岩质工程高边坡稳定性及其控制的系统研究

结合典型研究区工程高边坡稳定性的研究实践，采用现代工程地质，岩土工程和岩体力学的先进理论和方法，从工程地质，稳定性分析与评价三方面，系统地研究了岩质工程高边坡的稳定性问题，建立了一套完整的岩质工程高边坡稳定性及其控制研究的技术方法体系。研究成果既解决了研究对象的实际问题，又在岩质高边坡研究的基础理论和方法方面取得了进展，主要包括：（1）通过国内外大量典型实例的现场调和对比研究，系统地总结了岩体浅表生改造的一般规律，阐明了浅表生改造对岩坡应力场的大小，方向和范围的影响，岸坡应力场和结构场的分布规律，浅表生卸荷变形破裂体系及其对岩体稳定性的控制意义等，丰富和发展了岩体浅表生改造的理论。（2）探讨了岩体浅表生改造与边坡变形破坏的关系，按照岩体和结构面遭受浅表生改造和重力场条件下边坡时效变形继续改造的方式和程度，将边坡岩体划分为卸荷岩体，卸荷破裂岩体（含卸荷拉裂体或卸荷松驰林），变形体和崩塌，滑坡4个等级，首次阐明了不同等级的边坡岩体的基本特征和工程地质意义。（3）将边坡岩体质量分级与边坡的稳定性相结合，应用模糊数学理论，提出了边坡稳定性岩体质量分级的模糊综合评判方法，针对边坡岩体质量分级的CSMR法存在的不足，结合溪洛渡工程边坡岩体结构的具体特征，提出了边坡岩体质量分级修正的CSMR法。（4）采用地质分析判断和计算机仿真模拟的方法进行分析，结果表明，研究区拱肩槽和进水口边坡整体处于稳定状态，边坡开挖后的位移量一般为10～20cm。（5）采用层次性分析原理和复杂块体理论，从确定性块体，半确定性块体和随机块体三个层次上对边坡块体的稳定性进行分析，论证和评价，建立了非规则边坡块体稳定性分析评价的技术思路和方法体系。研究表明，拱肩槽和进水口边坡出现确定性块体的可能性较小，边坡中的不稳定块体大部分为半确定性块体，且规模较小，影响深度有限，切割边界不完善。（6）首次提出了“工程边坡稳定性控制”的概念，阐述了工程边坡稳定性控制的基本学术观点和控制体系的构成，通过地质分析，经验类比和有限元计算，获得了拱肩槽和进水口边坡的优化坡比，确定了工程边坡坡比选择的技术途径和综合集成方法，提出了从坡面控制，锚固控制和爆破控制三方面对拱肩槽和进水口边坡进行控制的技术方案。（7）探索了与边坡失稳预报密切相关并影响预报精度的一些基本问题。提出了边坡振荡型变形曲线和阶跃型变形曲线突变现象分析和处理的方法以及边坡变形阶段判别的定量方法，将处理复杂性问题行之有效的非线性科学理论引入边坡失稳时间预报研究中，初步探讨了边坡变形过程中的分维特征，建立了边坡失稳中长期预报的动态分级跟踪预报判据，提出了短期预报的Verhulst反函数模型预报法。（8）提出了边坡失稳时间预报的“变形机制分析-实时跟踪预报”的学术思想，并建立了相应的技术方法体系，基于此研究成果和前人的成果，开发研制了边坡失稳实时跟踪预报软件系统（SIPS）。     

大渡河黄金坪高边坡的稳定性综合分析

通过对大渡河黄金坪高边坡现场详细勘察，分析了该高边坡的地形、水文、地层岩性及地质构造等工程地质特征；借助岩石边坡自然稳定坡角经验公式，确定高边坡自然状态下稳定坡角和考虑地震条件后的自然稳定坡角；综合数值分析和槽探，对高边坡稳定性进行综合分析，确定高边坡的卸荷带宽度，为边坡的整治提供科学的依据。     

