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1、锦屏水电站地应力场回归分析与坝肩槽开挖高边坡稳定性三维非线性有限元分析 四川大学硕士学位论文锦屏水电站地应力场回归分析与坝肩槽开挖高边坡稳定性三维非线性有限元分析姓名:杨静申请学位级别:硕士专业:岩土工程指导教师:何江达2003.5.1矿伽名四川人学颇学位论史锦屏水电站坝址区地应力场回归与坝肩槽开挖高边坡三维非线性有限元分析岩土工程专业何江达指导教师研究生 杨静锦屏一级水电站位于四川省盐源县和木里县境内,是雅砻江干流上的重。要够目灏电站。电站设计装机容量,采用混凝抛物型双曲拱坝,最大坝高.,是拟建的国际上最高拱坝。无论是对大坝还是对地下厂房洞室群的稳定而言,地应力场的研究都具有非常重要的意义,
2、同时,大坝基础开挖后形成的级商边坡稳定问题也是一个有待深入研究的课题。本文根据锦屏一级水电站坝址区的地形地质特性,运用三维非线性有限元仿真计算方法,对坝址区初始地应力场和坝肩槽开挖高边坡的稳定性及工程加固措施开展了系统研究。首先结合锦屏一级水电站坝址区的地形地质条件与地应力实测资料,运用三维有限元回归分析方法,建立工程区域的三维初始地应力场且真实反映坝址区地质构造的有限元模型,并用逐步回归方法探讨了地应力场的待回归因素与构造应力场的模拟方式,对比分析了两种回归方案的特点,为坝肩槽挖高边坡和地下厂房洞室群围岩稳定性分析提供合理的初始地应力场。在确定的坝址区初始地应力场条件下,采用三维非线性有限元
3、的仿真技术,模拟左右岸坝肩槽分级丌挖过程,研究了岩质边坡的卸荷效应,以及应力、位移和点安全系数的分布规律,揭示了边坡可能出现的破坏部位与发育程度。在此基础上提出了相应的加固处理措施,并研究了加固措施的工程效应,论证了工程加固措施的合理性与可靠性。本文的特色在于:针对锦屏水电站工程坝区地形地质条件,建模时充分考虑了坝址区内的断层、深部裂缝以及节理裂隙的分布特性,客观地反映了工程的实际情况;在地应力场回归分析计算时,对构造应力场的模拟方摘 要式作了探讨与新的尝试,引入剪切位移模拟地质构造作用对主应力方向的调整作用,采用逐步回归的方法来选择待回归因素,讨论了岩体自重应力场在初始地应力场中的权重问题,
4、并考虑了两种地应力场回归方案,综合评价了各自的特点;在三维非线性有限元仿真计算中,考虑了岩体的?弹塑性模型和遍布节理的定向破坏模型,研究分级开挖过程中坝肩槽边坡岩体的应力场、位移场及破坏信息分和特征;通过综合分析论证,提出了坝肩槽高边坡的加固处理方案并进行了作用效果研究;首次采用隐含锚杆有限元子结构形式,系统研究馅杆对边坡岩体的加固作用以及锚杼在随加固区变形过程中存在的反向“锁固力”对岩体变形的抑制作用。自重应力场 高边坡 弹塑性三关键词:地应力场回归 构造应力场维有限元锚杆回弹效应四川大学烦卜学位论史?. . ?.咖, , ., ,. , ,? , ,.,. ?,. , .摘 要: , ,.
