（地质工程专业论文）武都水库坝基岩体结构特征及其深层抗滑稳定性研究.pdf

摘要 武都水库坝基岩体结构特征及其深层抗滑 稳定性研究 作者简介：裴钻，男，1 9 8 0 年1 月出生，2 0 0 4 年9 月师从于成都理工大学黄润 秋教授，于2 0 0 7 年7 月获硕士学位。 摘要 坝基的深层抗滑稳定一直是重力坝建设中最关键和最受关注的问题之一。坝 型为重力坝的武都水库区域构造部位处于龙门山褶断带北段，坝址区地质构造复 杂，尤其是规模较大的缓倾角结构面发育，这些结构面的组合使坝基深层抗滑稳 定问题十分突出。本文在对坝基各级结构面大量野外调查的基础上，进行了结构 面的统计分析，建立了研究区的地质模型，评价了坝址区岩体结构对深层滑移的 控制作用，分析了坝基滑移模式。对地质模型进行了合理概化，运用数值模拟对 坝基滑移模式进行了验证，同时采用刚体极限平衡法，定量评价了武都水库坝基 的深层抗滑稳定性，并给出了相应的处理措施。主要内容及成果如下： l 、在工程地质条件分析的基础上，依据结构面规模、工程地质性状及其工 程地质意义，结合坝区的实际情况，将坝址区各类结构面分为五级、两大类( 针 对软弱结构面分为三亚类) 。 2 、通过对坝区结构面的现场调查、三维激光扫描分析及有关勘探资料的分 析，查明了i i 级结构面f 3 1 断层的空间分布情况及空闻性状的变化情况、m 、 级结构面中的f 1 0 1 、1 0 f 2 2 、2 7 、f 3 1 1 、f 1 1 4 等断层在坝区的出露范围及其物质 组成，并按其性状进行分段，并对层间错动带及长大裂隙延伸长度及其性状有了 清楚的认识，统计了基体裂隙的分布规律及连通率，并建立岩体结构模型。 3 、通过大量地质资料分析，本文认为坝基岩体可能的深层滑移模式主要有 双面滑动失稳模式、多段滑面失稳模式和空间块体失稳模式，其主要切割面为断 层f 3 1 、f 3 1 1 、l o 岔、层间错动带以及在坝踵部位的陡倾角裂隙。主要滑移控制 面包括f 1 0 1 、f 1 1 5 和f l l 4 ，其次为坝基岩体中广泛发育的中缓倾角裂隙。 4 、利用数值模拟方法，通过蓄水情况下坝基的变形、塑性区、剪应变增量 分析，验证坝基的滑移模式，并对坝基整体和局部稳定性给出了评价。 5 、依据坝基深层抗滑刚体极限平衡法的原理，推导了任意多滑面计算公式， 并编写了相应的计算软件，运用其软件分别对典型坝段进行稳定性计算，给出了 定量评价。 摘要 6 、对于控制坝基深层抗滑稳定的不利结构面，宜采用高压注浆、清除、置 换等手段提高坝基抗滑能力。 对以上几个方面的综合分析表明，武都水库坝基岩体结构较复杂，深层抗滑 问题比较突出，需对其软弱结构面进一步处理。 关键词：武都水库岩体结构特征滑移模式刚体极限平衡法稳定性分析 摘要 a s t u d yo fr o c kb o d ys t r u c t u r a lc h a r a c t e r i s t i c sa n d s t a b i l i t ya g a i n s td e e ps l i d i n go fw u d ur e s e r v o i r d a mf o u n d a t i o n a b s t r a c t d e e pa n t i - s l i d i n gs t a b i l i t yo fd a mf o 岫t i o ni so n eo ft h ew i d e l yc o n c e r n e d i s s u e si ng r a v i 哆d a mc o m ：仃1 1 c t i o n n 圮f o r m a t i o ns e c t i o no fw u d ur e s e r v o i ra r e a , w h o s ed a mb e l o n g st og r a v i t yd a m , l o c a t e sa tt h en o r t h e r nd r a p ez o n eo fl o n g m e n m o u n t a i n t h eg e o l o g i c a lf o r m a t i o no ft h ed a ma r e ai sv e r yc o m p l e x f u r t h e r m o r e ， t h es t r u c t u r ed i s c o n t i n u o u sp l a n e sw i t hl o w d i pa n g l e so fc o n s i d e r a b l es c a l ea l ei na l a r g en u m b e r t h ec o m b i n a t i o no ft h e s es t r u c t u r ed i s c o n t i n u o u sp l a n e sr e s u l ti na n e m i n e n tp r o b l e mi nt h ed e e pa n t i - s l i d i n gs t a b i l i t yo ft h ed a mf o u n d a t i o n 。