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1、大型水电工程边坡稳定性分析与综合控制方法,报告人：姜清辉 武汉大学,.,汇 报 提 纲,大型水电工程边坡,非贯通结构面的抗剪强度,锦屏边坡工程应用实例,边坡变形与稳定分析方法,工程边坡稳定控制方法,.,大型水电工程边坡,金沙江干流：规划20个梯级,雅砻江干流：规划21个梯级,大渡河干流：规划22个梯级,中国西南地区位于青藏高原东部，高原的强烈隆升 金沙江、澜沧江等深切成谷，导致边坡地质环境极其复杂,河流的快速下切及强烈的河谷卸荷,西南高边坡独特深部裂缝结构,主要特征地质环境复杂坡体结构复杂施工环境复杂运行环境复杂,高强度开挖、大面积锚固、大范围防渗,库水鄹变与泄洪雾化降雨,大型水电工程边坡,河
2、流演化与地形地貌,地形地貌特征,左岸,普斯罗沟,雅砻江,1635,4050,5570,河床基岩顶板高程16191590m,左岸1810m以下坡度5570，以上至2900m 4050。,夷平面：高程（m）时代 抬升速率（mm/a）I 40004500，II 30003300，0.06III 22002400，0.08阶地：T6 19751995，Q1 0.250.31T5 18401880，Q2 0.250.35T4 17651815，Q2 0.250.35T3 17201760，Q3 0.660.97T2 16951710，Q3 0.660.97T1 16751685，Q4 3.34.16,锦
3、屏一级水电站坝址区地处“V”形深切峡谷，相对高差1500m1700m，谷坡两岸基岩裸露。,大型水电工程边坡,锦屏级水电站左岸高陡边坡,左岸坝头边坡开挖高度为530m（21101580m），总开挖量为550万m3，其中1885m以上约为191万m3，1885m高程以下约为359万m3，是目前水电工程开挖高度较大、开挖规模较大、稳定条件最差的边坡工程之一。,底滑面:f42-9断层;后缘切割面:煌斑岩脉(X);侧向切割面:近SN向或NW向陡倾角拉裂带SL44-1；f5以外岩体为阻滑岩体；f42-9断层剪出口最低高程约1790m。,砂板岩,大理岩,左岸坝头边坡整体稳定滑移模式,大型水电工程边坡,大型水
4、电工程边坡,大岗山水电站高边坡,自然坡度一般4065，相对高差一般在600m以上，左岸海流沟、右岸铜槽沟为较大的支沟，海流沟口以上大渡河谷为“V”形峡谷。坝址区岩石以澄江期花岗岩类为主。坝区地质构造以次级脉岩小断层和节理裂隙为特征。坝址区内发育小断层主要有三组，即近SN向、NNW向和NNE向，一般多沿辉绿岩岩脉发育。,大型水电工程边坡,大岗山水电站高边坡,右岸顺坡向卸荷裂隙发育，且埋深较大，以XL316-1为底滑面形成的潜在不稳定块体方量达500万方，控制边坡的整体稳定与安全,我国水电工程高边坡主要特点,边坡高陡、工程规模巨大；坡体结构复杂、风化卸荷强烈；边坡赋存的自然环境复杂；边坡赋存的工程
5、环境作用强烈；边坡变形控制严格、稳定性要求高；边坡设计和施工要求高,边坡稳定性已经成为工程关键技术难题（分析方法、设计理论、控制技术）,大型水电工程边坡,.,汇 报 提 纲,工程概况,非贯通结构面的抗剪强度,锦屏边坡工程应用实例,边坡变形与稳定分析方法,工程边坡稳定控制方法,边坡岩体的结构强度与强度参数,非贯通结构面的力学模型,基本假定：岩桥和结构面概化成界面层，不考虑侧向变形岩桥与结构面的强度均服从Mohr-Coulomb准则岩桥与结构面的弹性应变相等,法向力学模型,切向力学模型,非贯通结构面的结构强度,非贯通结构面的综合抗剪强度参数,边坡岩体的结构强度与强度参数,数值试验验证及与Jenni