5、, .,?.: 加力 .四川人学硕学位论文概论.论文选题的依据及研究意义岩体力学与其它力学学科的最根本区别在于岩体中具有初始应力,所有的一切岩体力学现象都与地应力的大小有关,所谓岩体的初始应力是指岩体在天然状态下所存在的内在应力,在地质学中,通常又称为地应力。岩体的本构关系、破坏准则以及岩体中应力传播规律都要随地应力大小的变化而发生变化【。例如,在低地应力和低偏压情况下,岩体的脆断特性表现明显,受节理面制约而表现的各向异性和非连续性也很明显,岩体破坏时,峰值强度与残余强度之间的数值差较大。在高地应力国内一般指工程区域的岩体初始应力达到条件下,岩体的脆性表现不太明显,而塑性特征表现明显,节理面的
6、存在所引起的各向异性也会明显减弱,表现出连续介质的特性,并且会呈现出商地应力的特殊现象,因此,开展岩体地应力的深入研究,可以针对高地应力地区出现的岩石力学问题提出有效的对策与工程措施。根据大量实测资料证明:地应力是一个具有相对稳定的非稳定应力场圆,具有随时问和空间变化的特征。地球的各种动力过程,如板块运动、地幔热对流、地质构造和地球旋转都能引起应力场,而岩体自重、地热地温不均、岩浆入侵、水压梯度也都能引起应力场,但从岩石工程的角度来看,工程涉及的范围总是有限的,属于区域性地应力场,工程岩体中地应力主要来源是岩体自重和地质构造运动。无论是人工开挖形成的岩质高边坡还是地下洞室开挖过程中的围岩稳定性
7、都与地应力水平息息相关,如何模拟计算工程岩体中的地应力,使研究结果与客观实际更为符合,为工程设计提出可靠的依据,这方面的研究很有意义。伴随着大型岩土工程建设,如水电工程、露天采矿工程、交通工程等向复杂环境、复杂地质条件的推进,与之相关的自然边坡和人工高边坡稳定问题变得愈发突出,特别是在水电工程建设中,由于开挖坝肩、溢洪道、厂房和隧洞进出口等形成了大量的高边坡,这些边坡的稳定性将会对工程修建的可行性决策起到控制性作用,并在很大程度上影响工程建设的投资和经营效益;同时边概论坡稳定性与崩滑等地质灾害关系密切,会给国民经济建设造成重大损失,甚至危及人民群众的生命财产安全?。在我国在建和拟建的一批大、中
8、型骨干水电工程中,如三峡枢纽的库区滑坡及人工高边坡船闸,紫坪铺水利工程导流洞进出口开挖高边坡,以及小湾、二滩、洪家渡、五强溪、瀑布沟、李家峡等,都存在着几百米的高边坡问题。因此,加强复杂岩体中高边坡稳定性的基础研究,加强重大工程边坡稳定性的应用研究,不仅对国民经济建设,水能及矿产资源开发有重大的经济意义,而且对地质灾害的防治及环境保护有重大的社会效益。锦屏一级水电站位于四川省盐源县和木里县境内,是雅砻江干流上的重要梯级电站。电站设计装机容量膨矾采用混凝土抛物型双曲拱坝,坝顶高程.,正常蓄水位.,最大坝高.,正常蓄水位以下库容.亿,调节库容.亿,多年平均年发电量.亿?,近期可以增加雅砻江下游梯级
9、电站桔期出力.万?,以及长江三峡和葛州坝电站的保证出力约.万,远期对金沙江下游梯级也有一定补偿作用。锦屏一级水电站坝址区山高谷深,地质条件复杂,左右岸存在多种不利地质构造,成勘院科研所对该电站坝址区进行了大量的地应力实测,近%实测点的大主应力超过,其中有个别点的大主应力甚至超过,属明显的高地应力地区,这对于锦屏级水电站的地下厂房洞室群以及由开挖坝肩槽所形成的级的人工高边坡的稳定性研究至关重要。因此,建立客观合理的锦屏一级水电站坝址区地应力场,在此基础上进行坝肩槽高边坡开挖过程的数值仿真模拟,系统研究边坡的开挖效应,揭示开挖过程中可能出现的失稳区域,寻求相应的加固处理对策,这具有重要的学术和工程
10、价值。.国内外研究现状及评述.地应力场的研究历史与现状对地应力的认识,最早是海姆于年在研究阿尔卑斯山深大隧道的地质问题时提出的“静水压力”假说,认为在离地表距离为日的地层深处,在各个方向存在的初始地应力量值都等于为地层密度。年,会尼克.皿又对初始地应力场的分布提出了弹性理论计算 人学颂.学位论文法,将岩体看成半无限域内弹性体,认为地层中的初始垂直应力可取为岩体自重,初始水平应力则应为【/。/.。这两种理论后来都被证明仅适用于一定的场合,但均不能代表初始地应力场分布状态的普遍规律。一般说来,埋深较大时地层中的初始应力场比较接近于静水应力场;而按弹性理论规律分布的初始地应力则只在未受到构造运动扰动
