基于SRM的裂隙岩质边坡潜在失稳路径分析

裂隙岩质高边坡稳定性的变形破坏模式实际上取决于其岩体结构特征所控制的潜在路径形式。在复杂裂隙岩体结构边坡中,不同类型和规模的陡缓结构面交切组合将其破坏路径更加不确定化。复合岩体技术(synthetic rock mass,SRM)可有效实现受结构控制的滑移破坏。遵循该理念指导,以西南某水电工程复杂裂隙岩质高边坡为例,采用颗粒离散元PFC软件平台研发的SRM技术,解决了利用均质区划分为基础的非均匀分布的规模不同的陡缓结构面复杂网络模型构建、考虑颗粒尺寸效应范围的不同工程地质性状岩石材料模型构建、以及结合重度增加法计算复合岩体模拟裂隙岩质高边坡潜在失稳路径的技术难题,收效颇丰。模拟结果表明:该边坡潜在失稳的主要路径为陡倾的断层、岩脉与倾向坡外的长大中缓倾角裂隙组合形成阶梯状形式,其潜在失稳路径以浅表局部的剪切–拉张失稳模式为主,为该工程后续的边坡设计提供了可靠的边界范围和指导意义。本项研究方法和结论具有可观的推广价值和普适性。     

水平厚层状岩质边坡地震动力破坏过程颗粒流模拟

 基于二维颗粒流软件(PFC2D)的人工合成岩体技术,研究岩桥长度和节理间距不同组合形式下的含水平断续节理厚层状岩质边坡在地震作用下的破坏模式、动力响应规律以及岩桥段应力演化特征。研究结果显示：地震动作用下,含水平断续节理厚层状岩质边坡主要发生溃散型破坏、拉裂–滑移–块体倾倒混合破坏和拉裂–水平滑移混合破坏;水平断续节理是控制边坡动力稳定性的关键因素。节理间距对边坡破坏模式起控制性作用：当节理间距较小时,易发生溃散型破坏;当节理间距较大时,易发生拉裂–滑移–块体倾倒破坏和拉裂–水平滑移混合破坏。岩桥长度和节理间距共同控制着边坡岩体破碎程度,从而控制着边坡失稳破坏时滑动面的个数,当节理间距很小或者节理间距较大、岩桥长度较小时,发生单滑动面破坏;当节理间距和岩桥长度均较大时,发生双滑动面破坏。在地震动力作用下,岩桥段首先发生破坏,随后各节理间也产生破坏并贯通。岩桥长度和节理间距对边坡动力响应均产生一定影响,随着节理间距减小、岩桥长度增大,峰值位移、峰值速度增大,对加速度PGA放大系数的影响区域集中在边坡坡表、坡脚等部位。地震作用下,含水平断续节理厚层状岩质边坡岩桥段应力演化、裂纹萌生与输入的地震波加速度具有良好的一致性。     

裂隙岩质边坡渗流与非连续变形耦合过程分析

 裂隙岩体中的渗流–应力耦合作用是岩质边坡失稳的重要因素之一。离散裂隙网络(DFN)模型用于研究裂隙岩体渗流,具有概念简单、效率高、适用性强的优点,是研究裂隙岩体渗流问题最为有效的手段之一。非连续变形分析(DDA)方法是专门针对裂隙岩体的非连续特性提出的一种变形场求解方法,能够更加真实地刻画工程岩体。将DFN模拟和DDA方法结合起来,提出基于DDA-DFN的渗流–应力耦合模型,给出考虑裂隙渗流情况下岩体块体系统的瞬时平衡方程,用于研究裂隙岩体变形对渗流的影响和渗流–应力耦合作用下裂隙岩体的变形破坏特征。利用该耦合模型,对一大型水利水电工程边坡稳定性进行分析。结果表明,水库蓄水后,地下水大幅度抬升,渗流–应力耦合作用加剧,导致边坡裂隙岩体中的关键部位发生大变形甚至破坏,进而触发边坡的进一步失稳。实例分析验证了这种方法用于边坡稳定性分析的有效性。     

