随着西部水电大开发的逐渐展开,边坡工程中存在的岩体稳定性问题,在水电工程建设中显得日渐突出。这类边坡工程有一个共同的特点,就是所建边坡工程一般都进行厂人工开挖,边坡既高又陡,地质条件复杂,环境因素恶劣,不仅有强烈的卸荷作用,并且多因素联合作用。
本书的研究成果,即是针对隔河岩水电站厂房后边坡工程运用卸荷岩体力学的理论与方法,综合考虑了该边坡的原始地应力场、岩体的开挖卸荷、加固、渗流、大坝推力等多因素的作用。对隔河岩厂房后边坡进行了全面的分析和评价,得出了该边坡在现有条件下是稳定的结论,为该工程的安全运营提供了有价值的参考。
本书可供水利水电、土木建筑、矿山铁道、公路交通等部门的教师、科研人员及研究生阅读和参考。
前 言
水利水电工程中常常会遇到大量的岩石边坡工程,这些边坡工程中一般都存在着岩体稳定性问题,有些问题已成为了工程建设进程与安全的重要制约因素。随着西部水电大开发逐渐展开,该问题在蓬勃发展的水电工程建设中显得更为突出。这类边坡工程有一个共同的特点就是:所建边坡工程一般进行了人工开挖,边坡既高又陡,地质条件复杂,环境因素恶劣,不仅有强烈的卸荷作用,并且多因素联合作用。因此,针对边坡工程的研究是水利水电工程边坡中一个突出的问题,该研究对水利水电工程的安全性具有十分重要的意义。
过去对岩石边坡工程的研究,一般是建立在传统的岩石力学理论与方法的基础上,即应用传统的岩石力学的概念、理论和方法去研究岩石边坡工程的稳定和变形问题。自然状态下的岩体经过漫长的地质年代作用后,一般处于稳定的平衡状态。开挖后的岩石边坡工程, 由于岩体的开挖、地应力的释放,这种平衡状态遭到了破坏,释放的地应力对边坡岩体来说,将导致余留岩体的二次应力重分布。而这种地应力的二次重分布要靠边坡岩体自身来承担,这就是说,这种边坡岩体处于卸荷的力学状态。处于卸荷应力状态下的岩体,其应力应变的路径、参数的选择、屈服条件的选取以及岩体分析的方法等,均应不同于传统的岩体力学方法。因此,对于开挖卸荷岩体而言,采用卸荷岩体力学的理论与方法作为分析的基础是比较合适的。
卸荷岩体力学的理论与方法也经历了一个由实践到理论,再由理论到实践的过程。这一概念首先由哈秋龄教授提出,也是哈秋舲教授在从事岩石力学与工程研究及实践数十年的经验基础上提出来的。作者作为哈秋舱教授的学生,也一直致力于卸荷岩体力学理论与方法的研究,从专项研究到研究体系的建立,不断丰富和发展了卸荷岩体力学理论和方法体系。目前,该理论与方法在国内一些重要工程,如三峡、隔河岩、水布垭、锦屏、观音岩、白鹤滩等工程中得到了广泛的应用。
隔河岩水电站厂房后边坡就是卸荷岩体力学研究与应用的一个典型的例子。隔河岩水电站始建于1987年,1994年底全部建成发电,其中引水隧洞进出口边坡(电站厂房后边坡)是该工程的重要建筑物之一。该边坡经过开挖后进行了加固,由于地质条件的复杂性,其变形与稳定是影响工程安全性的重要问题之一。如何判断它的安全性,一直是人们关注的问题。过去人们对此进行了一些研究,但一般局限于少数几个影响因素,且没有考虑岩体开挖卸荷的影响。因此基于卸荷岩体理论与方法,对影响该工程的多因素进行全面的研究是十分必要的。
隔河岩水电站厂房后边坡岩体是一个自然卸荷和人工开挖卸荷兼有的典型的卸荷岩体问题。该边坡稳定分析涉及到原始应力场、开挖卸荷、加固、渗流、大坝的推力及岩体蠕变等作用,是一个十分复杂的边坡稳定的问题。对该边坡所作的全面分析,对隔河岩水电站的安全运行具有十分重要的意义,同时针对该边坡稳定性研究也是卸荷岩体力学理论全面应用的一个完整实例。
本书的研究成果,即是针对隔河岩水电站厂房后边坡工程运用卸荷岩体力学的理论与方法,综合考虑了该边坡的原始地应力场、岩体的开挖卸荷、加固、渗流、大坝推力等多因素的作用。从地质条件入手,选择与卸荷岩体力学理论相适应的力学参数,考虑多种因素及其相互作用的影响,对隔河岩厂房后边坡进行了全面的分析和评价,得出了该边坡在现有条件下是稳定的结论,为该工程的安全运营提供了有价值的科学依据。
