西藏扎拉水电站右坝肩反倾板岩边坡变形破坏特征及开挖稳定性研究

摘要

西南河谷地区工程地质条件复杂，广泛发育反倾岩质边坡，频繁且剧烈的内外动力地质作用在倾倒变形体形成和发展所经历的漫长演化历史中扮演着决定性的推进角色。倾倒变形体在自然条件下一直处于动态平衡的状态，不断进行着应力和变形的协调稳定。一旦产生失稳，通常是从坡表碎裂岩体崩落开始，逐步向内部扩散，甚至形成深度较大的折断面，严重威胁水电站建设安全。倾倒变形体的变形破坏模式一直是学术研究的热点，当开挖改变其应力边界条件时，反倾边坡将产生较为复杂的变形反馈，这是边坡开挖方案设计的重要研究内容。本文以西藏昌都地区扎拉水电站右坝肩倾倒变形边坡为例，结合相关文献资料和详细的现场调查结果，建立合理的地质概念模型，采用离散元和有限元两种方法分析了右坝肩边坡的变形破坏模式以及在不同开挖方案下的位移变形特征和开挖稳定性，取得的主要成果如下:
　　(1)右坝肩边坡属陡反倾边坡，基岩岩性主要为钙质板岩，岩层走向为NW，正常岩层倾角为74°～80°，根据平硐调查结果，倾倒变形发育深度较大，约为61.5～85m。当前坡体表部揭露0～19m的极强倾倒区，深部形成60米以上的弱倾倒区，区内多处岩体呈碎裂结构。这些区域在降雨、施工等外界作用扰动下，存在产生较大变形乃至失稳的风险，对坝址区的开挖施工而言存在巨大的安全隐患。
　　(2)通过平硐PD10和PD11的实测编录和岩体结构调查，右坝肩边坡无控制性大规模断层发育，主要发育Ⅳ1～Ⅴ级结构面，其中软弱结构面（断层、挤压面）多为陡倾发育，个别缓倾坡外，填充物多为岩屑夹泥，但厚度较小多为1～2cm，变形体节理裂隙发育，尤其是长大节理儿可以构成边坡和局部块体失稳的侧向边界，倾坡外节理发育较少，仅零星出露。
　　(3)右坝肩倾倒变形边坡在演化进程中，受到重力作用、坡脚堆积体的反压作用、以及竖直节理的控制，孕育了独特的倾倒变形现象。平硐调查显示，倾倒变形体岩层倾角变化呈现起伏不定的特点，节理裂隙发育区域性较弱，无法根据相关指标直接确定倾倒变形分区。结合波速测试数据，以及现场岩体变形试验、剪切试验和室内相关试验成果，选取上述指标，利用origin中数据拟合的方法对倾角、波速和强度参数进行变化趋势的直、曲线拟合，得出:PD10硐深约25m和PD11硐深约45m位置，为倾角和波速变化趋势的转折点，并且两者拟合结果较为一致。结合结构面发育特征，最终得到了右坝肩边坡的倾倒变形分区成果。
　　(4)根据已有变形破坏迹象，右坝肩的变形破坏以整体倾倒变形和局部松动崩落为主，此外浅表层的变形破坏以块体失稳、坠落为主。根据底摩擦物理模拟结果，无堆积体反压时，倾倒变形的发育阶段包括前缘倾倒变形、前缘-中部倾倒变形、后缘变形和折断带贯通失稳破坏四个阶段，变形过程中伴随着岩体和浅表层的局部崩落和倾倒形成的空隙填充过程等。右坝肩边坡在天然状态下，随着倾倒变形发展，坡体会在已有极强倾倒区内形成明显折断带，并不断扩展贯通发生失稳破坏。
　　(5)根据离散元分析结果，倾倒变形体受前缘堆积体和坡面形态影响显著，变形破坏模式首先以碎石土堆积体剪切破坏滑移和极强倾倒区折断带逐步扩展、坡表局部崩落为主。坡脚碎石土失稳后，倾倒变形区域临空面增大，极强倾倒区底部基本贯通形成滑面并首先在坡体上部坡面形态陡缓转折处形成较大的张拉裂缝，最终整体向下滑移失稳。卵漂石表部由于剪切力作用产生局部破坏，强倾倒区底部倾倒变形过程受到阻碍，当卵漂石向坡脚临河方向发生失稳滑移后，强倾倒区变形显著加剧。堆积体的反压作用对倾倒变形体进程和开挖顺序都有较为明显的影响。
　　(6)基于离散元分析得出的右坝肩倾倒变形边坡的变形破坏模式，采用有限差分法对右坝肩边坡进行数值模拟，分析边坡在天然和开挖两种工况下的应力变形特征，结果表明:边坡在天然工况下基本处于稳定状态，变形位移主要集中在坡脚的堆积体和极强倾倒区，在极强倾倒区下部出现量值较小的剪应力增量。这和利用离散元分析右坝肩边坡的结果较为一致，为后文开挖方案的拟定提供了基础支撑。
　　(7)通过对比分析五种开挖方案的位移、剪应变和监测点位移等数据可知，在1∶0.75坡比开挖方案下，边坡整体受到最小的施工扰动，强倾倒区均无明显变形，各项位移指标均较低。而对于分区开挖和分阶段开挖2，监测点的位移数据表明强倾倒区发生一定的应力和变形调整，并出现次生剪应变;分阶段开挖1虽然由于开挖顺序的影响极强倾倒区发生较大位移，但强倾倒区位移变形并不明显。综上所述，按照1∶0.75的开挖坡比对于边坡的整体稳定性最为有利。同时搭配分阶段开挖1的开挖方案，对坡顶进行削坡减载，将进一步减小倾倒变形体的扰动响应，最后配以合理的支护措施，保证倾倒变形体的长期稳定。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 选题依据与研究意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 倾倒变形体成因机理研究