b a s e do n t h eo t l t d o o ri n v e s t i g a t i o no nt h es t r u c t u r ed i s c o n t i n u o u sp l a n e so f t h ed a mf o u n d a t i o n a n ds t a t i s t i ca n a l y s i so ft h e $ 1 r t l e t l f f ed i s c o n t i n u o u sp l a n e so ft h ee x c a v a t e ds l o p e ，a g e o l o g i c a lm o d e lo f t h er o c ks t r u c t u r eh a sb e e ne s t a b l i s h e da n d a l la s s e s s m e n to nt h e c o n t r o l l i n gf u n c t i o n s0 1 1t h ed e e ps l i d i n g ，w h i c ht h er o c ks t r u c t u r ea r o u n dt h ed a mh a s h a sb e e nm a d e n 圮s l i p p a g ep a t t e r no ft h ed a mf o u n d a t i o nh a sa l s ob e e na n a l y z e & r e a s o n a b l ee s t i m a t i o no nt h eg e o l o g i c a lm o d e li st h e nc o n d u c t e d e m p l o y i n gd i g i t a l s i m u l a t i o na n dr i g i de q u i l i b r i u ml i m i tm e t h o d ，t h ep a p e rs t u d i e st h es l i d i n gp a t t c mo f w u d ur e s e r v o i rd a mf o u n d a t i o na n dt h es t a b i l i t yo ft h ed a mf o u n d a t i o nw i t h $ o m e r e i n f o r c e m e n tm g a s b r e sp r o v i d e d t h em a j o rs t u d i e sa l ea sf o l l o w f i r s t l y , b a s e do nt h ea n a l y s i so fe n g i n e e r i n gg e o l o g i c a lc o n d i t i o n s ，i n c l u d i n gt h e s c a l eo ft h es t r u c t u r ed i s c o n t i n u o u sp l a n e s , t h ee n g i n e e r i n gg e o l o g i c a lp r o p e r t i e sa n d t h es i g n i f i c a n eo f e n g i n e e r i n gg e o l o g y , a n dt h es i t u a t i o n a lc o n d i t i o n so f t h ed a m a r e a , t h es t r u c t u r ed i s c o n t i n u o u sp l a n e sa r o u n dt h ed a ma r e aa l ec l a s s i f i e di n t of i v ec l a s s e s a n dt w om a j o rc a t e g o r i e s ( t h r e es u b - c a t e g o r i e sa r ca l s os e ta st h es o f ts t r u c t u r e d i s c o n t i n u o u sp l a n e sa r ec o n c e r n e d ) s e c o n d l y , a ni n v e s t i g a t i o no f t h es t r u c t u r ed i s c o n t i n u o u sp l a n eo f t h ed a ma r e a , a t h r e e - d i m e n s i o nl a s e rs c a n n i n ga n a l y s i s ，a n da na n a l y s i so ft h er e l e v a n td a t af r o ma s u r v e yh a v ef o u n do u tt h