巖石高邊坡變形穩(wěn)定性及其控制2

1、提 綱,1. 前言2. 西南地區(qū)巖石高邊坡的主要特點3. 相關的科學和工程技術問題4. 巖石高邊坡發(fā)育的動力學過程5. 典型巖石高邊坡變形破壞機理6. 開挖過程中高邊坡的變形破壞、穩(wěn)定性評價 及其控制原理7. 基于變形理論的高邊坡變形過程模擬與過程控制技術8. 實例研究9. 結束語,從大量的工程實例和一般規(guī)律的總結可見：開挖邊坡由于卸荷效應的影響，必然會產生一定量級的變形響應和伴生的破裂現(xiàn)象。關鍵是要認識這種變形

2、的性質及其對邊坡穩(wěn)定性的涵義。 從這些事例也可以看出，人工邊坡在開挖過程中的變形破裂響應與自然邊坡在河谷下切過程中所發(fā)生的響應具有相似形，均屬于“卸荷”響應。從變形破壞的地質-力學行表現(xiàn)上，這種變形具有兩種基本性質： 一是“表生改造型”的變形和破裂：即巖質高邊坡形成過程中，伴隨河谷的下切或邊坡的開挖，邊坡應力釋放，從而驅動邊坡巖體產生變形和破裂，以適應新的平衡狀態(tài)，這個過程我們稱之為表生改造。這個過程中產生的變

3、形與破裂我們稱為表生改造變形或破裂。 這個階段驅動邊坡變形和破裂的動力是邊坡開挖引起的內部應力釋放，可以稱為“釋放應力”。,6.1 開挖過程中高邊坡變形破壞響應,二是“時效性質的變形”。當邊坡完成表生改造而形成新的應力場體系后，邊坡的應力場將轉為以自重應力場為主的狀態(tài)。這時，邊坡可能有兩種走向，一是由于沒有進一步變形的條件從而形成新的穩(wěn)定結構而處于平衡狀態(tài)；另一種走向就是邊坡內存在不良的地質結構，邊坡將在自重應力場的驅動下，繼續(xù)發(fā)生隨時

4、間的變形破裂過程，這個過程我們稱之為時效變形。顯然，這個階段驅動邊坡變形、破裂甚至破壞的“動力”是邊坡的自重。 最后，隨著“時效變形”的發(fā)展，邊坡將進入以潛在滑動面累進性破壞、滑動面貫穿、滑面形成為特征的破壞階段。,6.1 開挖過程中高邊坡變形破壞響應,（1）強烈變形及破壞區(qū) （2）時效變形區(qū) （3）表生改造區(qū) （4）應力約束區(qū),,,破壞區(qū),,,,,時效變形區(qū),表生改造區(qū),應力約束區(qū),,,,6.1 開挖過程中高邊坡變形破壞

5、響應,邊坡巖體的“表生改造”和“時效變形”是邊坡穩(wěn)定性地質-力學行為的兩個重要方面。理論上，在卸荷條件下任何高邊坡都是在經歷表生改造以后，才進入后續(xù)的時效變形階段；也只有通過時效變形，潛在滑動面才得以充分發(fā)育并最終貫穿，從而導致邊坡的最終失穩(wěn)。 邊坡經表生改造進入時效變形，再由時效變形進入最終的破壞階段，嚴格說來，這是任何一個邊坡演化都將經歷的三個階段。,6.1 開挖過程中高邊坡變形破壞響應,(1) 性質和特點

6、 表生改造是與坡體開挖過程相伴生的地質-力學行為，是卸荷回彈性質的變形。有以下特點： 表生改造的變形與邊坡的開挖卸荷有很好的對應關系，是一種開挖坡體由于卸荷作用產生的回彈變形， 這種變形性質宏觀上是“彈性”的，隨著開挖的進行，卸荷的過程而產生，一旦開挖過程結束，變形很快就停止，幾乎沒有后續(xù)的變形。 變形的方向也是指向與臨空面垂直方向的； 會產生與變形相對應的卸荷破裂，但方向是

7、平行臨空面的。 表生改造一方面起到釋放坡體應力，促進邊坡應力場形成的作用；另一方面，這個過程的發(fā)生形成了邊坡淺表部的“卸荷松弛帶”，從而劣化了巖體的工程地質條件，主要表現(xiàn)在：卸荷松弛帶破壞了邊坡的巖體結構，導致巖體宏觀強度和結構面強度的降低，形成邊坡繼續(xù)變形的幾何和力學邊界條件等。,關于表生改造變形,,有的邊坡表生改造完成后，就會處于穩(wěn)定狀態(tài)，不會產生隨時間的變形，即進入不了“時效變形”階段。反映在監(jiān)測曲線上就是變形隨開挖過

8、程而發(fā)展，盡管開挖過程中還可能出現(xiàn)較大的變形速率（高應力、快速開挖情形），但開挖結束后，位移速率將迅速降低，并趨于平緩，兩者基本同步（“同步型”）；邊坡進入不了時效變形，進而也沒有整體失穩(wěn)破壞的可能。因此，這類邊坡通常整體是穩(wěn)定的。,(2) 條件 那么，什么樣的邊坡只產生表生改造變形呢？顯然識別這類邊坡是很重要的！ 邊坡內沒有特定的不利結構面或結構面組合！,關于表生改造變形,三峽船閘高邊坡,1999.05,（整體

