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.doc

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。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1520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34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，阐明高陡边坡在泄洪雾化雨、库水位骤变以及强震作用下的渐进破坏机制与稳定性演化规律。建立综合考虑变形与稳定性的高陡边坡性能评价指标体系，提出基于多源信息融合的高陡边坡性能评估方法。发表论文130篇，申请发明专利912项，培养博士生35名，硕士生55名，出版专著4部。3、研究成果集成与总结验收阶段提出基于全生命周期性能演化的高陡边坡动态设计理论与方法，研发高陡边坡稳定性监测与安全预警平台，建立高陡边坡全生命周期安全控制理论与方法，形成一套基于全生命周期性能演化的高陡边坡设计、评价与安全控制理论体系。依托西南地区典型大型水利水电高陡边坡工程开展应用研究，检验和完善上述相关研究成果。发表论文50篇，申请发明专利34项，培养博士生15名，硕士生25名，出版专著2部；提出水利水电工程高边坡国家技术标准建议1项。编写项目研究报告、完成结题验收工作。三、研究方案（一）学术思想和总体研究思路本项目以国家重大需求和相关学科前沿为导向，从高陡边坡的地质属性、力学行为和工程性能三个基本视角，围绕大型水利水电工程高陡边坡岩体性能演化与安全控制问题开展基础研究。本研究体现如下三个主要学术思想：(1) 河谷边坡演化、岩体工程作用与运行环境共同对高陡边坡稳定性起控制作用的思想。河谷边坡是不断演化的有其自身生命周期的地质体，其所处的演化阶段与特征决定了河谷边坡复杂的工程地质条件；边坡施工期大规模开挖、锚固与渗流控制等工程作用是对河谷边坡自然演化进程的人为干预和强烈扰动；边坡运行期库水涨落、泄洪雾化及地震等极端环境影响边坡稳定与安全。河谷边坡自然演化、工程作用、运行环境组成了复杂的广义耦合系统（如图2所示），它们共同对高陡边坡的变形与稳定性起控制作用。因此，本项目研究以河谷边坡的自然演化模式、地应力分布特征以及坡体结构的形成机理研究为基础，以施工期边坡岩体开挖、锚固与渗流控制的工程作用效应和运行期的环境作用效应为突破点，从而为研究高陡边坡全生命周期性能演化规律奠定基础。图2 河谷演化、工程作用与运行环境对高陡边坡稳定性的控制作用(2) 复杂环境下高陡边坡全生命周期性能演化具有宏细观动力学机制的思想。边坡岩体结构特征既表现为细观尺度上微裂隙的空间分布与排列方式，也表现为宏观尺度上断裂构造的发育特征与空间组合关系。边坡岩体开挖、锚固支护、渗流控制以及库水与地下水作用所产生的边坡岩体宏观力学响应，首先是从细观尺度上微裂纹的萌生、扩展以及细观结构的演化开始的，当岩体损伤积累至一定程度，宏观裂隙随之产生，并与原生结构面汇聚、贯通，从而改变岩体结构特性。锚固体系的老化也是从锚索材料的微细观锈蚀、锈胀、砂浆包裹体微破裂开始的，逐步转化为宏观应力松弛，直至功能失效。在边坡稳定性演化过程中，宏观变形一般经历初始变形、等速变形、加速变形和失稳破坏过程。高陡边坡全生命周期性能演化的细观机制是正确建立边坡变形与稳定性宏观规律的基础。(3) 水利水电工程高陡边坡安全控制贯穿于工程设计、施工和运行全过程的思想。