中国岩石高边坡工程及其研究Word文档格式.docx
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矿山系统
100-500m
边坡高度大,地质结构较复杂,工程对边坡质量有一定要求,但通常考虑极限设计.
铁道系统
50
50-150m
100-300m
边坡高度一般较大,地质结构及环境条件复杂,对边坡质量要求高,但通常要求线路快速通过。
公路系统
30m
30-80m
30-150m
边坡高度一般较小,地质结构及环境条件相对简单,对边坡质量要求较高。
城建系统
15m
15-50m
15-100
边坡高度小,地质结构及环境条件相对简单,对边坡质量要求高。
2认识与回顾
20世纪,我国岩石高边坡理论与实践主要是伴随60-70年代以来西南地区水电开发、铁路建设和金川、抚顺等大型露天矿山开采的需求而发展起来的。
其中尤以水电开发所遇到的高边坡问题最为突出、最为典型,对这一时期我国岩石高边坡理论和实践发展的推动作用也最大。
表2列出了20世纪我国大型水电工程勘测设计与施工中所遇到的典型高边坡实例。
表3则简单回顾总结了20世纪60年代以来我国岩石高边坡工程理论与实践发展的总体历程。
表2中国水电站建设高边坡
工程名称
边坡位置
坡高(米)
岩性
存在的主问题
龙羊峡
泄水消能区
200
变质砂岩及花岗岩
贯穿拉裂缝和缓倾角裂隙、虎丘山稳定、虎山坡雾化等
天生桥二级
厂房后高边坡
180-300
砂页岩夹泥岩
层状和裂隙岩体高边坡
天生桥一级
溢洪道
120
灰岩
顺向、逆向构造坡
向家坝
左岸马步坎
600
砂、泥岩互层
坡顶和深部拉裂带
溪洛渡
左、右岸
300
玄武岩
层间、层内错动带
锦屏
左岸
350-600
大理岩、砂板岩
深部拉裂
漫湾
左岸坝肩
180
微风化流纹岩
滑面加固后继续下挖
大柳树
砂板岩
松动岩体、深部拉裂
隔河岩
厂房
190
页岩
上层页岩硬,下层软
苗家坝
220
楔体变形、深部拉裂
五强溪
大坝左岸
170
砂岩、石英岩
层状结构,蠕变及顺岩层滑移
李家峡
左,右岸坝肩厂房及泄水建筑
片岩、变质岩混合
层间挤压断层、NE的裂隙发育
小浪底
引水系统进出口
砂岩泥岩互层
岩体软弱、断裂发育
三峡
左岸船闸
闪云斜长花岗岩
边坡高陡,断层和节理裂隙发育
小湾
700
片麻岩,少量片岩
强卸荷,倾倒,楔形体,蠕滑
龙滩
左岸进水口
260
页岩,砂岩,板岩
蠕变体中的开挖边坡
拉西瓦
坝区左岸
花岗岩
深部拉裂和缓倾角裂隙
60~70年代,伴随我国西南地区水能资源开发序幕的揭开,在一些水电工程的前期勘探过程中,开始遇到岩石高边坡的问题,如四川的龚嘴、二滩、贵州乌江渡、。
。
除了与一般边坡类似的特征和问题外,最为引起工程地质学家注意的是这些边坡所表现出的复杂变形破坏现象,它们都难以用通常静力学观点去认识,尤其是如何解释滑动面的形成过程,这些现象从某种程度上蕴涵了边坡的变形破坏机理及其演化过程,而阐明这一过程是认识复杂高边坡稳定性现状并预测其未来变化的重要基础与前提。
这个时期,岩石力学的发展为这个问题的解决提供了理论的源泉,它帮助工程地质学家认识到了边坡岩体的“可变形性”、变形的“时效性”和岩体结构对这种变形乃至最终破坏可能起到的控制作用,从而开始了对地质灾害的形成演变进行“地质过程机制分析”的时代[1][2]。