采动作用下含深大岩溶结构面坡体裂隙扩展及变形破坏规律

中国西南高陡岩溶山区崩滑灾害频发,长期地下采矿活动是该区域崩滑灾害的重要诱因之一。采动作用下,坡体后缘深大结构面扩展演化控制着高陡岩溶坡体稳定性和失稳破坏模式。在野外地质调查基础上,结合室内物理模型试验和离散元数值模拟,揭示了地下开采扰动下覆岩裂隙扩展演化规律,阐明了深大结构面对边坡稳定性的控制作用,讨论了坡体变形的破坏模式。结果表明：地下开采扰动对斜坡体稳定性的影响主要表现在地下采动卸荷引起覆岩应力重分布、山体变形诱使裂隙扩展;地下采空后,斜坡体在二维剖面上形成类似“悬臂梁结构”,坡体原有深大结构面控制坡体稳定性;下行开采条件下,采空范围在断层之前,山体高度较小,在自重作用下“悬臂梁结构”岩层向断层及采空区方向协同变形,不会产生大量离层裂隙,煤层顶板仅发生断裂坍塌并充填采空区,采空至断层后,左侧山体已发生塌落,山体应力重分布,覆岩在自重作用下形成大量张拉裂隙,直接顶塌落高度与裂隙带高度也随采空区范围增加而增加。其变形破坏演化过程可概化为：地下开采卸荷–应力重分布→覆岩断裂下沉–裂隙扩展→坡体裂隙贯通–悬臂破坏→坡中变形挤出–岩桥剪断→坡体整体失稳破坏。     

考虑岩桥断裂的岩质边坡倾倒破坏的流形元模拟

通过加入多裂隙扩展的跟踪模拟功能,将石根华博士提出的数值流形法进行扩充,使之既可以模拟块体系统的离散特性,又可以模拟完整岩体的拉裂与剪断。在用几个典型的简单算例验证算法及程序的收敛性和精度的基础上,对龙滩水电站左岸高边坡倾倒破坏离心机实验模型进行数值模拟,模拟中考虑1组贯通的陡倾角逆坡向构造和1组缓倾角顺坡向非贯通裂隙,模拟间断裂隙在外荷载作用下的扩展和岩柱的断裂。数值模拟的承载力和破坏模式均与实验结果吻合良好,可再现该类边坡倾倒破坏的机制,表明该方法与程序可以有效地模拟考虑岩桥作用的岩质边坡的倾倒破坏。     

塑流–拉裂式崩塌机制及评价方法

 塑流–拉裂式崩塌或软弱基座型崩塌是我国西南山区和三峡库区常见的一种崩塌类型。当危岩体的下部有较厚的软弱岩层时,此类崩塌发生尤为频繁。软弱岩层在上部岩体压力作用、遇水软化、长期风化剥落等因素作用下,不断压缩并向临空方向塑性流动,导致上覆较坚硬岩层拉裂形成塑流–拉裂式危岩体。离散元模拟得到此类崩塌的变形破坏地质过程为：软岩风化剥落→上部硬岩局部坠落→软弱基座挤出变形→上部硬岩产生下宽上窄拉裂缝→变形继续发展→崩塌产生。根据软弱层不均匀变形前后上部被拉裂硬岩的2种不同破坏模式,应用地质力学分析方法,推导塑流–拉裂式崩塌稳定系数计算公式。以三峡地区万州某边坡为例,采用抗压强度–压应力比值分析法和软弱层不均匀变形稳定性分析法进行对比分析。结果表明：静力条件下,危岩体短期内处于稳定状态;高地震烈度条件下,危岩体不稳定。     

