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随着我国水电工程的大规模建设,岩质高陡边坡的稳定性已成为一个亟待解决的研究课题。本文以导师课题“卜寺沟水电站枢纽建筑物区高陡边坡岩体结构特征与稳定性评价专题研究”为依托,在大量现场施工地质调研及实测资料的基础上,深入分析右岸坝肩边坡工程地质条件。以弹塑性理论为基础,综合运用岩体力学、极限平衡理论、赤平投影和土木工程数值模拟理论,在边坡工程地质分区的基础上,采用岩体力学与工程地质相结合,力学分析与几何分析相结合的方法,对右岸坝肩边坡进行岩体结构特征研究,分析边坡变形破坏特征和破坏机制,预测和计算边坡的整体稳定性和局部稳定性,并提出相应的施工支护建议。主要取得以下研究成果:
(1)通过对现场露头结构面的采集、统计分析和分级,并基于坡体结构概念对右岸坝肩边坡的岩体结构特征进行分类刻画描述;对边坡岩体结构面进行了网络模拟,并对模拟结果进行了分析。分析结果表明右岸坝肩边坡整体基本上为层状坡体结构为主,局部为楔形坡体结构,边坡主要发育三组结构面,各组结构面倾角基本服从正态分布,倾向接近于正态分布,迹长和间距基本服从负指数分布;三组结构面的平均间距分别为0.25m,0.25m,0.33m。
(2)根据各边坡具体的风化卸荷等地质情况,将边坡岩体分为弱风化强卸荷带、弱风化弱卸荷带、弱风化无卸荷带和微-新岩体带等地质力学单元,然后分别对各带采用现场地质定性、RMR和CSMR三种分级方法进行岩体质量分级,并对三种分级结果进行综合,得出右岸坝肩边坡的岩体质量较好,以Ⅲ级为主,表层卸荷带为Ⅳ级,内部微-新岩体带为Ⅱ级。
(3)在边坡岩体质量分级的基础上,运用Hoek-Brown经验强度准则对岩体力学参数进行了估算。根据Hoek-Brown准则和Mohr-Coulomb准则的等效转化关系,对岩体等效内摩擦角(φ)和等效黏聚力C进行了反算,并将其与成勘院提供的岩体物理力学参数进行了对比。对比显示岩体参数估算结果与成勘院预可报告提供的岩体力学参数整体基本一致,但略大于成勘院提供的数值。
(4)根据右岸坝肩边坡的工程地质条件、变形破坏特点和工程建筑所在部位等因素,将其分为两个工程地质分区,并对两个分区的变形破坏方式进行定性分析。分析表明,右岸坝肩边坡主要有两种破坏模式:沿倾坡外结构面滑移破坏和倾坡外、坡内两组结构面控制的倾倒-滑移破坏。定性分析表明边坡现状整体稳定,坝轴线附近在施工过程中有整体小规模沿倾向坡外结构面发生滑移的可能性;此外由于结构面的切割组合,局部存在一定数量的危岩体。自然边坡极限平衡计算结果表面在不同滑面、不同工况组合下边坡整体稳定性较好。
(5)右岸坝肩工程边坡开挖面产状N10°W/NE∠73°,设计开挖坡比1∶0.3。极限平衡计算表明,右岸坝肩工程边坡在不同滑面、不同工况组合下整体稳定性较好,但是受结构面不利组合的控制,边坡在开挖工程中可能存在一定量的不稳定组合块体。有限元计算表明,随着边坡的开挖,坡面附近出现了一定范围的塑性破坏区,且基本沿着开挖台阶面逐步延伸,呈现明显的贯通性,塑性区最大水平深度达12m,边坡岩体的破坏性质主要为剪性破坏,局部出现典型张拉破坏,对于该区域应加强监测,开挖后及时支护。不同滑面、不同工况组合下的极限平衡计算表明右岸趾板边坡在开挖前后整体均基本稳定。有限元计算表明随着趾板边坡的开挖,坡面附近出现了一定范围的塑性破坏区,最大水平深度达14.2m,但未出现明显贯通现象,底面隆起特征显著,可能与开挖断面型式有关,岩体主要为剪性破坏,局部出现典型张拉破坏,对于该区域应加强监测,开挖后及时进行系统锚固支护。