学性质。     

苗尾水电站赵子坪岸坡变形失稳的地下水动力作用分析

库水位变动是诱发库岸边坡变形失稳的主要因素。为探究库水位变动下倾倒变形岩体破坏后形成的堆积体斜坡的地下水动力作用,以云南澜沧江的苗尾水电站赵子坪滑坡为研究对象,通过现场地质调查和勘探确定了滑坡形态和坡体结构特征;再结合监测数据深入分析了滑坡在地下水动力作用下的变形失稳机制,并基于非饱和土力学理论和有限元法对其失稳机制进行进一步验证。结果显示:赵子坪岸坡为原始倾倒岩体变形破坏后上部强倾倒岩体沿着折断面发生滑动而形成的堆积体斜坡,内部呈层状堆积的片石表明其还保留了部分倾倒岩体的结构特征。水库蓄水后,由于松散的倾倒堆积体为库水渗入坡体创造了良好的条件,地下水位随库水位升高而快速升高,导致孔隙水压力增大而滑坡阻滑段有效应力减小,从而造成稳定性降低,滑坡易沿着由倾倒折断面演化而成的基覆界面发生滑动破坏。     

Investigation of rainfall-induced failure processes and characteristics of cataclinal and anaclinal slopes using physical models

In this study, two types of small-scale physical modeling tests have considered the impact of the infiltration of rainfall and groundwater level in order to investigate the processes involved in rock slope deformation and failure. The study conducted the physical tests under controlled conditions of groundwater level with rock block shape for two rock slope types (cataclinal and anaclinal slopes). Observations obtained during each stage of deformation and failure were used to explain how gravity deformation varies with groundwater conditions on cataclinal and anaclinal slopes, and infer how rainfall and groundwater influence slope failure. Our results indicate that groundwater level is a crucial factor in the deformation failure of slopes. The failure mechanisms of cataclinal slopes differ considerably from those of anaclinal slopes. The infiltration of surface water and groundwater can have a significant influence on rock layer deformation and the speed of failure. Different shapes of rock block have two toppling types of rock slope, the spherical rock model relatively close to flexural toppling type and the triangular rock model relatively similar to block flexural toppling type, respectively. Details of the failure characteristics of cataclinal and anaclinal slope models are discussed in this paper.     

上硬下软反倾边坡开挖变形响应的物理模拟

现有上硬下软边坡的研究大都集中在压缩挤出变形的近水平泥岩、页岩基座型边坡变形演化过程,针对倾倒变形的板岩基座型边坡开挖响应研究甚少,本文以西藏玉曲河某水电站厂址边坡为研究对象,根据现场地质调查建立符合坡体实际情况的地质结构模型,采用物理试验的方法模拟原型边坡开挖。通过试验揭示上硬下软反倾边坡在开挖条件下的变形响应特征及破坏模式。研究结果表明:（1）开挖条件下上硬下软型边坡变形破坏过程分为a）下部软岩倾倒弯曲加剧;b）软岩倾倒折断,上部卸荷硬岩沿已有裂隙剪切;c）倾倒软岩滑移,卸荷硬岩剪断岩性分界部位,折断面贯通3个阶段。其变形破坏模式为下部软岩倾倒—上部硬岩剪断组合滑移型破坏;（2）开挖强倾倒区岩体会使下部软岩迅速失稳并促使上部硬岩剪切破坏;开挖引起的反倾上硬下软边坡大变形在短时间内完成,前期变形和能量积累是一个较长的过程;（3）开挖时需避免对坡脚倾倒岩体“大开挖”施工。     

