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在水电工程建设中，岩质边坡工程扮演着至关重要的角色，其稳定性问题是工程实践中必须解决的难题之一。《近坝库岸变形体边坡形成机制分析与稳定性评价》旨在探讨岩质边坡工程的破坏因素、稳定性分析理论和具体工程案例，通过对不同工程案例的深入剖析，揭示岩质边坡的破坏机制、变形特征、失稳模式和稳定性评价方法。
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目录序前言第1章 绪论 11.1 研究背景 11.2 研究现状 2第2章 岩质边坡破坏因素与模式 82.1 主要影响因素 82.2 典型破坏模式 102.3 赤平投影判识 13第3章 岩质边坡坡体结构与岩体质量评价 173.1 岩质边坡岩体结构与坡体结构划分 173.1.1 岩体结构 173.1.2 岩体结构面分级 193.1.3 边坡坡体结构分区 193.2 岩质边坡岩体质量评价 203.2.1 国标BQ分类法 213.2.2 水电工程边坡CSMR分类法 23第4章 岩质边坡稳定性分析理论基础 284.1 弹塑性计算应力返回算法 284.1.1 弹塑性有限元法介绍 284.1.2 应力返回过程介绍 304.2 基于等效Mohr-Coulomb强度准则的应力返回算法 324.2.1 主应力空间中的应力返回算法 324.2.2 等效Mohr-Coulomb强度准则参数 354.2.3 应力返回形式及判断 374.2.4 一致性刚度矩阵 444.2.5 算法验证 454.3 径流-渗流耦合理论 504.3.1 含裂缝岩体水流壁面拖曳力理论分析 514.3.2 静水压力作用下岩体裂隙扩展机理 554.4 含隐式节理的岩质边坡数值模拟 584.4.1 岩石基质和节理的安全系数 594.4.2 节理的Mohr-Coulomb 屈服函数 604.4.3 岩石基质的Mohr-Coulomb 屈服函数 61第5章 忠玉水电站近坝库岸BX01变形体边坡分析 655.1 工程概况 655.2 地质环境 655.3 BX01变形体边坡基本地质条件与坡体结构特征 665.3.1 BX01变形体边坡基本地质条件 665.3.2 BX01变形体边坡岩体风化特征 715.3.3 BX01变形体边坡岩体卸荷特征 735.3.4 BX01变形体边坡岩体结构特征 765.3.5 BX01变形体边坡坡体结构特征 855.4 BX01变形体边坡的变形破坏特征 865.4.1 BX01变形体边坡的范围与边界特征 865.4.2 BX01变形体边坡的物质组成与结构特征 885.4.3 BX01变形体边坡的变形监测与结果分析 905.5 BX01变形体边坡的形成机制 955.5.1 倾倒变形机制 955.5.2 倾倒与滑移-拉裂组合变形机制 965.6 BX01变形体边坡的失稳模式 985.6.1 基于地质结构分析 985.6.2 基于数值计算分析 995.7 BX01变形体边坡的稳定性评价 1015.7.1 整体稳定性的定性评价 1015.7.2 刚体极限平衡法稳定性计算 1025.7.3 有限元法稳定性计算 1095.8 主要认识 125第6章 多布水电站右坝肩深卸荷边坡分析 1276.1 工程概况 1276.2 地质环境 1276.3 右坝肩岩体风化卸荷、岩体结构和岩体质量 1316.3.1 岩体风化卸荷 1316.3.2 结构面统计及分类 1356.3.3 岩体完整性 1396.3.4 岩体结构特征 1416.3.5 右岸山体卸荷变形岩体分区及岩体质量分级 1416.4 右坝肩卸荷岩体变形破坏模式分析 1486.5 岩土体物理力学参数评价 1556.5.1 岩石物理力学试验结果 1556.5.2 覆盖层物理力学试验结果 1566.5.3 岩体力学参数评价 1576.5.4 计算参数的选取 1646.6 右岸山体形成演化反演分析 1656.6.1 计算说明 1656.6.2 坝轴线剖面计算结果分析 1666.7 右坝肩边坡稳定性定量评价 1856.7.1 坝轴线剖面 1856.7.2 纵1 剖面 2096.8 主要认识 221第7章 苗家坝水电站近坝库岸F3-F9 变形体分析 2227.1 工程概况 2227.2 