11、的水平地层中才有可能存在。年,瑞典的哈斯特.首先开始量测初始地应力,由此开创了通过现场量测信息反演确定初始地应力的历史口。继哈斯特之后,许多国家先后丌展了这项工作,积累了许多初始地应力的实测资料,将这些资料进行综合分析,可知虽然绝大部分地区岩体的初始垂直应力大致相当于按岩体的平均密度./计算所得的上覆岩层的重量,但初始水平应力却常大于初始垂直应力,且都具有强烈的方向性,即两个初始水平主应力的量值常常相差较大,最大初始水平主应力的作用方向一般取决于现代构造应力场的主要压缩方向。在金尼克假设提出以后的几十年时间内,对初始地应力场所作的研究大都属于定性研究的范畴,例如将初始地应力场区分为自重应力场、
12、构造应力场、温度应力场和地磁应力场,分析它们的特点和影响因素,以及研究水平地应力和垂直地应力之间的数量关系,即侧压力系数的变化特征等。近年来,随着计算机技术和数值分析方法的进步,这一课题才在建立定量计算方法研究方面相继取得成果。在近期研究者提出的初始地应力场定量计算方法中,大多是以某些位髯的初始地应力实测值为依据的数值拟合分析计算法。在数学概念中,这类方法属于选点法。从二十世纪年代以来,由于岩土工程迅速发展,取得了大量宝贵的资料。目前在大、中型水电工程坝址区地应力场分析中,都有条件根据现场地应力实测资料进行工程区域初始应力的反演分析。目前已建立的数值拟合分析计算方法主要是以分析工程区域初始地应
13、力场为目标的数值计算法,这是因为初始地应力场的分布规律非常复杂,人们已经积累的经验还不足以针对大范围内初始地应力场的分析计算建立比较合理的力学模型。只有局限在较小范围内初始地应力场的反演分析时,计算区域的边界应力才能简单地假设为均布应力或只是按线性规律变化的应力等。这类问题的计算可简化为边值问题,待求得边界应力的量值后,即可由此计算出整个计算区域的初始地应力场。现在工程上应用概论较多的分析方法大致可以分为两类:类是位移反分析方法,即结合现场丌挖实测位移,反演岩体初始应力 ”,此方法目前主要用于地下工程,且理论与方法都欠成熟;另一类是地应力回归方法,即结合工程区域地应力场的有限元计算模型,根据工
14、程所在地区少量地应力实测资料进行回归计算,使得计算应力场在实测点位置的应力值与实测应力达到最优拟合,以求得工程区域初始应力场】【。一、位移反分析理论的发展在国外,同本对这类课题的研究取得了较多的成果,其中比较著名的是神户大学的樱井春辅等人提出的位移.应变反馈确定初始地应力与地层参数值的有限单元法。这一方法假设了岩体的初始垂直应力近似等于自重应力,取用了不等于水平应力口/一的待定侧压力系数,在分析计算中可同时确定地层、口值。为使计算位移值逼近实测位移值,这一方法需经过多次重复计算,才能最终确定弹性参数及初始地应力。除日本外,美国、意大利等国的学者对位移反演理论也早有研究,其中美国学者古德曼.在岩
15、石力学专著中已提到可依据位移量反算初始地应力,意大利学者焦德.则已从事位移反演理论研究多年,并己取得系列成果,包括可同时确定初始地应力场和地层特性参数的优化反演分析理论。国内最早研究初始地应力场位移反演分析计算法的单位是中国科学院地质研究所,杨志法等根据有限元计算所得的围岩应力分析结果编制了系列图谱,可以在图谱中直接由位移量测值来研究初始地应力或围岩参数,或同时确定二者?。中国科学院武汉岩土力学研究所也曾进行过性质类似的研究四,这类位移反演分析计算法属于数值拟合计算法,近年来同济大学杨林德等人在位移反分析理论和工程应用上发表了较多研究成果“。二、地应力场回归计算方法的研究岩体初始地应力研究与工
16、程应用涉及地应力量测和区域回归分析两个方面的内容,由于岩体中存在着大量的断层、节理、微裂隙等不同类型的结构面以及地应力量测方法的局限性,目前室内方法及现场解除法测定的地应力成果只能代表测点位置.米范围内“岩块”的应力状态,采用位移反分析所得到的地应力也只能代表多点位移计量测范围内岩体的一种平均应力,仍然属于口川大学钡学位论文小范围内的?种局部应力,直接将这些测点位置的地应力成果应用于工程,存在两个方面的问题:一方面由于岩体初始地应力与它所赋存的地质单元体的形成与演变过程中许多因素有关。工程上实测的地应力成果,由于测点位置的地质力学环境差异,尤其是目前工程上地应力量测的选点位置或取样位置,一般埋