6、ngs准则对比,Jennings的加权平均强度准则：,边坡岩体的结构强度与强度参数,岩体的结构强度特性,结构面与岩桥法向模量比对抗剪强度参数的影响,当法向模量比小于1时，Jennings准则低估了非贯通结构面的抗剪强 度参数，从而使岩体稳定性分析结果偏于保守；当法向模量比大于1时，Jennings准则高估了非贯通结构面的抗剪强度参数，从而使岩体稳定性分析结果偏于不安全。,岩石参数,结构面参数,Jennings,工程应用,SL44-1的抗剪强度参数,SL44-1松弛带立面图,锦屏一级水电站左岸边坡的整体稳定性主要受煌斑岩脉X、底滑面F42-9以及深部卸荷裂隙SL44-1所控制，SL44-1发育在
7、36层砂板岩中。,边坡岩体的结构强度与强度参数,.,汇 报 提 纲,工程概况,非贯通结构面的抗剪强度,锦屏边坡工程应用实例,边坡变形与稳定分析方法,工程边坡稳定控制方法,边坡变形与稳定分析方法,边坡稳定性三维极限平衡分析方法,结合西南地区岩质高陡边坡稳定分析的关键问题，在三维边坡稳定极限分析理论方面开展了系统的研究工作，发展了多种三维极限平衡分析方法，包括满足静力平衡的简化Janbu法、陆军工程师团法以及剩余推力法，满足静力和部分力矩平衡的Spencer法、Morgensten法等。,忽略条块界面竖直向剪力适用于任意形状滑裂面主滑动方向唯一满足3个静力平衡条件收敛性较好,三维简化的Janbu法
8、,边坡稳定性三维极限平衡分析方法,忽略条块界面水平向剪力行界面滑坡推力角为边坡平均坡度主滑动方向唯一满足3个静力平衡条件收敛性较好,三维美国陆军工程师团法,边坡稳定性三维极限平衡分析方法,忽略条块界面水平向剪力界面滑坡推力角为上个条块倾角主滑动方向唯一满足3个静力平衡条件单纯形算法求解,三维剩余推力法,忽略条块界面水平向剪力行、列界面滑坡推力角为主滑动方向唯一满足3个静力平衡和2个力矩平衡单纯形算法求解,三维Morgenstern-Price方法,三维Morgenstern-Price方法,边坡稳定性三维极限平衡分析方法,典型算例分析,边坡稳定性三维极限平衡分析方法,基于地层信息系统的三维边坡
9、稳定分析软件,将三维地层信息系统、极限平衡方法和可视化技术有机结合，研制了三维边坡稳定分析软件（JSlope3D）,三维简化Bishop方法三维简化Janbu方法三维陆军工程师团方法三维剩余推力方法三维Morgenstern-Price方法,用GIS方法建立滑坡体空间信息系统提出了建立真三维地层模型体元技术,用发展了多种三维极限平衡分析方法,软件登记号：2009SR046981，编录水工设计手册（第二版）作为边坡稳定分析推荐使用软件,边坡稳定性三维极限平衡分析方法,提出了考虑地下水、爆破、加固、地震等多种荷载作用下的边坡三维稳定方法研制软件JSlope-3D已应用于锦屏、大岗山、古树包等16个
10、水电工程边坡和库区滑坡治理该软件被编录水工设计手册（第二版）作为边坡稳定分析推荐使用软件，促进了行业科技进步,三维边坡稳定分析软件JSlope3D,边坡稳定性三维极限平衡分析方法,基于河谷侵蚀下切的地应力场模拟方法,边坡稳定性三维有限元分析方法,边坡开挖与锚固支护的模拟,分步分期开挖的模拟方法,边坡稳定性三维有限元分析方法,加锚岩体的等效本构模型,渗流分析理论,裂隙网络渗流分析的Signorini型变分不等式提法,定义试探函数集PVI:,则与PDE提法等价的变分不等式(VI)提法可表述为：在VI中求一随时间变化的函数，使得对VI，都有如下不等式成立,从理论上严格证明了VI提法的正确性，即VI提
11、法与PDE提法的等价性确保了有自由面裂隙网络渗流计算的高效性和准确性研究成果被中国科学发表，审稿专家认为“对复杂裂隙网络渗流分析的一个突破性进展”,边坡岩体渗流影响规律及分析方法,基于裂隙网络的有压/无压渗流分析方法,可以确定裂隙网络内的优势水流方向，为边坡排水结构的优化布置提供科学依据可以准确计算坡体内部排水洞、孔等排水结构的渗流量研制开发了裂隙网络有压/无压渗流分析软件FlacFlow,无排水洞,有排水洞,.,汇 报 提 纲,工程概况,非贯通结构面的抗剪强度,锦屏边坡工程应用实例,边坡变形与稳定分析方法,工程边坡稳定控制方法,左岸坝肩开挖前1780m高程以上地形地貌,地形地貌,锦屏一级左岸