本书是在研究报告《清江隔河岩电站厂房高边坡变形机制及稳定分析》的基础上整理写成的。研究期间得到了湖北清江水电开发有限责任公司谭少华副总经理、刘家祥高级工程师、刘原峰主任的悉心指导;得到了三峡大学杨学堂教授、许文年教授的大力帮助;同时,邓华锋、黄建文、周济芳、陈平山、邓钦、郑炎、李红心、胡海浪、王小虎、赵二萍等研究生也为此付出了辛勤的劳动。在此,一并谨向他们表示衷心的感谢。
本研究得到了国家自然科学基金的资助(项目批号:50379023),同时,本书的出版得到了三峡大学重点学科建设经费的支持,对此我们诚表感激。
对于书中的不妥或疏误之处,敬请读者批评指正。
作者
2006年5月
于宜昌
前言
1 绪论 1
1.1 边坡的分类 1
1.2 边坡工程 1
1.3 边坡稳定性的研究方法 2
1.4 岩石边坡稳定性分析的相关内容 18
1.5 卸荷岩体力学概述 19
1.6 边坡工程展望 23
1.7 本书的主要内容 25
1.8 小结 25
2 隔河岩水电站工程概况及地质条件分析 27
2.1 iL程简介 27
2.2 研究内容 30
2.3 研究方法 30
2.4 研究思路及技术路线 30
2.5 工程地质条件与地质模型 31
2.6 隔河岩后边坡工程地质模型 34
2.7 小结 44
3 岩体宏观力学参数分析与选择 45
3.1 岩体质量的分级方法 45
3.2 岩体力学参数模拟方法的研究 57
3.3 岩体等效参数的确定方法 59
3.4 电站厂房高边坡岩体参数的数值分析 60
3.5 分步分级计算模拟宏观力学参数的特点 67
3.6 分步分级法与RMR法的对比分析 67
3.7 小结 71
4 卸荷岩体变形机制研究 72
4.1 岩体的本构关系模型 72
4.2 屈服条件与屈服面 77
4.3 屈服准则 77
4.4 岩体的加荷卸荷准则 81
4.5 岩体非线性的分析方法 95
4.6 岩体弹塑粘性损伤的本构关系 96
4.7 小结 109
5 计算模型及计算工况 110
5.1 概述 110
5.2 计算方法及程序简介 110
5.3 计算模型 111
5.4 计算工况 114
5.5 小结 117
6 边坡开挖卸荷及加固的有限元分析 118
6.1 初始应力场的计算成果及其分析 118
6.2 边坡开挖的计算成果及其分析 121
6.3 边坡开挖卸荷的计算成果及其分析 125
6.4 预应力锚索加固边坡的采用 130
6.5 隔河岩后边坡加固工况的模拟 134
6.6 小结 144
7 边坡与坝体的相互作用 145
7.1 引言 145
7.2 大坝对右岸岩体的推力计算 145
7.3 大坝推力对边坡变形的影响 149
7.4 边坡变形对坝体的影响 153
7.5 考虑损伤和蠕变对边坡变形的影响 154
7.6 二维计算的成果及其分析 158
7.7 小结 165
8 边坡渗流分析 166
8.1 边坡渗流分析的研究意义 166
8.2 边坡岩体的渗流分析 167
8.3 边坡岩体卸荷与渗流的耦合分析 175
8.4 小结 180
9 边坡变形趋势预测 181
9.1 边坡工程的监测 181
9.2 隔河岩后边坡的监测概况 193
9.3 隔河岩后边坡监测的成果分析 193
9.4 监测成果与计算成果的比较 205
9.5 变形趋势的预测与评价 209
9.6 小结 210
10 边坡及坝体稳定性的安全评价 212
10.1 概述 212
10.2 边坡稳定性的安全评价 212
10.3 坝体稳定性的安全评价 223
10.4 小结 225
11 结论及建议 226
参考文献及资料 229