[发明专利]岩质高边坡稳定性分析三维地质力学模型试验方法及应用

说明书

本发明属于边坡稳定性测定技术领域，公开了一种岩质高边坡稳定性分析三维地质力学模型试验方法及应用，通过基于升温降强和抬升超载地质力学模型试验方法来评价岩质高边坡的稳定性，公开的方法包括试验的整个过程，即模型设计‑模型材料试验‑模型的制作‑量测系统安装‑模型试验的过程。本发明可得到边坡变形分布特征、破坏过程和破坏机理，获得边坡整体稳定安全系数，从而来评价高边坡的整体稳定性。最后将该方法应用于白鹤滩水电站左岸坝肩高边坡的稳定性研究中，获得该高边坡的初裂安全系数K_初裂＝1.030～1.058；极限安全系数K_极限＝1.417～1.579，对边坡的整体稳定性做出了评价。

技术领域

本发明属于边坡稳定性测定技术领域，尤其涉及一种岩质高边坡稳定性分析三维地质力学模型试验方法及应用。

背景技术

目前，最接近的现有技术：然而，由于西部地区特殊的地理环境，在这一地区开展的水电工程、公路工程、铁路工程、矿山工程等建设活动中，往往需要大量开挖岩土体，形成高陡人工边坡。以水电工程为例，据不完全统计，目前我国己建、在建和待建的近150m以上的大坝约有30多座，其涉及的天然边坡最高达1000m以上，而开挖形成的工程边坡很多都高达200m以上，且多为岩质边坡。如澜沧江小湾水电站左岸泄洪建筑物边坡高达250m，而两岸坝肩及缆机基础开挖形成近700m的高边坡；金沙江溪洛渡水电站的拱肩槽边坡高达250m；雅砻江锦屏一级水电站左岸边坡高度达到300m。这些工程岩质高边坡往往具有规模大、地质条件复杂、地震烈度高、人类工程活动干扰大等特点，边坡的稳定问题十分突出，其直接影响到工程的安全性，因此需要深入开展岩质高边坡的稳定性研究，地质力学模型试验是解决岩质边坡稳定问题的一种重要方法。边坡地质力学模型试验是根据一定的相似原理对边坡的地形地貌与地质结构特征进行缩尺研究的一种破坏试验方法。试验的主要目的是研究边坡的整体稳定性，了解边坡变形失稳过程、破坏机理和破坏形态，揭示其影响边坡稳定的主要结构面或者薄弱部位，其试验结果能给人以直观的感受。目前，在边坡地质力学模型试验中，主要通过离心机、钢架的抬升、千斤顶加载等方式实现边坡容重的增加或改变边坡岩体的下滑力和阻滑力，模拟边坡出现超载的情况，揭示工程荷载作用引起工程边坡破坏的机制和发展过程，获得边坡在超载失稳机制下的稳定安全系数，评价边坡的稳定性。然而，在实际工程中，边坡的破坏失稳除了受到边坡岩体容重增加、下滑力增加等超载的因素外，边坡还受到降雨、泄洪雾化、水库水位升降等因素的影响，在此情况下，边坡岩体中软弱结构面力学参数的降低也是导致边坡失稳的重要因素。因此，在边坡稳定模型试验中应同时考虑超载的影响和软弱结构面参数降低的影响。本文提出了地质力学模型综合试验方法研究岩质高边坡的稳定性，该方法的核心是在同一边坡物理模型中，即考虑边坡岩体容重增加出现的超载情况，同时又模拟岩体软弱结构面力学参数弱化的力学行为这两个影响边坡破坏失稳的主要因素，揭示多因素条件下边坡的破坏失稳机理，评价边坡的稳定性。但要在同一边坡模型中实现地质力学模型综合法试验，还需要解决以下几方面的关键问题：一是边坡地质力学模型综合法试验的理论依据和稳定性评价方法；二是实现综合法模型试验的重要技术条件，如研制能实现降强的结构面模型材料，研发能进行超载法(抬升法)和降强法相结合的综合法试验边坡承载平台，以及如何形成一套周期短、模拟精度高、施工干扰小的模型综合法试验加工工艺。只有解决了这些关键性问题才能实现边坡地质力学模型综合法试验。边坡地质力学模型试验中，现行的主要试验理论有两种，即超载法试验理论和强度折减法试验理论。超载法试验理论是指考虑边坡坡体的上部容重增加或边坡岩体下滑力和阻滑力发生变化情况下边坡的失稳破坏研究，在试验中通常采用离心机、倾斜钢架、千斤顶加载等方式模拟边坡出现超载的情况，揭示降雨、水库水位上升、工程荷载及其耦合作用引起工程边坡破坏的机制和发展过程，获得边坡在超载失稳机制下的稳定安全系数，评价边坡的稳定性；强度折减法试验理论是指在试验中通过材料强度的多组配制、水对岩质边坡模型材料的侵蚀、模型材料开挖或抽取来实现模型局部力学参数的降低，来研究模型可能产生的破坏形态等。但在实际的边坡工程中，其失稳破坏是受制于多因素的影响下综合影响所致，而现行的模型试验理论却都只考虑单因素的影响。