es p a t i a ld i s t r i b u t i o na n dt h ev a r i a t i o no ft h es p a t i a l p r o p e r t i e sa sf 31f a u l to ft h ec l a s si is t r u c t u r el a y e ri sc o n c e r n e d n ”r a n g e , w h e r e 摘要 f a u l tf l o l ，1 0 f s ，f 2 7 ，f 3 1 - l ，a n df 1 1 4i nc l a s si i ia n d1 vs t r u c t u r el a y e re x p o s ei nt h e d a ma r e a , a n dt h e i rs u b s t a n t i a lc o m p o s i t i o n sh a v e b e e nf o u n do u ta n dt h e i rp r o p e r t i e s h a v eb e e ns e c t i o n e d i na d d i t i o n , k n o w l e d g eo f t h ei n t e r - l a y e rm o b i l ez o n e ，e x t e n s i o n l e n g t ha n dt h ep r o p e r t i e so ft h eg r o w nc r a n n i e sh a v eb e e no b t a i n e d f u r t h e r m o r e ，t h e d i s t r i b u t i o np a t t e r n sa n dc o n n e c t i o nr a t eo ft h eb a s i cc r a n n i e sh a v eb e e nc a l c u l a t e d a n dar o c ks t r u c t u r em o d e lh a sb e e ne s t a b l i s h e d t h i r d l y , h a v i n ga n a l y z e dt h es u b s t a n t i a lg e o l o g i c a ld a t a , t h ep a p e ra r g u e st h a tt h e m a j o rp o s s i b l ed e e p - p l a n es l i d i n gp a t t e r n so ft h ed a mf o u n d a t i o nr o c kb o d ya r e d o u b l e f a c e ds l i d i n gp a t t e r no fi n s t a b i l i t y , m u l t i - s e c t i o ns l i d i n gp l a n e sp a t t e r no f i n s t a b i l i t y , a n ds p a t i a lb l o c kb o d yp a t t e r no fi n s t a b i l i t y 1 1 l em a j o ri n c i s i o np l a n e sa r e f a u l tf 3 1 ，f a u l tf 3 1 - l ，f a u l t1 0 也，i n t e r - l a y e rm o b i l ez o n ea n ds t c 印o b l i q u i t yc r a n n y a tt h ed a mh e e l t h ep r i m a r ys l i d i n g - c o n t r o lp l a n e si n c l u d er i 0 1 ，f 1 1 5 ，a n df 1 1 4 ，a n d t h em i n o rs l i d i n g c o n t r o ll a y e ri st h ec r a n n yo f l o w m i d d l ed i pa n g l e s f o u r t h l y , e m p l o y i n gd i g i t a ls i m u l a t i o nm e t h o di na n a l y z i n gt h ed i s p l a c e m e n t , b l o c ks t a t ea r e a , s h e a rs t r a i ni n c r e m e n t ，t h es l i d i n gp a t t e mo ft h ed a mf o u n d a t i o nh a s b e e nv a l i d a t e d a na s s e s s m e n to nt h ei n t e g r a la n dp a r t i a ls t a b i l i