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。     

卸载岩体脆弹塑性模型在高边坡开挖分析中的应用

基于岩体开挖的卸载特性，引入岩体的加卸载判断准则，建立了卸载岩体的脆弹塑性本构模型，并应用于小湾水电工程坝肩槽开挖高边坡的稳定性分析，揭示了该边坡的开挖卸载效应，以及工程的整体稳定性。     

坝基岩体开挖卸荷与分带研究——以小湾水电站坝基岩体开挖为例

 小湾坝基开挖引起了一系列岩体卸荷变形破坏现象,包括岩体中已有结构面的回弹松动与剪切错动,以及完整岩体的岩爆拱裂、薄板状破裂等新生破裂。开挖中岩体的新生破裂面在空间分布上有如下特点：破裂面产状与开挖面具有较好的一致性;在深度分布上,开挖卸荷破裂面相对集中在开挖面之下4～6 m的深度以上。岩体的卸荷变形破坏导致了岩体完整性的显著降低,但卸荷松动过程的主体部分多在几个月内完结。无论是岩体开挖卸荷还是河流天然切割卸荷都是一个能量释放过程,并且卸荷变形破坏具有显著的空间分布规律,因此采用能量方法研究岩体的卸荷分带是合适的。给出了岩体卸荷分带的应变能方法,小湾水电站的实际应用表明该方法是可行的、有效的。     

岩体工程与岩体力学仿真分析——各向异性开挖卸荷岩体力学研究

概述了岩体工程与岩体力学研究现状 ,讨论了现理论研究成果与岩体工程实际监测资料不相吻合的问题。分析其主要原因 ,是现岩体力学研究理论模型与岩体工程实际力学模型不相吻合所致。故应严格根据岩体工程实际力学动态相应进行岩体力学仿真分析 ,方可得到正确的分析成果。笔者曾提出“卸荷岩体力学”的概念 ,以归纳开挖卸荷岩体力学研究内容 ,已经高边坡和地下工程实例所验证 ,开挖卸荷岩体力学研究是岩体工程及其力学仿真分析的重要组成部分。     

深埋隧洞岩体开挖瞬态卸荷机制及等效数值模拟

 岩体爆破开挖过程中,开挖荷载瞬态卸荷伴随着爆破破岩的裂纹扩展、爆生气体逸出以及新自由面形成等过程而发生。针对深埋隧洞全断面钻爆开挖,确定分段微差爆破对应的分步开挖荷载,分析爆炸荷载耦合作用下的开挖荷载瞬态卸荷方式与持续时间,实现开挖荷载瞬态卸荷的荷载边界条件的数学描述。考虑到炮孔近区岩体因爆破破碎引起的介质连续性的改变及其所经历的复杂应力状态,根据炮孔周围岩体爆破破坏的空间分布特征,基于等效弹性作用边界的概念,提出群孔起爆条件下爆炸荷载与开挖荷载瞬态卸荷耦合作用的等效数值模拟方法。现场实测振动数据验证了计算结果的正确性。     

岩体开挖过程中初始应力的动态卸荷效应研究

提出了边坡、地下洞室开挖施工过程中岩体初始应力动态卸荷的概念。以龙滩水电站地下厂房开挖为例，比较了爆破荷载和岩体初始应力动态卸荷对岩体的动态影响。计算结果表明：（1）在中高地应力区，岩体开挖过程中初始应力场的动态卸荷可能是引起岩体松动的重要因素之一；（2）虽然炮孔近区的损伤主要是由爆破荷载引起的，而远区的忪，力则可能由岩体初始应力的动态卸荷引起；（3）初始应力卸荷越快，其引起的松动范围越大。     

锦屏一级水电站左坝肩边坡稳定性研究

从工程区的自然稳定斜坡调查入手，利用前期勘测的横剖面结果，获得工程区的砂板岩边坡和大理岩边坡的自然稳定斜坡的坡形数据；结合中国已建和在建水电边坡的开挖情况，采用自然斜坡比拟法和工程地质类比法综合确定拱间槽边坡的地质建议开挖坡比。在坝头深裂详细调查研究的基础上，分析拱间槽边坡开挖前后的可能失稳破坏模式及失稳块体的边界条件；通过采用三维极限平衡方法对可能失稳块体的计算模型进行分析，得到块体开挖前后的稳定系数；对失稳块体的稳定性进行详细评价，并提出块体加固方案建议，对类似工程提供可以借答的经验。     