地质环境 2227.3 F3-F9变形体基本特征与形成机制分析 2247.3.1 F3-F9 变形体形成的基本地质条件 2247.3.2 F3-F9 变形体的形态特征 2267.3.3 F3-F9 变形体的变形破坏特征 2267.3.4 F3-F9 变形体拉裂缝充填物同位素测试及年代确定 2337.3.5 F3-F9 变形体的运动趋势分析 2347.3.6 F3-F9 变形体的形成机制分析 2357.4 断层物理力学参数 2367.4.1 基本物理指标 2367.4.2 断层力学指标 2377.5 有限元计算结果 2397.5.1 计算模型概化及计算工况说明 2397.5.2 天然状态有限元计算结果 2417.5.3 运行工况有限元计算结果 2457.5.4 地震工况有限元计算结果 2477.5.5 暴雨工况有限元计算结果 2547.6 稳定性系数计算结果 2627.6.1 计算工况及计算方法 2627.6.2 不同工况稳定性系数计算结果 2627.7 主要认识 264参考文献 266
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第1章绪论 1.1研究背景 21世纪以来，我国全面推进西部大开发和“一带一路”建设，一批重大基础设施项目全面开展，对提升国民经济和促进社会发展具有重大意义。我国西部水能资源开发、“西电东送”是西部大开发和“一带一路”建设不可或缺的一部分。然而，我国西部水能资源丰富的各大江河流域处于环青藏高原大斜坡地带，山势陡峻，坡高谷深，地应力高，地震烈度高，岩质边坡的稳定性问题成为制约西部水电站选址规划、安全建设和长期运营的重大工程问题。我国西部大型水电站存在的岩质边坡稳定性主要问题见表1.1。 表1.1中的岩质边坡稳定性问题，按深度可以分为两大类：**类是位于浅表部的变形拉裂或软弱结构面的不利组合构成的岩质边坡稳定性问题；第二类是位于深部的变形拉裂构成的岩质边坡稳定性问题。**类位于浅表部的岩质边坡稳定性问题，边界条件易于查明，成因机制易于分析。然而，位于深部的变形拉裂是在一些深切河谷的大型水电站选址中勘探发现的。深部变形体进一步发展演化，可以孕育大规模的滑坡。在地质灾害评价和岩质边坡稳定性分析中*不易发现的是可以孕育为大型～超大型滑坡的深部变形体。深部变形体岩质边坡一旦形成滑坡，会造成灾难性的后果。例如，1963年10月9日意大利瓦依昂水库(Vajont Reservoir)滑坡引起的涌浪灾难，2000年4月9日我国西藏易贡藏布江扎木弄沟发生特大型高位崩滑堵江溃决灾难。随着我国水电工程建设的推进，勘探力度加大，一些大型水电站所在的岸坡中相继发现深部变形体，如金沙江向家坝水电站库区近坝左岸马步坎深部拉裂缝、雅砻江锦屏一级水电站左岸坝肩深部变形体、黄河上游拉西瓦水电站库区近坝右岸果卜变形体、白龙江苗家坝水电站右岸深部变形体、尼洋河多布水电站右坝肩深部拉裂缝、易贡藏布江忠玉水电站库区近坝右岸变形体等。从这些案例可以看出，研究近坝库岸变形体的地质环境、形成机制和趋势演化，对分析预测岩质边坡的稳定性具有十分重要的意义。 1.2研究现状 1.岩质边坡破坏机制方面 岩质边坡的变形破坏机制是指，在各种主控因素作用下边坡发生变形破坏的地质力学模式与过程(刘传正，1996)。岩质边坡的工程地质问题是20世纪60年代初才被人们认识和研究的(De Freitas and Waters，1973；Müller，1968)。其中，关于反倾边坡倾倒变形的成因机制研究，一直是国内外学者关注的热点，对反倾边坡变形机制的研究主要通过工程地质现象的调查与分析进行归纳总结，并结合工程地质学原理分析反倾边坡倾倒变形的成因机制。Evans(1981)研究了岩质边坡的次生倾倒变形成因机制，认为边坡岩体力学强度降低和不均匀沉降是边坡发生次生倾倒破坏的主要原因。常祖峰等(1999)认为黄河小浪底工程库区岸坡的倾倒变形是在构造应力与岩体自重应力的共同作用下产生的，岩体应力是库区库岸边坡发生倾倒变形的主控因素。Zhang等(2015)对黄河上游茨哈峡水电站的岩质边坡变形机制进行了研究，结果表明坡体结构、岩体质量、卸荷裂隙和地形地貌等是边坡发生块体倾倒-弯*变形的重要因素。随着研究的不断深入，有些学者根据岩质边坡的变形破坏模式来研究其形成机制，取得了大量的研究成果。