9、塊狀結構巖體的邊坡）,TP21GP02測點（右線南坡15571,高程200m）變形過程線（據(jù)[28]）,變形監(jiān)測情況,外觀點變形,開挖引起的卸荷-卸荷帶的劃分,卸荷帶劃分的定量研究,開挖引起的卸荷,,,,,開挖引起的卸荷,對于結構相對完整，由微新的塊狀或整體塊狀巖體構成的巖石高邊坡，開挖過程的卸荷變形響應為： （1）邊坡的變形主要受開挖的影響；開挖結束后，變形很快停止，“工后”剩余變形很小。這表明，巖體還主要是彈性

10、介質，變形是開挖卸荷所產生的彈性恢復，滯彈性很小。也就是說，沒有隨時間發(fā)生的時效變形。 （2）當邊坡內不存在對變形不利的控制性結構面時，邊坡的變形總體表現(xiàn)出較強的連續(xù)性，表現(xiàn)在內觀點的觀測曲線上，由坡面向內部，變形是逐漸連續(xù)減小的，除了淺表部3-5m施工的強烈擾動區(qū)外，內部不存在變形的“不連續(xù)”現(xiàn)象。 （3）當邊坡內存在小規(guī)模斷層或長大結構面時（不構成控制性破壞面），坡體內部的變形將會出現(xiàn)相對的“不連續(xù)

11、現(xiàn)象”；對本案而言，這種特定的開挖強卸荷深度約在13-15m（直立段開挖高度約50m）范圍。,認 識,,工程概況,岷江紫坪鋪水電站,,800,750,900,,進水口邊坡的巖體結構特征,,L10,邊坡中下段上游側,,L10,L11,變形破裂機理—壓縮傾倒型,,硐臉邊坡857m便道一帶L11下部巖層的傾倒拉裂縫,,硐臉邊坡頂部因壓縮蠕變傾倒引起的墻體拉裂現(xiàn)象,變形破裂現(xiàn)象,,,,MIP1多點位移計時間－位移過程線,MIP1多點位移計位移

12、－孔深曲線,邊坡變形監(jiān)測,,,MIP4多點位移計位移－孔深曲線,MIP4多點位移計時間－位移過程線,邊坡變形監(jiān)測,① 隨著邊坡的開挖（約7個月），邊坡的變形有明顯增大的趨勢；在受支護措施控制的情況下，邊坡的最大變形量已達55mm以上。從2002年11月30日開始（不包括此前的變形），到2003年5月31日，位于865高程的MIP4測點表面點的位移量為55.8mm， 845m高程的MIP3測點表面點的位移量為32.5mm。隨著高程的降低，

13、邊坡的變形具有減弱的趨勢，表現(xiàn)在邊坡的變形量及變形涉及深度均逐漸減小。 ② 從位移與孔深的關系看，開挖量較大的硐臉邊坡，845m高程以上的MIP1、MIP3、MIP4等監(jiān)測點一帶的邊坡變形的最大涉及深度一般可達25－30m左右，但變形主體發(fā)生在0-10~12米的范圍內，如MIP4測點位移主要發(fā)生在7.0m以外的坡體，而7~26m位移隨深度的增加而遞減，26.0m以內的巖體已基本未有變形。,邊坡變形監(jiān)測,,,,③ 2003年2月初，隨著

14、開挖量的增大，邊坡的變形持續(xù)增大，自2003年4月中旬始，隨著坡體開挖結束、錨索支護的加強以及進水口處閘室修建等，尤其是邊坡上部對穿錨索的施工完畢，邊坡的變形明顯得到控制，位移曲線逐漸趨于平緩，2003年5月份各支儀器表面點的平均位移速率均小于0.10mm/d，2003年5月份始邊坡已趨穩(wěn)定。 ④ 上述監(jiān)測資料顯示，開挖邊坡的變形具有傾倒變形的特征，這與邊坡結構分析及邊坡的變形跡象所顯示的變形特征具有較好的一致性。,邊坡變形監(jiān)測,認

15、 識,（1）邊坡的變形隨著開挖的進行而發(fā)展，開挖的結束而停止，兩者基本同步。表明這種變形的產生主要受開挖卸荷的影響，是邊坡開挖過程中，坡體的卸荷回彈的調整變形，變形本身具有“彈性性質”。變形的量級最大50-60mm。（2）邊坡的變形主要發(fā)生在淺表層0-10m的范圍內。這個深度相當于開挖引起邊坡的“強卸荷區(qū)”，顯然是在正常的范圍之內。（3）盡管邊坡中有反傾向坡內的軟弱巖帶，但是由于傾向坡內，并沒有對邊坡的整體變形起到控制作用。因此，邊

16、坡開挖結束后，由于坡體不存在繼續(xù)變形的結構條件，變形也就很快停止了。（4）顯然，這類邊坡只具備開挖卸荷過程中發(fā)生表生改造變形(卸荷回彈變形)的動力條件，而不具備發(fā)生“時效變形”的結構條件。,小灣進水口邊坡變形分析,,（1220m高程，靠近f3，變形輕微:總變形量約6mm：0.5mm/月）,協(xié)調漸變型：1，12號內觀點為代表，變形表現(xiàn)一定的連續(xù)性和由表及里的漸變性。,,,邊坡變形監(jiān)測,這類變形總體表現(xiàn)為變形量由坡面向坡內逐漸變形，漸進連

