某水电站高边坡煤系软弱结构面流变特性试验研究

 针对坝区开挖高边坡煤系地层软弱结构面的发育特点,设计和开发饱水条件,软弱结构面剪切流变试验装置,系统开展高边坡煤系地层中软弱结构面的时效变形特性研究,尤其是通过长达近1 a的流变力学试验,应用Burgers流变本构方程,建立各种类型软弱结构面的综合时效本构方程,获取坝区煤系地层软弱结构面的长期强度参数。剪切流变试验结果表明,饱水状态下软弱结构面长期强度参数c值为57～160 kPa,j值为12°～18°,比利用携剪试验所获得的软弱结构面饱水快剪强度参数折减约60%。研究结果为水库蓄水运行期的边坡安全反馈分析、变形机制、边坡加固防治对策的采取及支护设计优化提供重要的理论依据,也为类似工程边坡软弱结构面提供具有参考价值的本构模型。     

基于GDEM的坡脚劣化条件下三峡库区砂岩反倾岩质边坡的破坏机制研究

三峡库区反倾岩质边坡的坡脚岩体在水-岩作用下,物理力学性质易发生劣化,威胁边坡稳定。准确认识坡脚岩体劣化条件下反倾岩质边坡的破坏机制尤为重要。以三峡库区砂岩反倾岩质边坡为研究对象,利用GDEM数值软件建立了不同坡角、岩层倾角、层厚的边坡模型。对于坡脚劣化前后均未发生倾倒变形的边坡,分析了坡脚劣化前后边坡最大主应力的变化;对于坡脚劣化前稳定、坡脚劣化后发生倾倒变形的边坡,概述了反倾边坡在坡脚劣化条件下的变形演化过程,明确其对坡脚劣化的响应特征。另外,分析了坡角、倾角、层厚对边坡变形的影响,探明了砂岩反倾边坡破裂面的形态、位置特征,砂岩边坡主破裂面与层面夹角呈20～26°,以坡脚劣化岩体与上部变形岩体为界,破裂面自分界点向上成近直线形。砂岩反倾边坡中主要呈剥落-倾倒-折断式的破坏模式。     

软硬互层状反倾岩质边坡倾倒变形离心模型试验研究

针对软硬互层状反倾岩质边坡倾倒变形演化模式尚不明确的问题,基于相似原理以及地质资料,以水泥、石膏等作为相似材料建立3组边坡物理模型:一组为单一硬岩层状反倾岩质边坡,另外2组为不同层厚比的软硬互层状反倾岩质边坡。通过离心模型试验,运用图像量测技术,探究软硬互层状反倾岩质边坡与单一硬岩层状反倾岩质边坡倾倒变形破坏模式的差异性,分析不同软硬岩层厚比中软岩对于边坡整体倾倒变形程度以及边坡极限承载力的影响。研究表明:(1)软硬互层状反倾岩质边坡倾倒变形模式与单一硬岩层状反倾岩质边坡倾倒变形模式存在差异。前者在倾倒变形过程中产生两级破裂面:主破裂面与次级破裂面,次级破裂面首先贯通,其上浅层岩体失稳,进而深部不连续弯折带相互贯通,主破裂面形成,边坡整体失稳,向下垮落。(2)倾倒变形过程中主破裂面以下岩体几乎未发生倾倒,可将该面定义为倾倒–未倾倒岩体的分界线;次级破裂面发育深度与主破裂面相比更浅,但是其上浅层岩体倾倒变形程度更大,且更易发生失稳破坏,该面为边坡倾倒变形的最危险破裂面。(3)由于软岩强度较弱的影响,软硬互层状反倾岩质边坡其破裂面形态呈弧线形,与单一硬岩层状反倾岩质边坡不同。(4)软岩的存在对于边坡的极限承载力与倾倒变形程度也有影响,且软硬岩层厚比不同,影响不同。相比于单一硬岩层状反倾岩质边坡,软硬岩层厚比为1∶1的软硬互层状反倾岩质边坡,其极限承载力提高,倾倒变形程度减小;而软硬岩层厚比为2∶1的软硬互层状反倾岩质边坡,其极限承载力降低,倾倒变形程度增大。     

