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原文传递基于变形破坏模式的高边坡危险路径分析及连通率计算研究——以怒江松塔水电站边坡为例

论文题名：	基于变形破坏模式的高边坡危险路径分析及连通率计算研究——以怒江松塔水电站边坡为例
关键词：	变形破坏模式;边坡模型;危险路径;连通率
摘要：	我国西南地区形成了独特的高山峡谷地貌，随着在这一地区开展的水电工程建设规模的扩大，高边坡岩土体稳定性问题越来越突出。本文以扎实的地质调查和详尽的地质资料为基础，通过对西藏怒江松塔水电站坝址区高边坡岩体结构的精细描述及成因分析，基于地质变形现象调查、中缓倾结构面迹长估计和基于颗粒离散元的边坡岩体结构网络模型及复杂边坡模型的构建，综合分析了边坡变形失稳模式和潜在危险路径，并采用带宽投影法结合边坡岩体结构网络模型对潜在危险路径连通率进行了计算，通过以上系统研究工作，取得以下主要研究成果: 　　(1)从结构面工程地质性状及工程地质意义出发，对工程区揭露的结构面进行了系统地分级分类和精细描述;获得了Ⅱ、Ⅲ级确定性结构面的空间展布特征和工程地质特性，并分段、分部位开展了随机结构面工质特征的数理统计分析。坝址区边坡岩体结构主要由陡倾断层、岩脉与中缓倾随机结构面组成。　　(2)结合边坡结构特征、挽近河谷演化历史，针对坝址区内中缓倾裂隙大部分呈长大结构面或裂隙密集带产出特征，考虑其对边坡稳定性的影响，对中缓倾裂隙（裂隙带）的发育密度、空间分布组合模式、均质区划分及成因机理做了专门研究。　　①获得了中缓倾裂隙的空间分布特征和组合模式。中缓倾裂隙大部分表现为与坡面近于平行，发育深度在150m～200m;不同高程上，中缓倾角裂隙总体表现为“上陡下缓”的特征;水平硐深方向上，中缓倾裂隙总体上表现为由表至里的数量减小，但表现为中缓倾裂隙密集带和稀疏带的相间分布;部分中缓倾裂隙的分布与岩脉、断层密切相关，在距坡表一定深度范围内，在断层、岩脉附近多见中缓倾裂隙密集带的出现，张裂断层、岩脉为中缓倾裂隙的充填泥质提供来源。　　②综合地质分析、微观电镜扫描和FLAC3D数值模拟三种方法，深入分析了中缓倾裂隙的成因，认为其是河谷间歇性快速下切，岸坡相应卸荷的结果。当河谷快速下切时，峰值应力小于岩体破坏的瞬时强度，没有足够的时间产生微裂隙，或微裂纹无法贯通形成宏观破裂，当河谷慢速下切时，岩体内驼峰应力值大于岩体长期强度，在坡体内形成卸荷裂隙。故随着河谷下切速度更替，裂隙带从一个密集带“突跃”过渡到另一个密集带的现象。当硬质均质边坡内增加岩脉、断层等软弱带时会产生沿断层、岩脉松弛，一方面近坡表断层、岩脉的存在会使剪应力增加的集中程度有所增加，且在相邻较近的岩脉之间产生较高的剪应变增量，另一方面大规模的断层、岩脉会使岸坡主要在岩脉、断层宽带内产生在的松弛，弱化中缓倾裂隙密集带的生成。　　(3)根据现场对边坡典型卸荷现象的详尽调查，结合纵波波速、完整性指数、隙宽和及张性裂隙面密度四个定量指标，对坝址区卸荷带进行了定性分析和定量评价相结合的合理划分，确定了岸坡的卸荷组合模式和空间分布特征。　　①获得了坝址区边坡的卸荷分带特征，总体表现为“强卸荷仅局部发育、弱卸荷发育为主、深部集中卸荷典型发育”的特点。即:岸坡强卸荷带局部发育，以宽张裂隙为判断标准，沿岩脉或断层的变形表现为整体松弛脱落。弱卸荷带在各平硐内普遍发育，以发育中缓倾裂隙（中缓倾裂隙密集带），并沿其剪切、剪张变形为主，以及沿断层或岩脉接触边界（而非整体松弛）的张裂变形。深部集中卸荷是松塔坝址区的典型特征，在弱卸荷深度以内，经过大段的新鲜完整岩体后，又可见发育裂隙密集带，但裂隙大多闭合干净，硬性接触，或可见沿单条裂隙、沿断层、岩脉接触边界的张裂夹泥现象。裂隙（裂隙带）间岩体新鲜完整，且裂隙间距较大，由几米至几十米不等。　　②由松塔坝址区的岸坡卸荷机理，弱卸荷带硐深范围以外，岸坡的卸荷组合模式总体表现为沿陡倾岩脉、断层的拉裂与中缓倾裂隙带蠕滑剪切组合形成的陡-缓阶梯状。　　