锦屏一级水电站左岸坝肩高边坡长期稳定性数值分析

锦屏一级水电站左岸坝肩高边坡长期稳定性事关该水电站的正常安全运营。为充分掌握左岸岩石高边坡长期稳定性,建立了含f5,f8,f2,f42–9和煌斑岩脉X等软弱结构面的地质力学模型,并采用西原模型及有限差分数值计算方法,模拟正常蓄水位下左岸边坡岩体的长期力学行为。数值分析结果显示:左岸坝肩高边坡蠕变数值计算结果与现场监测数据总体位移变化趋势基本一致;经过一段时间后,边坡岩体蠕变位移变化基本趋于稳定,蠕变速率逐渐趋于恒定,西原模型可以反映锦屏一级水电站左岸边坡岩体的蠕变变形特性;在f5,f8,f2,f42–9和煌斑岩脉X出露区域以及开口线外危岩体边坡、1 960 m高程以上缆机平台边坡、1 885~1 960 m高程开挖边坡、"大块体"、PD44X平洞深部岩体等部位的蠕变位移变化比较明显;特别是拱肩槽1 730 m高程开挖平台与软弱结构面交汇部位,由于受到拱坝的拱端推力作用,蠕变变形更为明显,应重点关注,加强监测力度。     

开挖瞬态卸荷引起的节理岩体松动模拟试验

为了研究高地应力条件下节理岩体的卸荷松动效应,设计一套高地应力条件下节理岩体开挖卸荷松动的室内试验模拟系统,利用岩条受压后的快速断裂失稳,有效实现单轴受压节理岩体试件的应力快速卸载,模拟出高地应力瞬态卸荷引起的岩体松动效应,从而更好地论证高地应力条件下岩体开挖荷载瞬态卸荷(ELTU)引起的节理岩体的松动效应,并利用试验模拟的方法研究开挖荷载瞬态条件下节理岩体松动效应与初始地应力的相互关系。试验结果表明,地应力瞬态卸荷产生的节理面张开位移与卸荷初始应力的平方存在一定的正比关系,节理面的数量以及与开挖卸荷部位的距离影响各节理面处的张开位移在开挖卸荷总位移量中所占比例。     

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。     

高边坡岩体开挖卸荷效应流变数值分析

对三峡工程船闸高边坡的典型剖面,在试验确定的边坡岩体开挖卸荷带及其参数的基础上,对边坡进行了施工开挖卸荷效应的流变稳定性分析。     

高边坡碉体开挖卸荷效应流变数值分析

对三峡工程船闸高边坡的典型剖面,在试验确定的边坡岩体开挖卸荷带及其参数的基础上,对边坡进行了施工开挖卸荷效应的流变稳定性分析。     

乌东德拱坝坝肩三维抗滑稳定分析

 基于非线性有限元分析,采用三维有限差分程序FLAC3D,对乌东德拱坝联合坝肩岩体进行三维弹塑性数值模拟。由拱座岩体内不连续裂隙产状确定9个可能滑动楔块。将有限元计算的应力值通过插值转移到楔块滑面上,以滑面内短小裂隙建议连通率为依据折减滑面抗剪强度,采用三维矢量和法计算楔块安全系数。弹塑性计算结果表明,坝肩岩体在荷载条件下位移、应力分布基本对称河谷,但是受近坝断层F15,f42及K25岩溶系统影响,右坝肩受影响范围略大于左岸。正常蓄水条件下9个楔块具有较高的安全裕度,温升荷载导致大部分楔块稳定性降低,温降荷载主要对右坝肩稳定不利。地震荷载条件下,所有楔块稳定性大幅降低,平均降低30%,最大降低53.9%,坝肩岩体整体仍能保持稳定。     

高拱坝动力分析及坝肩稳定性研究

采用非线性本构模型和破坏准则,结合三维动力有限元法对江坪河高拱坝在静荷载和地震联合作用下的响应进行非线性分析。首先对拱坝自由振动的模态分析采用分块Lanczos迭代法,得到拱坝在不同水位下的自振频率和振型;然后根据规范规定的振型分解反应谱法分析大坝在地震作用下的动力响应以及对应工况下的坝体及坝肩的变形和应力发展状态、可能失稳模式。通过对地震前后大坝的应力、应变以及抗滑稳定安全系数的比较可以看出,对于复杂地质条件下的高拱坝,地震作用会进一步劣化其应力与变形状态,并加剧其失稳。     

高拱坝动力分析及坝肩稳定性研究

采用非线性本构模型和破坏准则,结合三维动力有限元法对江坪河高拱坝在静荷载和地震联合作用下的响应进行非线性分析.首先对拱坝自由振动的模态分析采用分块Lanczos迭代法,得到拱坝在不同水位下的自振频率和振型;然后根据规范规定的振型分解反应谱法分析大坝在地震作用下的动力响应以及对应工况下的坝体及坝肩的变形和应力发展状态、可能失稳模式.通过对地震前后大坝的应力、应变以及抗滑稳定安全系数的比较可以看出,对于复杂地质条件下的高拱坝,地震作用会进一步劣化其应力与变形状态,并加剧其失稳.     