17、深都较浅小于米,主应力的水平及方位受地形与结构面影响较大,经常出现同一区域不同测点的地应力测量成果离散性很大。有时,最大主应力的方位竟相差达度。如何认识这种测点之间地应力成果的差异性,以及如何分析评价各测点的合理性与代表性,往往成为工程上一个非常棘手的问题;另方面由于岩体地应力的现场量测费工费时,成本很高,即使很重要的大型水电站工程也只能开展少数几个点的测量,如二滩水电站为个测点,拉西瓦水电站为个测点,鲁布格水电站为个测点,天生桥二级水电站为个测点,洪家渡水电站为个测点,思林电站为个测点。如何根据这少数的测点应力去认识和把握工程区域地应力分布的特征与规律,这就要求建立测点应力与工程区域应力场之
18、怛的关系。综上,工程区域地应力场的回归分析,对于多测点地应力实测成果之间的“平差”,确认识工程区域地应力场的宏观规律,以及加快水电工程的进度都具有非常重要的意义。目前,工程上常用的地应力场回归分析方法主要有以下几种:、边界荷载调整法该方法是运用有限元数值分析手段,通过逐步调整工程区域边界荷载,使得用有限元方法求出的应力场在给定的测点位置等于或接近地应力的实测值。与此相应的计算应力场即作为岩体的初始地应力场,这种方法的最大缺点是边界荷载调整计算量大,难以保证计算过程中多测点位置同时收敛于实测值,但陔方法适宜于地应力场的非线性弹塑性型还原分析。、应力函数的趋势面分析四该方法的分析思路是在计算域内寻
19、求一确定的应力函数巾,要求在若干测点位置,由击函数确定的应力值与实测值的误差最小,该方法实质是建立在连续介质和弹性力学基础上,显然对岩性不均一或含有结构面的岩体则变得较为复杂。概论、地质历史反演分析法该方法假设在河谷形成以前,地应力场反演区域的地形平坦,此时就存在了远古时代的初始地应力场。河谷地形是在经历了漫长的地质历史时期后,由于河流的不断冲刷下切作用逐渐演变形成。在反演分析中一方面需要模拟河流下切历史中谷坡形态的变化,同时还需要模拟谷坡地应力的释放效应,反映河流逐步下切使地应力场逐渐调整的过程,并叠加初始地应力场,最后得到现今的地应力场。但是,河流的下切也是一个漫长的历史过程,而由地质构造
20、运动形成的构造应力场究竟是在河流形成以前就已形成,还是在河流形成过程中经过若干个地质构造运动才形成现今的构造应力场,这很难加以判断,故地质历史演变过程的复杂性造成了此种方法的模糊性,当区域内有地应力实测点时,更需要通过多次试计算来确定远古时代就已形成的地应力场,使整个地应力场反演过程更为复杂。、有限元数学模型回归分析方法】该方法是将可能形成初始应力场的因素如自重,构造作用等作为待定因素,建立待定因素与实测资料之间的多元回归方程,运用数理统计方法,使残差平方和达到最小,由此求得回归方程中各自变量待定因素系数的唯一解,然后根据所求得的回归方程,计算出整个区域的初始应力场。如何确定待回归因素,以及如
21、何正确模拟构造作用一直是值得探讨的问题。本论文采用逐步回归的方法来确定待回归因素,为了更为真实地模拟主应力方向,引入了剪切构造作用,并论证了其合理性。】.高边坡研究的国内外现状吨对边坡的稳定性研究由来已久,最早可追溯到世纪末至世纪初。早期对边坡稳定性研究主要从两方面进行:一是从边坡所处的地质条件及滑坡现象上对滑坡发生的环境及机制进行分析,但基本上是定性分析;二是借用刚体极限平衡理论,根据静力平衡条件计算边坡在极限平衡下的整体稳定性。年代,我国的许多学者在研究中开始采用前苏联的“地质历史分析法”,但也是偏重于定性描述和分析。年代初,随着世界经济的发展,采矿、水利、交通和建筑等行业大量工程建设,提
22、出了许多地质条件复杂的大规模矿山边坡、大坝叫川大学硕卜学位论文坝肩槽和库岸边坡、铁路和公路的路颦边坡,特别是年法国坝左岸坝肩岩体的崩溃以及年意大利坝上游左岸的库岸边坡滑坡,使人们清醒地认识到了对边坡破坏的力学机理研究不足,使研究者意识到边坡破坏是一种时效过程或累积过程,从而使边坡稳定性研究进入了模式机制研究或内部作用的阶段。进入二十世纪年代后,边坡稳定性研究进入了蓬勃发展的新时期,一方面计算理论及计算机技术的迅猛发展,数值模拟技术开始广泛应用于边坡稳定性研究之中,从整体上、理性上认识边坡变形破坏机制,认识边坡稳定性的发展演化;另一方面,现代科学理论,如系统分析方法、模糊数学、灰色理论,遗传学、