t yo ft h ed a m f o u n d a t i o nh a sa l s ob e e nm a d e f i f t h l y , ac a l c u l a t i o nf o r m u l ao f r a n d o mm u l t i s l i d i n gp l a n e sh a sb e e nd e d u c e di n a c c o r d a n c ew i t ht h et h e o r yo fr i g i de q u i l i b r i u ml i m i tm e t h o da m o n gd a mf o u n d a t i o n d e 印p l a n ea n t i - s l i d i n g ac o r r e s p o n d i n gc o m p u t i n g s o f t w a r eh a sa l s ob e e n p r o g r a m m e d h a v i n gc o m p u t i n gt h es t a b i l i t yo ft y p i c a ld a ms e c t i o n s ，aq u a n t i t a t i v e a s s e s s m e n th a sb e e nm a d e s i x t h l y , a sf a ra st h es t r u c t u r ed i s c o n t i n u o u sp l a n e sw h i c ho f t e n r e s u l ti nd e e p s l i d i n ga r ec o n c e m e d ，s u c hm e a n sa sh i g hp r e s s u r eg r o u t i n g ，r e m o v i n g ，r e p l a c e m e n t a r es u g g e s t e d t h ec o m p r e h e n s i v ea n a l y s e sa b o v ei n d i c a t et h a td a mf o u n d a t i o nr o c kb o d yo f w u d ur e s e r v o i ri sc o m p l e xi ns t r u c t u r ea n dt h ed e e p - p l a n ea n t i s l i d i n gp r o b l e mi s e v i d e n t , t h e r e f o r et h es o f ts t r u c t u r ep l a n e sn e e df u r t h e rc o n s t r u c t i o n k e y w o r d s ： w u d ur e s e r v o i r , r o c ks t r u c t u r ec h a r a c t e r i s t i c ，s l i d i n gp a t t e r n , r i g i d e q u i l i b r i u ml i m i tm e t h o d ，s t a b i l i t ya n a l y s i s 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得盛壑堡王太堂或其他教 育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者导师签名：豹西乎哆 躲糠汀 ”7 年占月弓日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盛都堡王盘堂有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和 借阅。本人授权盛签堡王太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数 据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名 蒜拈 。7 年 6 月 孑 日 前言 第1 章前言 1 1 选题依据及研究意义 四川武都水库位子四川省江油市境内的涪江干流上，是涪江流域规划确定近 期开发的，以防洪、灌溉为主，结合发电兼顾城乡工业生活及环境供水等综合利 用的大( 1 ) 型水利工程，是四川腹地大型骨干水利工程武都二期引水工程 的水源工程。武都水库枢纽位于四川绵阳江油市武都镇以北约3 k m 的涪江干流 上，距下游武都引水工程进水闸6 4 0 m 。坝址区以南约2 6 k m 为宝成铁路江油( 中 图1 - 1 武都水库交通位置图 震设防烈度为度。 坝) 火车站；以南约 1 2 k m 处有长城特殊 钢厂准轨铁路支线。 武都水库工程区地理 坐标东经1 0 4 0 4 6 1 0 4 0 4 6 8 。北纬 3 1 0 5 6 3 2 0 1 0 。武都 水库交通位置示意图 ( 见图l 。