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岩石高边坡稳定问题一直是岩体工程界的热门研究问题。国内国外都出现过因边坡失稳而造成巨大损失的案例,我国正处于“十二五”规划的大发展时期,公路、铁路工程、水利水电建设正在西部地区如火如荼地进行,所有这些对原地形的改造产生了大量的人工边坡,特别是在西南地区,因复杂的地形,如果不进行合理恰当的处置,任由其发展,这些问题很可能会使工程建设无法进行。因此开展边坡开挖稳定性方面的研究有深远的现实意义。
本论文选题出自“高地应力区工程卸荷滑坡演化与致灾机理研究”课题,选取锦屏一级水电站大奔流料场高边坡为工程研究背景,开展开挖卸荷下的边坡稳定性研究,论文主要进行了以下方面的研究工作:
(1)首先介绍了岩体力学参数的研究现状和获取岩体参数的四种方法,再介绍了边坡稳定性分析的研究发展历程,通用的分析边坡的定性和定量分析方法和边坡分析中亟待解决的问题。之后通过在大奔流料场实地野外勘察测绘,获取了边坡详细的区域地质、地形地貌、水文地质、地质构造、地层岩性等地质资料,并在现场取了边坡岩样,在室内进行了三轴压缩实验、三轴卸荷和结构面剪切实验等,用实验手段获得了岩体各项参数;
(2)从岩体结构角度出发,讨论结构体和结构面对边坡破坏的影响,再从边坡卸荷变形破坏过程的角度,分析卸荷作用下岩体内破裂面的发展过程,结合主要影响工程边坡岩体结构的风化卸荷和结构面分布的2个因素,讨论在此二种因素作用下岩体的结构特征,接着通过使用M.R.Romana的SMR分类法对边坡卸荷作用下的岩体力学参数进行了理论求解,并结合室内三轴卸荷实验共同确定边坡岩体参数。
(3)对影响大奔流边坡稳定性的内部和外部因素进行了讨论,分析了大奔流边坡形成的机理。结合工程开挖,对开挖后边坡的变形破坏机理进行了分析预测,在介绍赤平投影图解分析法和拉格朗日差分法的基础上,运用赤平投影图解分析法,分别对边坡在断层、裂隙、层间错动面的作用下的整体稳定性进行了图形分析,再进行多种结构面交叉组合分析。
(4)在定性分析的基础上,运用FLAC3D大变形分析软件,首先根据地质资料建立了边坡的地质模型,结合边坡工程确定边界条件的原则,选取合适边界建立力学模型,生成初始应力场。再根据开挖工况,分别计算直接开挖不支护和边开挖边支护2种形式下的应力、位移、塑性区图形。进行比较分析后,结合实际监测的边坡位移和锚杆应力数据,分析模拟结果的合理性,最后针对后续的边坡开挖提出开挖支护措施建议。
在进行以上研究之后,论文取得了下列结论:
(1)工程地质因素是决定工程变形破坏的前提条件,内在因素是破坏的原因,而震动、人工边坡开挖等外在因素将可能直接诱发工程边坡失稳。通过对岩体结构和边坡卸荷变形过程的分析,结合现场边坡岩体的卸荷风化和结构面分布特征,用SMR理论分析法求得了岩体卸荷力学参数,并对照相关规范,确定求解的合理性。综合室内进行的岩体实验,给出自然和卸荷状态下的岩体参数,并将结果运用于第五章数值分析。
(2)结合大奔流边坡的地质情况,分别分析了岩性、风化卸荷作用、构造作用、岩体结构等对边坡稳定性的影响,得出自然边坡形成与地质因素有很大关系,边坡岩石强度高、结构面倾角大于坡角且无大型结构面存在,是能形成高边坡的原因,而内部拉裂缝的存在表边坡曾经受到拉应力作用。如果进行开挖,由于层状薄板的存在,再加上约束的解除,边坡将发生溃屈破坏。
(3)运用赤平投影的dips软件,在对裂隙、断层、层间错动面等分别进行图形分析后,得出在整体状态下,边坡是稳定的。进行多结构面的组合分析后,因存在结构面交线倾角小于坡角的情况,需要注意发生局部破坏的可能性。
(4)在运用FLAC3D对边坡直接开挖不支护和边开挖边支护2种形进行模拟后,进行比较分析,得出边坡直接开挖不支护时竖向位移和水平位移都很大,边坡将发生较大的剪切塑性变形破坏;支护后,坡面上点的位移、坡体塑性区的范围将明显减少,支护效果明显,最后边坡达到稳定。采用实际监测的边坡位移数据与锚杆轴力监测结果也模拟结果对比,得到边坡开挖至当时高程时,位移趋势大致一致,而锚杆的应力实际监测值与模拟结果相差较小,结果可行。针对后续开挖,提出要加强不稳定块体的锚杆随机支护,同时开挖过程中注意及时支护,避免发生过量变形,还要加强监测工作。