裂隙渗流对岩石边坡稳定的影响--渗流、变形耦合作用的DDA法

裂隙中的渗流是岩石边坡失稳的重要因素之一。在最近发展起来的离散型数值方法——DDA法的基础上，考虑裂隙网络中地下水的流动，以及渗流压力与岩石变形的耦合作用，从能量最小原理出发，推求了考虑裂隙渗流情况下岩石系统的瞬时平衡方程及对任意裂隙进行安全评价的局部安全系数。用该方法对日本某隧道的塌方事故进行了模拟分析，数值模拟再现了该隧道破坏的过程。模拟结果表明，由于连续降雨和表面结冰导致岩石裂隙中地下水位升高，过大的水压力致使隧道上部的垂向裂隙张开并向下扩展，最终导致整个岩坡的崩塌。研究结论与日本事故委员会的调查结果一致。     

汶川强震区公路沿线地震崩滑灾害发育规律研究

 汶川强震区地处龙门山区,在深切河谷地貌条件下,地震诱发大量崩塌及滑坡地质灾害,给沿河谷布线的公路造成严重损毁。在调查掌握约6 056 km灾区公路沿线地震崩滑灾害详细资料基础上,根据地质构造、地震烈度进行段落划分,研究分析各段灾害特征及其与地质构造部位、地震烈度、岩性等之间的关系,统计分析各段落灾害点密度及平均规模。提出汶川地震崩滑灾害分区,将受灾区划分为极强烈发育区、强烈发育区、较强烈发育区、中等发育区和弱发育区等5个区域。得出汶川地震崩滑灾害如下发育规律：(1) 3条断裂带对崩滑灾害发育的控制作用：前山断裂都江堰-竹园坝段为山前弱发育区和上盘中等～强烈发育区的明显界线,竹园坝NE方向则控制作用减弱;中央主断裂自映秀至东河口段上下盘灾害有显著差异,2个极强烈发育区均位于上盘,且被后山断裂及重要岩性界线所严格限制,东河口NE方向控制作用减弱;后山断裂之茂汶断裂为极强烈发育区和较强烈发育区的明显界线;后山断裂之青川-平武断裂在青川-沙洲段呈现出明显的断层上盘效应。(2) 岩性控制作用：不同岩性类别地震崩滑灾害发育程度有显著差异,侵入岩体和灰岩、白云岩类地震地质灾害发育密度最高、平均规模最大,千枚岩类灾害发育密度最低、规模最小,碎屑岩类和砂板岩类介于其间。(3) 地貌控制作用：河谷岸坡相对高差越大、地面横坡越陡峻,地震崩滑灾害越发育。陡坡硬岩段为地震崩滑灾害高发区,失稳主要发生在斜坡中上部、陡缓变坡点附近。(4) 399条实测地质剖面的统计分析表明,地震诱发崩塌失稳部位坡度一般在40°以上。(5) 动力条件下,坡体结构是边坡岩土体变形破坏的控制性因素,土层及强风化层–基岩斜坡、发育外倾结构面斜坡更易失稳。     

颗粒离散单元法地震动力时程计算黏性人工边界及其应用

 采用颗粒离散单元法(PFC)进行地震动力时程计算时,人工截断边界上需设置吸收边界条件,以防止波的反射。鉴于PFC数值计算模型的人工边界上颗粒单元半径大小不一、边界面凸凹不平,在连续介质的黏性吸收边界条件方程基础之上,推导出适用于离散介质的等效方程。在离散介质的等效方程中引入微调系数,建立确定其最优值的方法,以实现对波的最佳吸收。采用合成岩体方法(SRM)建立顺层岩质边坡和逆层岩质边坡结构面网络模型。基于提出的方法,在边坡颗粒流数值模型的人工边界上设置黏性吸收边界,对含有正交次级节理的顺层岩质边坡和逆层岩质边坡的地震破坏过程进行模拟,对其地震破坏机制进行系统分析,相关研究结论对边坡地震破坏机制研究具有重要意义。     