1 ) 。 水库工程设计拦 河大坝为碾压混凝土 重力坝，最大坝高 1 1 9 1 4 m ，正常蓄水位 6 5 8m ，校核洪水位 6 5 9 3 9 m ，总库容5 7 2 亿n 1 3 ，电站装机1 5 万 k w 。枢纽区主要建筑 物有碾压砼重力坝及 坝后式厂房。水库拦 河坝及坝身泄水建筑 物级别为i 级，坝后式 厂房为i i i 级。工程地 武都水库位于龙门山褶断带前山构造带的北段，库尾附近、库首段分别有龙 成都理工大学硕士学位论文 门山主中央断裂和前山断裂通过。坝区工程地质条件及其复杂，坝基岩溶洞穴、 次级断层破碎带和层间错动带等软弱结构面发育。由于坝基大面积的开挖发现倾 向下游的1 0 f 2 、f 3 l ，倾向上游的f 1 0 1 、f 1 1 5 及f l l 4 等缓倾角断层及大量随机分布 的陡、缓倾角裂隙。其中断层f 1 0 1 、f l l 5 、n 1 4 处于高坝段位，缓顷上游，为坝 基深层抗滑的天然滑移面；断层l o f 2 、f 3 1 处于高坝段位，中陡倾下游为坝基深 层抗滑的切割面；另外陡、缓倾角裂隙成为深层抗滑的潜在切割面和滑移面，这 些陡缓结构面的组合成多种深层滑移模式使坝基深层抗滑稳定问题十分突出。目 前，这已经成为影响工程建设的瓶颈问题。鉴于此，本文以“武都水库坝基岩体 特征及其深层抗滑稳定性研究”为题，对其坝基岩体及其稳定性问题进行系统研 究。根据论题，本文拟从地质环境条件、岩体结构分析、坝基岩体工程效应分析、 可能失稳模式及深层抗滑稳定性等几方面进行研究。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 岩体结构理论研究现状 岩体结构是指结构面在岩体中的空间分布、组合规律及其所导致的岩体被切 割状态。岩体结构的主体是结构面，它是控制工程荷载作用下岩体的力学作用方 式及其力学响应的主要因素之一，因而也在很大程度上决定了工程岩体的稳定 性。在岩体结构，软弱结构面构成了一种高级序的岩体结构，也是岩体结构的基 本组成；而节理、裂隙发育的差异则使边坡岩体结构趋于多样化、复杂化。 5 0 年代以l m u l l e r 3 等代表的奥地利学派认为结构面是构成岩体和岩块力学 与工程特性差异的根本所在，由此而开始了岩体结构面和岩体结构研究为中心的 岩体力学时代。 6 0 年代谷德振、孙玉科教授提出了“岩体结构”概念，提供了将复杂的岩体抽 象为科学的结构类型分类依据，并提出了岩体结构控制岩体稳定性的重要观点1 6 7 1 。 经过长期实践和研究孙广忠教授于1 9 8 4 年进一步提出“岩体结构控制论”是 岩体工程地质力学和岩体力学的基础理论，并全面、系统的以“岩体结构控制论” 为依据建立了岩体变形、岩体破坏及岩体力学性质的基本规律，认为岩体内的结 构面及其控制下形成的岩体结构控制着岩体的变形、破坏机制及力学法则，从而 建立了完整的岩体结构力学体系1 8 j 。 从7 0 年代开始，h u d s o n 等人用概率统计方法对不连续面几何特征进行了定量 研究障9 1 。1 9 7 6 年r j s h a n l e y 着i m a m a h t b 在数学地质上发表了“产状组数划分分 析”的论文，丰富了概率统计对产状数据研究的内容【l ”。1 9 7 6 年s d p r i e s t 和 2 前言 j a h u d s o n1 8 】建立了由d e d l 6 l 提出的岩石质量指标与测线法的测线长度及不连 续面线性密度的关系。1 9 7 8 年，国际岩石学会实验室和野外标准化专门委员会提 出了对岩体结构面定量描述的推荐方法，其中规定了对结构面1 0 个描述指标， 包括结构面产状、抗压强度、间距、充填情况、渗流、组数和块体大小等。 在对岩体结构面定量研究的基础上，1 9 8 1 年s d p r i e s t 和j a h u d s o n 口犍出了 测线法测量半迹长的方法，1 9 8 1 年他们进一步提出了不连续面间距测量的精度估 算方法【l “。1 9 8 4 年美国亚历桑那大学p h s w k u l a t i l a k e 等提出了岩体结构面平均 迹长估算方法【l o j ，1 9 8 6 年又研究了窗口内出露的可见迹长与真实三维空间结构面 大小的相互关系，并将这种关系以概率密度函数形式表示出来【1 3 l 。在随机结构面 网络计算模拟技术方面，1 9 8 9 年潘别桐教授系统介绍了结构概率模拟的基本原理 和方法0 3 1 。1 9 9 5 年陈剑平教授【l4 】在其随机不连续面三维网络计算机模拟原理 专著中，详尽论述了在计算机上实现三维网络计算机模拟的基本原理，并开发编 制了三维模拟软件。 f i g o 年代以来，对节理裂隙和大型结构面的研究手段和方法方面有了较大的 进展，已经利用分形理论来描述岩体结构面的复杂程度，p i n n a d u w a h s w k u l a t i l a k e ( 1 9 9 7 ) 提出了盒分维值在节理化岩体统计均质分区中的应用；王 金安、谢和平( 1 9 9 7 ) 研究了剪切过程中岩石节理粗糙度分形及力学特，征【”l 。 岩体结构理论是坝基稳定性分析与评价的重要方法之一，为分析和解决实际 工程问题提供充分而可靠的理论依据和指导作用。 