澜沧江某水电站右坝肩工程边坡倾倒变形问题的数值 模拟研究

澜沧江某水电站处于青藏高原东部边缘地带,属于高山峡谷地形地貌,高地应力环境,岩体卸荷裂隙很发育,使得倾倒变形和岩体质量、断裂活动及地震构造一样成为影响工程边坡岩体稳定的主要因素。针对工程边坡的大变形问题可采用离散元的数值模拟分析方法。通过建立理论开挖和工程边坡开挖离散元模型,可分别得出倾倒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)破裂和工程边坡的变形范围、确定开挖面及加固方式等。通过工程边坡模型的计算结果和现场地质调查成果的比较表明,计算结果和实际情况基本吻合。     

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。     

西南某电站河床坝基开挖卸荷条件下变形破坏的数值分析

西南某电站河床坝基开挖过程中,在河床底部出现大量表征岩体卸荷的变形破坏现象。开挖卸荷深度与卸荷强度成为大坝建设及其长期稳定性的关键问题。采用三维有限差分程序FLAC3D,分析开挖卸荷条件下坝基岩体变形破坏特征。结合现场卸荷裂隙现象调查资料,综合确定出所研究的河床坝基开挖卸荷影响深度及强度。为坝基综合治理提供必要的参考信息,也为今后此类中等地应力边坡开挖卸荷分析储备可以借鉴的资料。     

卸荷条件下高边坡大规模开挖的“地质-力学”响应研究——以西藏如美水电站右坝肩为例

以西藏如美水电站近700 m开挖边坡为例,通过现场卸荷的详细调查,对复杂地质条件下的岩质高边坡大规模开挖离散元模拟的变形响应进行了研究,得出此类边坡在卸荷条件下开挖后的变形响应过程、基本规律及地质-力学模式。模拟结果表明:高边坡大规模开挖之后,边坡的变形与开挖部位具有较强的联系,开挖面上部往往变形较大;边坡主要以浅表部碎裂岩体及深部的“滑移-拉裂”地质-力学响应为主导模式;边坡变形与开挖之后岩石卸荷有必然联系。随着开挖的继续,随着开挖面越来越远,坡体下部变形逐渐衰减,变形主要向开挖面上部累积,最终趋于稳定的响应特征。     

陡倾硬质岩边坡倾倒变形数值模拟与分析

由硬质岩组成的陡倾反向坡会产生倾倒变形,并可进一步发展为滑塌破坏。虽然这种倾倒变形发育的深度有限,但是硬质岩容易形成高陡边坡并产生危害巨大的高位危岩体问题。为此,以开挖高度约200m、总体坡度达42.4°的连云港东疏港高速公路路堑边坡为研究对象,采用地质分析、数值模拟与原型监测相结合的方法,开展倾倒变形特征和边坡加固效果的研究。结果表明,当开挖卸荷作用强烈,并在地下水压力作用下,即使是微风化和新鲜的硬质岩陡倾反向坡也会产生倾倒变形;倾倒变形始于坡脚(当边坡开挖成台阶状时,包括各级台阶的坡脚),上部岩板失去支撑,沿陡倾结构面互相错动而发生倾倒变形。锚杆增大了陡倾岩板间的错动阻力,抑制了倾倒变形的发展。     

某倾倒边坡开挖下的变形特征及加固措施分析

以皖南某高速公路一个反倾边坡为例,在详细地质调查基础上分析了边坡以倾倒-滑移为主要特征的倾倒变形力学机理。调查结果显示在边坡原有倾倒变形的基础上,开挖爆破等工程扰动首先使开挖面顶部出现倾倒变形并伴有后缘拉裂隙,同时坡体内部断续结构面逐渐贯通,最下级台阶面出现外鼓等。上述现象的出现显示出边坡具有整体失稳破坏的趋势。在上述地质概念模型基础上,应用离散单元法对边坡变形全过程进行模拟,验证上述变形破坏机理,并揭示了边坡在深度方向上的变形分区现象,即倾倒-折断区、强烈倾倒区、倾倒影响区和正常岩层区。     

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。     

某水电站右坝肩倾倒变形边坡三维离散元数值分析

在地形、岩体结构、坡度、岩层倾角以及河流的作用下,澜沧江某水电站边坡已明显变形。鉴于边坡开挖后可能出现大变形问题,使用三维离散元数值计算软件建立相应的计算模型,对边坡开挖后的位移变形特征进行计算分析。结果表明,边坡开挖后浅表层岩体变形位移较大,可能产生剪切滑移破坏,对边坡稳定不利。     