70年代中后期的金川露天矿、抚顺西露天采的开采引发的高边坡变形与失稳问题更加引起了人们对这一问题的关注[3][4][5]。
这一阶段主要的研究的是在大量实际工程研究的基础上,对边坡变形破坏机理进行系统深入的机理分析和模式总结。
最为突出的理论贡献是地应力对边坡变形破坏的引入和变形破坏基本地质力学模式的提出。
但受这一时期理论和研究手段的限制,人们还无从对这一复杂过程进行力学量化的描述,更多的还是建立在“概念模型”基础上的定性分析。
80年代,工程地质学的发展进入了定性向定量发展的新阶段,工程地质学及边坡科学研
表3岩石高边坡工程实践与研究发展历程
时期
工程实践
主导学术
思想
理论基础
及基本观点
分析
技术
典型高边坡工程
及灾害滑坡事件
1965
1980
1990
1995
2000
西南﹑西北地区水电工程建设﹑三线铁路建设,露天矿的开发揭示了一系列具有典型时效过程的大型滑坡。
地质过程机制
分析方法,
工程地质力学
工程地质学+
弹塑性力学+
流变学概念
(可变形性﹑结构控制非连续﹑流变介质)
解析分析方法为主
瓦依昂滑坡(1963)
龚嘴电站边坡
大渡河李子坪滑坡
雅砻江霸王山滑坡
雅砻江金龙山滑坡
乌江黄崖边坡变形
金川露天矿边坡
三峡工程库区库岸稳定性评价﹑黄河上游一系列大型水电工程(龙羊峡﹑拉西瓦﹑李家峡等)坝区库区高边坡稳定性评价
地质过程机制分析—定量评价
岩石力学+
现代数理统计和数值模拟理论
(确定性的分析方法为主)
数值+物理模拟
盐池河岩崩(1980.6.3)
鸡趴子滑坡(1982.7.17)
撒勒山滑坡(1983.3.7)
新滩滑坡(1985.6.12)
中阳村滑坡(1988.1.10)
溪口滑坡(1989.7.10)
漫湾坝肩滑坡(1989.1.8)
龙羊峡近坝库岸高边坡
拉西瓦坝区高边坡
李家峡库坝区高边坡
金沙江向家坝﹑溪洛渡,雅砻江锦屏﹑官地,澜沧江小湾,白龙江苗家坝等大型水电工程高边坡.
系统工程地质学
工程地质系统集成法
现代工程地质学+系统科学
(强调系统性﹑强调过程的模拟再现)
过程模拟
天生桥二级水电站高边坡
链子崖危岩体治理
黄蜡石滑坡治理
黄土坡滑坡(1995.6.10)
鸡冠岭滑坡(1994.4.30)
甘肃黄茨滑坡(1995.3)
三峡工程船闸高边坡,链子崖危岩体治理,小湾、锦屏高边坡。
系统工程地质或工程地质系统集成法,基于变形理论的设计
系统工程地质学(含非线性科学)变形过程控制理论(强调系统的非线性过程演化及过程控制)
过程模拟与过程控制
三峡船闸高边坡
链子崖危岩体治理,
李家峡水电站高边坡
小湾高边坡
锦屏水电站高边坡
究进入了蓬勃发展的新时期。
一方面,随着计算机技术的迅速发展和现代力学、现代数值分析理论的进步,模拟技术开始广泛地应用于地质灾害分析,尤其是机制分析;
针对介质的特点,先后出现了线弹性模拟、弹塑性模拟和考虑时间效应的粘-弹-塑性模拟[6],后期还出现了准大变形和运动过程的离散单元模拟,乃至全过程模拟等。
基于相似理论的物理模拟技术也得到了相应的发展。
借助于方法的更新和手段的进步,人们对地质灾害的认识不再仅仅停留于“概念模型”阶段,而是通过模拟,把“概念模型”上升为“理论模型”,进一步从内部作用过程(机制)上揭示边坡地质灾害的发育及滑动面的形成过程,以及这一过程所反映的边坡稳定性状况和蕴涵的今后的变化信息,从而为复杂边坡的稳定性评价及预测提供了重要的理论方法和工具。
