岩石高边坡变形稳定性及其控制2

提纲1.前言2.西南地区岩石高边坡的主要特点3.相关的科学和工程技术问题4.岩石高边坡发育的动力学过程5.典型岩石高边坡变形破坏机理6.开挖过程中高边坡的变形破坏、稳定性评价及其控制原理7.基于变形理论的高边坡变形过程模拟与过程控制技术8.实例研究9.结束语从大量的工程实例和一般规律的总结可见：开挖边坡由于卸荷效应的影响，必然会产生一定量级的变形响应和伴生的破裂现象。关键是要认识这种变形的性质及其对边坡稳定性的涵义。从这些事例也可以看出，人工边坡在开挖过程中的变形破裂响应与自然边坡在河谷下切过程中所发生的响应具有相似形，均属于“卸荷”响应。从变形破坏的地质-力学行表现上，这种变形具有两种基本性质：一是“表生改造型”的变形和破裂：即岩质高边坡形成过程中，伴随河谷的下切或边坡的开挖，边坡应力释放，从而驱动边坡岩体产生变形和破裂，以适应新的平衡状态，这个过程我们称之为表生改造。这个过程中产生的变形与破裂我们称为表生改造变形或破裂。这个阶段驱动边坡变形和破裂的动力是边坡开挖引起的内部应力释放，可以称为“释放应力”。6.1开挖过程中高边坡变形破坏响应二是“时效性质的变形”。当边坡完成表生改造而形成新的应力场体系后，边坡的应力场将转为以自重应力场为主的状态。这时，边坡可能有两种走向，一是由于没有进一步变形的条件从而形成新的稳定结构而处于平衡状态；另一种走向就是边坡内存在不良的地质结构，边坡将在自重应力场的驱动下，继续发生随时间的变形破裂过程，这个过程我们称之为时效变形。显然，这个阶段驱动边坡变形、破裂甚至破坏的“动力”是边坡的自重。最后，随着“时效变形”的发展，边坡将进入以潜在滑动面累进性破坏、滑动面贯穿、滑面形成为特征的破坏阶段。6.1开挖过程中高边坡变形破坏响应（1）强烈变形及破坏区（2）时效变形区（3）表生改造区（4）应力约束区破坏区时效变形区表生改造区应力约束区6.1开挖过程中高边坡变形破坏响应边坡岩体的“表生改造”和“时效变形”是边坡稳定性地质-力学行为的两个重要方面。理论上，在卸荷条件下任何高边坡都是在经历表生改造以后，才进入后续的时效变形阶段；也只有通过时效变形，潜在滑动面才得以充分发育并最终贯穿，从而导致边坡的最终失稳。边坡经表生改造进入时效变形，再由时效变形进入最终的破坏阶段，严格说来，这是任何一个边坡演化都将经历的三个阶段。6.1开挖过程中高边坡变形破坏响应(1)性质和特点表生改造是与坡体开挖过程相伴生的地质-力学行为，是卸荷回弹性质的变形。有以下特点：•表生改造的变形与边坡的开挖卸荷有很好的对应关系，是一种开挖坡体由于卸荷作用产生的回弹变形，•这种变形性质宏观上是“弹性”的，随着开挖的进行，卸荷的过程而产生，一旦开挖过程结束，变形很快就停止，几乎没有后续的变形。•变形的方向也是指向与临空面垂直方向的；•会产生与变形相对应的卸荷破裂，但方向是平行临空面的。表生改造一方面起到释放坡体应力，促进边坡应力场形成的作用；另一方面，这个过程的发生形成了边坡浅表部的“卸荷松弛带”，从而劣化了岩体的工程地质条件，主要表现在：卸荷松弛带破坏了边坡的岩体结构，导致岩体宏观强度和结构面强度的降低，形成边坡继续变形的几何和力学边界条件等。关于表生改造变形有的边坡表生改造完成后，就会处于稳定状态，不会产生随时间的变形，即进入不了“时效变形”阶段。反映在监测曲线上就是变形随开挖过程而发展，尽管开挖过程中还可能出现较大的变形速率（高应力、快速开挖情形），但开挖结束后，位移速率将迅速降低，并趋于平缓，两者基本同步（“同步型”）；边坡进入不了时效变形，进而也没有整体失稳破坏的可能。因此，这类边坡通常整体是稳定的。(2)条件那么，什么样的边坡只产生表生改造变形呢？显然识别这类边坡是很重要的！边坡内没有特定的不利结构面或结构面组合！