目前，高陡边坡稳定性安全控制大多只强调施工期的安全控制和运行期的监测反馈，而没有将工程设计纳入安全控制体系，更没有在安全控制中将边坡性能演化机制考虑在内。这种安全控制在本质上属于“事后”控制范畴。由于现行边坡设计规范和技术标准不能适应超大规模高陡边坡工程需求，也就难以获得科学合理的边坡设计方案。如果对高陡边坡性能演化机制缺乏本质认识，就难以建立合理的评价指标体系。因此，高陡工程边坡的安全控制要以全生命周期性能演化规律为核心，统筹兼顾设计、施工和运行不同阶段的安全控制。基于上述学术思想，本项目拟采用的总体研究思路是：以大型水利水电工程高陡边坡全生命周期性能演化规律为核心，综合运用工程地质学、岩石力学、渗流力学、损伤力学、水利水电工程、安全工程、系统工程等多学科理论与方法，采用室内外试验、现场监测与反馈、理论分析与数值模拟等多种方法，遵循“地质概化、理论建模、试验验证、数值模拟、工程应用”的研究路线，开展大型水利水电工程高陡边坡岩体开挖、锚固与渗流控制的工程作用效应与时效力学特性的基础研究，揭示高陡边坡在开挖、锚固、水库蓄水、运行以及极端环境条件下的变形与稳定性动态演化特征，建立高陡边坡性能综合评价指标体系与评估方法，提出基于全生命周期性能演化的高陡边坡设计、安全预警与安全控制方法，依托我国西南地区典型大型水利水电高陡边坡工程，开展全生命周期性能演化与安全控制的应用研究。（二）技术路线基于上述学术思想和总体研究思路，本项目总体技术路线如图3所示：图3 项目总体技术路线示意本项目运用工程地质、力学、水利水电工程及安全工程等学科的基本理论、方法和技术，采用室内外试验、现场监测与反馈、理论分析及数值模拟等综合手段，围绕三个关键科学问题开展研究，研究力求地质分析模型化、稳定分析定量化、边坡设计动态化及安全控制精细化，并结合依托工程的高陡边坡进行验证与示范。各课题研究工作拟采取如下技术路线。1、高地应力区河谷边坡岩体开挖扰动机制基于地质调研和工程地质分析，从河谷地质建造与改造的角度研究深切河谷演化规律及控制条件，建立典型深切河谷地区的河谷演化模式；运用地球内外动力耦合作用及浅表生改造理论，研究不同河谷演化阶段河谷坡体结构与地应力场特征；通过地质力学模型试验，分析不同河谷演化阶段的坡体结构与边坡变形破坏特征，揭示深部裂缝的发育分布规律、变形破坏特征和力学属性，进而分析岩体深部裂缝孕育-形成-演化过程，建立深部裂缝地质力学模式，提出深部裂缝的工程性质评价方法。运用时域和空间场叠加原理，研究边坡岩体开挖应力重分布的动力学过程，揭示边坡岩体的动力损伤机理，基于钻孔电视、CT扫描和开挖前后岩体声波对比检测，建立岩体动力损伤安全判据。开展含节理边坡开挖松动室内模型试验，研究并揭示开挖荷载瞬态卸荷、爆炸荷载及其耦合作用诱发边坡岩体松动力学机制，确定不同岩体应力水平、岩性及卸载速率下边坡岩体开挖松动区分布规律。针对锦屏一级和大岗山水电站高陡边坡，研究爆破荷载和开挖瞬态卸荷反复扰动的动力学过程，通过岩体损伤声波检测和钻孔CT，揭示重复扰动下的岩体累积损伤效应及演化规律；通过室内试验研究开挖扰动区岩体的时效力学特性，建立考虑累积损伤效应的岩体时效分析模型；通过现场调研和监测反馈，研究高陡边坡开挖损伤、松动及变形渐进发展过程，揭示开挖扰动区的时空分布特征，最终确定开挖扰动区岩体力学参数。通过现场试验，建立边坡岩体爆破损伤判据，提出基于边坡岩体开挖爆破损伤控制的设计准则。基于能量守恒原理，建立边坡岩体卸荷松动和爆破松动的应变能密度判据，结合室内物理模拟试验，提出基于高地应力条件下岩体松动控制的边坡开挖优化设计方法。2、高陡边坡岩体锚固机理与性能演化特征开展大尺度物理模型试验、现场锚固试验和大规模数值仿真模拟研究，对预应力锚固体系的荷载传递、应力调整、压密剪胀、加筋等力学作用机制进行深入分析，揭示预应力锚固体系的综合作用效应，建立预应力锚固的结构性强度模型。