软硬互层边坡岩体的蠕变特性研究及稳定性分析

岩体的蠕变性是影响边坡变形与长期稳定性的重要因素之一。以清江水布垭坝址区马崖高边坡为例，针对边坡内具代表性的软岩和硬岩，通过开展室内岩石压缩蠕变试验，研究了不同类型软、硬岩石的蠕变破坏特征，据此建立了岩石的流变本构模型并进行参数辨识。在此基础上，应用三维粘弹塑性方法对马崖高边坡的时效变形及稳定性进行数值分析，探讨了边坡在开挖卸荷及泄洪冲切（运行期）等工程荷载作用下岩体的蠕变变形及塑性区发展。研究结果表明，软硬互层边坡岩体的蠕变效应十分显著，对于大规模开挖的岩质高边坡而言，岩体的蠕变特征不仅影响到边坡的位移量值，而且改变了边坡的位移形态。在工程长期运行过程中，岩体蠕变引起的应力场变化使得坡体内塑性区分布由坡面向坡内延伸，按流变10a计，其延伸深度可达数十米。     

典型红层软岩软弱夹层剪切蠕变性质研究

 红层软岩边坡岩体中软弱夹层发育且具有蠕变性,很多边坡岩体的失稳破坏都是沿软弱结构面的滑移失稳,软弱夹层剪切强度参数的选取是边坡工程勘察中的关键问题。通过2个典型红层软岩边坡工点软弱夹层样品室内剪切蠕变试验研究,表明红层软岩软弱夹层具有显著的蠕变特性,在边坡剪切强度参数选取中应考虑软弱夹层蠕变的影响。通过软弱夹层长期强度与短期强度试验资料分析,建议软弱夹层长期剪切强度可取短期剪切强度的75%。     

高海拔寒区岩质边坡变形破坏机制研究现状及趋势

高海拔寒区矿山岩质边坡变形破坏机制研究已取得一定的研究成果,但基于现行理论与技术还难以全面解决未来高寒边坡失稳机理和灾害防控的所有问题,至今尚未建立起完善的高寒边坡开采研究体系和边坡稳定性判别标准.本文对高寒岩质边坡变形破坏的室内岩石力学试验、边坡物理相似模拟、多场多相耦合数值模拟、变形破坏原位监测、高海拔寒区岩质边坡失稳机理五个方面开展了大量的文献调研,总结高寒岩体变形破坏有关的研究成果,继而对存在的问题进行探讨并分析当前研究的不足,总结出高寒岩质边坡变形破坏研究领域亟待解决的关键问题:一是开采扰动条件下高海拔寒区矿山边坡岩体结构损伤劣化机制,二是冻融循环条件下流-固-气多相多场耦合边坡失稳时效特征与评价方法;并就未来高寒边坡变形和破坏研究方向及发展趋势予以分析,指出开展不同应力路径冻融循环耦合作用下岩体结构损伤劣化机理研究,开展爆破采动条件下高海拔寒区岩质边坡结构面致溃机制及边坡失稳破坏研究,开展地震荷载作用下高海拔寒区节理岩质边坡地震动力响应及致灾规律研究,研究多场多相耦合条件下节理岩体损伤劣化机理,开展高海拔寒区矿山边坡抗寒多参量实时安全监测及失稳预警技术研究五个方面是未来研究的趋势.     