关于表生改造变形三峡船闸高边坡1999.05（整体块状结构岩体的边坡）TP21GP02测点（右线南坡15571,高程200m）变形过程线（据[28]）变形监测情况外观点变形开挖引起的卸荷-卸荷带的划分卸荷带划分的定量研究0.000540.001710.002760.0000.0010.0020.0030.0040.0050.0060.0070.00805101520253035404550N5-2W:桩号:15623.94高程:155.01起止时间:1996.12.23-1999.05.01平均应变距1#点距离(m)0.0017060.000246670.000256900.00050.0010.00150.002051015202530354045平均应变距1#点距离(m)N3-2W:桩号,15795.74高程,112.62起止时间:1997.04.20-1999.05.01表5–7船闸高边坡卸荷带特征带名特征描述强卸荷带分布于开挖面表层，一般发育深度为3~6m，受断层和长大裂隙影响时，最大发育深度可达10~13m。带内卸荷裂隙张开度在2~数十毫米以上，裂缝向临空方向变形；纵波平均波速在3000m/s以下，绝大部分边坡切割块体的破坏也就产生于此带。卸荷带弱卸荷带分布于南北坡及中隔墩内，闸室底板以下不发育。南北坡的中上部，弱卸荷带的水平发育深度一般在40~45m，最大为45~50m。一般情况下，坡体上部的水平发育深度大于中下部的发育深度。北坡内的卸荷带水平发育深度略大于南坡。若卸荷带内的卸荷裂隙一般沿已有结构面发育，表现为轻微的错动和张开，张开宽度一般小于2mm；纵波波速一般在3000~4500m/s。南北坡直立墙段弱卸荷带水平发育深度向下逐渐减小，到闸室底板处不再发育，闸室底板以下无弱卸荷带，中隔墩上部约三分之一高度范围内，除表部的强卸荷带外，均为弱卸荷带，中隔墩中下部弱卸荷带的分布规律同南北坡直立墙段。开挖引起的卸荷应力调整带微新岩体全强风化带微新岩体弱风化带下部弱风化带下部弱风化带上部全强风化带强卸荷带弱卸荷带应力调整带弱卸荷带强卸荷带弱风化带上部三峡船闸高边坡卸荷带概化示意图开挖引起的卸荷对于结构相对完整，由微新的块状或整体块状岩体构成的岩石高边坡，开挖过程的卸荷变形响应为：（1）边坡的变形主要受开挖的影响；开挖结束后，变形很快停止，“工后”剩余变形很小。这表明，岩体还主要是弹性介质，变形是开挖卸荷所产生的弹性恢复，滞弹性很小。也就是说，没有随时间发生的时效变形。（2）当边坡内不存在对变形不利的控制性结构面时，边坡的变形总体表现出较强的连续性，表现在内观点的观测曲线上，由坡面向内部，变形是逐渐连续减小的，除了浅表部3-5m施工的强烈扰动区外，内部不存在变形的“不连续”现象。（3）当边坡内存在小规模断层或长大结构面时（不构成控制性破坏面），坡体内部的变形将会出现相对的“不连续现象”；对本案而言，这种特定的开挖强卸荷深度约在13-15m（直立段开挖高度约50m）范围。认识工程概况岷江紫坪铺水电站8007509007007508岷江成阿公路22#硐808.00800.00delQdlQN10°-40°E/SE∠55°-70°含煤粉砂岩,局部夹薄层状煤质页岩dlQ中粒砂岩夹泥质粉砂岩底部含煤含砾33xj14-133xj13-933xj13-833xj13-733xj13-633xj13-45+L12中粒砂岩,局部含煤粉砂岩,煤质页岩含煤细-中粒砂岩底部为含砾砂岩N40°-70°E/NW∠45°-65°L1133xj13-2粉砂岩夹细砂岩,煤质页岩含煤含砾中粒砂岩33xj13-1粉砂岩夹泥质粉砂岩13-11-33xj13-333xj13-1含煤含砾中粒砂岩33xj12-333xj12-433xj12-233xj12-133xj11L10煤质页岩,泥质粉砂岩L9煤质页岩,粉砂岩含煤含砾中粒砂岩中粒砂岩粉砂岩夹煤质页岩,中粒砂岩alQ2485090070075088509000102030405060708090100110120130140150160170180190200210220230240250260270280290300