23、人工神经网络等相继引入边坡科学研究领域,从而大大促进了边坡理论的更新,以及工程应用研究和决策水平的提高。一、影响边坡稳定的主要因素鉴于国内外大量边坡失稳的经验教训,根据我国“八五”攻关时对个国内外边坡登录的统计资料分析认为口】:由于人类活动和开挖施工不当可能会诱发边坡的倾倒、崩塌及溃屈。边坡的开挖或超挖,改变了边坡形态,破坏了原岩体的力学平衡条件,而又未能及时加固处理,是边坡失稳的外因之一。从内因上分析,岩质边坡因内部裂隙、节理、断层构造和地应力变化十分复杂,结构面的抗剪强度指标较小,当底部开挖时支承力减小,开挖过程中由于应力重新调整进入塑性状态,这时的塑性变形就会危及边坡的安全。虽然边坡开挖
24、完成后,岩体质量较好,尚未进入塑性状态,但此时边坡的位移量必须受到一定的限制,否则也会危及边坡及上部建筑物的安全。二、边坡稳定性的研究方法岩质边坡稳定问题一直是岩土工程的一个重要研究内容,而边坡稳定性评价结果的确与否直接关系到边坡工程的成败。目前国内外边坡稳定性分析的方法很多,主要有极限平衡法、地质力学模型试验法、有限元法、离散单元法、边界元法、可靠度法、方法、拉格朗日元法、数值流形元法与无单元法,以及基于模糊理论和人工智能方面的一系列方法。从总体上看,传统的确定性分析方法如极限平衡理论用于边坡分析,结果不十分理想,而不确定性方法如灰色理论等用于边坡稳定性评价的准确性还与实际情况有一定的差距。
25、下面对各种方法作简单的介绍和评价:概论.极限平衡法应用于岩质边坡的极限平衡法是从早先的土力学极限平衡法中发展起来的,其特点在于事先假定滑移面的形状,然后计算使潜滑体保持极限平衡状态所需的抗滑力,边坡是否失稳取决于抗滑力与下滑力的相对关系。我国熊传治教授推导了破坏准则的安全系数表达式,用优化方法解决了平面或圆弧滑面的确定问题,陈祖煜教授等采用了单纯形法、负梯度法和法来确定滑面的最优形状。极限平衡法是边坡稳定研究的传统方法,与有限元等其它方法比较,有较大的局限性【“。.地质力学模型试验法”】地质模型试验方法是在世纪年代发展起来的,这种方法能模拟不连续岩体的自然条件、岩体结构和强度特性。典型边坡地质
26、力学模型的建立对于边坡稳定性评价及其失稳形式的分类是非常有意义的,因为边坡的地质力学模型是反映影响边坡稳定性态的各种地质因素的综合体现,因而可以在工程实践中根据边坡地质模型去把握边坡破坏形式,预报边坡变形趋势和可能破坏方式,以便选择合理的加固处理措施等:近年来四川大学提出的变温相似方法,即通过预埋在边坡关键部位的电阻丝不断升温,逐渐降低岩体和结构面的参数,以此来研究边坡的失稳演变过程,该方法可以较真实地反映边坡应力场,在一个模型上实现强度储备法,代表了地质力学模型颓的发展方向;除了传统的地质力学模型外,离心模型试验也开始广泛应用于边坡的变形破坏研究中【、叭,这一技术的应用为深化对边坡失稳破坏机
27、制的认识,解决复杂工程地质问题提供了重要手段。.有限单元法【随着计算机技术的发展,数值模拟技术已广泛应用于边坡的稳定性研究中,目前工程边坡分析中较多采用有限单元法。有限单元法是在年提出的,应用到岩石力学中是从年开始的,克劳夫、威尔逊、辛克维茨等人首先采用线弹性连续体有限元分析方法来求解岩体力学问题。年,威尔逊首先提出应用非线性有限元进行结构分析计算。年古德曼等人提出岩体不连续面单元,这对模拟岩体中的断层、裂隙、节理等结构面的存在有很重要的贡献。世纪年代,自适应理论又被引入有四川大学硕土学位论文限元计算中,使有限元实现了网格的客观控制。迄今,非线性有限元法已日趋完善和成熟,使用有限元法探讨岩体工
28、程问题已相当普遍,其中包括用有限元法来研究岩质高边坡的稳定、地下洞室的围岩稳定、坝肩岩体和坝体结构的稳定性和坝体的结构特性。.离散单元法【自从首次提出离散单元 模型以来,这一方法已在岩土工程和边坡问题中得到益增长的应用。离散单元法的一个突出功能是它在反映岩块之间接触面的滑移,分离与倾翻等大位移的同时,又能计算岩块内部的变形与应力分布。因此任何一种岩体材料都可引入到模型中,对块状结构、层状破裂或一般破裂结构岩体边坡比较合适。刚体弹簧元法堤近年来提出的与离散元法很近似的一种方法,在边坡分析中,它克服了传统位移型有限元法单元闻的应力跳跃缺陷和位移有限元法难以直接求出抗滑安全系数的缺点,从而使得最危险