有关软弱结构面的岩质边坡稳定性分析

岩质边坡稳定性分析是工程界的重点问题。软弱结构面岩体的复杂构造,使得难以保证岩质边坡稳定性分析的准确性。为此,本文针对软弱结构面的岩质边坡稳定性问题展开了研究,并选择有限元强度折减法作为计算方法,探讨了软弱夹层对边坡稳定性影响和发展规律,旨在提高软弱结构面的岩质边坡稳定性分析的准确性。     

缓倾角层状岩质边坡小危岩体失稳破坏模式与稳定性评价

缓倾角层状岩质边坡是小危岩体出露的主要坡型之一。影响小危岩体失稳破坏的主要因素为边坡地形条件、地层岩性和岩体结构，诱发因素有暴雨、地震和人工开挖等。小危岩体失稳破坏的基本模式可概化为倾倒-崩落、拉裂-崩落和滑落-落3种。当缓倾内层状岩质边坡的岩层较厚，岩性呈软硬互层状产出，或岩层间软弱夹层较厚时，常发生倾倒-崩落式破坏；当缓倾内层状岩质边坡的岩层较薄，且岩性较均一，或层间结构面力学性质较好时，常发生拉裂-崩落式破坏；当缓倾角层状岩质边坡岩层倾向坡外时，在陡倾构造节理和风化卸荷裂隙切割下，常发生滑移-崩落式破坏。针对这3种破坏模式，提出相应的稳定性评价理论和方法。最后，以一修理厂陡崖边坡为例，系统阐述缓倾角层状岩质边坡小危岩体稳定性评价理论和方法。     

三峡库区巫峡段反倾岩石边坡的破坏机制及判据

 三峡库区巫峡段龚家坊2#斜坡属反倾岩石边坡,发育薄厚互层和软硬相间的岩体结构,在库水位抬升后发生了大型滑塌。为了研究该类岩石边坡的破坏机制和判据,基于龚家坊2#斜坡岩体结构的调查成果,分析厚薄互层的反倾岩石斜坡弯曲变形过程,及库水作用下斜坡的破坏机制。基于叠合悬臂梁模型、独立悬臂梁模型,提出薄厚互层反倾岩石斜坡各破坏阶段的应力判据。采用有限元分析库水软化作用下,龚家坊2#斜坡岩石的强度折减参数及变形破坏规律。研究结果表明：(1) 上硬(嘉陵江组)下软(大冶组)的沉积结构和快速下切的河谷,是巫峡龚家坊至独龙段反倾斜坡普遍发育弯曲变形的关键因素;(2) 厚薄相间的岩层结构,使反倾岩石边坡表现为多阶段破坏,其中,薄层弯曲岩层和厚层坚硬岩层,分别以叠合悬臂梁模型和独立悬臂梁模型建立破坏判据;(3) 库水对该区薄层泥灰岩软化后的抗剪强度小于天然强度的85%,斜坡发生自下而上的渐进式破坏。     

岩质边坡稳定性有限差分强度折减法分析

含软弱结构面的岩质边坡的稳定性分析是工程中常见问题,常规将边坡岩土体按均质处理显然存在不妥。数值模拟中因能分别模拟岩体和结构面特性而具有独特优势。基于FLAC~(3D)有限差分分析程序,采用强度折减法模拟分析含一组结构面和两组结构面的岩质边坡的稳定性,求出边坡安全系数。计算结果表明结构面对岩质边坡稳定性具有重要影响,不同倾角产状的结构面影响程度差异较大,但其中一或两组结构面对边坡稳定性具有控制作用而具有明显"优势",为找出岩质边坡的优势结构面并分析其稳定性提供了一种思路。     

地震载荷作用下岩质边坡应力状态调整与破坏规律分析

地震载荷导致岩质边坡内部应力状态调整,引发溃崩、抛射等多种破坏形式。通过对静态与地震载荷作用下岩质边坡内部单元体及结构面应力状态分析,研究了边坡内部应力状态调整规律。以岩石抗拉强度准则和摩尔-库伦强度准则为判据,推导出用于描述完整岩石和含结构面岩体破坏规律的公式。结合地震动力学理论,得到了边坡在地震作用下坡肩拉破坏与坡脚剪破坏的破坏机制,讨论了含结构面边坡的启滑条件与动态滑移过程。地震载荷施加于单元体上的附加应力正负交替,主平面轴动态旋转,边坡不同部位岩体出现拉、压不同的应力状态,破坏形式具有成层性,地震载荷扩大了诱发滑坡的结构面倾角范围。实例分析表明,应力状态分析方法能较好地反映边坡震害演化过程,为边坡震害分析与防治提供新思路。     