高陡岩质边坡稳定性三维离散元分析

某高陡岩质边坡地质条件复杂、软弱结构面发育、开挖高度大、坡度陡、临空面多,为边坡变形提供了有利的空间,边坡多处出现失稳破坏迹象。通过对边坡工程地质条件调查,岩体结构特征和边坡开挖等影响因素的分析,认为边坡变形主要发生在强风化强卸荷岩体内,受软弱结构面的控制比较明显,表现为结构面组合控制的块体变形失稳破坏模式。采用3DEC数值模拟软件,模拟了边坡开挖后坡体变形特征,数值模拟结果表明,边坡浅表层块体以及控制性块体稳定性差,可能导致边坡产生整体失稳。     

近水平红层开挖边坡变形破坏特征

通过对四川盆地近水平红层公路建设中路堑边坡开挖病害的调查分析,归纳出近水平红层边坡开挖引起的主要变形破坏型式是堆积层滑坡、顺层座滑型滑坡、边坡拉裂变形、边坡岩体倾倒破坏,总结了近水平红层边坡的主要工程地质特征,提出边坡变形破坏的过程一般经历开挖卸荷变形、陡倾节理发展扩大、变形破坏形成三个阶段,并结合工程实例分析了其形成机理。     

层状边坡倾倒变形多级折断面分布深度计算模型

针对反倾层状岩质斜坡倾倒变形折断面空间展布缺乏定量判断的问题,以地质原型和变形机制分析为基础,考虑岩层自重、上覆岩层盖重、侧向压力、岩层间的摩擦力等作用,提出了岩板倾倒折断的独立悬臂梁模型和独立简支梁模型。采用板梁的最大拉应力破坏准则,推导出了倾倒变形各阶段岩层的临界折断深度公式。利用地质原型对推导的公式进行了验证,并通过离心试验获取了倾倒变形各阶段的坡形参数,对边坡各阶段折断深度进行了定量评价。研究表明：理论模型可计算倾倒变形层间剪切错动、弱倾倒破坏、强倾倒破坏等各阶段岩层的折断长度;岩层折断长度与岩层分布高程、拉应力、岩梁自身重度呈负相关,与岩层内摩擦角、岩层厚度、抗拉强度呈正相关;根据倾倒变形各阶段力学参数,计算倾倒体各级折断面分布位置,结果与地质原型和离心试验结果吻合。该研究成果对倾倒变形边坡稳定性评价具有一定的理论和实际意义。     

黎家洞滑坡变形机制研究

通常认为顺层岩质斜坡的变形破坏以滑移-拉裂、滑移-弯曲模式为特征,但野外调查中,在陡倾顺层岩质边坡还发现一类特殊的变形破坏方式,即倾倒变形。以黎家洞滑坡为例,在阐明区内地质环境条件、滑坡的基本特征的基础上,应用数值模拟手段对该滑坡的倾倒变形机制进行了分析。研究成果为该类滑坡除险加固提供了参考依据。     

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。     

基于离心机和数值模拟的软硬互层反倾层状岩质边坡变形特征分析

我国西部山区建设揭露了众多大型弯曲倾倒变形体,它们多具有软硬互层结构。为进一步探明软硬互层反倾岩质边坡的变形破坏规律,本研究融合大型土工离心机试验与自开发的可以综合考虑节理面拉剪和压剪破坏的Hoek-Brown与Mohr-Coulomb联合强度准则,对此类边坡进行试验与数值模拟分析。首先,结合监测点位移和应力曲线对边坡的变形破坏过程进行详述并验证了所提出的强度准则及所建立的数值模型的正确性;然后,基于此数值模型研究不同几何因素对此类边坡倾倒破坏特征的影响。结果表明:（1）节理单元采用Hoek-Brown与Mohr-Coulomb联合强度准则可以较准确地模拟软硬互层反倾边坡的层间错动以及岩层弯折;（2）此类坡体倾倒变形破坏全过程为:层间先出现相互错动,然后边坡自坡脚部位开始出现弯曲变形,随后坡体后缘出现拉张裂缝,与此同时边坡整体向临空面弯曲倾倒,最终形成2个或3个破坏面;（3）随着岩层倾角的增大,边坡一级破坏面逐渐向坡体深处发展;（4）随着硬/软岩层厚比的减小,坡顶竖向位移变小,且坡体滑动的整体性逐渐增强;（5）随着软/硬岩层厚比的增加,坡体破坏面逐渐由粗糙的“锯齿状”向平滑的“圆弧状”过渡。     

高密度电法在倾倒变形分级中的应用研究

倾倒变形是水电边坡比较常见的一种倾倒变形现象,具有明显的分区性。利用地球物理属性对倾倒变形程度进行定量化分级比较少见。本文利用不同分区的岩体间电阻率值的差异采用高密度电阻率法对苗尾水电站右坝肩边坡倾倒变形进行分级。为了消除岩石自身形成的背景电阻率值影响对岩体质量分级定量化,本文对二维地质模型正演获得了背景电阻率的分布规律。在测量电阻率的基础上除以背景电阻率得到了与倾倒变形程度有关系数a。最后通过与地质调查的方法对比验证,证明了该方法的可靠性与准确性并成功获得倾倒变形等级定量化指标。     