开挖边坡潜在不稳定范围的预测分析

云南澜沧江小湾水电工程高线公路的开挖，造成6^#山梁高边坡上部岩体失稳，产生塌滑。通过大量野外地质调查，总结分析出塌滑是沿已有结构面组合呈阶梯状的变形破坏方式，根据这一破坏机制和结构面的产出规律，采用类推法大致判定可能失稳的范围。在此基础上采用ANSYS对塌滑前后的坡体进行二维弹塑性有限元分析，并追踪塌滑前后坡体的应力、应变、变形和计算应力集中程度，通过前后比较确定塌滑后边坡的潜在不稳定范围。分析过程中充分利用ANSYS对应力应变逼真的模拟效果这一突出特点，又避免对边坡强度参数进行折减的过程，采用机制分析与数值模拟二者相结合，提供边坡的有效支护范围，结论合理，方法可行。     

金川电站左岸引水发电系统进水口边坡块体稳定性分析

边坡开挖为边坡岩体中的岩石块体创造了新的临空条件,块体的初始稳定状况受到了外界影响,因此需要重新对结构面组合块体稳定性进行评价。通过对金川水电站左岸引水发电系统进水口边坡的岩性、构造、变形失稳机制以及岩体质量和力学参数的研究,利用空间坐标建立了边坡和结构面的三维地质模型,结合边坡的开挖设计,进行平行和垂直轴向边坡方向的剖切,从而得到块体组合情况。然后,利用商用岩石边坡块体稳定性计算程序对各潜在不稳定块体进行计算。计算结果表明:除了在极端的工况下局部块体会失稳外,其它块体均较稳定。     

岩质高边坡稳定性分析及加固措施研究

在对某岩质高边坡进行工程地质条件分析的基础上，确定了该岩质高边坡潜在的破坏模式，即为沿着顺坡向结构面的滑动，由此建立了对应的稳定性分析模型，采用严格极限平衡M-P法进行了整体稳定性分析，依据计算结果对不稳定滑体进行了锚索加固，并对加固后的坡体进行了稳定性分析。计算结果表明：边坡开挖后，在坡体自重、暴雨和地震3种状态下，边坡均处于欠稳定状态，分析了边坡失稳机理，评价了不同潜在滑体的稳定性并最终确定了最危险的滑体位置；采用锚索加固后，3种工况下，边坡均满足相关规范的稳定性要求，并提出了锚索加固前后应注意的施工事项，可为类似工程施工安全提供参考。     

连拱隧道施工方法对边坡稳定性的影响分析

结合某工程,建立了三维弹塑性有限元模型,就隧道的开挖施工过程进行了数值模拟,用强度折减法原理计算得到在左洞先挖和右洞先挖两种施工方法下边坡的安全系数,并探讨了不同开挖顺序对隧道和边坡稳定性的影响.得出了坡体的安全系数随施工的进行逐渐减小、最后趋于稳定的结论,以及对于偏压连拱隧道,先开挖靠边坡外侧的隧洞对边坡的稳定和隧道的安全更加有利.文章最后分析了边坡的破坏失稳机理,提出需加强观测以及采取一定加固措施的建议.其结论对隧道的施工方法具有指导意义.     

顺层岩质路堑边坡破坏模式及设计对策

 在对大量顺层边坡进行详细调查研究基础上,总结提出顺层岩质路堑边坡的分类及8种顺层边坡破坏模式,并对较为常见的滑移–拉裂和滑移–弯曲破坏模式的稳定性分析方法进行讨论。指出在实际工程中,对于滑移–拉裂型顺层边坡,其稳定性分析可通过计算失稳岩层临界长度进行,为避免开挖过程中边坡出现顺层滑动,宜先加固后开挖或边开挖边加固;对顺层清方边坡,可能出现滑移–弯曲破坏,宜采用弹性受压板稳定理论进行边坡稳定性分析后,确定分级高度和加固措施。水是诱发顺层边坡失稳的主导因素,设计中应加强防排水措施。     

施工时序对边坡稳定性影响的离心模型试验及数值分析

不同施工时序对边坡稳定性有较大影响，应用离心模型试验和数值计算研究和分析不同施工时序对边坡变形破坏和应力场的影响。结果表明，开挖后及时支护程度越高，不但能减少边坡变形量，而且有利于边坡的稳定（试验中两级边坡开挖，及时支护比开挖完成后进行一次支护的最后破坏加速度提高14．15％；上级开挖后进行及时支护，向下级开挖后未进行及时支护，其最后破坏加速度比一次性支护提高8．49％）。及时支护程度越高，越有利于边坡稳定的作用机制，也可有效改善边坡坡面剪应力集中程度和最大剪应力的连通情况，并限制应力松弛程度；边坡上体的应力路径（应力历史）更加有利于边坡的稳定。另外，对于特别高大的边坡多级开挖，建议对上级开挖边坡进行临时支护，在开挖完成后再进行永久支护，这样既能发挥边坡的“新奥法”原理，又能避免因下级开挖应力调整而导致上级支护结构受力过大而失稳的影响，且支护成本可降低，该结论对于工程实践育一定的指导意义。     