12、边坡工程地质,地质构造,开挖边坡中主要发育f5、f8、f42-9等不同规模断层,锦屏一级左岸边坡工程地质,左岸坝头变形拉裂岩体的可能失稳主要模式为楔体滑移破坏模式，其边界为f42-9断层和SL44-1松弛拉裂带构成楔形体的双滑面，剪断f5断层外侧的大理岩，后缘切割面为NEE向贯穿坡体分布的煌斑岩脉。由于SL44-1取不同的走向，产生了模式A及模式B两种不同的滑块。,模式,模式B,左岸变形拉裂岩体的滑动破坏模式,数值模型,边坡施工期有限元计算模型,锦屏边坡工程应用实例,破坏路径（关键部位）控制,f42-9断层向临空面的错动变形区范围处于II1-II1线至V-V线之间，高程上处于1910m至181
13、0m之间，最大错动变形达7mm，因此该区域内的f42-9应作为重点加固对象,f42-9断层的错动变形分析,破坏路径（关键部位）控制,煌斑岩脉的错动变形区范围处于II1-II1线至II-II线之间，1910m高程以上，煌斑岩脉错动变形不明显，在1910m高程以下至f42-9之间，煌斑岩脉产生倾向临空面的错动变形，但量值较小，最大错动变形约1.5mm，主要受岩脉下部f42-9的错动牵引其发生变形的，因此加固的重点仍然是控制f42-9的变形。,煌斑岩脉X的错动变形分析,取消高高程抗剪洞,破坏路径（关键部位）控制,煌斑岩脉X的错动变形分析,锦屏边坡工程应用实例,破坏路径（关键部位）控制,深部变形机理分
14、析,锦屏边坡工程应用实例,有限元计算成果与监测数据反映出的变形规律基本一致；合理地论证分析了深部裂缝的变形机理，主要是深部裂缝产生松弛或张开变形。由于由于受众多结构面和深部裂缝的切割，该区岩体完整性差，岩体破碎，且深部裂缝多为张开空缝，为变形提供了空间；深部裂缝的变形主要还是由于开挖卸荷引起的变形调整，将随开挖结束而收敛，不会引起边坡的整体失稳破坏，提出了无需进行对深部裂缝进行专门处理的合理建议。,锦屏边坡工程应用实例,结构强度控制-深层加固,顺f42-9走向布置抗剪洞，对f42-9断层进行置换处理，抗剪洞布置在1883m、1860m及1834m三个高程，均采用910m的断面。为增大抗剪洞抗滑
15、作用，在抗剪洞上设十字形布置的键槽，键槽布置在抗剪洞的中部，键槽采用45m的断面。抗剪洞及键槽周围设置一定深度的固结灌浆-提高结构面的抗剪强度,锦屏边坡工程应用实例,结构强度控制-表层加固,坡面表层加固主要由挂网喷混凝土、锚杆、锚杆束以及预灌浆组成。对开挖爆破轮廓面内、外侧约10m15m范围内的破碎松散岩体进行预固结灌浆，提高开挖爆破轮廓面的成形质量，同时对开挖轮廓面内的软弱岩体进行加固；挂网喷混凝土支护采用C25喷混凝土，厚15cm，挂网钢筋为6mm，间排距15cm15cm；锚杆为全长粘接砂浆锚杆，分28mm、L=6m和32mm、L=9m两种，全坡面交替布置-提高表层岩体结构强度,灌浆孔,锦
16、屏边坡工程应用实例,支护时机控制,模式,模式B,1885m以下拱肩槽边坡开挖导致拉裂变形体前沿阻滑岩体被逐步挖除，安全系数下降，尤其是1855m以下边坡开挖导致拉裂变形体安全系数下降幅度显著增大。,模式,模式B,模式,锦屏边坡工程应用实例,F42-9,1885m坝顶以上边坡开挖引起f42-9断层上下盘错动变形指向山体内部1885m坝顶以下边坡开挖引起f42-9断层上下盘错动倾向临空面方向1855m1795m高程坡段开挖对f42-9错动变形的影响最为显著有限元结果也印证了三维极限平衡的分析成果，两者是完全一致的,支护时机控制,锦屏边坡工程应用实例,工程边坡稳定控制方法,开挖边坡的稳定控制方法可以概括为:,结构强度控制,破坏路径控制,支护时机控制,.,敬请各位专家指正谢谢！,