29、滑动面的搜索成为可能。但该方法也存在着一定的不足,如位移精度较低;不能直接求出单元应力张量的全部分量,应力张量必须由交界面面力间接求得等。、可靠度方法】【】由于作用荷载、岩体力学参数等并非定值,而是服从一定的概率分布,边坡稳定性分析的一个发展方向是基于概率统计的可靠度理论。可靠度理论是一种迅猛发展的新方法,自二十世纪年代应用于边坡工程以来,受到了国内外岩土界的高度重视。从理论上讲,可靠度分析优于安全系数定值评价,然而对岩土材料,其最大的困难在于确定其物理力学参数比较困难,此外,因随机的因素太多,难以确定各因素的概率分布,此方法刚走向实际工程应用阶段,还有待深入研究。、方法【】【】由石根华与提出
30、的块体系统不连续变形分析是基于岩体介质非连续性发展起来的一种崭新的数值分析方法。节理面切割岩体形成不问的块体单元,单个块体内部满足连续介质的变形协调方程和本构关系,但块体间不满足变形协调关系,块体间的本构关系是通过假定刚度来实现,中的本构关系为块体所受的合外力与块体位移之概论问的关系。它可以计算破坏前的小位移,也可以计算破坏后的大位移,如滑动、崩塌、爆破及贯入等,特别适合于边坡极限状态的设计计算。法是兼具有限元与离散元法二者优点的一种方法,其一个时步内的求解过程更像有限元法,而在块体运动学求解方面更类似于离散元法。但是,岩体种类繁多,性质极为复杂,计算时步的大小对结果影响很大,且需耗用大量机时
31、,计算方法的优化和改良还在待进一步研究。、拉格朗日法为了克服有限元等方法不能求解大变形问题的缺陷,人们根据有限差分法的原理,提出了数值分析方法。它的缺点是计算边界、单元网格的划分有很大的随意性,有较大的不足之处/。、其他方法除了上述分析方法外,近年来又提出了不少新的研究方法,如:关键块体理论法九、边界元法、流形元法【和各类耦合数值分析方法;灰色统计判别法酬、分形分维理论【】、模糊极值理论、人工神经网络分析法等统计类比方法:以及各类数据库、专家系统、人工智能、岩体三位数字模型口引等。边坡稳定评价方法的多样性,使人们可以从多种途径来对边坡的稳定性进行评价,其中有限元法作为应用得最为广泛的一种方法,
32、已发展得较为成熟,可以用来求解弹性、弹塑性、粘弹塑性、粘塑性等问题,具有重要的实用价值。与其他方法相比,有限元方法在处理复杂结构、复杂边界及荷载条件、非线性问题方面显示了独特的效能?】,它可以方便地采用弹塑性理论来分析解决由于岩土体的非均匀性、非连续性造成边坡工程问题的非线性特征;可以得到边坡的应力场、应变场和位移场,非常直观地模拟变形破坏过程;可以用于分析边坡工程的分步开挖,边坡岩土体与加固结构的相互作用:能根据岩土体的破坏准则,确定边坡的塑性区或拉裂区,分析边坡的累进破坏过程和确定边坡的起始破坏部位等等。.论文主要研究工作及主要技术路线锦屏一级水电站坝址区山高谷深,垂直坡高近千米,岩层倾向
33、左岸山里四川大学硕士学位论丈左右岸存在多条断层、深部裂隙和煌斑岩脉等不利地质构造,工程区域地应力场复杂,坝肩槽开挖形成的岩质高边坡稳定性问题突出。本论文针对锦屏一级水电站坝址区地形地质条件,运用三维有限元方法系统研究坝址区地应力场和左岸坝肩槽开挖形成的高边坡岩体的稳定性,并提出坝肩槽高边坡的加固措施。总体研究路线为:、坝址区初始地应力场研究。结合工程区域地质构造背景和谷坡地应力场分布规律,运用三维有限元和多元回归技术,采用逐步回归的方法来研究构造应力场的作用与模拟方式,以求更为真实合理地模拟工程区域的地形、地质条件,建立大范围的空间地应力计算模型。、结合最优化分析决策理论,对地应力场回归方案进
34、行优化筛选,研究坝址区地应力场的形成机制,包括成因,水平地质构造作用的贡献,与实测值拟合最佳的地质构造方位,以及地质构造作用与岩体自重应力的权重等。、客观评价回归地应力场的合理性与可靠性,揭示锦屏一级水电站坝址区地应力场的基本规律。、针对锦屏左岸边坡中存在的各类断层、深部裂缝和优势节理裂隙产状,采用强度和变形各向异性本构模型,充分反映这些不利地质构造对边坡的作用与影响,对左岸坝肩槽开挖边坡和坝后边坡稳定性进行深入研究,揭示边坡可能的失稳模式和范围,确定需要重点加固的部位。、根据上述坝肩槽开挖边坡的卸荷特性和可能的失稳区域,提出相应的加固处理意见,进行加固后的三维有限元分析,论证加固效果,优化加
