岩质边坡开挖卸荷力学特征及其在水利工程中应用概述

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1、岩质边坡开挖卸荷力学特征及其在水利工程中应用概述1绪论1.1选题背景与研究意义我国有着非常丰富的水能资源，其水利资源理论蕴藏量、经济可开发量、技术可开发量及已建和在建的开发量均居世界首位。随着国家十二五发展规划中对水利发展的批复，我国在十二五期间的水利投资将达1.8万亿。这样巨大的投入必将促进水利资源的进一步合理开发和利用，在这样的发展背景下，与工程相关联的科学问题值得深入系统地研究和解决。由于我国大陆独特的地形特点，绝大多数水能资源都集中在西部地区，从青藏高原到云贵川高原以及四川盆地过渡的大陆斜坡地带。这些地域的地壳长期抬升，新的构造运动强烈，物理地质作用发育等

2、等原因造成了河谷坡岸及山体稳定性较差，导致我国西部地区的水利资源开发难度大、条件差。而水利大坝工程的建设都要涉及到边坡岩体开挖的问题，开挖会导致岩体卸荷，这会使得岩体一定范围内的应力场变化和边坡岩体的变形，岩体质量参数也会随之降低。而传统的岩体力学参数是在加载状态下获得的，用加载状态的岩体参数去研究边坡开挖卸荷问题，会给工程带来偏不安全的分析结果，因为岩体的加载和卸载状态会表现出不同的力学行为。那么在不同的地质条件、受力状态下，如何选取合理的岩体力学参数，采用正确的分析方法，得到更真实的分析结果，为工程提供更为可靠的预测和指导，成为了目前水利工程岩质边坡开挖分析中

3、需要解决的问题。本文以金佛山水利工程中的边坡岩体开挖为研究对象，从理论和数值分析上对大规模岩质边坡开挖过程中所发生的卸荷力学特性加以分析研究，并根据工程实际，在现有边坡开挖支护初步设计的基础上，采用合理的力学参数，通过数值模拟方法，对现有方案进行优化分析，并给工程施工提供合理的建议和意见，同时也为类似边坡工程提供借鉴和参考。.1.2国内外研究现状边坡稳定性分析研究一直是国内外岩土工程领域研究的重点，随着越来越多的道路铁路工程、水利水电工程、矿山和国防工程等国家急需的工程投入建设，高陡边坡的规模也在随之扩大，人们对边坡问题的研究也在逐渐深入。众多学者在这一发展深入的

4、过程中，也提出了许多新的分析方法，归结起来大体有六类，详见表1.1。随着科学技术的发展和计算机的推广使用，边坡稳定性分析主要以极限平衡法和数值分析法为主，下面就这两种方法进行简要介绍。极限平衡法是一种定量分析的方法，该方法起源于彼得森（1915）提出的瑞典圆弧法，该法假定滑动面以上土体为刚体，通过对抗滑力矩与滑动力矩比值的求解确定稳定系数。之后，orgenstern和V.E.Price（1965）提出了著名的摩尔根-柏莱斯法[4]。.2岩体卸荷力学特性的理论研究2.1概述岩体力学参数的取值问题，一直是大家研究的热点也是难点问题。因为随着城市建设的不断发展，地下工程

5、、大型水利工程的兴建，如何合理选取岩体力学参数将直接影响工程的投资和安全。在岩土工程中，经常需要进行稳定性分析、应力应变场计算以及变形位移的预警，而在解决这些问题的过程中，最关键的恐怕就是如何切合实际的选取岩体力学参数如弹性模量、泊松比、粘聚力、内摩擦角等。而水利水电工程大多数涉及陡高岩质边坡的开挖与处理，库区两岸边坡由于长期自然风化、水流冲蚀等作用，其原始状态的卸荷裂隙较发育，建设工程中开挖量大，开挖卸荷程度较明显。当前，边坡岩体力学参数主要是通过在加载条件下进行的常规实验取得的，采用这些力学参数去计算和分析卸荷过程的岩质边坡的变形和稳定性，其结果可能与实际情况

6、有较大偏差，造成工程安全隐患。而岩体的卸荷和加载是两种不同的力学状态，它们也同样表现出不同的力学行为。那么在岩体卸荷的过程中，其力学参数到底呈现怎样的劣化规律，本章拟在弹性理论的基础上对卸荷状态的岩体力学参数进行推导分析。2.2岩体的卸荷过程分析水利工程边坡在形成的过程中，其内部应力状态是随着地质运动和自然环境的改变而不断变化的。首先是在岩体自重和地质构造作用下形成的初始应力场，随后在自然的风化和水流的冲蚀作用下，边坡产生了初期的卸荷，主要表现为岩体的破碎和裂隙的发育，在自然的卸荷作用下边坡应力重调整，调整后的应力场就是水利工程边坡目前的应力状态。之后由于工程的需

7、要，要对边坡进行开挖，开挖又导致了岩体的进一步卸荷，在这种人为的卸荷作用下，边坡再次应力重调整，这造成岩体质量进一步的弱化。典型的岩体加载卸载曲线如图2.1所示，从图中可以看到OA为模拟加载段，AB为卸荷初期阶段，卸荷变形较小，近似为弹性，BC为进一步卸荷至破坏阶段，这一阶段前期由于裂隙的微张开甚至部分扩展，致使岩体模量降低，卸荷变形增大，曲线呈非线性，当卸荷至拉应力时，岩体裂隙开展较快，卸荷引起的变形远大于卸荷量，应力应变曲线近似水平，岩体质量迅速恶化直至破坏。从岩体的整个卸荷过程来看，BC段对岩体工程的施工和安全起着控制作用，有必要对裂纹微张开的初期，即BC段

8、前期进行探