含软岩高边坡稳定性的系统工程地质研究 ——以岷江紫坪铺水利枢纽工程为例

论文摘要

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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创新性成果摘要

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ABSTRACT

第1章前言

1.1 立题依据及其研究意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 概述

1.2.2 关于岩石高边坡稳定性研究

1.2.3 关于软岩及软弱结构面的研究

1.2.3.1 软岩的研究

1.2.3.2 软弱结构面的研究

1.2.3.3 软岩（软弱结构面）流变特性研究现状

1.3 本文的主要研究内容及研究技术路线

1.4 主要研究成果

第2章高边坡工程地质环境条件概况

2.1 区域地质背景

2.1.1 大地构造环境

2.1.2 构造活动与地震地质

2.2 坝区地形地貌

2.3 坝区地层岩性

2.4 坝区地质构造

2.4.1 褶皱构造

2.4.2 断层构造

3断层'>2.4.2.1 F₃断层

2-1 断层'>2.4.2.2 F_2-1断层

2.4.3 裂隙构造

2.5 水文地质条件

2.6 小结

第3章工程高边坡地质结构模型研究

3.1 边坡软弱岩体工程地质研究

3.1.1 枢纽区软弱岩组地质鉴定特征分析

3.1.1.1 煤岩岩组

3.1.1.2 炭质页岩岩组

3.1.1.3 泥质粉砂岩岩组

3.1.2 层间剪切错动带的精细描述

3.1.2.1 层间剪切错动带野外调查

3.1.2.2 层间剪切错动带特征

3.2 高边坡岩体结构特征研究

3.2.1 岩体结构面分级

3.2.2 不同类型结构面特征研究

3.2.2.1 Ⅱ级结构面发育的基本特征

3.2.2.2 Ⅲ级结构面发育的基本特征

3.2.2.3 Ⅳ级结构面发育的基本特征

3.2.2.4 Ⅴ级结构面发育的基本特征

3.2.3 边坡岩体结构类型的基本特征

3.2.3.1 边坡岩体结构分类标准

3.2.3.2 各单体边坡岩体结构特征

3.3 工程边坡地质结构类型及其基本特征

3.3.1 反倾向边坡（Ⅰ）

3.3.2 顺层边坡（Ⅱ）

3.3.3 中倾横向边坡（Ⅲ）

3.3.4 陡倾横向边坡（Ⅳ）

3.3.5 炭质页岩边坡（软岩边坡）（Ⅴ）

3.3.6 覆盖层边坡（散体结构）（Ⅵ）

3.4 小结

第4章边坡软岩及软弱结构面特性的试验研究

4.1 概述

4.2 边坡岩体一般物理力学指标

4.3 软岩单轴抗压变形强度特性

4.3.1 点荷载法测试软岩强度指标成果分析

4.3.2 应力-应变全过程测试成果分析

4.3.3 软岩单轴抗压变形强度特征分析

4.4 软岩的水理性质

4.4.1 软岩崩解性试验

4.4.2 软岩崩解机理分析

4.4.2.1 泥化物含量与崩解特性的关系

4.4.2.2 循环崩解次数与崩解特性的关系

4.4.2.3 崩解破坏样式

4.4.3 软岩的吸水特性

4.5 压缩流变试验研究

4.5.1 试验实施方案

4.5.2 压缩流变饱水盒设计

4.5.3 压缩流变长期强度指标确定

4.5.4 压缩流变参数确定

4.6 软弱结构面的剪切力学特性试验研究

4.6.1 软弱结构面携剪试验研究

4.6.1.1 剪切面起伏特征

4.6.1.2 携剪试验分析

4.6.1.3 试验成果及建议取值

4.6.2 软弱结构面剪切流变试验研究