这一阶段的发展促使“地质过程机制分析”的学术思想体系上升到了“地质过程机制分析-定量评价”的新阶段[7]。
另一方面,学科之间的相互渗透使许多与现代科学有关的一系列理论方法,如系统论方法、信息论方法、模糊数学、灰色理论、数量化理论及现代概率统计等被引入边坡科学研究,从而大大促进了理论的更新和应用研究及决策水平的提高。
但所有这些方法,在描述方法上仍未脱离传统的线性领域范畴。
90年代,尤其是三峡工程建设和西部开发的实施,工程建设的需求极大地推动了我国20世纪岩石高边坡工程理论与实践的发展。
这一阶段有以下三个方面标志性的成就。
一是从80年代末期开始,系统科学的思想被引入复杂地质过程和高边坡稳定性研究,人们从系统与系统之间、系统内部各子系统之间的信息传递上认识到了复杂高边坡地质体的稳定性及其控制机制和可能的控制途径,从而开始了从认识地质体向适应乃至改造地质体、从认识边坡变形破坏行为向控制灾害发生的过渡,诞生了“系统工程地质学”和“工程地质系统集成”和“互馈作用”等学术思想[8][9][10]。
另一标志是90年代初,非线性科学被引入到了边坡灾害的研究。
人们不仅通过一般系统科学认识到了复杂灾害系统的物理构成,而且借助于非线性科学,认识到了系统形成与演变的非线形特性,从而跨越了从线性系统到非线形系统的历史性转变。
它认为地质灾害是由一系列非平衡不稳定事件产生空间、时间、功能和结构上的自组织行为,从而导致开放系统远离平衡态的结果,籍此相继建立了一些初步描述边坡行为的动力学方程,提出了一些基于突变理论、分形理论及非线性动力学理论的预测模型[11~12]。
与此同时,伴随长江三峡工程船闸高边坡、链子崖岩体高边坡等相继进入治理施工阶段,从而在很大程度上推动了我国岩石高边坡的稳定性控制和监测技术的方法和技术进步,其标志性成果是大吨位岩石锚固工程的开展[13,14],我国先后在天生桥水电站二级厂房后高边坡、黄河小浪底进水口高边坡、长江三峡船闸高边坡、链子崖危岩体高边坡等应用大吨位岩石锚固对边坡实施了成功的加固处理。
3岩石高边坡变破坏机理研究
岩石高边坡变形破坏机理,是岩石高边坡稳定性评价的重要理论基础,同时,也是高边坡变形与稳定性控制的重要依据。
因此,变形破坏机理研究在岩石高边坡工程中一开始就受到高度重视。
20世纪60~70年代以来,通过西南地区水电建设的前期勘测工作和诸如金川露天矿等大型露天矿工程实践,这一方面最为重要的理论贡献就是岩石边坡变形破坏基本地质力学模型的建立和以此为依据的边坡机制分类体系的建立[1][2][3][9][15]。
除了以上文献所描述的这方面的成果外,还有以下一些特殊的岩石高边坡变形破坏机理被揭露。
(1)滑移-拉裂-剪断三段式机理
所谓边坡变形-破坏的滑移-拉裂-剪断三段式模式是指边坡的变形破坏具有分三段发育
图1滑移-拉裂-剪断三段式模式
的特征,即下部沿近水平或缓倾坡外(内)结构面蠕滑、后缘拉裂、中部锁段剪断。
这种模式最早揭露于黄河龙峡水电站近坝库岸河段,以其中的查纳、龙西等大型滑坡为代表[16],后来,在黄河拉西瓦水电站、湖北盐池河磷矿等地又有发现[9,17],是一种受坡脚近水平结构面控制边坡的经典变形-破坏模式,也是我国大型高速滑坡发生的一类主要机理模式。
可能产生这类变形破坏模式的边坡往往具有以下的地质结构:
(1)坡体主体由相对均质的脆性岩体或半成岩体构成,但坡脚发育近水平或缓倾坡外的结构面;