310320330340350360370380390400410420430440450460470480490500510520530540550560570引水洞开挖线冲砂洞开挖线进水口边坡的岩体结构特征L10边坡中下段上游侧软岩基座原地形线开挖线相对硬岩L10L11变形破裂机理—压缩倾倒型硐脸边坡857m便道一带L11下部岩层的倾倒拉裂缝硐脸边坡顶部因压缩蠕变倾倒引起的墙体拉裂现象变形破裂现象读数仪集线箱多点位移计(6点式)4点式位移计电缆多点位移计钻孔(水平孔）项目1.31.51.421.631.1序号规格型号05-375V12(10芯)AC-1-48GK403GeokonA-6-6台m台m套133011622单位数量821.1815.3827.4836.3841.1852.3842.2835.6829.6831.4819.2811.1791.1784.3752.5766.2766.4760.2752.6766.6760.7776.0782.6771.7793.2796.0784.9789.2797.2797.9789.0783.4793.9778.7767.4767.3823.1827.3836.3846.9826.7801.6785.3791.7802.0791.1786.1785.6776.9768.2778.4782.8789.8847.2878.7877.280081582082583083584084585085586587087588088535463300ADDCCBB多点位移计(4点式)GeokonA-6-4套36点式位移计电缆06-500V7(12或14芯)m100镀锌铁管φ25-100mmm300φ76mmA4点式位移计电缆多点位移计钻孔(水平孔）05-375V12(10芯)mm15030多点位移计(4点式)GeokonA-6-4套1φ76mm预留工作量MP1MP2MP3MP4引水发电洞进水口边坡监测布置图边坡变形监测MP5图MIP1多点位移计时间-位移过程线-5.0000.0005.00010.00015.00020.00025.00030.00035.00040.00045.00050.00055.00002-11-3002-12-1402-12-2803-01-1103-01-2503-02-0803-02-2203-03-0803-03-2203-04-0503-04-1903-05-0303-05-1703-05-3103-06-1403-06-2803-07-1203-07-2603-08-0903-08-2303-09-0603-09-20时间位移（mm）0.0m4.0m10.0m18.0m30.0m图发电引水洞进口边坡MIP1位移-孔深曲线-5.0000.0005.00010.00015.00020.00025.00030.00035.00040.00045.00050.00055.0000.05.010.015.020.025.030.035.040.0孔深(m)位移(mm)2003-2-162003-3-72003-3-302003-4-272003-5-31MIP1多点位移计时间－位移过程线MIP1多点位移计位移－孔深曲线边坡变形监测图MIP4多点位移计位移-时间过程线-5.00.05.010.015.020.025.030.035.040.045.050.055.060.065.070.002-11-1202-11-2602-12-1002-12-2403-01-0703-01-2103-02-0403-02-1803-03-0403-03-1803-04-0103-04-1503-04-2903-05-1303-05-2703-06-1003-06-2403-07-0803-07-2203-08-0503-08-1903-09-0203-09-1603-09-30时间位移（mm）0.0m3.0m7.0m12.0m18.0m26