大型水利水电工程高陡边坡全生命周期性能演化与安全控制

项目名称：大型水利水电工程高陡边坡全生命周期性能演化与安全控制首席科学家：周创兵武汉大学起止年限：2011.11-2016.8依托部门：教育部湖北省科技厅一、关键科学问题及研究内容（一）拟解决的关键科学问题根据国家水利水电工程建设重大需求、相关学科国际学术前沿和国内外研究现状，本项目紧密围绕大型水利水电工程高陡边坡全生命周期性能演化与安全控制理论问题，从河谷演化与边坡岩体工程地质特征、边坡岩体工程作用、边坡岩体及结构性能演化等视角，凝练出拟解决的三个关键科学问题。科学问题一：高地应力区高陡边坡岩体工程作用机制与效应西南高地应力区自然河谷边坡经过长期的地质演化，原岩应力强烈卸荷，形成了独特的高陡边坡坡体结构。深切河谷演化模式、地应力特征和坡体结构控制自然边坡稳定性，并对高陡边坡岩体开挖、锚固支护、渗流控制等工程作用效应、运行期边坡性能演化产生重要影响。边坡岩体开挖过程中，岩体应力重分布及储能释放，导致岩体变形甚至局部破坏，形成开挖扰动区（EDZ）。边坡岩体结构特征、地应力水平、开挖方式与程序等对EDZ的孕育、发展和演化起控制作用。对于岩体爆破开挖，在爆炸荷载与开挖卸荷耦合作用下岩体发生损伤、裂纹扩展，甚至局部失稳。因此，需要研究爆破荷载与开挖荷载的耦合作用机制、爆破损伤与卸载松动机理、反复扰动的损伤累积效应、边坡岩体EDZ形成与演化、边坡开挖扰动区岩体的力学行为、高陡边坡开挖扰动效应控制方法等问题。预应力锚索及抗剪洞、锚固洞等加固措施具有复杂的加固机理。就预应力锚索加固而言，预应力通过锚索传递至孔底，而且不同的锚固方式具有不同的应力传递模式，锚索与砂浆、砂浆与岩体之间存在应力传递与变形协调过程。显然，简单地考虑锚固力或锚固件自身刚度的锚固设计方法尚不足于揭示边坡岩体真实的锚固效应。因此，需要研究锚固件和岩体的相互作用机制、锚固与联合加固措施的协同作用机制、锚固岩体的变形与结构强度特性以及锚固岩体力学行为等问题。水利水电工程高陡边坡渗流涉及天然强降雨或泄洪雾化雨入渗机理、饱和区与非饱和区演化特征、边坡岩体饱和/非饱和渗流及其与应力/变形的耦合机理、库水位骤变条件下边坡岩体渗流特性及其对边坡稳定性的影响等。因此，需要研究边坡岩体的地质特征对其渗透特性及渗流运动的控制作用，揭示边坡岩体渗流运动规律，建立排水孔（幕）结构的精细化分析方法以及边坡渗流控制的优化设计方法。本科学问题旨在揭示复杂地质条件下高陡边坡岩体开挖、锚固、渗控的工程作用机制及其力学效应，为工程边坡岩体变形与稳定性演化机制研究提供地质基础、力学模型与参数。科学问题二：复杂环境下高陡边坡变形与稳定性演化机制在全生命周期中高陡边坡岩体物理力学性质、锚固体系以及渗流控制系统的性能演化具有内在的动力学机制与模式。高陡边坡性能演化的动力主要来自复杂环境因子，例如库水周期性涨落形成的循环加卸载条件、泄洪雾化形成的干湿循环条件、库水骤变和地震动力形成的瞬态荷载条件。复杂环境下高陡边坡性能演化始于施工期的强烈工程作用，在长期运行过程中表现为边坡岩体与锚固材料性能劣化、结构老化等时效力学特征。对于超大规模高陡边坡，不同部位由于所处的环境不同往往具有不同的演化特征。边坡岩体物理力学性能演化总是从岩石材料的细观尺度开始，逐步过渡到裂隙尺度和岩体结构尺度。在细观尺度上，岩石在复杂荷载作用下微裂纹萌生、扩展、位错，再过渡到裂隙尺度；当新生裂隙与原生节理或裂隙汇聚、贯通后就发展到岩体结构尺度。这一演化过程与边坡岩体地质特征密切相关，同时受控于边坡岩体应力场、渗流场以及环境因子的多场耦合作用。因此，需要研究复杂荷载条件下岩体时效特性的宏细观机制、库水变幅带裂隙岩体水力风化耦合机理以及非均匀岩体时效力学特性的多尺度模型等。高陡边坡锚固体系与渗流控制系统的长期性能演化，一方面有系统自身的演化规律，另一方面受边坡岩体物理力学性能演化的影响。