静动力作用下高拱坝坝肩稳定性三维分析

 按照静载设计、动载复核的设计原则,基于地质勘测资料,针对坝肩抗滑稳定问题的三维特性,采用关键块体理论来识别和描述被结构面切割的岩体,确定相应的控制性滑块,进而运用程序实现三维刚体极限平衡法,选取不同高程的试算面对某水电站300 m级高拱坝左、右岸坝肩的静动力抗滑稳定性进行计算分析。在动力分析中,将坝体、库水及其地基作为整个体系,充分考虑坝体、地基和库水三者的动力相互作用。静动综合计算分析的结果表明,拱坝左、右岸坝肩在静力作用下是安全的,且安全富裕较大;在地震作用下也是安全的,但安全裕度不大。这为该拱坝的设计和论证提供了重要的科学依据。     

用非连续介质模型分析拱坝坝肩的动力稳定性

 拱坝坝肩岩体内包含断层、裂隙等结构面，分析坝肩岩体的稳定性宜采用非连续介质力学模型。界面元可以较好地模拟相邻两单元界面上位移的不连续性，适用于描述单元之间的分离和滑移现象，用于坝肩稳定可靠度分析可以得到更加符合实际的计算结果。坝肩稳定分析中涉及到的水压荷载、地震作用、岩石的力学参数等均为随机变量，适合用结构可靠度理论分析坝肩的稳定性。坝肩岩体是变形体，其受力后产生的应力和变形是判断坝肩稳定性的主要指标，以断层、界面上的抗拉、抗剪能力作为可靠度计算的强度准则，建立极限状态方程，采用响应面法计算坝肩稳定的动力可靠度。坝肩稳定可靠性是结构体系可靠度分析问题，在研究破坏模式的基础上，通过修改劲度矩阵模拟结构状态的变化，跟踪计算各单元的可靠度，最后得到坝肩稳定的可靠度或坝肩发生失稳的概率。针对某一拱坝进行坝肩动力稳定可靠度分析的结果表明，采用非连续介质力学模型和响应面法计算坝肩稳定的可靠度是可行的，得到的结果是合理的。     

考虑结构面震动劣化的岩质边坡动力稳定分析

 通过试验获取结构面震动劣化效应的数学表达式,并将之运用于岩质边坡的动力稳定性分析中。采用3DEC作为计算引擎,在每一动力计算时步内根据动力响应值实时刷新结构面的强度参数,同时由网格净节点力的矢量计算获取该时刻作用于边坡岩体上的地震惯性力。根据极限平衡理论计算该瞬时岩质边坡的稳定性系数,通过动态计算获取整个地震历时过程的稳定性系数时程曲线,以最小平均安全系数作为最终动力稳定性评价指标,从而提出一种考虑结构面震动劣化的岩质边坡动力稳定性计算方法。将该方法运用于汶川地震区岩质边坡实例研究中,稳定性分析结果与实际地质调查情况相符,验证该方法的可行性和工程实用性。     

鱼简河拱坝坝肩岩体稳定性分析

鱼简河拱坝坝肩岩体内断层、节理及软弱夹层发育，存在安全隐患。首先，在现场勘察和室内外试验的基础上，确定右坝肩1034m高程以上块体为最危险块体；然后，采用极限平衡法和三维有限单元法对此块体分别进行稳定性计算，极限平衡法计算所得块体在校核工况下稳定性系数为2.0，有限单元法计算所得块体在相应工况下稳定性系数为3.0，两者存在较大差异，故从物理和力学模型上对差异产生的原因进行了分析，发现有限单元法因屈服准则选取不合适导致稳定性系数计算结果偏高，而极限平衡法因夸大了拱端作用力导致稳定性系数计算结果偏低；最后，综合确定块体稳定性系数为2.4，未达到规范要求，建议对右坝肩1034m高程以上块体采取相应的治理措施。