(2)以坚硬岩体为主体,但夹有相对较薄的软弱夹层构成的互层状边坡。
这类边坡的变形破坏机制主要表现在以下的阶段性过程:
(1)边坡形成过程中,由于坡体整体的卸荷回弹变形,从而驱动边坡沿坡脚的缓倾结构面发生回弹错动性质的表生改造,并在坡顶形成拉张应力区,出现后缘拉裂(图1,处于高地应力区的这类边坡更具发生此种变形的条件)。
(2)表生改造完成后,坡体在自重应力的长期持续作用和驱动下,沿缓倾角结构面发生持续的蠕滑变形,并导致坡体后缘拉裂的向下扩展,从而形成前缘的蠕滑段和后缘的拉裂段。
显然,随着蠕滑段和拉裂段的发展,它们之间的完整岩体就构成了边坡变形的“锁固段”,坡体的稳定性将主要由锁固段来维系,锁固段的应力也将随着蠕滑段和拉裂段的发展而逐渐的积累。
(3)当后缘拉裂加深到某一深度时,“锁固段”的应力积累将使这部分岩体进入累进性破坏阶段,并最终剪断锁固段岩体,发生突发的脆性破坏。
由于这种突发的脆性破坏伴有很大的峰、残强度差,因此,边坡岩体的位能将得以突发的释放,从而形成高速滑坡。
文献[[16]提出根据后缘拉裂的发育深度对该类边坡的失稳破坏进行预报,并在现场调查统计资料基础上建立了边坡失稳的临界拉裂深度判据:
Hcr=0.5763H–27.0992
(2)阶梯状蠕滑-拉裂机理
阶梯状蠕滑-拉裂通常见于受平行边坡陡、缓两组结构面控制的高边坡中,是一种与平面滑动相近的变形破坏模式。
在这种情形下,缓裂通常构成蠕滑段,陡裂构成拉裂段,蠕滑面整体呈陡-缓相接的阶梯形或台阶状。
工程实践表明,这种变形破坏模式通常出现在坚硬块状岩体或厚层岩体构成的边坡中,其变形的发生往往具有从上至下的特点(也可见到从下至上的),沿倾向坡外的中-缓倾角结构面蠕滑,并通过陡裂逐级向下传递变形,形成阶梯状蠕滑-拉裂形式,当阶梯状蠕滑面的平均倾角与结构面的残余摩擦角接近时,特别有利于这种变形的发生。
这种变形破坏模式在澜沧江小湾水电站、岷江紫坪铺水电站和黄河拉西瓦水电站等高边坡中均可见到[9,15],其中以澜沧江小湾水电站左岸Ⅳ#山梁高边坡最为典型。
该高边坡蠕滑-拉裂变形体沿山梁呈近EW向展布,其前缘高程1010m,后缘高程约1280m,相对高差约270m,总体积约9.2×
105m3(图2)。
图2小湾水电站阶梯状蠕滑-拉裂变形模式
勘探所揭示的典型变形破裂现象如图2所示:
边坡蠕滑面是多级台阶式的,根据各平硐揭露的情况,确定边坡蠕滑面为一由多条中-缓倾角结构面通过陡倾角结构面连通的折线状面(平均倾角约为35°
),其中,缓倾角结构面为蠕滑段,陡倾角结构面为拉张段。
总体上,蠕滑面的下段较为平直,局部出现波折,但拉裂坎高度较小。
蠕滑面的上段由三段缓倾角蠕滑面和两段拉裂坎构成,第一道拉裂坎即PD66号平硐上游支硐所揭露的拉裂带,其高度较小,约为5.0m;
第二道拉裂坎位于4,5槽线之间,由PD82号平硐所揭露,该拉裂坎高度较大,约20.0m。
变形体的后缘边界是PD82号平硐的张裂缝,该裂缝与地表的张裂带(约10m宽)对应。
边坡变形破坏机理可概括为:
沿缓倾角结构面的剪切蠕滑变形通过陡倾段的拉张变形逐级向下传递,从而形成一具有阶梯状蠕滑面形态的高边坡蠕滑-拉裂变形体。
(3)倾倒变形
倾倒变形(toppling)通常是指走向与坡面近于平行的陡倾层状岩体发生的向坡外的弯曲变形(也称弯曲-拉裂、弯曲-倾倒等)[1,3,4,5],文献[9,17]等曾给出了这种变形机理的演化模式和发生条件。