Teme和West(1983)对节理岩质边坡倾倒破坏的机制进行了比较深入的研究，认为存在五种次生倾倒破坏模式：坡脚滑动倾倒、坡顶滑动倾倒、基座滑动倾倒、张裂倾倒、倾倒滑塌。张倬元等(1981)通过野外地质调查和大量的文献资料归纳总结，提出了边坡岩体变形主要包括拉裂、滑移、弯*和塑流四种基本变形，基本变形的特定组合可以形成蠕滑-拉裂、滑移-压致拉裂、弯*-拉裂、塑流-拉裂和滑移-拉裂等地质力学模式，并且认为岩质边坡的变形破坏机制主要是这几种地质力学模式。许强等(2005)对尼泊尔色迪河桥桥址区岩质边坡的变形破坏成因机制进行了研究，认为桥址区岩质边坡的变形破坏力学模式为拉裂-倾倒-坐落的组合地质力学模式。 随着计算机技术的快速发展，研究者也用数值模拟手段来定量研究岩质边坡的变形破坏机制，取得了比较理想的效果。Adachi等(1993)采用离散元法模拟了由凝灰岩、凝灰质砂岩和砾岩组成的边坡变形破坏过程，分析了变形破坏机制。Brideau和Stead(2010)采用三维离散元技术研究了结构面方向对岩质边坡块体倾倒机制的影响，结果表明结构面的不利组合会导致岩体发生块体倾倒变形破坏。Brown等(1980)采用有限元法研究了片岩边坡的变形破坏，结果再现了片岩边坡弯*倾倒变形过程。李桂荣等(1997)采用有限元法模拟了考虑岩层弯*变形效应的边坡开挖破坏过程，并与层状岩体边坡分期开挖破坏试验进行对比，验证了其研究结果具有一致性。徐佩华等(2004)为了研究雅砻江锦屏一级水电站解放沟左岸边坡倾倒变形的机制，采用有限差分法模拟边坡地质体的演化过程，结果表明岩体卸荷回弹是促进反倾层状边坡发生深层弯*倾倒变形的主要因素。此外，室内物理力学模型试验也广泛应用于岩土工程领域，研究者*开始运用该方法研究反倾岩体倾倒变形的是底摩擦试验(Whyte，1973)和倾斜台面模型试验(Ashby，1971)，后来发展成离心物理模型试验(Craig，1989)。Adhikary等(1997)以坚硬和柔软介质作为实验材料，通过一系列离心物理模型试验，研究了节理岩质边坡的弯*变形机制。罗华阳和王敬(2000)通过物理模型试验研究了沅水干流上五强溪水电站左岸船闸边坡变形破坏机制，认为受自身地层岩性与地质构造控制，船闸边坡变形破坏以层状岩层弯*倾倒为主。左保成等(2005)通过室内物理模型试验研究了反倾边坡的变形机制，认为边坡的变形破坏模式为倾倒-折断变形破坏，表现出明显的“叠合悬臂梁”特征。 2.岩质边坡稳定性理论方面 岩体受结构面切割控制，宏观上呈现出一定程度的松散介质特性。由于坡体结构的不同，在自然界中既可见矗立千米的高边坡稳定，又能见到类似土质边坡的岩质边坡失稳。岩质边坡稳定性研究方法也有多种。对岩质边坡稳定性的评价可以分为现场监测分析法、物理模拟试验法、定性分析法、定量分析法和非确定性评价法等。下面主要介绍定性分析法和定量分析法。 1)定性分析法 定性分析法通过现场地质调查，收集和排除主要影响岩质边坡稳定性的因素，查明变形破坏方式，分析失稳破坏的成因机制。对岩质边坡综合信息的分析可以为稳定性状况的评价及预测提供支撑。常见的定性分析法有自然历史分析法和工程类比法。 自然历史分析法主要通过对地质构造变形破坏迹象、影响因素进行分析，还原岩质边坡变形破坏的历程，*后对岩质边坡稳定性及趋势进行评价和预测。这种方法仅作为初步定性评估，往往适用于对天然岩质边坡稳定性的评价和预测。 工程类比法实际上是将以往岩质边坡稳定性状况、影响因素及其治理的经验，作为研究类似滑坡稳定性评价和治理经验来运用。目前运用这种方法的有专家系统和工程数据库。 2)定量分析法 定量分析法包括刚体极限平衡法和数值分析法。刚体极限平衡法是在极限平衡理论上发展起来的，也是目前应用*广泛的岩质边坡稳定性分析方法之一。它的基本思想是把岩块视作刚体，并忽略岩体的应力-应变关系，分析时对破坏面作一些简化假设，将破坏面以上的岩土体看作脱离体进行分析，计算力的作用下达到静力平衡时所需要的抗力和抗剪强度，并与实际值相比，从而对安全性量化评价。刚体极限平衡法有费莱纽斯(Fellenius)法、简布(Jaubu)法、毕晓普(Bishop)法、萨尔马(Sarma)法、楔体极限平衡法、摩根斯顿-普林斯(Morgenstern-Prince，M-P)法和剩余推力法等。