17、續(xù)變化。表明坡體的變形是連續(xù)的，沒有受到特定的結構面控制?？傋冃瘟枯^小，其量級取決于巖體的宏觀特性和支護的強度。盡管12號點變形量相對較大，但仍在巖體的正常變形范圍內。,邊坡變形監(jiān)測,淺表松弛型：3，6，8，10，11，13號內觀點為代表。變形具有不連續(xù)性：0-3m(個別8m)范圍內變形相對較大，3-5mm/月，個別（局部）達十余mm；此以內變形量小，總量毫米級，速率低，0.5-2mm/月，屬正常變形。,,,邊坡變形監(jiān)測,,,,邊坡變形

18、監(jiān)測,總的來看，這類點所代表的部位巖體發(fā)生的是淺表部的正常卸荷松弛，深度范圍3-5m，個別8m，變形量一般3-5mm/月，個別點可達十余mm。淺表部的變形不受某一明顯的特定結構面控制，而是形成卸荷松弛帶。,邊坡變形監(jiān)測,邊坡變形監(jiān)測,,1220m高程，靠近f89-1,,,回彈錯動型：變形在距坡面一定深度范圍內具有很好的同步性和一致性。表明在這個深度上存在特定的結構面，控制了其外側邊坡在開挖卸荷過程中的整體回彈變形。,邊坡變形監(jiān)測,122

19、0m高程，靠近f89-1,邊坡變形監(jiān)測,變形方向為NE向，受開挖臨空面控制，仍然屬于回彈變形，只不過是沿緩面發(fā)生，一定深度范圍內變形具有同步性、一致性。,邊坡變形監(jiān)測,邊坡經表生改造進入時效變形，再由時效變形進入最終的破壞階段，嚴格說來，這是任何一個邊坡演化都將經歷的三個階段。但是，從是否具有工程地質意義的角度來講，邊坡的演化能否進入時效變形階段，并通過時效變形進入最終的破壞，主要還取決于邊坡的地質結構特征。實踐表明：以下幾類邊坡的地質

20、結構非常有利于邊坡在完成表生改造后，進入時效變形階段： （1）邊坡內具有傾向坡外的緩傾角結構面，且傾角與殘余摩擦角接近。 （2）邊坡具有由軟巖構成的軟弱基座。 （3）由近直立中-薄層狀巖層構成的陡邊坡(尤其是軟巖或有軟巖夾層) （4）碎裂結構巖體邊坡。 （5）堆積體（散體）邊坡。,關于時效變形:,6.1 開挖過程中高邊坡變形破壞響應,“時效變形”是在表生改造結束后，緊接著發(fā)生的一種隨時間逐漸發(fā)展的變形。在這

21、種情形下，邊坡的變形表現(xiàn)并不伴隨開挖過程的終止而停止；而是在開挖結束后，還將發(fā)生持續(xù)的變形；這種變形不完全取決于“開挖卸荷過程”的影響，甚至在量級上會超過開挖卸荷過程中的變形。更有甚者，開挖過程中，幾乎沒有卸荷響應，而在結束后，會有很大的變形發(fā)生。表現(xiàn)在變形監(jiān)測曲線上，”小灣飲水溝堆積體就是一個典型的實例！。 這種情形在我們所總結的“模式”中，對應于“時效變形”。也就是說，伴隨開挖過程，邊坡應力釋放，產生回彈變形。但是由于坡

22、體具有前述的不利的地質結構，因此，開挖結束后，變形會轉而受到坡體中不利的地質結構控制，從而在調整后的邊坡應力場作用下，沿著這些不利的地質結構或“弱面”，產生持續(xù)的變形。反映在監(jiān)測曲線上是“延持型”，也就是開挖結束后，位移還在繼續(xù)發(fā)展，并可能保持一定的速率。,6.1 開挖過程中高邊坡變形破壞響應,,,,,,,,,關于時效變形,6.1 開挖過程中高邊坡變形破壞響應,,小灣水電站飲水溝堆積體變形與災害防治,2003年11月17日，飲水溝堆積體

23、邊坡開始出現(xiàn)異常變形 2003年12月17日，在堆積體下游側緣附近EL.1420~1480m馬道間發(fā)現(xiàn)裂縫 隨后在堆積體上游側緣、堆積體上部也相繼發(fā)現(xiàn)裂縫。 此外，在1378排水洞洞壁(襯砌)也有裂縫發(fā)育。,邊坡變形開裂跡象,總的看來，自2003年12月17日發(fā)現(xiàn)裂縫以來，隨著邊坡變形的發(fā)展，不斷有新增裂縫出現(xiàn)，分布范圍擴大；已有裂縫發(fā)生不同程度的位移，甚至出現(xiàn)延伸長度擴展。到20