而这里的压缩-倾倒则主要指的是:
具有下伏软弱基座的高陡边坡,下部软层在上覆岩体的长期压缩作用下,产生非均匀的压缩变形(坡面最大,向坡内逐渐减小),从而致使坡体遭受倾覆力矩的作用,导致坡体整体向外倾倒,并在坡体后缘形成具有很大贯穿深度的后缘拉裂或沿坡体内倾向坡外的结构面发生剪胀错动-拉裂。
这种变形现象最早揭露于乌江渡的黄崖(张倬元等称之为塑流-拉裂,1981),后来在岷江紫坪铺、澜沧江小湾、乌江索风营、金沙江虎跳峡以及西南地区具有此类地质结构条件的边坡工程中都有发现和揭露。
图3索风营水电站2号危岩体
进一步,这种变形模式根据边坡内部结构的不同,相应的变形表现形式不同可分为两种类型,即压缩-倾倒-拉裂型和压缩-倾倒-剪胀错动型。
(1)压缩-倾倒-拉裂型
这种变形模式以乌江渡水电站黄崖高边坡、乌江索风营水电站右岸2号危岩体为代表(图3)。
其典型的特征是边坡岩体整体性较好,压缩-倾倒变形发生后,边坡整体倾倒,从而在后缘沿平行边坡的结构面拉裂,形成统一的后缘深部拉裂缝。
当软层缓倾向坡外时,后缘拉裂与软层之间可能形成“锁固段”,这时边坡变形破坏的进一步发展可能转为前述的三段式模式,其破坏的结果形成高速滑坡;
当软弱基座近水平或倾向坡内时,后缘拉裂的扩展可能直达软层,形成高边坡危岩体,边坡具有整体倾倒破坏的可能。
(2)压缩-倾倒-错动剪胀型
图4小湾水电站8号梁左砂系统高边坡
这种变形模式以岷江紫坪铺、澜沧江小湾、金沙江虎跳峡等水电站工程的高边坡为代表。
其典型的特征是反倾坡内的层状岩体边坡发育有一组走向与坡面平行、倾向坡外的结构面,压缩-倾倒变形发生后,边坡整体倾倒的同时,带动坡体内的这组结构面产生剪胀变形,表现为向坡外的拉张和顺结构面的错动,形成一种特殊的变形结构。
由于这组结构面在边坡内通常表现为有限长度或被层间的软层所夹持或限制,因此,这种变形结构在边坡内通常不形成贯通的面或显著的后缘拉裂面,而是表现为分散的“卸荷裂隙”形式,其发育深度取决于边坡的倾倒变形程度。
一般情况下,边坡的开挖会诱导这种变形的继续发展,但通常具有继承性,即沿原有的“卸荷裂隙”产生进一步的错动变形调整(图4)。
在边坡开挖过程中,这种变形机理反映在边坡的表观位移或内观位移上一般都有一个随时间(开挖)的持续增长过程,变形量和速率都可能较大(地表最大变形可达10余厘米);
但由于这组变形结构的非贯通性,因此,通常在开挖结束后,变形也就随之很快减缓或停止了,岷江紫坪铺、澜沧江小湾都是这种情形。
除非坡体内具有较为显著的、连通率较高的倾向坡外结构面,否则,这种变围,向坡内逐渐减小;
从范围上看,一般在20-30m的范围之内。
(4)高应力-强卸荷深部破裂机理
近十年来,在西南地区大型水电工程高边坡的地质勘探过程中,常常揭露边坡具有深部卸荷,并伴随深部张裂的现象,即除了边坡浅表部发育的正常卸荷带(一般0~60m)外,在坡体的深部(一般水平距岸坡120-200m深度)还发育有深部的卸荷带,表现为典型的深部张裂。
这种现象最早在雅砻江锦屏水电站普斯罗沟坝址和金沙江向家坝水电站马布坎高边坡被揭露)[15,18,19],并引起重视和研究。
类似的深部张裂现象后来在白龙江苗家坝水电站、澜沧江小湾水电站、糯扎渡水电站等又有揭露。