地震荷载作用下陡倾角顺层开挖斜坡的变形破坏模型试验

在汶川地震灾区,顺层陡倾斜坡是一类地震山地灾害非常发育的斜坡类型,而开挖往往加剧了斜坡的地震山地灾害。为了重现斜坡的变形破坏过程,分析斜坡在地震荷载作用下的变形破坏规律。选取平武县平通镇桑树坪滑坡所处斜坡作为顺层陡倾角开挖损伤斜坡的典型实例,进行地震荷载作用下变形破坏的室内物理模型试验。结果表明,开挖加剧了斜坡在地震荷载作用下的变形破坏。从破坏形式来看,顺层陡倾斜坡的坡变形破坏兼具崩塌和滑动二者特征,与野外调查结果吻合。从整个变形破坏过程来看,可以划分为以下阶段：a.地震初始阶段,此阶段开挖呈契形体岩层在地震作用下沿层面微小滑动,坡脚应力剧增;b.开挖岩层坡脚溃曲阶段;c.全面下滑阶段;d.岩层滑动受阻倾倒阶段。     

地震动力作用下有限元土石坝边坡稳定性分析

基于地震动力时程反应和随机地震反应，用有限元边坡稳定性分析方法，分析了正弦波作用下模型坝边坡的稳定性，以此作为该方法的数值验证；而后，通过对地震动力作用下土石坝边坡稳定性的分析，对地震动力作用下影响坝体边坡最危险滑裂面位置及稳定性的动力影响因素进行了有益的探讨，并指出，地震动力作用下土石坝边坡与正弦波作用下模型坝边坡的最危险滑动面位置有所不同。     

地震作用下顺层岩质边坡动力响应的试验研究

基于相似理论建立顺层岩质边坡力学模型,并介绍爆炸模型试验的设计思路及试验方法。以导爆索为爆源,通过水下爆炸模型试验,研究近场地震作用下原型边坡的变形破坏模式以及支护结构对边坡稳定性的影响。试验结果表明,顺层岩质边坡的在近场地震作用下的破坏主要表现方式为节理岩体间的层间滑动,破坏模式为应力波导致的滑移–拉裂破坏;重力式挡墙的压应力峰值分布随着墙高的变化呈现先增大后减小的钟形分布;结合汶川地震现场考察及试验结果发现,支护结构对边坡稳定性起着重要作用。     

岩石边坡动力稳定安全系数的块体单元法分析

 将动力分析的块体单元法应用于岩石边坡地震稳定时程分析。将黏弹性人工边界条件的思想与块体单元理论相结合,建立块体系统的人工边界条件,用以模拟地基的弹性恢复能力和地基对散射波能量的吸收,从而消除波动在计算区域边界上的反射。黏弹性边界具有稳定性好,易于与计算程序结合的优点。通过动力计算所得的块体加速度计算块体的惯性力,并由此判断块体可能的滑动模式,进而根据滑动模式将惯性力分解为块体滑动力和垂直于滑动方向的作用力,由此作用力计算块体的抗滑力。块体抗滑稳定安全系数即为抗滑力与滑动力之比,从而可以得到地震过程中块体稳定安全系数时程曲线。小湾水电站进水口边坡算例体现了该方法的工程应用能力。     

地震作用下边坡岩体动力稳定性数值模拟

 以金沙江龙蟠边坡变形岩体为例,采用人工合成地震动为输入条件,并考虑超静孔隙水压力的作用,运用离散单元法进行边坡岩体的全时程动力分析,探讨地震作用下边坡岩体的动力响应规律及稳定性。数值模拟结果表明：地震惯性力的作用引起剪应力的积聚效应;岩体结构面对岩质边坡的地震动力响应起控制性作用;边坡最危险状态是地震刚刚开始时由静态到动态所发生的巨大系统改变之时;地震作用导致岩体变形破坏的主要机制是剪应力积聚和超静孔隙水压力累积效应的耦合作用。同时,计算结果还表明,龙蟠边坡变形岩体在遭受地震时不会发生整体性的远程滑动,这一结论对金沙江宽谷坝址的抉择具有重要的工程应用价值。     

混凝土坝-基岩地震动力相互作用时域有限元分析

混凝土坝地震响应分析是坝工安全评估的关键一步。坝与基岩动力相互作用对混凝土坝地震响应具有重要影响。因此,建立一个可考虑坝与基岩动力相互作用影响的数值分析方法是十分必要的。给出了分析混凝土坝–基岩系统地震响应的时域有限元法。在时域有限元分析中,地震波的输入以及地基辐射阻尼的模拟常常是2个十分重要的课题。基于柱面波动方程提出了能同时实现地震动输入和模拟地基辐射阻尼的方法,这种方法非常简单有效,几个数值算例验证了方法的精度和有效性。最后,对混凝土重力坝地震响应进行了数值分析,结果表明无限地基辐射阻尼的影响是显著的。     