24、04年3月31日，堆積體坡面上EL.1245~1588m之間先后共出現(xiàn)約150條裂縫。,變形過程及趨勢分析,●坡面裂縫總體發(fā)育特征 1) 2003年12月17日～2004年3月31日之間，每天新增裂縫條數(shù)及每天發(fā)生長度擴展的裂縫條數(shù)進行統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，裂縫的形成與發(fā)展表現(xiàn)出明顯的階段性：裂縫形成→變形累計→裂縫長度擴展、新增裂縫→變形累計(圖3-1)。 顯然，新裂縫出現(xiàn)或已有裂縫發(fā)生長度擴展應代表著一種“非穩(wěn)定

25、擴展”，而裂縫位移的持續(xù)增大則代表著一種“穩(wěn)定擴展”。由此看來，堆積體邊坡坡面裂縫的發(fā)展，大體從2004年2月下旬即進入了“穩(wěn)定擴展階段”。此后，之所以未出現(xiàn)進一步的、新的“非穩(wěn)定擴展”可能與以下兩方面因素有關： 一是，它的出現(xiàn)需要一定程度的變形累計； 二是，搶險支護在后期逐漸開始發(fā)揮作用。,變形過程及趨勢分析,2)在整個堆積體坡面上，裂縫的空間分布是極不均勻的，隨著時間的持續(xù)，新增裂縫的分布出現(xiàn)明顯的遷

26、移特點(圖3-2)。 2003年12月中下旬出現(xiàn)的裂縫，數(shù)量較少、延伸長、連通程度高，集中分布于堆積體上下游側緣及其附近。裂縫形態(tài)以縱向裂縫為主，少量弧形、橫向、斜向裂縫。以剪性或剪張性為主、少量張性。 2004年2月中上旬(2月5日~2月17日)新增的裂縫，數(shù)量較多、延伸相對較短，連通程度低，大多數(shù)分布于EL.1480m馬道及其以上的堆積體表面。裂縫形態(tài)以橫向、斜向裂縫為主，少量縱向裂縫。以張剪性或張性為主。,,,照

27、片2(b) 1480m馬道北端沿古錯動面的剪脹現(xiàn)象(上游邊界)(2004年3月13日攝),照片2(a) 1480m馬道北端沿古錯動面的剪脹現(xiàn)象(上游邊界)(2004年2月1日攝),,變形過程及趨勢分析,,,,,,2號山梁Ⅲ區(qū)表面測點位移～時間過程曲線,,綜合治理工程,（1）上述的討論可以歸結為： 巖石高邊坡的演化是一個動態(tài)的地質-力學過程，邊坡通過變形的積累（量變），逐漸發(fā)展到破壞的發(fā)生（質變，災變），這個過程具體

28、就表現(xiàn)在上述隨時間的三階段演化上。 從這個意義上講，高邊坡的“穩(wěn)定性”是隨邊坡變形-破壞發(fā)生、發(fā)展的一個動態(tài)問題。我們所看到的只是這個“過程”的某個具體“片段”，而需要的則是對這個過程的全面了解和掌握，尤其是伴隨這個過程，高邊坡的潛在滑動面是怎樣孕育和演化的。只有從全過程上、內部作用機理上掌握其變形破壞的演變規(guī)律和滑動面貫穿機制，才能對其穩(wěn)定性現(xiàn)狀和今后發(fā)展趨勢作出合理的評價和預測（這就是我們所倡導的“地質過程機制分析—定量評價”

29、的學術思想）。,6.2 高邊坡的變形穩(wěn)定性及分析評價,（2）基于以上的認識，“巖石高邊坡穩(wěn)定性評價”的核心就是要闡明邊坡變形破壞的過程和機理，并從地質-力學的角度進行刻畫，而這種刻畫的關鍵是“變形”。因此，與傳統(tǒng)意義上的“強度穩(wěn)定性問題”不同，巖石高邊坡穩(wěn)定性評價更應該是一個“變形穩(wěn)定性”問題。實際上，傳統(tǒng)的基于極限平衡理論的“強度穩(wěn)定性”是變形發(fā)展到累進性破裂階段、滑動面基本形成后的狀態(tài)，而對絕大多數(shù)巖石高邊坡而言，滑動面是伴隨變形-

30、破裂發(fā)展而逐漸孕育的，在變形的初期或一定階段，滑動面尚未形成，也就不存在所謂傳統(tǒng)的“強度穩(wěn)定性”問題。因此，巖石高邊坡穩(wěn)定性評價應該采用“變形穩(wěn)定性分析”的途徑。,6.2 高邊坡的變形穩(wěn)定性及分析評價,6.2 高邊坡的變形穩(wěn)定性及分析評價,6.2 高邊坡的變形穩(wěn)定性,6.2 高邊坡的變形穩(wěn)定性及分析評價,6.2 高邊坡的變形穩(wěn)定性及分析評價,（3）“變形穩(wěn)定性分析”包含兩方面的涵義： 一方面是通過高邊坡變形破壞現(xiàn)象的分析和機制的

31、研究，以滑動面演化過程描述為基礎，建立邊坡變形破壞的機理模型，從而提出穩(wěn)定性的判據(jù)和失穩(wěn)準則； 另一方面，是充分運用現(xiàn)代數(shù)學-力學理論和計算機技術，實現(xiàn)高邊坡變形破壞演變的全過程模擬和過程控制，從而根據(jù)模擬結果對穩(wěn)定性現(xiàn)狀進行量化評價，并通過模型的時-空延拓進行穩(wěn)定性預測。實際上，以上兩個方面是相互支撐，有機結合的，前者偏重地質分析，后者則強調模型的理論驗證和整體分析。,6.2 高邊坡的變形穩(wěn)定性及分析評價,根據(jù)以上變形穩(wěn)定性

