大型岩石高边坡开挖的地质—力学响应及其评价预测 ——以小湾水电站工程高边坡为例

论文摘要

数百米级岩石高边坡的开挖及其稳定性问题是目前我国大型水电工程建设中所遇到的重大工程技术问题。本文针对小湾水电站高达近700m的人工高边坡，通过大量现场跟踪施工的地质调查工作，结合系统的变形监测和三维有限元数值模拟分析，较为系统的揭示了大型人工高边坡开挖施工过程中，边坡所发生的以变形和卸荷破裂为代表的一系列地质-力学响应过程，进而探讨了此类边坡的变形稳定性问题。论文取得了以下主要研究成果： （1）首次针对高达数百米的复杂人工高边坡，系统揭示了边坡在开挖过程中所表现的变形和破裂行为，建立了一套对大型复杂岩石高边坡开挖过程地质-力学响应的系统认识，尤其是揭露和认识了开挖过程中若干有别于传统认识的新现象和新规律；形成了较为完整的分析和评价方法；积累和丰富了大型复杂岩石高边坡开挖工程的认识与经验，为今后类似工程的建设提供了理论指导与工程借鉴。 （2）紧密跟踪施工开挖过程，对揭露的各种结构面进行详细的地质编录和描述。在现场编录的基础上，进行系统的资料分析与整理，形成了对开挖边坡岩体结构特征较为系统和深入的认识。 （3）系统研究了复杂地质条件和高地应力环境下，岩石高边坡大坡比、强开挖所表现的变形响应，揭示了此类边坡变形响应的基本规律及特殊的表现，研究表明： ①高边坡开挖过程中，边坡的变形与开挖过程有较强的同步性；变形主要受开挖卸荷影响，以侧向水平卸荷回弹变形为主，垂直变形指向下，但量值很小，约为水平变形的9％～20％，变形矢量总体呈近水平的俯角，而不是通常有限元计算得出的指向上的仰角。 ②随开挖的进行，坡体的变形随开挖面的远离表现出总体衰减，最终稳定的响应特征，典型的变形响应曲线有三个阶段：即开挖后2～4个月的“变形快速增长阶段”，对应开挖面至测点的高度约为70～120m；开挖后18～22个月内“变形缓慢增长阶段”，开挖面距测点的高度为220～300m；此后，变形处于“稳定”阶段，不再受开挖过程的影响。 ③边坡开挖过程中，当出现大规模水平退坡开挖或大面积“揭底”开挖时，水平开挖面将产生强烈的垂直卸荷回弹，其程度可使上部大

