工程邊坡穩(wěn)定性分析與綜合控制方法課件

1、大型水電工程邊坡穩(wěn)定性分析與綜合控制方法 報(bào)告人：姜清輝 武漢大學(xué) 2012.3.5.匯 報(bào) 提 綱大型水電工程邊坡1非貫通結(jié)構(gòu)面的抗剪強(qiáng)度2錦屏邊坡工程應(yīng)用實(shí)例4邊坡變形與穩(wěn)定分析方法31工程邊坡穩(wěn)定控制方法5攀枝花宜賓樂(lè)山二灘電站金沙江金沙江岷江大渡河長(zhǎng)江雅礱江YibingPanzhihuaLeshang成都 昆明宜賓大理樂(lè)山攀枝花麗江瀾滄江金沙江雅礱江大渡河岷 江白鶴灘小灣糯扎渡溪洛渡向家壩錦屏一級(jí)烏東德.大型水電工程邊坡金沙江干流：規(guī)劃20個(gè)梯級(jí)雅礱江干流：規(guī)劃21個(gè)梯級(jí)大渡河干流：規(guī)劃22個(gè)梯級(jí) 中國(guó)西南地區(qū)位于青藏高原東部，高原的強(qiáng)烈隆升 金沙江、瀾滄江等深切成谷，導(dǎo)致邊坡地質(zhì)環(huán)境

2、極其復(fù)雜獨(dú)特的大陸動(dòng)力學(xué)背景和活躍的構(gòu)造環(huán)境印度板塊歐亞板塊青藏高原河流的快速下切及強(qiáng)烈的河谷卸荷西南高邊坡獨(dú)特深部裂縫結(jié)構(gòu) 主要特征地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜坡體結(jié)構(gòu)復(fù)雜施工環(huán)境復(fù)雜運(yùn)行環(huán)境復(fù)雜高強(qiáng)度開(kāi)挖、大面積錨固、大范圍防滲庫(kù)水鄹變與泄洪霧化降雨大型水電工程邊坡大型水電工程邊坡 錦屏級(jí)水電站左岸高陡邊坡 左岸壩頭邊坡開(kāi)挖高度為530m（21101580m），總開(kāi)挖量為550萬(wàn)m3，其中1885m以上約為191萬(wàn)m3，1885m高程以下約為359萬(wàn)m3，是目前水電工程開(kāi)挖高度較大、開(kāi)挖規(guī)模較大、穩(wěn)定條件最差的邊坡工程之一。底滑面:f42-9斷層;后緣切割面:煌斑巖脈(X);側(cè)向切割面:近SN向或NW向陡

3、傾角拉裂帶SL44-1；f5以外巖體為阻滑巖體； f42-9斷層剪出口最低高程約1790m。砂板巖大理巖左岸壩頭邊坡整體穩(wěn)定滑移模式開(kāi)挖線大型水電工程邊坡大型水電工程邊坡 大崗山水電站高邊坡右岸順坡向卸荷裂隙發(fā)育，且埋深較大，以XL316-1為底滑面形成的潛在不穩(wěn)定塊體方量達(dá)500萬(wàn)方，控制邊坡的整體穩(wěn)定與安全我國(guó)水電工程高邊坡主要特點(diǎn)邊坡高陡、工程規(guī)模巨大；坡體結(jié)構(gòu)復(fù)雜、風(fēng)化卸荷強(qiáng)烈；邊坡賦存的自然環(huán)境復(fù)雜；邊坡賦存的工程環(huán)境作用強(qiáng)烈；邊坡變形控制嚴(yán)格、穩(wěn)定性要求高；邊坡設(shè)計(jì)和施工要求高邊坡穩(wěn)定性已經(jīng)成為工程關(guān)鍵技術(shù)難題（分析方法、設(shè)計(jì)理論、控制技術(shù)）大型水電工程邊坡.匯 報(bào) 提 綱工程概況