32、的原理，高邊坡穩(wěn)定性的控制，關鍵在于控制變形；變形控制住了，不具備進一步發(fā)展的條件了，滑動面的演化就會在“孕育”或者“發(fā)展”階段結束，從而進入不了最終的累進性破壞階段。,6.3 高邊坡穩(wěn)定性的控制原理,6. 高邊坡變形穩(wěn)定性評價及其控制原理,一般意義上講，如果邊坡中沒有不利的地質結構面，邊坡只會產生開挖卸荷引起的“表生改造變形”，而后就處于穩(wěn)定狀態(tài)；通常情況下，它不會影響邊坡的整體穩(wěn)定性，因此，一般的邊坡可以不更多的考慮對它的控制（控制

33、起來難度也比較大?。?。 但是不是所有情形都這樣呢？這關鍵還要看這種“表生改造”變形的程度和工程的重要性。對重要等級的工程邊坡，過大的變形同樣會影響邊坡的工作狀態(tài)，這同樣也是一個穩(wěn)定性問題（“變形穩(wěn)定性”）。因此，在這種情形下，對這類變形進行合理的評價，在開挖過程中采取適當?shù)目刂拼胧┤匀皇潜匾摹?必須明確的是，這種情形下，所采取的邊坡穩(wěn)定性控制措施是針對淺表層的“表生改造”變形所采取的，不是針對沿著特定破壞

34、面的“強度穩(wěn)定性”問題采取的。兩者在設計的控制范圍和控制的工程量上應該有本質的區(qū)別。,6.3 高邊坡穩(wěn)定性的控制原理,工程經驗表明，發(fā)生這種變形的邊坡在地質上前提條件是沒有顯著的失穩(wěn)破壞控制性結構面，通常具有以下的特點： （1）結構狀態(tài)較好，通常具有整體或塊狀結構的邊坡； （2）反傾層狀結構邊坡或近水平層狀結構邊坡； （3）含有陡裂面，但通常產狀近直立。 。。。。。。。,6.3 高邊坡

35、穩(wěn)定性的控制原理,當邊坡中存在不利的地質結構面，邊坡在完成“表生改造”變形后，將進入“時效變形”階段。這種邊坡具有極大的破壞潛在風險。對這種邊坡必須采取強有力的變形控制措施，否則坡體中的弱面可能會因為持續(xù)的變形而逐漸喪失強度，反過來又促使邊坡變形進一步發(fā)展，變形-強度曲線跨越了峰值，進入累進性破壞階段，坡體最終產生整體滑移性質的失穩(wěn)破壞。 對這種性質變形的控制時機，理論上應該是在時效變形的初期，而且越早越好。遲了，變形充分發(fā)

36、展，滑動面的演化進入不可逆轉的狀態(tài)，這時，一方面留給支護的時間縮短；另一方面，支護的強度也會陡然增大。,6.3 高邊坡穩(wěn)定性的控制原理,6.3 高邊坡穩(wěn)定性的控制原理,,上述的分析表明，大部分的情況下，高邊坡的“不穩(wěn)定性”首先表現(xiàn)為隨時間持續(xù)發(fā)展的時效變形過程，當變形量累積到一定程度，邊坡才進入快速發(fā)展階段（或加速蠕變階段）。這個從時效變形轉入加速蠕變的轉折點，可以認為是潛在滑動面的強度得到最大調動的時候；這之后，潛在滑動面將出現(xiàn)“損傷

37、”的非穩(wěn)定的擴展，出現(xiàn)累進性的破壞，滑面強度迅速降低，坡體變形快速發(fā)展，最終失穩(wěn)破壞。這時，潛在滑動面的強度通常是在殘余點上。由此可見，高邊坡穩(wěn)定性不是一個簡單的“強度穩(wěn)定性”的概念，而是一個變形穩(wěn)定性問題。這類問題用傳統(tǒng)的極限平衡理論往往是很難評價的?！?實際工程中，在使用這套方法時，常常也出現(xiàn)這樣的尷尬，就是將室內或現(xiàn)場試驗獲得的強度參數(shù)做各種認為的折減或整調，來符合所謂的“實際情況”。,6.3 高邊坡穩(wěn)定性的控制原理,幾個基本

38、的原則： （1）低開口 （2）高清坡 （3）緩接坡 （4）強鎖頭 （5）緊箍腳,6.4.基于變形控制的巖石高邊坡設計原則,（1）低開口：邊坡開口線確定的原則一方面是要考慮邊坡本身的地質條件；另一方面也要考慮盡量減少對自然邊坡的影響，尤其是在開口線上方存在高陡邊坡的情形。這就要求邊坡在通過合理的工程措施能夠達到設計安全標準的前提下，盡量降低它的開口線高程，減小開挖邊坡高度，做到對自然邊坡盡量小的干擾。在允許