例如，锚索钢绞线在应力、渗流、温差变化、化学因子的联合作用下将发生一定程度的腐蚀，锚索材料锈胀可能引起砂浆包裹体和局部岩体开裂，如果再经受数次极端工况作用，损伤就会不断累积，呈现出渐进破坏特征，最后导致锚固体系功能失效。受边坡岩体变形和损伤累积的影响，岩体渗透性、渗透路径将发生变化，防渗体系可能丧失功能，一些排水孔幕也可能因为淤堵而失效。因此，需要研究复杂环境下岩体及工程措施的耐久性与功能失效机制以及高陡边坡变形与稳定性演化规律。本科学问题是大型水利水电工程高陡边坡全生命周期性能演化与安全控制理论研究的核心科学问题，旨在揭示不同环境下高陡边坡性能演化机制，建立高陡边坡全生命周期性能演化的时效力学模型。科学问题三：高陡边坡全生命周期性能评估与安全控制理论复杂环境下大型水利水电工程高陡边坡全生命周期性能演化是不可避免的客观现象。只有揭示性能演化规律，建立演化模型，才能做到科学设计、准确评估、适时控制。安全指标体系是进行高陡边坡性能评估和安全控制的依据。安全指标体系既要体现边坡变形与稳定性的本质特征，又要体现工程安全的客观要求。鉴于现行的以边坡稳定性为基础的安全系数指标的不足，需要突破单一安全指标的局限，建立包含边坡变形和稳定性的综合安全指标体系。对于长服役期的高陡边坡，需要基于性能演化模型，并结合边坡监测反馈分析成果，评估边坡演化阶段与稳定状态，综合评价边坡安全性及潜在风险。这就需要研究基于多源信息融合的高陡边坡性能评估方法。对于在役高陡边坡，通过性能评估给出健康诊断与安全预警；对于拟建工程，重要的是基于全生命周期性能演化规律进行边坡设计。因此，开展基于多源信息融合的高陡边坡性能评估方法研究是实现边坡安全控制的有效手段。施工期安全控制主要是根据边坡岩体工程作用机制与效应，进行岩体开挖控制、锚固控制、渗流控制等；运行期主要是基于边坡性能演化规律，调控库水位变化速率、泄洪量、边坡排水、锚固体系工作状态等。因此，需要研究高陡边坡全生命周期安全控制的策略、方法、途径与时机等。本科学问题旨在建立高陡边坡全生命周期性能评估方法，形成一套基于全生命周期性能演化的高陡边坡设计方法、安全预警与安全控制理论，为大型水利水电工程建设与运行安全、防灾减灾提供科学依据。（二）主要研究内容围绕上述关键科学问题，重点研究高陡边坡开挖、锚固与渗流控制的工程作用机制；复杂环境下高陡边坡岩体的时效力学特征、锚固体系与渗流控制系统的性能演化机制；高陡边坡全生命周期的变形与稳定性演化规律；以及高陡边坡全生命周期性能评估与安全控制等内容。具体开展以下6个方面的研究。1、高地应力区河谷边坡岩体开挖扰动机制(1)深切河谷演化模式及边坡地应力特征(2)高陡边坡深部裂缝地质力学模式(3)边坡岩体开挖扰动区的形成与演化机制(4)高陡边坡开挖扰动效应控制方法2、高陡边坡岩体锚固机理与性能演化特征(1)锚固体系力学作用机制与结构强度效应(2)边坡锚固与联合加固措施的协同作用机制(3)边坡锚固体系性能演化机制及其耐久性(4)边坡锚固体系工作性态及健康诊断方法(5)边坡锚固体系安全控制标准与评价方法3、高陡边坡岩体渗透特性与渗流控制机理(1)强卸荷边坡岩体渗透特性及其尺度效应(2)高渗压作用下边坡岩体的渗流运动规律(3)强雾化区边坡岩体水气两相流运动特性(4)高陡边坡岩体非线性渗流分析与控制4、复杂环境下工程边坡岩体时效力学特性(1)复杂荷载下岩体时效特性的宏细观机制(2)库水变幅带裂隙岩体水力风化耦合机理(3)锚固岩体的时效力学特性及多尺度模型(4)边坡岩体损伤演化宏细观数值分析方法5、边坡与坝体-库水相互作用及稳定性演化机制(1)开挖与锚固过程高陡边坡变形与稳定性动态特征(2)大坝浇筑与蓄水过程边坡变形与稳定性动态特征(3)暴雨与库水位骤变条件下高陡边坡变形破坏机制(4)强震作用下高陡边坡岩体动力变形与稳定性特征(5)高陡边坡变形与稳定性演化规律与数值分析方法6、高陡边坡全生命周期性能评估与安全控制(1)高陡边坡变形与稳定性综合评价指标体系(2)高陡边坡性能多源信息融合与评估方法(3)基于性能演化的高陡边坡动态设计方法(4)高陡边坡全生命周期性能监测预警与安全控制本项目主要研究内容与拟解决的关键科学问题的关系如图1所示。