4、1非貫通結(jié)構(gòu)面的抗剪強(qiáng)度2錦屏邊坡工程應(yīng)用實(shí)例4邊坡變形與穩(wěn)定分析方法31工程邊坡穩(wěn)定控制方法5邊坡巖體的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與強(qiáng)度參數(shù) 非貫通結(jié)構(gòu)面的力學(xué)模型基本假定：巖橋和結(jié)構(gòu)面概化成界面層，不考慮側(cè)向變形巖橋與結(jié)構(gòu)面的強(qiáng)度均服從Mohr-Coulomb準(zhǔn)則巖橋與結(jié)構(gòu)面的彈性應(yīng)變相等法向力學(xué)模型切向力學(xué)模型 非貫通結(jié)構(gòu)面的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度 非貫通結(jié)構(gòu)面的綜合抗剪強(qiáng)度參數(shù)邊坡巖體的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與強(qiáng)度參數(shù) 數(shù)值試驗(yàn)驗(yàn)證及與Jennings準(zhǔn)則對(duì)比Jennings的加權(quán)平均強(qiáng)度準(zhǔn)則 ：邊坡巖體的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與強(qiáng)度參數(shù) 工程應(yīng)用SL44-1的抗剪強(qiáng)度參數(shù)連通率粘聚力(MPa)摩擦系數(shù)（結(jié)構(gòu)強(qiáng)度模型）摩擦系數(shù)（Jennings

5、準(zhǔn)則）20%0.660.760.7330%0.590.740.7040%0.520.710.6650%0.450.680.6360%0.380.650.5970%0.310.610.5680%0.240.570.52SL44-1松弛帶立面圖錦屏一級(jí)水電站左岸邊坡的整體穩(wěn)定性主要受煌斑巖脈X、底滑面F42-9以及深部卸荷裂隙SL44-1所控制， SL44-1發(fā)育在36層砂板巖中。邊坡巖體的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與強(qiáng)度參數(shù).匯 報(bào) 提 綱工程概況1非貫通結(jié)構(gòu)面的抗剪強(qiáng)度2錦屏邊坡工程應(yīng)用實(shí)例4邊坡變形與穩(wěn)定分析方法31工程邊坡穩(wěn)定控制方法5邊坡穩(wěn)定性三維極限平衡分析方法忽略條塊界面水平向剪力行界面滑坡推力角為邊

6、坡平均坡度主滑動(dòng)方向唯一滿足3個(gè)靜力平衡條件收斂性較好三維美國(guó)陸軍工程師團(tuán)法邊坡穩(wěn)定性三維極限平衡分析方法忽略條塊界面水平向剪力界面滑坡推力角為上個(gè)條塊傾角主滑動(dòng)方向唯一滿足3個(gè)靜力平衡條件單純形算法求解三維剩余推力法忽略條塊界面水平向剪力行、列界面滑坡推力角為主滑動(dòng)方向唯一滿足3個(gè)靜力平衡和2個(gè)力矩平衡單純形算法求解三維Morgenstern-Price方法三維Morgenstern-Price方法邊坡穩(wěn)定性三維極限平衡分析方法典型算例分析邊坡穩(wěn)定性三維極限平衡分析方法橢球滑面算例安全系數(shù)主滑方向簡(jiǎn)化Bishop方法2.1351.571簡(jiǎn)化Janbu方法1.9521.571不平衡推力法2.1

7、331.537陸軍師團(tuán)方法2.1701.569Spencer方法2.1331.570ZhangXing方法2.1221.570楔形體算例安全系數(shù)主滑方向簡(jiǎn)化Bishop方法1.6301.727簡(jiǎn)化Janbu方法1.6381.728不平衡推力法1.6331.738陸軍師團(tuán)方法1.6391.749Spencer方法1.6401.768理論解1.6401.762 基于地層信息系統(tǒng)的三維邊坡穩(wěn)定分析軟件將三維地層信息系統(tǒng)、極限平衡方法和可視化技術(shù)有機(jī)結(jié)合，研制了三維邊坡穩(wěn)定分析軟件（JSlope3D）三維簡(jiǎn)化Bishop方法三維簡(jiǎn)化Janbu方法三維陸軍工程師團(tuán)方法三維剩余推力方法三維Morgenst