39、的情況下，要不惜采用強支護措施實現(xiàn)這一點。,6.4.基于變形控制的巖石高邊坡設計原則,高開口,（2）高清坡：邊坡開口線降低后，必然會在其上方保留了相當高度的自然高陡邊坡。通常這部分邊坡的問題主要是表層由于強烈卸荷形成的松弛巖體和局部“危巖體”，他們對施工及建筑物的長期運行仍然構成嚴重威脅。對這部分坡體要高度重視，認真“清理”。這里所謂“清理”包括以下措施：首先是清除穩(wěn)定性條件極差，呈“松脫”狀況的“危巖體”及局部強卸荷巖體；然后，采用主

40、動防護(掛網+錨桿)及被動攔擋措施進行邊坡防護。,6.4.基于變形控制的巖石高邊坡設計原則,溪洛渡水電站右岸高邊坡全景,（3）緩接坡：“緩接坡”是指在開挖邊坡上方有陡自然邊坡的情形，這時，邊坡的開口線與自然陡邊坡之間的“銜接”最好有一定的“緩沖帶”，即“緩坡段”相接。要盡量避免開挖邊坡的開口線“直抵”自然陡邊坡坡腳的情況出現(xiàn)；因為，這時，開挖邊坡會對自然邊坡形成“掏坡腳”的情形，這種情形會在很大程度上改變(劣化)自然邊坡的應力條件，對自

41、然陡邊坡的穩(wěn)定性產生極為不利的影響。如果確實不能避免此種情形，要在充分評估的基礎上，開挖前就對自然陡邊坡進行加固。,6.4.基于變形控制的巖石高邊坡設計原則,（4）強鎖頭：降低開口線的結果通常是出現(xiàn)陡坡率的人工邊坡，這時，特別要強調的是開口線以下一定范圍的“坡頭”部分要加強支護，形成“強鎖頭(口)”的支護態(tài)勢；這部分通常也是坡體的卸荷風化帶，巖體條件較差，開挖過程中變形易于發(fā)展?！皬婃i頭”通常通過錨索支護的形式實現(xiàn)，錨索的深度應該通過開

42、挖邊坡變形影響分析來確定。同樣道理，在鎖頭的同時，也要注意“鎖邊”。,6.4.基于變形控制的巖石高邊坡設計原則,（5）緊箍腳：坡角部位往往是邊坡容易“出事”的另一個重要部位。因為，對開挖巖石邊坡來說，坡角部位往往是壓、剪應力的集中部位，破壞面也常常從此部位貫穿。因此，這一部位應該加強支護，形成類似一個“箍帶”的加強區(qū)，把坡腳部位箍住?！熬o箍腳”除了為邊坡提供主動抗力外，也起到了改善坡腳部位應力狀態(tài)的作用，從而避免這一部位剪切和壓剪破壞的

43、出現(xiàn)。,6.4.基于變形控制的巖石高邊坡設計原則,1. 工程地質基本理論觀點 (1)高邊坡動態(tài)地質歷史過程分析理論，即變 形破壞機制分析 (2)高邊坡穩(wěn)定性的時效變形理論: 表生改造—時效變形—失穩(wěn)破壞 (3)變形穩(wěn)定性評價 (4)高邊坡治理的變形控制理論,7. 基于變形理論的高邊坡變形過程模擬與過程控制技術,7.1 理

44、論與技術系統(tǒng)概要,2. 巖土力學理論 (1)巖土介質小變形理論(彈性,彈塑性,粘彈塑性理論) (2)非線性大變形理論 (3)斷裂破壞理論(斷裂,疲勞,損傷理論) (4)結構-地質體相互作用理論,7. 基于“變形理論”的高邊坡變形過程模擬 與過程控制技術,3. 變形監(jiān)測與反饋分析技術4. 計算機全過程模擬技術 小變形過程模擬+大變形及破壞過程模擬+運動過程模擬,7. 基于“

45、變形理論”的高邊坡變形過程模擬 與過程控制技術,高邊坡工程地質環(huán)境條件研究,工程地質-力學模型,地質結構模型,巖，土，水靜動力學參數(shù),,,,巖土體結構模型及力學模型研究,,,,,,7. 基于“變形理論”的高邊坡變形過程模擬 與過程控制技術,7.2 實施的技術流程,邊坡變形破壞機理概念模型的建立,邊坡變形破壞全過程模擬再現(xiàn)及概念模型的驗證,小變形階段模擬（有限元模擬）,非連續(xù)變形及運動過程模擬（DDA,UDEC,D

46、EM）,大變形階段模擬（Flac）,,邊坡失穩(wěn)及災害形成的機理模型,高邊坡變形破壞機制及變形穩(wěn)定性分析,,邊坡變形破壞現(xiàn)象調查,,,,,,,,,,,,,,,,邊坡穩(wěn)定性評價及預測,,,,,,7. 基于“變形理論”的高邊坡變形過程模擬 與過程控制技術,復雜介質及復雜地質過程模擬,,,復雜地質過程模擬,復雜介質性態(tài)模擬,7.3 應用于變形穩(wěn)定性分析的數(shù)值模擬技術,1.節(jié)理巖體各向異性模型,采用各向異性來描述節(jié)理的力學效應。在

47、極端各向異性條件下,不論坐標軸放在什么方向，每一個應力分量都將引起全部六個變形分量。線彈性條件下，其物理方程由廣義胡克定律描述： 式中： 稱為柔度矩陣。 采用位移法建立有限元方程時，本構方程一般采用如下的形式