大量的勘探实践和研究资料表明,深部张裂带的发育具有多种复杂的机理,包括本文中所提到的几种模式中实际上也包含了深部张裂带的成分。
但作为强裂卸荷原因而引发的这种深部卸荷及其所伴随的深部张裂现象有以下三个强烈的背景:
一是高地应力(现实边坡内部的水平或近水平应力通常在15Mpa以上,河谷下切释放前应该更高),这种高地应力是驱动边坡发生强烈回弹变形的内在动力;
二是边坡深部存在有利于应力释放的结构面(平行或与边坡小角度斜交的近直立或倾坡外的断层或长大裂隙),这是深部卸荷和张裂带形成的边坡结构基础;
三是河流的快速下切,这是导致边坡内在应力快速释放的外部条件[20]。
典型的高应力-强卸荷深部张裂以雅砻江锦屏水电站普斯罗沟坝址左岸反倾边坡最为典型。
主要表现为除浅表部的正常卸荷裂隙外,还发育有一系列深部裂缝,这些深部裂缝的分布特征、成因机制对高边坡和坝肩岩体稳定性有重大影响.近十年的研究表明:
锦屏水电站普斯罗沟左岸高边坡所发育的一套深部裂缝体系,实际上是在坝区特定高地应力环境条件下,伴随河谷快速下切过程中,坡体应力强烈释放,而沿坡体内原有的构造结构面(小断层和长大裂隙)卸荷拉裂的产物。
4高边坡稳定性评价
在高边坡稳定性评价方面,比较一般的边坡稳稳定性而言,首先是在认识上所取得的进步:
(1)首先,人们认识到了高边坡作为一类特殊的地质体,正确认识其变形破坏机理对稳定性评价的重要意义。
岩石高边坡的稳定性不是静止的,而是一个动态演化的地质历史过程,这个过程就是伴随时效变形的发生,边坡潜在滑动面不断的孕育、发展演化,最终进入累进性破坏而贯穿的过程。
查明这一过程和所发生的内部作用机理,是岩石高边坡稳定性和适宜性评价的基础[21]。
(2)岩石高边坡稳定性受复杂岩体结构的控制,基于均匀介质的传统土力学稳定性评价方法用于这类边坡的稳定性评价与控制分析是不妥当的。
因此,在高边坡稳定性研究过程中,要特别重视对岩体结构特征的研究,重视岩体结构对变形破坏机理模型的控制,重视岩体结构与潜在滑动面关系的分析。
(3)岩石高边坡稳定性的评价不仅是一个强度稳定性问题,也是一个变形稳定性问题,不同的发展演化发展阶段,对应了岩石高边坡所处的不同稳定性状态。
在岩石高边坡的稳定性评价中要贯彻变形稳定性评价的思想。
对于特定的边坡地质体,其总存在一个临界破坏的最大变形量,这个变形量代表了边坡最大的承担变形的能力,因此,也是高边坡的安全控制与预警标准制定的基础。
随着二维和三维数值模拟技术的发展,人们可以在边坡监测数据的帮助下,通过较为准确的模拟建立边坡变形的数值模型,从而对这个最大变形量做出估计。
而监测技术的发展已经可以对边坡的表面和内部变形做出全方位的监测,从而给出不同阶段边坡变形安全度。
(4)岩石高边坡稳定性的控制,关键在于控制变形。
从变形破坏演化的历史分析,边坡是通过变形的发展逐渐累计内部的“损伤”,并向潜在滑动面转移,随着“损伤”在潜在滑动面的积累,潜在滑动面逐渐孕育、发展并最终形成边坡的控制性破坏面。
因此,在特定阶段,边坡的变形控制住了,不具备进一步发展的条件了,潜在滑动面的演化就会在“孕育”或者“发展”阶段结束,而进入不了最终的累进性破坏阶段。
在具体分析评价方法方面,主要有以下及方面突出的成果:
(1)数值模拟技术在高边坡稳定性评价中得到了广泛深入的应用[21,22,23]。
一方面
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