35、固措施。、在加固处理方案的论证中,为充分反映系统锚杆的工作机理和加固效果,本文提出了一种考虑隐含锚杆的有限元子结构单元来研究系统锚杆的回弹效应的新方法。锦屏坝址区地应力场回归分析模型锦屏坝址区地应力场回归分析模型对地应力场回归模型的建立,必须是在了解工程区域的地质条件和地应力场的基本规律之后,再选用合理的有限元计算模型。.坝址区基本工程地质条件【.坝址区地形地貌特征及卸荷特性普斯罗沟坝址位于普斯罗沟与手爬沟间.长的河段上,河流流向约。,河道顺直而狭窄,两岸谷坡高近千米,基岩裸露,岩壁耸立,为典型的深切“”型河谷,其中右岸高程以下坡度。,以上约。;左岸高程以下坡度约。,以上坡度变缓至。左右,正常
36、蓄水位时谷宽约。坝址区出露的地层主要为中上三叠统杂谷脑组二段.大理岩,厚度约,第一段绿片岩在地表未出露,深埋于河床以下及右岸以里,厚度大于,杂谷脑组三段.砂板岩出露于左岸高程之间,厚度约,高程间又为杂谷脑组二段.大理岩。坝址区两岸岩体的弱风化深度一般小于,仅局部地段达到,一般是右岸较浅,左岸较深,两岸岩体除谷坡表层有弱风化外,夹层风化是坝址岩体风化的突出特征,河床基岩弱风化深度高程.,岩体弱风化下限平均高程为.,但线岩体为新鲜状态无弱风化。坝址区两岸大理岩岩体卸荷强烈,尤其是左岸岩体水平卸荷深度较大,右岸相对较浅,其中右岸顺向坡大理岩强卸荷一般水平深度.,弱卸荷一般水平深度.:左岸大理岩体强卸
37、荷一般水平深度.,岸坡上部砂板岩强卸荷水平深度可达.,弱卸荷水平深度在高程以下仅,在高程以上,般为,砂板岩中最深达。坝址东距锦屏山断层约,位于自洋坪向斜东侧之次级紧密同倾三滩向斜之东翼,地层倾向左岸,产状。/。由于构造作用,四川大学硕七学位论文坝址区小断层及层间挤压带较发育,其中规模较大的断层有条、,破碎带宽度多大于.,延伸长度一般大于;规模较大的层间挤压带有条,宽度约.,由片状岩、糜棱岩等组成,局部有泥化;坝址区裂缝主要有四组:。/。层面裂隙,一般不太发育,多胶结紧密;。/么。,较发育,间距.,延伸中长长,平直、光滑、多闭合、少量张开充填钙膜或有锈染;。/。,间距.,延伸长,面平直稍糙,多闭
38、合,少量张开.,充填钙膜或岩屑。/么。,间距.,延伸短,面起伏租糙,多闭合,局部张开.,充填岩屑及小量泥。.坝址区地质构造作用背景锦屏一级普斯罗沟坝址区地处青藏断块东部边缘地带,由金沙江一红河断裂、鲜水河断裂、安宁河断裂、则木河断裂及小江断裂等深大断裂带所围限的川滇菱形断块的东北部,这些边界断裂均为多期继承性活动的断裂带。在川滇菱形断块内部,八窝龙一玉龙雪山断裂和金河一箐河断裂为界划分为雅江稻城断褶带,九龙一盐源断褶带及攀枝花一楚雄断块。坝址区即位于级构造单元九龙盐源断褶带中的级断块九龙一木里断褶带上。根据坝址区构造形迹分析,结合区域构造演化,本区自造山运动以来大的构造活动主要划分为三个阶段:
39、第一阶段构造作用出现在晚三叠世末期,以向挤压构造作用为主,在本区形成向主压应力场,使区内三叠系和前三叠系形成的向褶皱紧闭:第二阶段构造作用发生在始新世中期术,随着印度板块与欧亚板块的最终碰撞,青藏高原南北向强烈缩断,使川滇菱形断块向方向挤出,多边界断裂的控制。本区形成主压应力为向的应力场:第三阶段构造作用发生在燕山晚期一喜马拉雅强烈的构造变动期,该阶段构造作用形成了近晚期?向挤压应力场,因此,从定性的角度分析,坝址区内现今构造应力场应为?向主压应力场。锦肼坝址区地应力场口归分析模型.?四川人学硕学位论文?锦屏坝址区地鹿力场【廿归分析模型.坝址区地应力实测成果为了查明坝区内岩体地应力的大小、方向
40、及分布规律,为地下洞室围岩稳定分析和大坝设计提供依据,成勘院科研所在坝区左右岸不同部位,不同深度和不同岩体中进行了大量的地应力测试工作,提供的组空间地应力实测成果汇总于表.,对上述实测成果的初步分析【“,可以对坝址区岩体初始地应力的分布特征,以及各实测值的代表性与合理性作出宏观评价见.节,为坝址区地应力场回归建模提供基础。.地应力场回归模型的建模.有限元计算模型的选择与离散化根据普斯罗沟坝址现场地应力实测资料表,表明,大主应力的量值多数处于的范围内,其中高程水平埋深以内的实测地应力值左岸达到.,右岸达到.,属于高地应力区。在锦屏坝址区河谷部位,地勘时有岩饼出现,这是明显的高地应力现象,美国的.