48、 對于整體坐標建立的單元剛度矩陣的一般化公式為：式中： [B]為幾何矩陣,7.3 應用于變形穩(wěn)定性分析的數(shù)值模擬技術,正交各向異性體彈塑性本構方程為：,在平面應變情形下，彈性矩陣為：,7.3 應用于變形穩(wěn)定性分析的數(shù)值模擬技術,數(shù)值模擬，尤其是DAA方法中，對于確定性的節(jié)理，均有一個限制，即節(jié)理應是相互貫通的(圖3-19a)。而實際巖體節(jié)理的連通率有時是有限的(圖3-19b)。這就涉及到如何利用這些大變形的數(shù)值方法來

49、研究具有非貫通節(jié)理的巖體性態(tài)問題。,2. 節(jié)理巖體非連續(xù)性模擬,7.3 應用于變形穩(wěn)定性分析的數(shù)值模擬技術,,在數(shù)值模擬中引入Kulatilake 提出的虛擬節(jié)理(fictitious joints)的方法，很好地解決了這一問題。這些虛擬節(jié)理的性質和完整巖體一樣。這樣就可以用離散元法等對既包含實際節(jié)理又包含虛擬節(jié)理的巖體進行應力分析了，關鍵問題就是如何給出這些虛擬節(jié)理的合理變形與強度參數(shù)。,7.3 應用于變形穩(wěn)定性分析的數(shù)值模擬技術,,

50、根據(jù)上述原理，可以確定包含斷續(xù)節(jié)理在內的節(jié)理巖體模擬步驟和程序如下：(1) 根據(jù)實際巖體條件，生成包含貫通與斷續(xù)節(jié)理在內的實際節(jié)理網絡模型；(2) 引入虛擬節(jié)理，使斷續(xù)節(jié)理變?yōu)樨炌ㄐ怨?jié)理，與原有的實際貫通節(jié)理一同構成節(jié)理網絡，定義出每條虛擬節(jié)理的幾何特征；(3) 賦予虛擬節(jié)理以等效的力學參數(shù)值以模擬完整巖塊的性態(tài)；(4) 對于虛實結合的節(jié)理模型進行應力和變形分析，評價其變形與強度性態(tài)。通過上述方法就可以實現(xiàn)包含斷續(xù)節(jié)理巖體的離

51、散元分析。這樣處理的優(yōu)點在于簡單明了，物理意義和模型都很直觀。從而拓寬了節(jié)理巖體離散元模擬的應用范圍。,7.3 應用于變形穩(wěn)定性分析的數(shù)值模擬技術,復雜介質及復雜地質過程模擬,,,復雜地質過程模擬,復雜介質性態(tài)模擬,7.3 應用于變形穩(wěn)定性分析的數(shù)值模擬技術,,３. 邊坡開挖卸荷過程的模擬,(1) 試驗設計,7.3 應用于變形穩(wěn)定性分析的數(shù)值模擬技術,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,7.3 應用于變形穩(wěn)定性分析的

52、數(shù)值模擬技術,,,,,,,,,,,(a),,Limestone in Panzhihua , unloading, controlled by LVDT, tensile failure(,s,1,=118.05,MPa,,s,3,=2.43,MPa,),,(b),,Migmatitic granite in Qinling Tunnel, unloading, controlled by LVDT,,shear,-,tensile,f

53、ailure(,s,1,=160.98,MPa,,,s,3,=5.41,MPa,),,(c),,Limestone in Panzhihua, unloading, controlled by FORCE, shear failure(,s,1,=226.66,MPa,,,s,3,=12.26,MPa),,(d),,Migmatitic granite in Qinling Tunnel, unloading, controlled b

54、y FORCE,,tensileshear failure (,s,1,=214.93,MPa,,s,3,=0.63,MPa,),,,破裂機理分析,7.3 應用于變形穩(wěn)定性分析的數(shù)值模擬技術,A. 開挖卸荷過程中,由于圍壓的解除, 巖石在卸荷狀態(tài)下的力學性能明顯降低; 主要表現(xiàn)為模量和破壞強度的降低. 因此，在對開挖卸荷過程的模擬中，應該采用卸荷過程的參數(shù)確定的本構模型;或者說，在對卸荷過程的模擬中，應該考慮和調整卸荷過程中，卸荷帶范圍

55、內力學參數(shù)的變化；　　B. 力學性能的降低程度與卸荷速率有關, 卸荷速率越快(LVDT與FORCE方式比較), 模量和強度的降低越大. 這就告訴我們,可以通過降低施工的速度來減緩巖體破裂的發(fā)生;　　C. 在快速卸荷的條件下,巖體的破壞機理表現(xiàn)為張剪型的復合破裂機制.,7.3 應用于變形穩(wěn)定性分析的數(shù)值模擬技術,４. 水-巖耦合過程的模擬,很多巖體工程在正常狀態(tài)下是穩(wěn)定的，但在地下水就可能失穩(wěn)破壞，如雨季或地震發(fā)生時山區(qū)經常發(fā)生的滑坡

