深切河谷地区的地应力场研究和高边坡稳定性评价

论文摘要

深切河谷地区具有特殊的地质地貌特征,复杂的地质构造作用和河谷长期的剥蚀下切作用,形成了深切河谷地区现今特殊的地应力场分布。另外,水电项目包括大量的工程边坡,边坡岩体内的地质结构面发育,加之河谷地区地质构造复杂,现代构造活动强烈,河谷强烈下切卸荷产生显著的浅表生时效变形,使得应力场重新分布和调整。工程高边坡的开挖,必然引起影响范围内岩体的变形,随之发生地应力的释放和调整,对边坡的稳定性产生影响。受高地应力水平的影响,针对修建于峡谷深切的河谷地区的工程高边坡,需要采用适合其地质环境特征的稳定性评价方法。本文以锦屏水电站为例,围绕深切河谷地区特殊的地质地貌特征,对河谷地区地应力场和工程边坡的开挖稳定性进行了深入的研究:在详尽的野外地质调查和对大量地质资料的整理和分析的基础上,确定河谷的发育演化是影响河谷地区地应力场成因的重要因素;根据少量测试点的应力资料,采用回归分析的方法确定了河谷地区的地应力场分布;对回归分析的区域应力场进行插值,建立考虑地应力的边坡分析模型;通过工程边坡开挖后的二维和三维稳定性分析,详细讨论了地应力的松弛卸荷对边坡稳定性的影响。通过上述研究,本文取得了以下新的进展和认识:（1）针对深切河谷地区,提出考虑地应力的系统性分析方法:根据少数实测资料,从地应力的成因入手,通过回归分析的方法确定河谷地区的地应力场;建立考虑地应力的边坡工程影响范围内的分析模型;进而对受地应力影响的工程高边坡的稳定性进行评价。建立了适合深切河谷地区的分析方法,即地应力实测资料——区域应力场回归——确定边坡应力状态——建立边坡分析模型——工程边坡稳定性评价。（2）根据地质调查和地质资料的整理和分析,针对深切河谷地区特殊的地质地貌特征,提出河谷的发育演化是影响河谷地区地应力场分布的重要因素之一。通过对锦屏坝址区实测地应力资料的分析,总结出河谷地区地应力分布具有成因分带性,谷坡浅表部松弛卸荷明显的特征。（3）影响深切河谷地区地应力成因的因素主要有自重、地质构造作用和河谷的发育演化,运用FLAC3D软件,建立深切河谷地区的数值仿真计算模型,采用回归分析的方法确定区域地应力场。研究成果验证了河谷地区地应力场的分布规律,为分析和评价深切河谷地区地应力场和工程结构稳定的难题提供了可靠的依据。（4）对于地处深切河谷地区的工程边坡,可以对回归反演的河谷地区区域地应力场进行反距离插值,获得工程边坡影响范围内的地应力分布,建立包括地质特征、结构面发育和地应力分布等信息的边坡分析模型。（5）提出“地应力释放荷载”的概念,可根据考虑地应力的边坡分析模型中的微元信息确定,以此衡量开挖引起的地应力松弛和释放效应,对岩质边坡稳定性分析的Sarma法进行了改进。（6）结合锦屏水电站工程边坡的地质条件和工程设计,采用改进Sarma法对工程边坡的稳定性进行了评价,首次深入讨论了河谷的发育演化对地应力成因的影响,指出对于深切河谷地区的工程边坡,仅考虑自重作用是偏于不安全的,地应力的存在对边坡稳定性存在不利影响。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 选题依据和研究意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 地应力场
• 1.2.2 边坡稳定性的研究现状
• 1.3 研究思路和主要内容
• 1.3.1 技术路线
• 1.3.2 主要研究内容
• 第2章 锦屏电站坝址区工程地质条件
• 2.1 地形地貌条件
• 2.2 构造演化
• 2.3 河谷演化史
• 2.4 地质构造
• 2.4.1 岩层产状
• 2.4.2 断层构造