隧洞围岩损伤演化与时效破坏过程的模拟分析

依据对岩石长期强度的认识,基于环境因素影响下岩石强度、弹模等物理力学性质随时间劣化及其内部细观损伤积累等观点,应用RFPA数值模拟方法,模拟了隧洞围岩的时效破坏过程,并与相应的物理模型试验结果进行了对比。隧洞数值模拟试验得到了拱顶、拱底以及两侧帮的时效变形特征曲线,与实际物模试验结果表现出了较好的一致性,并且发现隧洞围岩宏观破坏是细观损伤实时演化及逐步积累的最终表现。进一步模拟分析了侧压系数对隧洞时效变形破坏特性的影响,模拟结果显示,随着侧压系数的增大,隧洞左右边墙间的闭合位移逐渐增大,而隧洞拱顶拱底间的收敛位移随侧压系数的增大逐渐减小,并对隧洞围岩的局部的细观损伤演化过程及宏观时效破坏模式做出了清晰的解释。     

红层泥岩的剪切蠕变试验研究

红层是红色陆相沉积为主的碎屑沉积岩层,岩性以砂岩、泥岩、粉砂岩和页岩为主。红层中的泥岩抗压强度较低,并具有明显的流变特性,蠕变变形量较大,常造成工程边坡的失稳和破坏,在进行工程勘察设计时应充分考虑红层泥岩的蠕变特性,进行合理的参数取值。本文通过对滇中地区红层泥岩进行的室内剪切蠕变试验研究,分析了不同的法向正应力下天然状态与饱水状态红层泥岩的剪切蠕变特性,并通过对红层泥岩长期强度与短期强度试验资料的分析,提出了红层泥岩长期剪切强度的取值建议。     

反倾层状碎裂结构岩质边坡破坏机制研究

反倾岩质边坡是我国西南水利水电工程、山区交通工程、矿山工程中一种常见的边坡类型,目前已成为影响此类工程正常运行的安全隐患之一。通过基底摩擦物理模型试验,研究了发育一组与岩层层面正交节理的反倾碎裂结构岩质边坡变形破坏全过程,分析了边坡变形破坏过程中的宏观变形、岩层位移、岩层弯折角等,揭示了反倾层状碎裂结构岩质边坡破坏机制及空间受力演化规律,并进行了反倾碎裂结构岩质边坡变形分区。研究结果表明:(1)根据实验变形破坏特征,将反倾层状碎裂结构岩质边坡划定为拉裂–倾倒型、拉裂–滑移倾倒型、弯曲拉裂–(滑移)倾倒型3种破坏模式,并可分为稳定区、(弯曲)拉裂–倾倒区、压致拉裂–(滑移)倾倒区、剪切–滑移区等变形区,当坡角或倾角较大时,剪切–滑移区不存在。(2)随着坡角增大,边坡破坏由渐变转化为速变,最先变形部位也由坡体中部向坡顶转移,破坏过程中岩层弯曲特性逐渐弱化;坡角大小一定,倾角较小时,坡体易先发生变形乃至沿破裂面滑移破坏;坡角或倾角较大时,坡体易发生拉裂–倾倒破坏。(3)坡体不同位置岩层变形破坏明显不同步,变形符合蠕变三阶段特征,且当岩层刚开始发生张拉变形时,该岩层变形速率方向基本水平,当发生倾倒变形后,岩层产生明显的竖直变形速率,可作为划分坡体岩层初始变形阶段的判识标准。(4)以拉裂–倾倒破坏为主的岩层最大弯折角明显较小,其破裂面呈阶梯状;以弯曲拉裂–(滑移)倾倒为主的岩层最大弯折角与破坏深度明显较大,其破裂面多呈直线或不规则折线状。     