56、和泥石流、水庫蓄水與排空時出現(xiàn)的庫岸巖體失穩(wěn)?，F(xiàn)在在巖體水力學研究方面國內外已取得了相當大的進展，從水----力相互作用發(fā)展到水----熱----力三者相互作用。但現(xiàn)在的研究方法一般都是將巖體當作連續(xù)介質看待，采用有限元或有限差分方法研究水----力相互作用。但這種分析方法對于節(jié)理發(fā)育的巖體來講顯然是不合適的在為此我們提出了采用離散單元法 來分析節(jié)理巖體中的水力相互作用。,7.3 應用于變形穩(wěn)定性分析的數(shù)值模擬技術,,,,點接觸：即

57、角,-,邊接觸和角,-,角接觸。,,,邊,—,邊接觸：利用平行裂隙中的立方定,律：,,通常水力開度可由下式給出,,,水-巖耦合作用的離散元模型,7.3 應用于變形穩(wěn)定性分析的數(shù)值模擬技術,根據(jù)節(jié)理的初始開度及水頭計算出流經節(jié)理的流量；按流動效應更新孔隙水壓力；將更新孔隙水壓力迭加到其它作用力（塊間接觸力，外部載荷等）上；在新的載荷作用下，計算出節(jié)理的水力開度；以新的水力開度，計算流經節(jié)理的流量，進入新一輪計算。,. 水-巖耦合作

58、用分析計算步驟,7.3 應用于變形穩(wěn)定性分析的數(shù)值模擬技術,坡高15m，坡腳水位為零，分別將右邊界的水位提高至6 m、9 m、直至坡頂12 m。,6m時的流場,9m時的流場,7.3 應用于變形穩(wěn)定性分析的數(shù)值模擬技術,9m時的孔隙水壓力和位移,水位到坡頂時的流場,水位到坡頂時的位移,7.3 應用于變形穩(wěn)定性分析的數(shù)值模擬技術,５. 動力響應過程的模擬,地震，爆破等動荷載也是誘發(fā)地質災害發(fā)生的主控因素；目前國內外采用有限元法(無限元法)

59、，邊界元法，邊界積分方法及有限差分法等基于連續(xù)介質的數(shù)值方法在動力分析中都有了很大的進展；但工程巖體常常包含各種節(jié)理裂隙等不連續(xù)面。在地震及爆炸發(fā)生時，地震波將在這些結構面上多生復雜的反射、折射、繞射等傳播過程。這就使得基于連續(xù)介質的動力分析方法存在著一定的缺陷，為此我們提出了基于非連續(xù)介質的動力分析方法---------巖體動力響應的離散單元法。,7.3 應用于變形穩(wěn)定性分析的數(shù)值模擬技術,,巖體動力響應過程的離散元模型,Cunda

60、ll建立的離散元方法體系以時間步長(timestep)為變量，計算塊體系統(tǒng)中各塊的速度、位移、接觸力以及應力等狀態(tài)量。通過施加阻尼的方法，求得系統(tǒng)的準靜態(tài)解。這樣的算法及思路很適合于動力分析。在此基礎上，引入動力條件及有關計算，就很容易使離散元法用于動力問題。,,7.3 應用于變形穩(wěn)定性分析的數(shù)值模擬技術,,動力運動方程,,7.3 應用于變形穩(wěn)定性分析的數(shù)值模擬技術,,動力運動方程數(shù)值解,,7.3 應用于變形穩(wěn)定性分析的數(shù)值模擬技術,動

61、力過程離散元模擬,,按實際巖體的節(jié)理形態(tài)形成塊體系統(tǒng)；確定塊體模型的類型；確定節(jié)理和塊體的本構模型并賦予材料參數(shù)；確定邊界條件和初始條件(Initial conditions)；確定解題條件：包括阻尼、時步以及一些內部變量跟蹤等；初始應力場(Initial stress field)模擬；引入系統(tǒng)擾動因素：如開挖與支護，邊界條件變化，也包括動載荷，地下水等擾動因素。迭代計算與結果輸出。,7.3 應用于變形穩(wěn)定性分析的數(shù)值模

62、擬技術,動力過程離散元模擬檢驗,,C =2.5 MPa時A, B兩點的剪應力,C =0.5 MPa時A, B兩點的剪應力,7.3 應用于變形穩(wěn)定性分析的數(shù)值模擬技術,謝謝，謝謝各位專家的指導！,（1）沒有跡象表明進水口正面邊坡的變形總體上具備統(tǒng)一性，說明邊坡內不存在控制邊坡整體變形的統(tǒng)一的、不利的地質結構面。在這種情形下，所發(fā)生的上述變形是開挖過程中應力釋放，邊坡卸荷回彈調整的結果。從模式上，仍然屬于表生改造的范疇。（2）不同部

63、位的變形，表現(xiàn)出局部變化的特征；從內觀變形曲線的分析可以看出，變形主要表現(xiàn)為三種情形，即協(xié)調漸變型（相對均勻巖體）、淺表松弛型（具有一定的不連續(xù)結構）和受局部緩裂面控制的回彈錯動型。（3）變形的量級總的來看除了局部受緩裂控制的起情形外，變形量均較小。在邊坡變形的正常范圍之內。（4）由于變形屬于開挖過程中的卸荷回彈變形（或表生改造變形），坡體內不存在統(tǒng)一的控制邊坡變形破壞的不利結構面，因此，邊坡在開挖結束以后，不會整體進入“時效變