1．2．2 倾倒变形分级体系研究

1．2．3 倾倒变形体开挖响应研究

1．3 主要研究内容及技术路线

第2章 区域地质环境条件

2．1 自然地理与水文气象

2．2 工程地质条件

2．2．1 地形地貌

2．2．2 地层岩性

2．2．3 地质构造

2．2．4 水文地质条件

2．2．5 区域构造稳定性及地震

2．3 边坡风化卸荷特征

2．4 岩土体物理力学性质及参数取值

第3章 右坝肩边坡坡体结构特征

3．1 右坝肩边坡发育特征

3．2 岩土体发育组合特征

3．3 边坡岩体结构特征

3．3．1 边坡结构面发育特征

3．3．2 坝址区岩体工程地质结构分类

3．3．3 边坡岩体结构分区

3．4 倾倒变形体的发育特征

3．4．1 PD10平硐倾倒变形发育特征

3．4．2 PD11平硐倾倒变形发育特征

3．5 右坝肩边坡倾倒分区研究

3．5．1 现场测试数据成果分析

3．5．2 倾倒变形分级指标选取

3．5．3 倾倒变形分区成果

第4章 右坝肩边坡倾倒变形破坏模式分析

4．1 边坡变形破坏迹象

4．2 无堆积体倾倒变形边坡演化的物理模拟分析

4．2．1 试验仪器

4．2．2 模型材料及制作

4．2．3 试验变形分析

4．3 右坝肩边坡变形破坏模式的离散元模拟分析

4．3．1 计算模型建立

4．3．2 计算参数

4．3．3 计算工况

4．3．4 计算结果分析

4．4 变形破坏模式分析

4．5 小结

第5章 右坝肩边坡开挖变形研究

5．1 右坝肩边坡稳定性分析

5．2 开挖方案拟定

5．2．1 分区开挖

5．2．2 分阶段开挖

5．2．3 分区分阶段开挖

5．2．4 按坡比开挖

5．2．5 直立开挖

5．3 计算结果分析

5．3．1 分区开挖结果分析

5．3．2 分阶段开挖结果分析

5．3．3 分区分阶段开挖结果分析

5．3．4 按坡比开挖结果分析

5．3．5 直立开挖

5．4 开挖方案对比及施工建议

5．5 本章小结

结论

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间取得的学术成果