论文目录

• 创新点摘要
• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 前言
• 1.1 选题背景与研究意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 已有工程实例的分析
• 1.2.2 小结
• 1.2.3 存在的问题
• 1.3 研究技术路线与内容
• 1.4 论文的主要成果
• 第2章 坝区工程地质条件
• 2.1 区域地质概况
• 2.2 地形地貌
• 2.3 地层岩性
• 2.4 地质构造
• 2.5 边坡岩体结构特征
• 2.5.1 结构面的工程地质分级及特征
• 2.5.2 岩体结构及岩体质量分级
• 2.6 坝区应力场特征
• 2.7 水文地质条件
• 2.8 风化与卸荷
• 2.8.1 岩体风化
• 2.8.2 边坡卸荷
• 2.9 地震
• 第3章 开挖高边坡岩体结构特征研究
• 3.1 典型断层型结构面（Ⅲ级结构面）特征
• 3.2 蚀变带的发育及特征
• 3.3 片岩带（Ⅳ级结构面）的发育特征
• 3.3.1 右岸片岩发育特征
• 3.3.2 左岸片岩发育特征
• 3.3.3 坝区片岩发育特征
• 3.4 长大裂隙发育特征（Ⅳ级结构面）
• 3.4.1 长大裂隙总体发育规律
• 3.4.2 右岸长大裂隙发育规律
• 3.4.3 左岸长大裂隙发育规律
• 3.5 Ⅴ级结构面
• 3.5.1 结构面的连通率
• 3.5.2 右岸Ⅴ级结构面发育特征
• 3.5.3 左岸Ⅴ级结构面发育特征
• 3.5.4 Ⅴ级结构面总体发育特征
• 3.6 小结
• 第4章 高边坡开挖的变形响应研究
• 4.1 概述
• 4.2 开挖边坡概况
• 4.2.1 右岸边坡开挖概况
• 4.2.2 左岸边坡开挖概况
• 4.3 右岸边坡开挖变形响应分析
• 4.3.1 高位边坡开挖变形响应分析
• 4.3.2 进水口边坡开挖变形响应分析
• 4.3.3 拱肩槽边坡开挖变形响应分析
• 4.4 左岸边坡开挖变形响应分析
• #山梁高位边坡开挖变形响应分析'>4.4.1 4^#山梁高位边坡开挖变形响应分析
• 4.4.2 拱肩槽边坡开挖变形响应分析
• 4.5 小结
• 第5章 高边坡的卸荷破裂现象及模式分析
• 5.1 概述
• 5.2 高边坡岩体的卸荷类型及卸荷带划分
• 5.2.1 卸荷的基本力学类型
• 5.2.2 卸荷带划分
• 5.3 坝基卸荷现象及模式分析
• 5.3.1 坝基卸荷破裂现象分析
• 5.3.2 坝基卸荷深度分析
• 5.4 进水口边坡卸荷现象及模式分析
• 5.4.1 卸荷破裂现象分析
• 5.4.2 卸荷影响深度分析
• 5.5 拱肩槽边坡卸荷现象及模式分析
• 5.5.1 拱肩槽上游边坡卸荷破裂现象分析
• 5.5.2 拱肩槽下游边坡卸荷破裂现象分析
• 5.5.3 拱肩槽边坡卸荷影响范围分析
• 5.6 小结
• 第6章 高边坡变形破坏类型及其稳定性评价
• 6.1 概述
• 6.2 块体失稳模式
• 6.2.1 概述
• 6.2.2 确定性块体
• 6.2.3 随机块体
• 6.2.4 块体的发育条件
• 6.2.5 进水口边坡块体稳定性分析
• 6.3 堆积体失稳模式
• 6.3.1 椿沟堆积体天然情况下的稳定性研究
• 6.3.2 椿沟堆积体开挖情况下稳定性分析
• 6.4 倾倒变形破坏
• 6.4.1 概述
• 6.4.2 倾倒变形破坏类型分类
• #山梁压缩倾倒稳定性研究'>6.4.3 8^#山梁压缩倾倒稳定性研究
• 6.5 阶梯状破坏
• 6.5.1 浅表部阶梯状滑动
• 6.5.2 深部阶梯状滑动（蠕滑-拉裂）
• 6.6 平面破坏
• 6.6.1 概述
• 6.6.2 破坏类型
• 6.6.3 实例分析
• 6.7 崩塌破坏
• 6.7.1 塌滑区边坡变形破裂现象
• 6.7.2 塌滑区变形破裂迹象形成分析
• 6.8 小结
• 第7章 高边坡开挖地质—力学响应的三维数值模拟研究
• 7.1 概述
• 7.2 模型的建立及参数选取
• 7.2.1 模型的建立
• 7.2.2 参数的选取
• 7.3 数值模拟成果及总体应力—形变场的特征
• 7.3.1 应力场分析
• 7.3.2 形变场分析
• 7.3.3 高位边坡应力—形变场分析
• 7.4 进水口边坡应力—形变场分析
• 7.4.1 应力场分析
• 7.4.2 形变场分析
• 7.5 拱肩槽边坡应力—形变场分析
• 7.5.1 应力场分析
• 7.5.2 形变场分析
• 7.6 河床坝基应力—形变场分析
• 7.6.1 应力场分析
• 7.6.2 形变场分析
• 7.7 小结
• 结论
• 致谢
• 参考文献
• 附录