三峡永久船闸高陡边坡整体稳定性的多因素综合评价

三峡永久船闸高陡边坡工程是1个开放的复杂巨系统,对其整体稳定性的评价需要综合考虑地质资料、数值分析计算成果以及监测数据等多源信息,基于多因素优化融合的思想,采用定性与定量综合集成的方法。基于系统工程的观点,借助可拓学理论,依据菱形思维模式和物元的可拓性,建立了三峡永久船闸高陡边坡工程整体稳定性的多指标分层次综合评价体系。采用物元的概念将研究对象、评价指标和量值结合为一体,应用物元变换建立整体稳定性评价的物元模型,从而实现对三峡永久船闸高陡边坡整体稳定性的质与量的综合描述,并结合其随时间的变化趋势,可以完成对高陡边坡整体稳定性的三维动态评估。另外应用优化理论,进行了评价指标的主、客观组合赋权。经计算得出边坡整体稳定性属1级,特征值为1.86,介于优与良之间。同时,所述方法亦可应用于大坝健康性态整体评价、岩体质量评估、大坝老化评估等其他领域。     

基于降强法数值计算的复杂岩质边坡动力稳定性安全评价分析

分析复杂岩质边坡在地震荷载作用下的动力稳定性的特点,提出基于降低材料强度算法的动力稳定性分析方法。先将软弱结构面抗剪强度指标降低,进行静力计算,在此基础上,再进行动力稳定分析,综合评估边坡的动力稳定性与降强倍数的关系,将边坡处于临界稳定状态下的降强倍数定义为动力稳定安全系数。借助数值计算程序,将上述方法应用于国内某拱坝坝轴线左岸岩质边坡的动力稳定性分析,取得满意的成果。     

确定岩质边坡地震安全系数的简化方法

 作为岩质边坡地震稳定性评价的规范方法,拟静力法忽略岩体的动力特性和地震动大部分特性的影响,而地震时程分析法考虑的因素较全面,却相对费时费力。目前岩质边坡地震稳定性评价缺乏较好地考虑岩体的动力特性和地震动特性的简化方法。为此,综合利用时程分析法和拟静力法的各自优点,建立地震安全系数与拟静力安全系数间的关系,提出2种岩质边坡地震稳定性评价的简化方法：(1) 对于重要边坡,建立边坡地震安全系数与地震动峰值、边坡拟静力安全系数的统计经验公式;(2) 对于一般边坡,统计边坡地震安全系数与拟静力安全系数的修正系数,建议相应的修正方案。以典型岩质边坡为例,采用显式波动有限元–极限平衡法,阐述所提出的简化方法的详细实施步骤,初步证明所提出方法的可行性和合理性。所建议的简化方法为重要工程岩质边坡震后快速评估和一般工程岩质边坡抗震稳定性评价提供有益的思路和重要参考。     

四川省汶川地震灾区干线公路典型震害特征分析

 基于地震灾区的大量调查、检测、评估与抢通保通的成果,概括介绍了汶川大地震后四川省公路总体损毁情况;归纳总结了四川省国省干线公路工程路基、路面、桥梁、隧道等结构物典型震害特征,并从地质和工程角度简要的分析了震害产生原因。桥梁毁坏程度与发震断裂的距离有很大的关系,隧道破坏程度不仅与发震断裂距离有关,而且与组成围岩的岩性有关,断裂带附近软硬相间的沉积岩隧道震害较为严重,花岗岩隧道震害轻微。边坡震害与断层带距离和组成边坡的岩性、坡度等有关,断裂带附近花岗岩、石灰岩及砂岩等组成的高陡边坡崩塌、滑坡等次生地质灾害非常严重。