其中，Sarma法除适用于圆弧滑面滑体外，还可用于折线型滑面对象的分析；在对岩质边坡中各种楔体进行分析时，楔体极限平衡法使用较多。有限元法也被引入极限平衡分析中，通过有限元法得到滑面上各点应力，再基于极限平衡原理积分求得滑面上的受力，从而得到整体滑动的安全系数。刚体极限平衡法的缺点是在力学上作了一些简化假设。正是如此，也抓住了主要矛盾，使用时简单明了。刚体极限平衡法是目前被广泛认可且应用*多的稳定性分析方法之一。国内外学者对刚体极限平衡法进行了研究和改进，如杨松林等(1999)针对传统竖直条分法和Sarma法的缺陷，提出了广义条分法，考虑了条块间接触面的应力和变形的关系，通过对滑面搜索方法的改进，计算*危险的潜在滑动面及其稳定系数；李冬田和余运华(2001)提出了可应用于岩质边坡的多层数字高程模型(digital elevation model，DEM)的三维刚体极限平衡法，仍然采用简化Bishop法的假定，用层分析方法分析岩质边坡的稳定性，*后提出了抗滑系数谱的概念，用于表征碎裂岩体稳定因素的不均匀性。目前也有很多商用软件基于刚体极限平衡法开发，如GEO-SLOPE的SLOPE模块、SLIDE、STAB等软件。 计算机科学的发展使得复杂计算变得更容易实现，数值分析法也有了长足的发展。目前应用于岩质边坡稳定性计算的方法既有连续介质法，又有非连续介质法。连续介质法包括有限元法、无单元法、边界元法、有限差分法等；非连续介质法主要有离散元法、流行元法、颗粒元法等。除上述几种方法外，还有各方法之间的耦合应用。这样就能取长补短，更好地适应岩体的非连续、非均质特征，达到更真实地模拟岩土体状态的目的。有限元法(finite element method，FEM)在20世纪50年代作为一种处理固体力学相关问题的方法被提出，是由变分法导出的基于能量原理的有限元方程。离散元法(distinct element method，DEM)是Cundall(1971)提出的，在块体准刚性的假设条件下，根据牛顿第二定律建立，允许离散的块体发生转动和平动，直至分离，且此方法区别于有限元法和边界元法的小变形限制和连续介质的制约，适合于裂隙介质及块状介质的变形破坏的研究。边界元法(boundary element method，BEM)把边界广义力和位移作为*立变量，并用满足场方程的奇异函数作加权函数，优点主要表现在可以降低问题求解时的维数和可以处理无限半无限域问题，而且应力和位移有同等的高精度。快速拉格朗日连续介质分析(fast Lagrangian analysis of continuum，FLAC)法克服了有限元和边界元对于大变形问题难以求解的局限性，FLAC法基于显式差分原理，适用于大变形问题的求解，并且可以更好地考虑岩土体的非连续性特征，求解速度快，缺点是网格划分有很大的随意性。除上述的岩土工程数值分析法外，不连续变形分析(discontinuous deformation analysis，DDA)法也被运用于实际工程，并取得不错的效果。 3.岩质边坡监测预警方面 关于变形体边坡发生时间预报方面的研究，从日本学者斋藤1969年发表论文算起(苗胜军等，2007)，已有近六十年历史。由于变形体边坡所处地质环境、地质历史、诱发因素的复杂性、多样性及其变化的随机性与非确定性，因此很难获取有效的动态信息。同时，由于变形体边坡动态监测技术不成熟，分析理论不完善，滑坡发生时间的预测一直是众多学者研究的课题，以下分类简述。 (1)经验型预报方法。 经验型预报方法是基于变形体边坡变形发展过程中表现出来的宏观变形破坏现象(如坡体前缘频繁崩塌、后缘拉裂缝)、大量试验与工程实践积累的经验，预测变形体边坡失稳时间(王念秦等，2008)。从微观角度看，变形体边坡的变形破坏过程是变形体蠕动变形的过程。因此，可以基于岩土体蠕变理论开展变形体边坡失稳时间预报。Saito(1969)通过实验得出均质土坡发展为滑坡的时间与蠕变速率之间的经验关系。此后，Hayashi等(1987)、Voight(1988)、Federico等(2012)在此基础上进行了拓展研究，丰富了利用蠕变理论进行变形体边坡失稳预测预报的研究成果。一些学
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