基于ABAQUS的土质边坡渐进性破坏数值模拟

具有裂隙性、膨胀性等特性的土质边坡稳定性研究需要考虑渐进性破坏问题。采用基于ABAQUS的有限元强度折减法,进行变形局部化和滑动面渐进式形成过程的有限元数值模拟,获得土质边坡稳定性的安全系数,及边坡坡角和土的剪胀角对边坡安全系数的影响。     

层面参数对顺层岩质边坡地震动力破坏过程影响研究

建立3组含有非完全贯通层面和正交次级节理的顺层岩质边坡数值模型,运用FLAC/PFC2D耦合计算方法进行了地震动力破坏过程模拟试验。试验结果证明：非贯通层面部分在水平地震动力作用下,同时存在张拉和剪切两种破坏模式。非贯通层面部分的强度和层面贯通率对顺层边坡地震动力稳定性的影响十分明显,控制着边坡产生破坏的临界地震动力输入幅值以及产生破坏后边坡的破坏范围大小。贯通层面部分的抗剪强度（即贯通层面的摩擦角）对边坡地震动力稳定性和破坏范围的影响很小,只有在顺层边坡内部所有岩层层面均完全贯通的前提下才能转变为边坡稳定性主控因素。     

三峡库区奉节新县城库岸边坡类型及岩体结构特征

奉节新县城库岸边坡自三峡水库蓄水至139 m水位以来多处出现变形破坏,库岸段岸坡变形破坏模式的复杂多样给相应的工程治理带来了较大的困难。通过研究奉节新城区库岸段岩土体类型和岩体结构特征,将新县城江北片区21.7 km的库岸划分成21个库岸段,明确了基岩岸坡和土石岸坡的分布范围,确定了库岸边坡的结构类型。针对不同的岸坡结构类型,分析了岸坡可能出现的6种变形破坏模式。岩质边坡可能出现弯曲–拉裂–倾倒型、剪切–滑移型、楔形体崩塌–滑动型和风化–剥落型变形破坏;土石岸坡可能出现弧形整体滑动型、局部剪切破坏或崩塌型变形破坏。以库岸段的可能变形破坏模式为基础,有针对性地分段采取相应工程治理措施,有利于保证库岸防治达到预期效果。     

粘土矿物与斜坡失稳

作为微米级材料，粘土矿物的单晶尺寸及特殊晶体结构使其集合体-粘土呈现低渗透性、分散-凝絮性及粘滞性等重要工程特性。除沉积岩斜坡含粘土矿物外，76％以上的斜坡岩石造岩矿物还可形成次生粘土矿物。粘土矿物广泛分布于原生沉积岩、三大岩类风化带及第四系松散堆积物构成的斜坡中。泥屑岩因含粘土矿物而易于失稳，且水稳定性差。次生粘土矿物的形成将引起源矿物、矿物集合体及岩块的强度与变形特性的显著变化，诱发岩石向松散介质转化。宏观结构面是粘土矿物最主要的形成和聚集场所，结构面及其内侧一定范围内不同成因粘土矿物的淀积将导致结构面及岩体强度的衰减。粘土矿物是滑坡滑带的常见矿物组分；粘土滑带可以在滑体与滑床之间起到润滑作用。滑带中粘土矿物的含量越多，其润滑效应越显著。粘土型滑带还具有隔水边界之功效，可将滑体与周围介质隔离，使之成为独立水文地质单元，提高坡体拦截、吸收渗入水的能力及斜坡稳定对降雨过程的敏感度。粘土矿物可以促进斜坡时效变形，甚至成为斜坡破坏的关键因素，对斜坡演化及失稳的贡献是显著的。