基于数值分析参数选取的岩石力学试验

工程岩体力学参数的合理确定是岩石力学界存在的一大难题。针对山区修筑公路常遇开挖自然斜坡坡脚而诱发边坡失稳的情况,对某边坡的岩石进行常规及三轴试验,结合野外工程岩体结构特点及相关经验性资料,以获得边坡稳定分析的岩石力学参数。用这些参数对开挖边坡作非线性有限元分析,所确定的岩石力学参数提高了数值建模的合理性和分析的准确性。     

开挖边坡变形破坏过程与稳定性分析

随边坡工程大型机械开挖以来,边坡开挖施工过程中常常出现一坡到底的开挖现场,同时开挖边坡一般都要放置一定的时间才能进行防护,有时受某种因素影响,开挖边坡可能放置相当长一段时间才能进行防护,结果造成工程中大量临时边坡失稳。应用数值计算分析了开挖边坡变形破坏过程及对稳定性的影响,同对超高边坡支护提出了建议,研究结果对工程实践有一定的参考作用。     

考虑岩体开挖卸荷动态变化水电站坝肩高边坡三维稳定性分析

金沙江一双曲拱坝最大坝高277 m,左岸坝肩开挖边坡高约300 m;右岸坝肩开挖边坡高约480 m,由于坝肩槽开挖所形成的边坡属于高陡边坡,其开挖后的稳定状况会极大影响大坝的正常运行。通过对坝址区地质资料的详细分析,建立坝肩边坡三维计算模型,并结合卸荷岩体力学理论,通过弹塑性有限元法研究坝肩边坡在开挖过程中的动态稳定性。研究结果表明：该高边坡在开挖过程中及开挖后,除开挖面附近局部区域不稳定外,整体并无失稳趋向;考虑岩体在开挖过程中的动态卸荷过程后,边坡岩体的位移和塑性区面积比不考虑时有所减小;岩体的破坏区随着开挖的进行不断变化,可根据每步开挖后岩体的破坏情况选择合理的加固措施及加固时间。     

Safety monitoring and stability analysis of left abutment slope of Jinping Ⅰ hydropower station

Safety monitoring and stability analysis of high slopes are important for high dam construction in high mountainous regions or precipitous gorges. In this paper, deformation characteristics of toppling block at upper abutment, deforming tensile rip wedge in the middle part and deep fractures are comprehensively analyzed based on the geological conditions, construction methods and monitoring results of left abutment slope in Jinping I hydropower station. Safety analyses of surface and shallow-buried rock mas...     

岩石边坡开挖及加固分析的弹粘塑性块体元方法

首先介绍了可用于边坡开挖及加固分析的弹粘塑性块体方法。该法把岩体视为具有弹粘塑性性质的结构面切割形成的刚性块体系统，考虑加固结构件在结构面上变形的协调条件，建立求解块体系统和加固构件系统的变形和破坏过程。然后介绍该方法小湾高洪坝坝肩和坝基开挖施工期稳定性研究中的应用情况。     

锦屏一级水电站复杂地质条件下坝肩高陡边坡稳定性分析及其加固设计

 锦屏一级水电站是我国在建的世界最高拱坝,坝肩工程边坡高度达500 m,规模巨大。电站枢纽区地处深山峡谷地区,自然谷坡高陡,地应力水平较高,谷坡岩体卸荷强烈,并发育有断层、层间挤压带、深部裂缝等不良地质现象。在地质条件详细调查基础上,分析左岸缆机平台以上的顺坡向倾倒变形体、左岸1 800 m高程以上的楔形双滑变形拉裂体等坡体结构及其破坏模式,并进行边坡稳定性分区和计算分析。根据坡体结构特点,确定少开挖、弱爆破、强支护、分区分层支护、控制整体、以面覆点的开挖施工和加固设计原则,实施以预应力锚索和抗剪洞为主、辅以锚杆、混凝土框格梁等措施的局部和整体、浅表和深层的全方位、多层次边坡加固控制体系。精细设计并严格控制施工时序、爆破技术和工艺,保证建基面岩体质量,通过动态设计和完善的管理机制确保边坡施工安全。2006年7月～2009年9月边坡监测资料表明：边坡浅表最大横向位移79.5 mm,最大垂直下沉位移52.5 mm,主要受地层岩性和坡体结构控制;深层最大变形量60 mm,最大速率0.1 mm/d,主要受深部裂缝控制;目前位移均趋于收敛,满足安全控制标准。锦屏一级水电站坝肩高边坡工程的成功实施为我国工程建设提供新的经验和借鉴。     