Toppling and stabilization of the intake slope for the Fengtan Hydropower Station enlargement project, Mid-South China

The intake slope for the Fengtan Hydropower Station enlargement project is composed of thickly bedded sedimentary rock. During excavation of the intake slope and tunnels, toppling was observed in the rock masses of the intake slope. Research was conducted to study the engineering geological conditions and the deformation characteristics of the slope during excavation. The in situ monitoring data and possible causes for toppling were analyzed. A method for analyzing monitoring data was proposed, which can be used to calculate the depth and rotation angle of block toppling. The monitoring results showed that toppling occurred only at a shallow depth, and induced local instability of the slope. Deformation had been controlled and the slope tended to be stable after reinforcement. Through this case study, it can be seen that the stability of the slope and underground openings during and after excavation is variable, especially when the loading conditions and topography are changed. A proper construction sequence is essential, i.e., excavation from the inside toward the free slope surface; excavating the slope above the tunnel after the tunnel lining is in place. This is particularly important for the excavation of multiple tunnels at the slope toe.     

皖南山区阳台古滑坡形成机制研究

陡倾层状岩质斜坡易产生倾倒变形,在山区可见大量由倾倒变形发展形成的大型滑坡,研究其形成机制对于正确评价边坡稳定性具有重要意义。本文以皖南山区阳台滑坡为例,在工程地质勘察的基础上,采用定性分析、二维离散元和有限元相结合的方法,详细研究了阳台滑坡的变形破坏过程及其影响因素。研究结果表明,阳台古滑坡的形成包括河流下切岩体卸荷回弹、倾倒变形逐步发展、滑面发展整体破坏、堆积体次级变形4个阶段。这类滑坡的防治应重点控制滑坡前缘的变形,并做好截排水工作。     

反倾边坡倾倒变形演化过程的模型试验研究

以西藏扎拉水电站坝址右岸反倾边坡为工程依托,基于地质认识及相似理论建立边坡物理模型,采用分级开挖的方式模拟河谷下切作用,研究反倾岩质边坡倾倒变形的演化过程。模型开挖后变形破裂发展的过程表明:该类反倾边坡倾倒变形模式为初期卸荷回弹变形、长期重力弯曲（破裂）变形及后期蠕滑变形。通过对位移、变形速率和变形加速度变化规律的分析发现:反倾边坡倾倒变形的过程可以根据变形加速度a划分为3个演化阶段即倾倒启动阶段、稳态变形阶段和快速失稳阶段,各阶段分别对应衰减蠕变、稳态蠕变和加速蠕变的变形特征。在此基础上采用变形加速度a作为倾倒边坡稳定性判别指标,并尝试将变形加速度突破稳态蠕变上限值（a≥a₂）作为边坡失稳预警判据。     

永吉高速公路黑潭坪边坡三维稳定性研究

通过对永吉高速公路黑潭坪边坡的野外调查,详细地了解了研究区工程地质条件,探讨了边坡变形破坏机理,结合室内试验和计算反演获取岩土体强度参数,在此基础上建立三维地质模型,运用FLAC3D数值分析软件采用强度折减法对不同工况下的坡体稳定性进行详细分析并提出治理建议。研究表明:(1)边坡变形破坏是内外因素综合作用的结果,岩土体性质不良是边坡变形破坏的内在因素,坡脚便道开挖和地表水下渗是边坡变形破坏的诱导因素;(2)强度折减法应用于边坡三位稳定性分析具有较好的适用性;(3)数值模拟显示采用削坡结合锚固的综合治理措施具有明显的效果。     

斜坡倾倒变形的工程地质分析

近10年来,在山区,尤其是西部山区的工程建设和灾害防治实践中,我们发现越来越多的以“倾倒”为特征的岩质边坡变形破坏和稳定性问题,其出现的频度和造成的危害大有比肩“滑动”破坏这一边坡失稳的传统主题,成为困扰地质工程师和岩石力学工作者的又一难题。这类问题之所以难,是因为建立在以“滑动”为基础的传统边坡稳定性分析方法不再适用这类边坡。本文在大量工程实例的基础上,分析了边坡倾倒变形和破坏的基本特征,从“倾倒”变形破坏的地质过程和变形稳定性分析的基本理念出发,建立了描述倾倒边坡不同变形程度的工程地质模型,这个模型将倾倒边坡分为倾倒-坠覆、倾倒-错动、倾倒-张裂、倾倒-松弛4个区,分别对应不同的变形程度和稳定性状况,提出了各个区的具体特征和定性指标与量化指标相结合的描述指标体系,从而将倾倒的地质显现、力学机理和变形稳定性有机统一,实现了对倾倒边坡稳定性的工程地质评价。与传统的“滑动”问题不同的是,本文没有强调对这类问题采用强度稳定性的评价思路,而建议采用变形稳定性评价的理念,这似乎更适合倾倒变形这类问题的分析和评价。