1 2 2 坝基岩体深层抗滑稳定性评价方法研究现状 坝基岩体深层抗滑稳定性评价目前国内外一般都采用刚体极限平衡法、有限 单元法、地质力学模型试验以及分项系数法，来核算坝基有软弱夹层的混凝土重 力坝的深层抗滑稳定问题。 ( 1 ) 刚体极限平衡法 刚体极限平衡法是将滑移的各块岩体视为刚体，考虑滑移体上力的平衡，根 据滑移面上的静力平衡条件对滑动块体的安全度作笼统的整体分析。刚体极限平 衡法应用非常广泛，它具有很多优点：概念清楚，计算简便，工作量小，可以手 算，易于掌握，任何规模都可采用，有丰富的工程经验，而且有比较成熟的与之 配套的设计准则。当滑移面为单一平面时，该法能较合理地确定其稳定性。 刚体极限平衡法也有许多缺陷。 为此，我国学者在刚体平衡法计算坝基深 层抗滑稳定上做了大量的研究工作，张怡霞【加】在假定双斜面滑动计算的基础上， 考虑了坝后地面为斜面的情况，计算出产生最小抗力的滑裂角，并推导出了安全 系数的计算公式；王兴然、邓昌铁f 4 l 】假设基岩抗力在极限状态下的方向为未知， 成都理工大学硕士学位论文 由岩石被动抗力的概念，找出最大抗力的大小和方向之间的关系；陈国力【4 2 l 抛弃 了抗力体铅直破裂面的假定，认为深层抗滑存在二个倾裂面的破裂面，并导出了 坝后具有倾斜基岩表面时重力坝下游抗力体破裂角的求解方程及安全系数计算 公式：王瑞骏【4 3 i 针对软弱结构面与坝轴线相交的深层抗滑稳定问题，在分析研究 滑动体所受到的侧向阻力作用机理的基础上，计入侧向阻力进行深层抗滑稳定的 空间极限平衡分析，指出计入侧向阻力的安全系数比不计入侧向阻力的安全系数 要小得多；陈革强i l 对刚体极限平衡法中三种常用的方法进行分析研究，导出了安 全系数与抗力角对应的渐进线及等安全系数法的求解公式，并对三种方法进行了 分析比较。陈祖煌、陈立宏l 删对“混凝土重力坝设计规范”( d l 5 1 0 8 1 9 9 9 ) 规定使 用的极限状态分析方法进行了探讨，并通过多了实例分析论证规范采用的表达式 在建筑物抗滑稳定和滑坡分析中应用时存在的问题，并提出了自己的见解。刘红 字、王肖勇【4 5 】用“瞬时转动中心法，计算了复式滑动面上的应力，在按分段等稳 定系数法的原理计算重力坝沿基岩内部的复式“弱面”滑移的稳定安全系数。 ( 2 ) 有限元法 对于一些重要的工程，特别是对坝基深处的抗滑稳定问题较严重的情况，除 刚体极限平衡法外，常常要进行有限元分析与模型试验，作为校核、验证或深入 研究的手段。 目前，有限单元法已成为分析复杂地基问题的有力工具，它不但可以分析断 层、节理等地质缺陷的影响，而且可以将水工建筑物的应力、变形、渗流和稳定 问题等结合在一起分析，由此了解整个系统的破坏机理。应用非线性有限元法可 以对具有软弱夹层地基上坝体深层的抗滑稳定这个复杂问题做出较深入的探索， 通过分析可以较可靠地确定地基内的应力及变形情况，了解沿软弱带的破坏区域 和错动值，确定最危险的滑动通道，研究一些加固措施的效果，并确定最终的安 全系数和阐明失稳发展的机理。 在用有限元法研究重力坝深浅层抗滑稳定破坏机理方面，王宏硕等首次提出 了真实抗剪比例极限强度的概念，得出了一些有益的结论1 1 4 ) 0 常晓林、陆述远、 赖国伟等研究了碾压混凝土坝稳定临界准则公式以及设计安全系数。杜俊慧、陆 述远研究了重力坝沿坝基面的破坏机理，探讨了坝体与坝基弹模比对破坏规律的 影响、强度参数对破坏过程的影响以及重力坝均质坝基沿建基面的破坏机理，采 用有限元法的问题是应力、变位大小与网格划分有关，不易确定大坝的安全度指 标，在应力奇点，应力趋于集中，网格愈密，应力集中程度愈高：并且由于各工 程的复杂性和有限元法计算程序的差异性，目前尚无对坝体及坝基的位移应力值 的统一量化标准，对于有限元法计算深浅层抗滑稳定也没有统一的标准。 ( 3 ) 地质力学模型试验法 4 前言 2 0 世纪7 0 年代发展起来的地质力学模型试验方法能分析地基及地基下的结 构的破坏形态、破坏机理及稳定性等问题，是一种很直观的分析方法。这种建立 在相似理论基础之上的试验方法，可以直接观察滑移面的破坏过程，并对其它计 算方法假定的滑移面、单元划分、加载措施等提供参考。模型试验要求模型和原 型线性尺寸成比例；模型材料的物理力学性质及变形特性与原型相似；荷载条件与 边界条件相似。 近年来地质力学模型研究在模型材料、模拟技术和试验方法等方面取得了 突破性进展。在模型材料方面，经过多年的研究。己经解决了坝基与岩体自重材 料的模拟，解决了非正交裂隙岩体及软弱岩体模拟的难题：在模拟技术方面，目 前己能较真实地模拟岩体中的断层、破裂带及软弱带和主要的节理裂隙组，能体 现岩体的复杂的力学特征。 地质力学模型试验法是研究坝体及地基应力、变位和失稳问题的一种重要手 段，但要用模型试验研究抗滑稳定问题有一定的困难，它一般只能得到超载安全 度。而且地质力学模型实验法费工费时，费用也大。 ( 4 ) 分项系数法 由于直接采用可靠指标进行结构设计比较复杂，混凝土重力坝设计规范 ( d l s l 0 8 1 9 9 9 ) 规定使用极限状态表达式来进行结构和地基的稳定性验算，要求 将建筑物抗滑稳定分析从传统的安全系数表达式改为极限状态表达式。