陡倾煤层开采条件下上覆山体变形破坏物理模型试验研究

大型岩质滑坡是中国西南岩溶矿区的主要地质灾害类型,其破坏和成灾过程具有复合性。以我国重庆武隆鸡冠岭滑坡为例,通过离心物理模型试验研究了地下开采条件下陡倾灰岩斜坡的变形失稳机制。试验时随着煤层模型板被拔出,上覆岩层在拟重力作用下开始出现位移与层间错动,当煤层模型被拔出150 mm时,模型山体发生显著破坏。试验结果表明:陡倾灰岩斜坡在长期重力作用下,会出现弯曲倾倒的变形,随着地下煤层逐渐采空,上覆陡倾层状岩体失去支撑,岩层层面分离并产生拉张裂缝,岩体变形加剧发生倾倒破坏,并对煤层下部的稳定岩体形成挤压,下伏稳定岩体发生剪切破坏,最终导致鸡冠岭以倾倒-滑移的复合模式整体失稳。这一研究对中国西南山区大型岩质滑坡的早期识别与失稳机制分析具有指导意义。      

Deep-seated toppling deformations of rock slopes in western China

Toppling is the foremost failure pattern of anaclinal rock slopes, and deep-seated toppling deformations (DSTDs) are common on high anaclinal slopes on the sides of gorges in western China. The DSTDs can develop to depths of more than 200 m, and may show distinct signs of zonal failure. Many DSTDs undergo transformation to large landslides involving rock volumes of more than 10⁶ m³. However, the conditions for the formation and the basic evolving processes of DSTDs remain unclear. This study seeks to develop an inventory to classify the distribution, and the conditioning factors which govern the formation and deformation modes of DSTDs in western China and to analyze the effect of the geological and geomorphological variables on the toppling intensities. To this end, forty-nine DSTDs were analyzed. The results indicate that DSTDs in western China are commonly distributed along large deeply incised rivers in the southeastern margin of the Qinghai-Tibet plateau. The steep-dip anaclinal metamorphic soft or soft-hard-interbedded strata with near parallel strikes in the river channel, V-shaped deeply incised river channels, and convex slopes are favorable conditions for the formation of DSTDs in these settings. The dip angle, the gradient, and the height of most slopes which develop DSTDs are 60–90°, 30–50°, and 200–800 m, respectively. There is a highly positive relationship between the depth of toppling and the height of the slope. The toppled rock masses can be classed as extremely intense, intense, moderate, and weak toppling zones characterized by complete block detachment, tensile-shear fracture, tensile fracture, and reverse slip along foliations, respectively. Each zone corresponds to a specific range of the dip angle of the toppled strata, the aperture of the tensile cracks, the P-wave velocity, the state of rock weathering, and the degree of unloading. The extremely intense and the intense toppling zones tend to evolve into sliding failures. Overall, 94% of the DSTDs were derived from flexural toppling and 33% have developed into large landslides.

     

Stability Analysis and the Stabilisation of Flexural Toppling Failure

Flexural toppling is a mode of failure that may occur in a wide range of layered rock strata in both rock slopes and large underground excavations. Whenever rock mass is composed of a set of parallel discontinuities dipping steeply against the excavated face plane, the rock mass will have the potential of flexural toppling failure as well. In such cases, the rock mass behaves like inclined superimposed cantilever beams that bend under their own weight while transferring the load to the underlying strata. If the bending stress exceeds the rock column’s tensile strength, flexural toppling failure will be initiated. Since the rock columns are “statically indeterminate,” thus, their factors of safety may not be determined solely by equations of equilibrium. The paper describes an analytical model with a sequence of inclined superimposed cantilever rock columns with a potential of flexural topping failure. The model is based on the principle of compatibility equations and leads to a new method by which the magnitudes and points of application of intercolumn forces are determined. On the basis of the proposed model, a safety factor for each rock column can be computed independently. Hence, every rock column will have a unique factor of safety. The least factor of safety that exists in any rock column is selected as the rock mass representative safety factor based on which simple equations are proposed for a conservative rock mass stability analysis and design. As a result, some new relations are established in order to design the length, cross-sectional area and pattern of fully grouted rock bolts for the stabilisation of such rock mass. Finally, the newly proposed equations are compared with the results of existing experimental flexural toppling failure models (base friction and centrifuge tests) for further verification.     