8、ern-Price方法用GIS方法建立滑坡體空間信息系統(tǒng)提出了建立真三維地層模型體元技術(shù)用發(fā)展了多種三維極限平衡分析方法 軟件登記號(hào)：2009SR046981，編錄水工設(shè)計(jì)手冊(cè)（第二版）作為邊坡穩(wěn)定分析推薦使用軟件邊坡穩(wěn)定性三維極限平衡分析方法提出了考慮地下水、爆破、加固、地震等多種荷載作用下的邊坡三維穩(wěn)定方法研制軟件JSlope-3D已應(yīng)用于錦屏、大崗山、古樹(shù)包等16個(gè)水電工程邊坡和庫(kù)區(qū)滑坡治理該軟件被編錄水工設(shè)計(jì)手冊(cè)（第二版）作為邊坡穩(wěn)定分析推薦使用軟件，促進(jìn)了行業(yè)科技進(jìn)步三維邊坡穩(wěn)定分析軟件JSlope3D邊坡穩(wěn)定性三維極限平衡分析方法 邊坡開(kāi)挖與錨固支護(hù)的模擬分步分期開(kāi)挖的模擬方法邊坡

9、穩(wěn)定性三維有限元分析方法加錨巖體的等效本構(gòu)模型滲流分析理論裂隙網(wǎng)絡(luò)滲流分析的Signorini型變分不等式提法定義試探函數(shù)集PVI :則與PDE提法等價(jià)的變分不等式(VI)提法可表述為：在VI中求一隨時(shí)間變化的函數(shù)，使得對(duì)VI，都有如下不等式成立 從理論上嚴(yán)格證明了VI提法的正確性，即VI提法與PDE提法的等價(jià)性確保了有自由面裂隙網(wǎng)絡(luò)滲流計(jì)算的高效性和準(zhǔn)確性研究成果被中國(guó)科學(xué)發(fā)表，審稿專(zhuān)家認(rèn)為“對(duì)復(fù)雜裂隙網(wǎng)絡(luò)滲流分析的一個(gè)突破性進(jìn)展”.匯 報(bào) 提 綱工程概況1非貫通結(jié)構(gòu)面的抗剪強(qiáng)度2錦屏邊坡工程應(yīng)用實(shí)例4邊坡變形與穩(wěn)定分析方法31工程邊坡穩(wěn)定控制方法511920m便道1780m便道PD12PD

10、40PD18PD04PD16PD46PD38左岸壩肩開(kāi)挖前1780m高程以上地形地貌地形地貌 錦屏一級(jí)左岸邊坡工程地質(zhì)左岸壩頂平臺(tái)1885左岸纜機(jī)平臺(tái)196017841828.51780182517651750墊座建基面拱肩槽上游坡拱肩槽下游坡1829基礎(chǔ)處理洞室1785基礎(chǔ)處理洞室f5f5f5f8f8f38-6f42-9X地質(zhì)構(gòu)造開(kāi)挖邊坡中主要發(fā)育f5、f8、f42-9等不同規(guī)模斷層錦屏一級(jí)左岸邊坡工程地質(zhì)X(煌斑巖脈)f42-9SL44-1f5左岸壩頭變形拉裂巖體的可能失穩(wěn)主要模式為楔體滑移破壞模式，其邊界為f42-9斷層和SL44-1松弛拉裂帶構(gòu)成楔形體的雙滑面，剪斷f5斷層外側(cè)的大理巖

11、，后緣切割面為NEE向貫穿坡體分布的煌斑巖脈。由于SL44-1取不同的走向，產(chǎn)生了模式A及模式B兩種不同的滑塊?；瑒?dòng)模式可能滑面組合模式A煌斑巖脈+ f42-9+ SL44-1（SN向）+ 剪斷1類(lèi)巖體模式B煌斑巖脈+ f42-9 + SL44-1（N200W）+剪斷1類(lèi)巖體 模式模式B左岸變形拉裂巖體的滑動(dòng)破壞模式 數(shù)值模型邊坡施工期有限元計(jì)算模型錦屏邊坡工程應(yīng)用實(shí)例 破壞路徑（關(guān)鍵部位）控制 f42-9斷層向臨空面的錯(cuò)動(dòng)變形區(qū)范圍處于II1 -II1線至V-V線之間，高程上處于1910m至1810m之間，最大錯(cuò)動(dòng)變形達(dá)7mm，因此該區(qū)域內(nèi)的f42-9應(yīng)作為重點(diǎn)加固對(duì)象f42-9斷層的錯(cuò)動(dòng)變