• 2.4.3 层间挤压错动带
• 2.4.4 节理裂隙
• 2.5 深部张拉裂隙现象
• 2.6 风化卸荷特征
• 2.6.1 风化
• 2.6.2 卸荷
• 2.7 水文条件
• 2.8 地震
• 第3章 河谷区地应力场分析
• 3.1 关于地应力场的基本认识
• 3.2 影响河谷地区地应力分布的因素
• 3.2.1 地形起伏
• 3.2.2 河谷发育演化
• 3.3 坝址区地应力场测试
• 3.3.1 平面应力测量结果
• 3.3.2 孔径法空间地应力测试成果
• 3.4 深切河谷地区地应力的分布规律
• 3.4.1 左岸地应力状态
• 3.4.2 右岸地应力状态
• 3.4.3 谷底地应力状态
• 3.5 小结
• 第4章 坝区岩体的强度和变形特征
• 4.1 室内常规物理试验
• 4.2 岩石室内单轴强度试验
• 4.3 岩石室内三轴试验
• 4.3.1 试验成果
• 4.3.2 岩石三轴压缩的强度特征
• 4.3.3 岩石三轴压缩的变形特征
• 4.4 现场原位抗剪强度试验
• 4.4.1 坝区岩体的剪切强度特征
• 4.4.2 岩体和结构面的抗剪（断）强度参数
• 4.5 现场变形测试
• 4.5.1 岩体的变形特征
• 4.5.2 岩体变形的特征参数
• 4.5.3 岩体变形参数的取值
• 4.6 坝区岩体的本构关系和抗剪强度综合取值
• 4.6.1 本构关系
• 4.6.2 基于Hoek-Brown经验准则的抗剪强度参数取值
• 4.7 小结
• 第5章 河谷区地应力场的回归分析
• 5.1 地应力场回归分析法的基本理论
• 5.1.1 应力回归分析法
• 5.1.2 回归分析的待定因素
• 5.2 普斯罗沟坝址区地应力场的回归模拟
• 5.2.1 计算模型
• 5.2.2 岩体和结构面模拟
• 5.2.3 地应力回归反演方案
• 5.2.4 回归方程和结果分析
• 5.3 坝址区地应力场的分布特征
• 5.3.1 主应力分布规律
• 5.3.2 自重应力场与回归应力场
• 5.3.3 水平应力分量和铅垂应力分量
• 5.4 小结
• 第6章 考虑地应力的边坡分析模型
• 6.1 概述
• 6.2 空间插值的基本概念
• 6.3 反距离加权插值法
• 6.4 边坡地应力插值和应力初始化
• 6.5 小结
• 第7章 基于地应力的工程边坡二维稳定性分析
• 7.1 经典Sarma法介绍
• 7.2 基于地应力的改进Sarma法
• 7.2.1 边坡开挖过程分析
• 7.2.2 基于地应力的改进Sarma法
• 7.3 工程实例
• 7.3.1 地质概括和控制性结构面
• 7.3.2 引渠边坡的地应力场
• 7.3.3 失稳破坏模式
• 7.3.4 计算工况和参数取值
• 7.3.5 引渠工程边坡的改进Sarma法稳定性评价
• 7.4 小结
• 第8章 基于地应力的边坡三维稳定性分析
• 8.1 概述
• 8.2 岩质边坡块体稳定性分析方法
• 8.2.1 块体的基本类型
• 8.2.2 块体的可动性判别
• 8.2.3 块体的受力分析
• 8.3 岩质边坡的失稳破坏模式
• 8.3.1 岩质边坡的破坏类型
• 8.3.2 块裂岩质边坡的平面破坏分析
• 8.3.3 块裂岩质边坡的楔体破坏
• 8.4 工程实例
• 8.4.1 考虑地应力的引渠边坡分析模型
• 8.4.2 失稳模式判别
• 8.4.3 计算工况和参数取值
• 8.4.4 引渠工程边坡的块体稳定性
• 8.5 小结
• 结论
• 致谢
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的论文及参加的科研项目