4.6.2.1 剪切流变试样采取及试验方法

4.6.2.2 剪切流变长期强度指标确定

4.6.2.3 软岩剪切流变参数确定

4.7 小结

第5章工程高边坡变形破坏模式研究及稳定性地质-工程分区评价

5.1 概述

5.2 开挖高边坡主要失稳破坏模式

5.2.1 “倾倒”变形破坏模式的基本特征及其发育条件

5.2.1.1 弯曲-倾倒拉裂

5.2.1.2 压缩-倾倒变形

5.2.2 “滑移-弯曲”破坏模式的基本特征及其发育条件

5.2.3 平面滑动破坏模式的基本特征及其发育条件

5.2.4 楔形滑动破坏模式的基本特征及其发育条件

5.2.4.1 特定结构面组合形成的楔形滑动

5.2.4.2 随机楔形块体滑动

5.2.5 其它失稳破坏模式的基本特征及其发育条件

5.2.5.1 堆积体滑坡模式

5.2.5.2 软岩蠕变模式

5.2.5.3 旋转倾倒拉裂模式

5.2.5.4 旋转滑移拉裂模式

5.3 重点工程部位开挖边坡失稳破坏模式分析

5.3.1 引水发电洞进水口开挖边坡失稳破坏模式分析

5.3.1.1 微地貌特征及其开挖坡型

5.3.1.2 开挖边坡的变形破裂迹象与破坏模式分析

5.3.1.3 监测资料分析及曲线特征

5.3.2 泄洪洞进水口开挖边坡失稳破坏模式分析

5.3.2.1 微地貌特征及开挖坡型

5.3.2.2 变形破坏模式

5.3.2.3 监测资料分析及曲线特征

5.3.3 溢洪道开挖边坡失稳破坏模式分析

5.3.3.1 地形地貌及开挖坡型

5.3.3.2 变形破坏机制分析

5.3.3.3 溢洪道边坡动态监测成果反馈分析

5.4 稳定性地质-工程分区评价

5.4.1 整体稳定性评价

5.4.2 局部稳定性评价

5.4.3 防治措施建议及优化设计

5.5 小结

第6章施工期高边坡稳定性的三维数值模拟分析

6.1 概述

6.2 面向开挖对象的概念模型

6.3 天然状况下条形山脊变形的数值模拟分析

6.3.1 计算模型

6.3.2 岩体力学参数选取

6.3.3 天然阶段模拟成果分析

6.3.4 塑性变形破坏区及c/φ参数敏感性分析

6.4 条形山脊边坡开挖的数值模拟及重点边坡稳定性评价

6.4.1 条形山脊开挖高边坡计算模型

6.4.2 引水发电洞进水口开挖边坡数值模拟分析

6.4.2.1 变形特征

6.4.2.2 应力场特征

6.4.3 泄洪洞进水口开挖边坡数值模拟分析

6.4.3.1 边坡变形特征

6.4.3.2 开挖应力场特征

6.4.4 溢洪道开挖边坡数值模拟分析

6.4.4.1 开挖变形特征

6.4.4.2 开挖应力场特征

6.5 条形山脊两侧边坡开挖施工期稳定性评价

6.6 小结

第7章水库运行期高边坡稳定性预测评价

7.1 概述

7.2 条形山脊地下水位分布特征

7.3 蓄水条件下边坡变形及其稳定性预测

7.3.1 边坡变形及稳定性分析中水的考虑

7.3.2 地下水渗流计算基本理论

7.3.3 计算模型的建立

7.3.4 水库蓄水前（天然阶段）地下水分布特征

7.3.5 水库蓄水阶段条形山脊边坡数值模拟分析

7.3.5.1 变形及稳定性分析概述

7.3.5.2 蓄水阶段进水口边坡应力场特征分析

7.3.5.3 蓄水阶段进水口边坡变形特征分析

7.3.5.4 蓄水阶段边坡进水口塑性区特征分析

7.4 不同工况下泄洪洞进水口边坡二维稳定性评价

7.5 蓄水阶段进水口边坡稳定性预测评价

7.6 条形山脊开挖边坡支护效果检验及其稳定性评价

7.7 小结

结论与建议

致谢

参考文献

附录

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