12、形分析 破壞路徑（關(guān)鍵部位）控制 煌斑巖脈的錯(cuò)動(dòng)變形區(qū)范圍處于II1 -II1線至II-II線之間， 1910m高程以上，煌斑巖脈錯(cuò)動(dòng)變形不明顯，在1910m高程以下至f42-9之間，煌斑巖脈產(chǎn)生傾向臨空面的錯(cuò)動(dòng)變形，但量值較小，最大錯(cuò)動(dòng)變形約1.5mm，主要受巖脈下部f42-9的錯(cuò)動(dòng)牽引其發(fā)生變形的，因此加固的重點(diǎn)仍然是控制f42-9的變形?；桶邘r脈X的錯(cuò)動(dòng)變形分析取消高高程抗剪洞 破壞路徑（關(guān)鍵部位）控制煌斑巖脈X的錯(cuò)動(dòng)變形分析錦屏邊坡工程應(yīng)用實(shí)例 破壞路徑（關(guān)鍵部位）控制深部變形機(jī)理分析錦屏邊坡工程應(yīng)用實(shí)例有限元計(jì)算成果與監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)反映出的變形規(guī)律基本一致；合理地論證分析了深部裂縫的變形機(jī)

13、理，主要是深部裂縫產(chǎn)生松弛或張開(kāi)變形。由于由于受眾多結(jié)構(gòu)面和深部裂縫的切割，該區(qū)巖體完整性差，巖體破碎，且深部裂縫多為張開(kāi)空縫，為變形提供了空間；深部裂縫的變形主要還是由于開(kāi)挖卸荷引起的變形調(diào)整，將隨開(kāi)挖結(jié)束而收斂，不會(huì)引起邊坡的整體失穩(wěn)破壞，提出了無(wú)需進(jìn)行對(duì)深部裂縫進(jìn)行專(zhuān)門(mén)處理的合理建議。錦屏邊坡工程應(yīng)用實(shí)例 結(jié)構(gòu)強(qiáng)度控制-深層加固 順f42-9走向布置抗剪洞，對(duì)f42-9斷層進(jìn)行置換處理，抗剪洞布置在1883m、1860m及1834m三個(gè)高程，均采用910m的斷面。為增大抗剪洞抗滑作用，在抗剪洞上設(shè)十字形布置的鍵槽，鍵槽布置在抗剪洞的中部，鍵槽采用45m的斷面?？辜舳醇版I槽周?chē)O(shè)置一定深度

14、的固結(jié)灌漿 -提高結(jié)構(gòu)面的抗剪強(qiáng)度錦屏邊坡工程應(yīng)用實(shí)例 結(jié)構(gòu)強(qiáng)度控制-表層加固 坡面表層加固主要由掛網(wǎng)噴混凝土、錨桿、錨桿束以及預(yù)灌漿組成。對(duì)開(kāi)挖爆破輪廓面內(nèi)、外側(cè)約10m15m范圍內(nèi)的破碎松散巖體進(jìn)行預(yù)固結(jié)灌漿，提高開(kāi)挖爆破輪廓面的成形質(zhì)量，同時(shí)對(duì)開(kāi)挖輪廓面內(nèi)的軟弱巖體進(jìn)行加固 ；掛網(wǎng)噴混凝土支護(hù)采用C25噴混凝土，厚15cm，掛網(wǎng)鋼筋為6mm，間排距15cm15cm；錨桿為全長(zhǎng)粘接砂漿錨桿，分28mm、L=6m和32mm、L=9m兩種，全坡面交替布置-提高表層巖體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度灌漿孔錦屏邊坡工程應(yīng)用實(shí)例 支護(hù)時(shí)機(jī)控制模式模式B 1885m以下拱肩槽邊坡開(kāi)挖導(dǎo)致拉裂變形體前沿阻滑巖體被逐步挖除，安全系數(shù)下降，尤其是1855m以下邊坡開(kāi)挖導(dǎo)致拉裂變形體安全系數(shù)下降幅度顯著增大。模式模式B模式