41、和.早在年就用实验方法验证了岩芯饼化是高地应力的产物。在高地应力条件下,岩体的脆性表现不太明显,而塑性表现明显,节理面的存在所引起的各向异性也会明显减弱,表现出连续介质的特性。故在有限元计算建模时,考虑采用有限元连续介质模型,而不采用非连续型节理裂隙模型。地应力场回归分析计算范围的选取应充分反映工程区域内地形、地貌、岩性、断裂带等因素的影响,以相对独立的自然地形边界作为计算边界。计算域上下左右边界面一般应选在河谷或分水岭等特征部位,底部边界应伸延至不受河谷地形和地下洞室影响的深度,针对锦屏一级水电站普斯罗沟坝址区地形她质条件,结合坝址区左右岸水工建筑布置范围,地应力场回归分析选定的计算域为:顺
42、河向上游边界位于普斯罗沟上游处,下游边界位于工程区下游手爬沟口部位,上下游边界水平延伸长度,如图.:横河向左侧边界取至左岸分水岭高程约,右侧选取高程为旧川人学顺。学位论史高程左右的夷平地部位作为计算边界,河谷中线距左右侧边界水平距离各,均远大于左右岸建筑物布置范围,横河向左右边界水平距离共。铅直向底面选在高程,计算域内绝对高程范围,相对高羞,其中河床以下基岩厚度达,远大于河谷和地下洞室影响深度,坝址区地应力场回归计算域如图.所示,其中轴向方位为横河向由左岸水平指向右岸,轴向方位为顺河向由上游水平指向卜.游,轴铅直向上,坐标原点位于左岸山里。坝址区回归计算域中的地质条件已知域与推演域的三维关系如
43、图.。幽.锦屏一级水电站坝址区地应力场回闩计算域平面示意图塑墅塑些堕些坐查堑型坚坌塑堡型?图. 锦屏一级水电站坝址区地应力场回归计算域立体示意图上述计算域沿铅直向分成层平切面,其中大坝高程范围分层,每层厚度一般小于或等于.,坝顶至分水岭范围分层,高程建基面以下分层,根据各平切地质面上岩级界线、地形和结构面产状进行单元剖分,整个计算域共离散为节点元和个单元,三维有限元计算网格见图.。四川人学颁:学位论义图.锦屏一级坝址区地应力场三维有限元计算网格图.岩体及结构面模拟根据成勘院提供的地质平切图,在坝区空间地应力场回归范围内,岩体共划分为四个岩类,其中第、和类岩体又分别划分为两个岩级表.,计算域内地
44、质构造复杂,小断层、层问挤压带和深部裂缝发育,故地应力场凹归分析建模时模拟了坝区的各类主要结构面,主要包括:左岸:最、煌斑岩脉及地质平切图中标出的多条深部裂缝。右岸:”、 、“、及层间挤压带。地应力场吲归分析中所选用的各类结构面物理力学参数见表.。塑堡塑些坚些坐垄堑堕些坌堑堡型壅翌兰鍪苎望塑壁兰塑岩岩容重类级微新大理岩及变质砂岩 . . .微新大理岩夹绿片岩 . . .儿?一微新人理与绿片岩互层.弘. .、 . .强卸荷变质砂岩、板岩. . .强卸荷板岩、拉裂松驰. . .自/王由拉裂松驰的丈理岩 ,. . 。 .断层破碎带、层间挤压. . .。注:各岩级变模计算选用值取设计建议参数的平均值。表.坝区主要结构面物理力学参数表抗剪强度计算宽度变模泊松比 容重编号 产 状/ ,岩类中 . . . .岩类中 . . . .。?一矗 么 . . ./. . . . .?一/ . . . .一一?,?一瞩么. . . . . 。么. . . 一一?