大型水利水电工程高陡边坡全生命周期性能演化与安全控制高地应力区高陡边坡岩体工程作用机制与效应复杂环境下高陡边坡变形与稳定性演化机制高陡边坡全生命周期性能评估与安全控制理论1、高地应力区河谷边坡岩体开挖扰动机制2、高陡边坡岩体锚固机理与性能演化特征3、高陡边坡岩体渗透特性与渗流控制机理4、复杂环境下工程边坡岩体时效力学特性5、边坡与坝体-库水相互作用及稳定性演化机制主要研究内容6、高陡边坡全生命周期性能评估与安全控制科学问题依托工程应用研究图1项目研究内容与科学问题之间的关系二、预期目标（一）总体目标围绕大型水利水电工程高陡边坡全生命周期安全控制问题，开展高边坡岩体工程作用效应、时效力学特性、边坡与坝体-库水相互作用以及性能演化机制的基础研究，阐明高边坡岩体开挖扰动区的孕育演化模式、大型锚固体系的结构强度特性以及高边坡岩体的渗流控制机理，揭示复杂环境下高陡边坡全生命周期的性能演化规律，建立基于全生命周期性能演化的大型水利水电工程高陡边坡变形与稳定性分析方法，提出边坡性能综合评价指标体系与多源信息融合的评估方法，形成一套基于全生命周期性能演化的高陡边坡设计方法与安全控制理论体系，为大型水利水电工程高陡边坡安全施工和运行提供理论支撑和技术平台，显著提升我国在高陡边坡研究领域的国际地位和学术影响力。(1)在国内外高水平学术期刊发表论文200篇（其中SCI、EI、ISTP收录论文150篇），出版专著6部；(2)申请国家发明专利15~20项，提出水利水电工程高边坡国家技术标准建议1项；(3)培养博士生50名，硕士生80名，凝聚和培育一批从事水利水电高边坡工程研究的高水平队伍，形成本领域优秀创新团队；(4)建立一流的高边坡安全预警与控制综合研究平台，推进大型水利水电工程建设与运行安全基础研究的原始创新和集成创新。（二）阶段目标1、项目起步阶段全面启动研究工作。研制所需的试验系统，包括岩石动静荷载三轴试验系统、大尺寸结构面剪切-渗流耦合试验系统、预应力锚固机理试验系统、锚固体系应力腐蚀试验系统、大型边坡变形破坏的离心模型试验系统与磁力模型试验系统等。通过开展系统的室内试验、现场原位试验和时效性能试验，初步揭示高地应力区高边坡岩体开挖扰动区的形成机制与演化特征、高边坡岩体的锚固机理、强卸荷边坡岩体的渗透特性、渗控性能演化规律以及高陡边坡岩体的时效变形与渐进破坏特征。建立我国西南地区深切河谷地质演化模式及河谷边坡地应力场地质力学模型，揭示高陡边坡岩体深部卸荷带孕育、形成与演化机制。通过试验和理论研究，揭示锚固体系中锚固件与胶结材料、胶结材料与岩体之间的应力传递机制和变形协调过程，建立大型锚固体系的结构性强度模型。发表论文20篇，申请发明专利3~4项。2、主要研究阶段开展高应力区河谷边坡开挖扰动区的形成与演化机理研究，建立开挖扰动区岩体变形特性、强度特性和渗透特性的时空演化模型，提出高陡边坡开挖扰动效应的控制理论与方法。研究边坡锚固与抗剪洞、锚固洞等联合加固措施的荷载分担和协同作用机制，建立边坡锚固体系的性能演化模型，提出边坡锚固体系工作状态与健康诊断方法，构建边坡锚固体系安全控制标准与评价方法。提出强卸荷边坡岩体渗透特性的建模与分析方法，揭示边坡岩体渗透特性及渗流运动的各向异性、尺度效应、非饱和性以及渗流与应力/变形的耦合特性。研究强雾化区边坡岩体水气两相流运动规律、库水变幅带边坡岩体水力风化耦合机理以及大型排水孔幕结构的渗流控制原理，建立高陡边坡非线性渗流场模拟方法及渗控优化设计方法。研究复杂荷载条件下边坡岩体时效特性及其宏细观机制，建立非均质高陡边坡岩体时效力学特性的多尺度模型，揭示高陡边坡锚固岩体的时效力学特性，建立锚固岩体时效本构模型，提出边坡锚固岩体损伤演化的宏细观数值分析方法。建立高陡边坡全生命周期变形与稳定性分析方法，研究边坡在开挖、锚固、大坝浇筑、水库蓄水及运行过程中的变形与稳定性动态特征，阐明高陡边