地下水影响下裂隙岩质边坡变形的Fuzzy测度分析

根据裂隙岩质边坡工程实际,采用 Fuzzy 数学理论中的 Fuzzy 测度理论,将工程开挖引起裂隙岩质边坡移动变形这一客观现象视为一模糊事件,依此建立了在地下水影响下岩体移动变形预测分析的 Fuzzy 测度模型。利用该模型可对边坡岩体移动变形参数进行反分析,并可对边坡开挖过程中引起的岩体移动变形进行定量计算,进而对地下水影响下岩质边坡总体稳定性和稳定程度进行预测。对已有的矿山边坡岩体移动变形及其稳定性进行了具体的分析预测,结果符合工程实际。     

隔河岩水电站厂房后边坡与拱坝的相互作用研究

以边坡稳定性和坝体的应力校核为目的,分别建立边坡和坝体的数值模型;采用试算迭代的方法,对边坡和坝体的相互影响做出评价。分离同步建模和迭代试算联合使用,不仅节约建模时间,还可极大地降低建模的难度。为更好地模拟施工过程,反映坡体和坝体的应力和变形过程,在边坡开挖、卸荷、加固工况计算已完成的基础上进行坝体推力施加的分析;同时还考虑边坡上游面的水库水压力作用。分析结果表明,坝体与边坡的相互作用并不大,坝体推力对边坡位移的影响在坝肩周围30m范围内,该作用并不影响边坡和坝体的整体稳定。上述结论不仅可论证坝体设计的合理性,也为边坡和坝体的安全运营提供一定的参考。     

水电站进水口岩石高边坡及坝坡与洞室相互作用的三维数值分析

对一典型的反倾向层状结构岩质高边坡进行了非线性三维数值模拟。数值模型中同时模拟了依存于高边坡的一个进水口大坝和坝下的4个引水隧洞，并且考虑了高边坡的复杂地质条件、支护措施和开挖工况。运用此数值模型研究了开挖卸荷、大坝生成以及水库蓄水对高边坡的应力、变形状况和稳定性的影响。研究结果为工程建设提供了有意义的参考。     

散体结构岩质高边坡的开挖参数研究

目前,岩石边坡开挖参数选择多采用工程地质比拟法。使用现行的工程地质比拟法确定边坡开挖的参数,很大程度上取决于使用者的工作经验和新设计边坡与参考表所列边坡的可比性,缺乏理论依据,所设计出的开挖边坡不是过分偏于安全,就是边坡产生局部和整体失稳,发生破坏。为此,针对散体结构岩质边坡,从理论分析的角度出发,通过对几种常用参数的边坡开挖进行数值模拟,比较各种台阶坡比、台阶平台宽度、台阶高度下的边坡开挖的位移应力变化,充分考虑了边坡经开挖后的稳定性和经济性,提出了针对散体结构岩质高边坡的优化开挖参数,为边坡开挖提供理论依据,对工程实践起着重要的指导作用。     

Deformation mechanism and stability evaluation for the left abutment slope of Jinping I hydropower station

There are very complicated engineering geological conditions in the left abutment slope of the Jinping I hydropower station with the stress-release opening of fractures along existing faults and where lamprophyre veins are present. Prior to the excavation for the dam, the slope generally consisted of a thick marble mass between fault f₅ and the free face. As a consequence of the removal of some of the marble to create the abutment, the stability of the slope would be reduced. The paper reports the stability assessments undertaken, based on engineering geological analysis and block theory and the results of the analysis of key rock masses under four conditions: natural, heavy-rain, earthquake and heavy-rain plus earthquake.