西藏街需水电站左坝肩特大型危岩体稳定性研究

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在我国幅员辽阔的西南山区,崇山峻岭,人烟稀少,但也蕴藏着丰富的资源,常常有重大国家民生工程的兴建,西藏街需水电站就是这样一个工程。水电站的建设时常伴随着危岩地质灾害的发生,极大的阻碍了工程建设的进度,给国家和人民带来诸多方面的损失。西藏街需水电站拟建下坝址左坝肩存在着一特大型危岩(以下简称W5危岩),方量达3.75×105m3,危岩是否稳定,如何较好的去治理它,关系着大坝的施工安全和后期的水电站运行安全。因此,对W5危岩进行深入细致地研究显得尤为重要。采用现场调查与测量、研读大量危岩相关文献、室内物理力学试验、极限平衡法和数值模拟计算法等手段,对W5危岩的工程地质背景、危岩发育特征及变形破坏机制、基于断裂力学的相关力学参数和危岩体的稳定性进行深入研究,主要取得了如下成果:首先,通过深入研究区的实地调查,探明了W5危岩的前后左右边界条件,W5危岩受5条节理面控制,其中3条节理面影响最为明显,前缘节理面受风化作用影响明显强于其他部位。通过三维离散单元法模拟了W5危岩的变形破坏机制,破坏方式为前缘局部小块体因内部作用和外部作用发生滑移式失稳破坏,促使危岩后部岩体失去支撑,直接暴露在外界,继续因内部作用和外部作用再次风化卸荷直至新前缘的块体继续破坏,如此往复,形成“连锁式”的破坏发展过程。其次,采集研究区现场的花岗闪长岩试样,加工成预制双裂缝的方块试样,通过剪切盒加载对岩样进行Ⅱ型断裂韧度测定试验。在破坏形态上得出预制双侧裂缝的花岗闪长岩试样破坏面整体平直,表面粗糙;加载角度条件能得出45°加载角度过小,实际的破坏为压缩破坏,60°和75°测试结果更为合理。通过数值模拟得知在考虑增加宽度预制双裂缝的条件下,裂缝的应力集中发生在上端裂缝的右侧和下端裂缝的左侧,即预制双裂缝尖端的对角为两个应力集中的部位,而试验结果也验证了预制双侧裂缝的贯通为这一模式,修正了增加宽度条件下的裂缝真实扩展角度和真实岩桥长度,完善了Ⅱ型断裂韧度测试的公式。通过剪切盒加载试验测得预制双侧裂缝的花岗闪长岩试样的Ⅱ型断裂韧度介于3.383.77MPa·m0.5。最后,通过极限平衡法定量计算W5危岩的稳定性,结果表明W5危岩体整体稳定性较好,只是在地震工况下可能出现变形;前缘在天然工况稳定性较好,在暴雨工况下处于基本稳定状态,但安全性很低,地震工况下存在失稳破坏的可能。通过基于断裂力学的数值模拟,W5危岩中部的应力强度因子最小,前缘的裂缝和前缘起伏位置的裂缝应力强度因子最大,即相对稳定的是由节理2控制的裂缝,不稳定的是由节理1控制的裂缝。通过数值模拟软件的XFEM模块对W5危岩裂缝扩展进行模拟,天然工况下未发生裂纹扩展;暴雨工况下,预制裂缝1、裂缝2、裂缝3、裂缝6均发生不同程度的裂纹扩展,但裂缝扩展的长度较短,且裂缝并未整体贯穿;地震工况下,裂缝16全部发生裂缝扩展,最终由节理1控制的面和节理2控制的面相互贯穿,共同作用形成块体,而发生小块体的失稳破坏。通过多种评价方法的运用,拓宽了危岩体评价的方式,不再局限于规范中的定性评价为主,定量评价为辅的做法,准确的分析判断W5危岩整体稳定性,同时也为后续危岩的防治措施提供较好的理论支撑。
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