这种设计 方法的设计表达式由一组分项系数和基本变量代表值所组成，它们反映了由各种 原因产生的不定性、变异性的影响。分项系数极限状态设计方法与传统的单一安 全系数或多项系数设计方法有本质上的不同，它的各种分项系数都是根据可靠度 理论并与规定的目标可靠指标相联系，经优选而确定的。采用这一方法的设计计 算结果隐含地反映了规定的可靠度水平，这也是新规范推荐的方法。 ( 5 ) 其他方法 石根华提出的不连续变形分析法d d a ( d i s c o n t i n u o u sd e f o r m a t i o na n a l y s i s ) ， 主要应用于分析裂隙岩体的安全稳定性。张发明、陈祖煌等人基于塑性力学上限 解的基本理论，将边坡稳定性评价的三维极限分析方法应用于坝基抗滑稳定分析 中，通过将滑体离散为一系列具有倾斜界面的条柱体，并假定滑体中存在一个“中 性面”，在这个面上，滑体的速度均与这个面一致，然后计算条柱体体系的协调 速度场，就可以方便地求出滑体的稳定系数。由于该方法考虑了滑动面的三维特 征及滑体内部的相互作用，可以较好地反映滑体失稳的机理。同时，避免了求解 大规模的线性方程组的困难，为解决实际工程稳定问题提供了方便的方法，适用 于具有显著三维滑动效应的坝基抗滑稳定性评价【2 “。李新民、王开治等人将塑性 极限分析应用到拱坝设计中，王开治、王均星等用此方法用于重力坝极限承载力 成都理工大学硕士学位论文 分析，他们将有限元法的思想和塑性力学分析法相结合，用上下限法进行塑性极 限分析，形成了一套完整的理论体系。王志良在岩基抗滑稳定分析极限平衡法中 考虑了岩体软弱夹层塑性性质。沈文德、沈保康用刚塑性极限平衡理论分析了夹 层地基的极限平衡状态，求得了抗力体的破坏范围、滑动面形状、抗力大小以及 抗滑稳定安全系数( 2 引。 1 3 主要研究内容及技术路线 1 3 1 主要研究内容 作者从2 0 0 6 年3 月1 3 日开始先后两次进驻野外工作基地，累计进行了两个月 的野外现场工作，对整个坝基岩体的结构面进行了系统详尽的调查、量测和描述， 在室内进行了原始数据的系统整理和统计分析、重要图件的绘制、岩体结构面工 程地质特征总结以及坝基岩体抗滑稳定性初步分析等工作。 论文研究遵循“地质过程的机制分析一定量评价”的基本思路。在项目组共同 工作的基础上，通过大量结构面的现场调查，室内统计分析，总结提出了不同层 次结构面的发育规律、空间展布，建立坝基岩体结构的概化模型，确定坝基深层 滑移模式，运用数值模拟方法验证坝基滑移模式，并对坝基的整体稳定性进行了 定性评价，采用刚体极限平衡法对典型坝段在不同工况下的稳定性进行了定量计 算，给出了适当处理措施。 主要研究内容如下： ( 1 ) 坝区地质环境条件研究：主要包括坝区区域地质背景、地形地貌、地 层岩性、地质构造、新构造及地震、岩溶及水文地质条件等方面。 ( 2 ) 坝基岩体结构特征研究：首先对坝区结构面进行分级分类，在此基础 上针对i i 级、i i i 级、i v 级结构面的发育特征及其分布规律，特别是对其结构面 的宽度、间距、发育密度等特征及v 级迹长、间距、密度等空间分布规律进行了 现场仔细测量和量化研究，为后面的三维数值研究及稳定性计算提供了依据。 ( 3 ) 滑移模式及整体稳定性评价：坝基主要地质缺陷是发育若干规模较大 的断层，并有一系列陡缓裂隙，根据各级结构面的特征及其组合，以建立合理的 岩体结构概化模型，在此基础上通过蓄水情况下坝基的变形、塑性区、剪应变增 量分析，验证坝基的滑移模式，并对坝基的整体稳定性作出了定性的评价。 ( 4 ) 针对各种工况下不同变形深度及其变形的基本模式，采用刚体极限平 衡法对典型坝段的稳定性进行了定量评价。 ( 5 ) 根据数值模拟分析和稳定性计算所确定的坝基变形深度及变形范围， 给出了坝基处理的建议方案。 6 前言 1 3 2 研究技术路线 本文选择武都水库坝基深层抗滑稳定性作为研究对象，从复杂的地质环境条 件出发，以坝区岩体结构特征研究作为基础，建立坝基深层滑移的“概念模型”， 采用了三维数值模拟对坝基滑移模式进行验证，并对坝基的整体局部稳定性做了 评价，同时采用刚体极限平衡法对典型坝段稳定性进行比较系统分析，给出了相 应的处理措施。整体上论文遵循以下技术路线见( 图1 - 2 ) ：研究区地质环境条件 研究一坝区岩体结构特征分析一坝基失稳模式建立及验证一典型坝段稳 定性评价一给出合理的处理措施。 7 成都理工大学硕士学位论文 l 研究区地质环境条件研究l liillll 降荐l l 燃l 旧l 蚓 i 坝基岩体结构特征研究 i l l i 岩体结构面类型 结构面的工程地 质分类及其特征 结构结构 面地面性 l i 级结构i i i 级结构i v 级结构基体裂隙工程 质分状分 面特征_ 面特征面特征地质特征 级类 i 滑移模式及整体稳定性评价 l 燃蓑瓣稳ll 卜模i i 坝基模型建立 i j 边界条件岩体及断层 il 岩体力学参数l l l 蓄水后槽移模式验证及整体稳定性评价 l 滑移模式分析稳定性及整体稳定性确定i i 典型坝段稳定性计算及其评价 i 刚体极限平衡稳定性计算 坝段稳定性评价和给出初步加固处理意见 坝基深层抗滑稳定性综合分析及总体评价 图l 一2 研究思路及技术路线 8 第2 章区域地质背景及坝区工程地质条件 第2 章区域地质背景及坝区工程地质条件 2 1 区域地质背景 2 1 1 区域地形地貌及地层岩性 武都水库位于四川盆地西北边缘，地处龙门山脉东南部，总的地势西北高东南低。 