(4)采用Laslett法、H-H法和广义H-H法三种迹长估计模型，针对迹长估计模型对裂隙均匀分布的假设，本文合理划分裂隙均质区，分区、分段估计了裂隙迹长，讨论了三种方法的适用性。由于测量窗口对长大迹长估计能力有限，采用分形分维理论，考虑测量尺度效应，对长大中缓倾裂隙估计迹长进行了修正。并计算得到各分段分区中缓倾裂隙的二维连通率。依据中缓倾裂隙二维连通率结果，结合现场地质调查的边坡裂隙分布特征和变形特征，初步评价了边坡潜在危险路径。认为边坡的潜在危险路径是以浅地表的小规模局部变形为主，且变形模式表现为阶梯形。　　(5)在颗粒离散元数值模拟中，建立了单轴压缩实验和结构面直剪实验，分别用以确定岩石和结构面的宏观力学参数与颗粒微观力学参数的对应关系，为分析平行裂隙密集带的力学特性和评价边坡的失稳模式提供基础。　　(6)针对坝址区内中缓倾裂隙密集带和裂隙稀疏带相间分布的典型特征，结合现场调查，采用PFC2D对含不同数量、间距、带宽、倾角的中缓倾裂隙密集带的岩体在不同围压条件下的力学特性和带内变形方式进行分析。　　①中缓倾角裂隙密集带变形现象可概括为沿单条裂隙的剪切、沿多条平行裂隙的剪切、切层剪切贯通和阶梯形切层剪切贯通四种类型。　　②无论间距大小，随着裂隙数量增加，岩体的峰值强度和弹性模量逐渐降低，特别是当1条裂隙出现在完整岩体中时，下降幅度最大，随着裂隙数量的增加，降低幅值逐渐减小。　　③固定裂隙间距，随着裂隙数量的增加，岩体的破裂宽度会增加，且裂隙间的阶梯形破坏也越明显;固定平行裂隙数量，位于两平行剪切裂隙之间张性翼裂纹之间的距离会随着裂隙间距的增大而增大;固定平行裂隙密集带总宽度，随预制裂隙间距的减小和数量的增加，预制平行裂隙之间的相互作用也越明显。　　④裂隙倾角较缓时，随着裂隙数量的增加，岩体的抗压强度变化不大，随着平行裂隙倾角的增加，岩体的抗压强度随裂隙数量增加下降明显;含相同数量平行裂隙的岩体，随着裂隙倾角由缓至陡，与完整岩体比较，岩体的变形方式由缓倾角的基本无影响，中倾角的沿裂隙剪切变形为主到沿陡倾角裂隙的拉张破裂。　　⑤围压的增大使含平行裂隙密集带岩体的变形方式趋向与完整岩体一致。　　(7)基于裂隙发育程度和空间分布模式，对典型剖面S4线岩体结构进行了工程地质分区，分别统计各区段随机节理的概率模型，采用颗粒离散元PFC的离散网络模拟功能，模拟产生了随机节理的网络模型，然后将随机节理模拟与断层、岩脉等确定性结构面耦合，获得了坝址区的典型岩体结构（网络）模型，并通过平硐实测裂隙图形、裂隙空间组合模式对其效果进行了检验。　　(8)基于颗粒离散元PFC，建立了边坡岩石材料，并将岩石材料与结构面网络模型耦合，构建了复杂边坡模型，并基于重度增加法，对边坡潜在失稳模式和危险路径进行了数值模拟。将数值模拟结果与地质过程机制分析、中缓倾结构面二维连通率计算相互对比验证，获得了边坡潜在失稳模式主要为剪切-拉裂。　　左岸边坡的潜在失稳路径主要表现为高高程的陡倾拉裂在坡脚产生压剪构成的长板状块体失稳，低高程则由断层、岩脉与中缓倾裂隙组成阶梯状变形。　　右岸边坡的潜在失稳模式以剪切-拉裂为主，潜在危险路径则以浅坡表陡倾断层、岩脉与中缓倾裂隙组合形成的小规模阶梯形为主。但在边坡内部存在1个使边坡整体变形的潜在危险路径。　　(9)通过将构建的岩体结构网络模型导出到CAD，基于带宽投影法，获得了每个潜在危险路径的连通率，并通过对潜在危险路径分段计算连通率，确定了各个潜在危险路径上的锁固段。结果表明，边坡变形破坏模式为阶梯形为主，整体失稳为“三段式”。边坡以浅坡表的阶梯形的变形路径连通率值较高，而边坡整体失稳的潜在危险路径连通率值较低。　　(10)本文以扎实的地质调查和详尽的地质资料为基础，建立了“以边坡变形破坏模式分析为前提，通过耦合边坡岩体结构网络模型和边坡重力场，获得边坡潜在危险路径，然后以边坡岩体结构网络模型为基础，结合带宽投影法对危险路径进行连通率计算”的研究新思路，提高了边坡稳定性和连通率评价的可靠性。
作者：	赵伟华
专业：	地质工程
导师：	黄润秋
授予学位：	博士
授予学位单位：	成都理工大学
学位年度：	2015
正文语种：	中文