岩体倾覆的多块体分析

倾覆是岩体失稳破坏的主要方式之一。岩体的倾覆可能呈单块体状,即岩体在其失稳的过程中仍保持其整体性;也可能呈多块体状,即岩体在其失稳的过程中分裂成多个块体,各块体之间产生差异运动,岩体发生解体。对倾角陡立的层状结构岩体及其有条块状结构的岩体,这种多块体倾覆较为常见。     

基于黏聚力裂缝模型的反倾层状岩质边坡倾倒破坏模拟

反倾层状岩质边坡的倾倒破坏是一种常见的地质灾害。为探究开挖条件下反倾层状岩质边坡的倾倒破坏机制以及层间剪切强度、岩层厚度因素对破坏特征的影响,利用ABAQUS有限元软件,建立黏聚力裂缝模型（Cohesive Crack Model,CCM）,基于连续-离散方法,经参数标定和对比,建立反倾层状岩质边坡CCM,采用开挖并增重的方式诱发边坡倾倒破坏。数值模拟结果与古水水电站坝前倾倒变形体离心模型试验结果基本一致,验证了CCM的正确性。进一步,基于以上参数及模型,研究了反倾层状岩质边坡的破坏演化过程和应力分布特征,并探讨层间剪切强度对边坡倾倒破坏特征的影响。结果表明:坡体前缘首先发生局部折断,后缘出现明显拉裂缝,反倾岩层由下往上依次折断直至倾倒体中部（一级破裂面）。随后,坡体前缘的表层岩层被挤出,形成二级破裂面,最后一级破裂面扩展至坡体后缘,形成连通宏观的破裂面。最后,二级破裂面扩展至坡体中部,边坡完全倾倒破坏;破裂面基本沿层间法向应力峰值位置连线发育;层间剪切强度对边坡倾倒破坏特征具有显著的影响,随着层间剪切强度的增大,岩层初始折断位置逐渐降低,垮塌范围逐渐减小,破裂面倾角增大;坡体层厚越大,一级破裂面分布越深,垮塌区范围越大,坡体滑动的整体性越强。研究成果可为反倾层状岩质边坡倾倒破坏的分析和监测提供有效计算方法及依据,为此类滑坡灾害的防治提供一定参考。     

基于底摩擦试验的硬岩岩质边坡变形过程及破坏机制研究

针对不同倾向、不同倾角条件下,边坡变形破坏特征不同但缺乏相互对比分析研究的现状,在充分考虑硬岩岩质边坡变形破坏特征的基础上,配制硬岩相似材料,采用底摩擦试验方法,分析不同倾向、不同倾角边坡变形破坏模式,并借助PIVlab技术进行分析。结果表明:顺倾和反倾边坡变形破坏模式和破坏范围有明显区别。在45°坡度条件下,当顺倾边坡倾角由30°→45°→60°→80°转换时,变形破坏模式由滑移-拉裂→轻微滑移-弯曲（或滑移-剪切）→未有明显变形（整体稳定）→浅表部倾倒-拉裂逐渐演化。在45°坡度、反倾边坡条件下,变形破坏模式由岩层倾角30°和45°条件下无明显变形,逐渐向60°和80°条件下的倾倒-拉裂演化。当岩层倾角较陡时,反倾边坡破坏范围相对顺倾边坡更大,倾倒弯曲转折端更深。PIVlab结果反映出不同结构边坡条件下,不同位置的速度和位移矢量特征不同,且与宏观观察结果相吻合。研究成果能够为同类边坡的稳定性评价和治理设计提供一定参考。     

某水电站库区倾倒变形体稳定性研究

受早期地壳抬升及岩体卸荷作用,雅砻江某水电站库区右岸近坝库段存在大规模的倾倒变形体。在电站施工和水库蓄水过程中,变形体可能受扰失稳,对大坝等水工建筑物安全构成威胁。通过研究变形体工程地质特征及形成机制,结合对变形体的影响因素,分析了变形体可能的失稳模式,并分别采用极限平衡法和离散元法进行计算分析,对变形体在蓄水前后的天然、暴雨、地震及水位骤降等不同工况下的稳定状况进行了深入的研究和可靠的评价。