受构造线的控制，将工程区及其附近地区划分为不同的地貌单元。以龙门山前主边 界断裂之望乡台断层( f 9 ) 为地貌单元的分界线，东南侧为龙门山山前凹陷带，属 丘陵平原地形，河谷宽阔；西北侧是龙门山系，属山地地貌，多为“v ”型峡谷。 囱2 - 1 区域地质构造格架及历史地震震中分布图 工程区内出露地层较齐 全，除第四系松散堆积地层 外，自元古界震旦系至中生 界侏罗系均有出露。以龙门 山前主边界断裂之望乡台断 层( f 9 ) 为界，东南侧为一 套内陆河、湖相红色碎屑岩 建造，主要由侏罗系地层组 成；西北部则是滨海类复理 式碎屑建造和海相碳酸盐建 造，由震旦系、寒武系、奥 陶系、志留系、泥盆系、石 炭系、二叠系、三叠系等地 层组成。 2 1 2 区域地质构造 工程区的大地构造位 置，处于扬子准地台与松 潘甘孜地槽褶皱系之间的 构造过渡带上，该构造过渡带从古生代到中生代早期，是中国东部以地台为主的稳 定区和中国西部以地槽为主的活动区的分界；中生代以后，是我国西部强烈的褶皱 隆起区之一，并导致形成推覆逆掩的巨型褶断系龙门山褶断带，该褶断带是斜 贯四川西北部的规模宏大构造带之一，亦是青藏高原东部边缘一部份和成都平原的 9 成都理工大学硕士学位论文 西部边界，近代地震活动强烈( 见图2 1 ) 。 工程区的区域构造部位处于北东向龙门山褶断带北段。龙门山褶断带基本构造格 架主要由龙门山前主边界、主中央、后山等三条北东向压扭性断裂带组成，自北向 南，俗称为平武茂汶断裂( 后山断裂) ；南坝北川映秀断裂( 主中央断裂) ； 江油安县灌县断裂( 前主边界断裂) 。龙门山断裂带和“多”字型斜列的两个复 背斜( 彭、灌复背斜和宝兴复式背斜) 构成一庞大的北东向褶断带，并伴有走向北 东的次级压扭性断层、褶曲、近南北和近东西向的两组扭性断裂以及北西向一组张 性断裂。下面就构成区域构造格架的主要断层特征简述如下( 见图2 2 ) ： 2 1 2 1 龙门山断裂 图2 2 龙门山推覆体小坝构造地质剖面图 1 龙门山前主边界断裂 该断裂带由天全县西南起，向北东经大邑县双河、灌县二王庙、安县县城附近， 江油市武都、广元市沙河，在陕西省南郑县插入汉中盆地，全长约5 0 0 k m ，宽约3 0 k m 。 断裂带发育在古生界至三叠系地层中，为一系列近于平行的断层束，并有分叉、闭 合现象。在坝区龙门山前主边界断裂带内主要由f 9 逆冲断层组成。 断裂带总体产状n 4 5 5 0 0 e ，n w l 5 0 7 0 0 ，断面多呈舒缓波状，时见宽数米的 挤压破碎带及糜棱岩化构造岩。安县附近断面陡倾、光滑，有大量斜冲和水平擦痕， 指示断裂面两盘作右旋扭动。马角坝以西，在主断面南东侧有一组伴生的次级逆冲 断裂，剖面上呈叠瓦状。根据从龙门山的侏罗系、白垩系及老第三系地层连续沉积 和褶皱形成的资料分析，该断裂定型于喜山运动早期。 2 龙门山主中央断裂 该断裂西南始于泸定附近，向北东延伸经盐井、映秀、太平、北川、南坝和广元 市朝天驿，插入陕西境内与勉县阳平关断裂相交，斜贯于整个龙门山。长达5 0 0 k m 。 由北川南坝林庵寺断裂、北川映秀断裂和盐井五龙断裂组成。断裂总体产 1 0 第2 章区域地质背景及坝区工程地质条件 ) c 定n 4 5 0 e ，n w 么6 0 。断裂带多分叉、复合，断面呈波状，并有叠置的推覆岩片夹于 其间。于断裂两侧发育一系列与之平行的次级断层，在剖面上组成迭瓦状构造，显 示明显的压性特征。 断裂带的主断裂多属推覆剪切滑移面的地表露头形迹，断面上、下盘为规模不等 的外来推覆岩席。断裂带的主要特征是：形变性质：推覆挤压带后部，为上叠岩 片，经受地壳中深部构造层次的韧性剪切形变；中部片岩，以韧性剪切形变为主， 并伴有脆性剪切形变；前部下置片岩，属浅层脆性形变。运动学特征：剪切滑移 面伴生的拖曳柔性剪切褶皱之轴面、滑移剪切擦痕、砾石拉伸线理、矿物旋转方位， 剪切方向等，均一致指示推覆岩片自北西向南东方向逆冲运动。片岩布列特点： 剖面上里叠瓦状，平面上为右行雁列展布，反映断裂带伴随有右行剪切运动。推 覆面形态；各推覆岩片的前缘或后缘的断裂皆向北西倾，倾角自上而下由缓变陡， 具上凸形态特征。次级分枝断裂在前缘岩片中最为发育，且多位于其东侧下方。 推覆时间：自西向东，从印支末期开始经燕山期而至喜马拉雅期，表现了构造应力 多阶段、多期次连续向东挤压、迁移、依次推覆过程。地球物理异常：沿断裂带 是重力及航磁明显的异常梯度变化带。 3 龙门山后山断裂 该断裂西南端在泸定冷碛附近与南北向的大渡河断裂相交，向北东经陇东、鱼子 溪、耿达、草坡、汶川、青川插入陕西境内，延伸5 0 0 余k m 。由青川平武断裂、茂 汶断裂和耿达陇东断裂组成。断裂总体产状n 3 0 5 0 。e ，n w z 5 0 7 0 0 。该断裂形 成时间早、切割深，断裂活动性及地震活动都具有明显的分带性。 2 1 2 2 褶皱构造 与工程紧密相关的褶皱构造是唐王寨向斜，它位于南坝北川( 主中央断裂) 至 江油安县断裂( 主边界断裂) 之间，其特征如下： 唐王寨向斜( 见图2