进行边坡岩体大尺度物理模型试验、离心机模型试验和数值模拟分析，研究锚固与其它加固措施（如抗剪洞、锚固洞等）组成的联合加固体系的荷载分担与协同作用机制。通过拟环境多因素耦合作用腐蚀试验，研究预应力、酸性离子、湿度、温度和杂散电流等因素综合影响下的钢绞线、砂浆包裹体的腐蚀特征，揭示钢绞线锈胀、砂浆包裹体性质劣化、胶结性能降低对锚固性能的影响。基于锚索开挖试验成果，分析锈蚀分布规律以及长期影响因素，提出锚固体系健康状况辨识指标，建立预应力锚索损伤演化模型；通过现场埋置试验，运用超导声波、光纤等先进技术，研发复杂环境下锚索腐蚀破坏及健康诊断检测与监测技术。采用定性分析与定量计算相结合的方法，建立边坡锚固体系安全控制标准和评价方法体系。依托锦屏一级和大岗山水电站高边坡工程开展应用研究，建立完善的边坡岩体锚固优化设计与预应力锚固体系长期性能评价方法体系。3、高陡边坡岩体渗透特性与渗流控制机理开展岩石渗流-应力耦合三轴试验及结构面渗流-剪切耦合试验，研究岩石及结构面在损伤积累和渐进破坏过程中的渗流运动规律，建立岩石和结构面渗透特性演化模型。通过考虑裂隙岩体的多尺度结构特征，运用确定性与随机性相结合的方法构建裂隙网络模型，采用均匀化方法建立边坡岩体渗透特性张量模型。结合课题1的研究，通过现场交叉孔压水试验和微震监测，研究高陡边坡强卸荷岩体的渗透特性演化规律。通过室内模拟试验，研究结构面的水气两相流运动特性，建立反映结构面几何形态和持水机制的水气两相流模型。通过现场降雨入渗试验和钻孔压水试验，研究边坡岩体的降雨入渗机制以及饱和/非饱和渗流运动规律，建立边坡岩体降雨入渗率模型、高渗压条件下的渗流模型等。通过物理模型试验，研究边坡岩体排水孔幕的渗流控制效应，提出基于过程、状态、参数和边界控制的渗控效应评价方法。通过现场调查与实例分析，研究复杂环境下排水孔幕等渗控结构的老化机制、性能演化规律和主要影响因素，建立渗控结构性能评价指标体系，提出考虑渗透性演化与渗控结构耐久性的高陡边坡岩体渗流控制系统优化设计方法。针对边坡岩体稳定/非稳定、饱和/非饱和渗流以及水气两相流问题，研究边坡岩体三维非线性渗流场的高效数值分析方法。结合锦屏一级、大岗山水电工程高陡边坡，开展水库蓄水、库水位周期性涨落以及暴雨、泄洪雾化条件下的三维渗流场模拟与验证。4、复杂环境下工程边坡岩体的时效力学特性选取典型水电工程边坡的天然岩样，进行物性试验、细观力学试验（SEM、CT、CT中的压缩试验）与结构分析、静动荷载下的三轴压缩试验、三轴蠕变试验等，分别从细观和宏观角度研究短期、长期力学行为。在试验的基础上，研究岩石细观结构特征及其力学性质与岩块、结构面以及岩体结构等多个层次宏观力学特性的内在联系，采用时间扩展法、非线性均匀化方法和多尺度分析理论，分别建立边坡岩体的短期、长期多尺度力学模型和短长期水-力耦合多尺度模型。根据细观结构分析结果，采用改进的离散元数值方法，模拟岩样的宏观短长期力学行为。进行不同饱和度条件下岩样的物性试验及细观结构分析、细观压痕试验、纳米压痕试验、三轴压缩试验和三轴蠕变试验，从细观角度研究水对岩样主要矿物成份及力学行为的影响。通过毛细压力和表面张力的细观分析，建立非饱和条件下岩体的短长期水-力耦合多尺度模型。通过拟环境试验，得到不同风化程度的试样，开展相关试验，揭示岩体细观结构和力学特性与风化状态的关系，建立水力风化耦合时效力学模型。结合课题2的研究成果，采用均匀化方法，建立反映锚固机理及性能演化的锚固岩体时效力学模型。基于边坡岩体水力风化耦合模型和锚固岩体时效力学模型，采用扩展有限元方法描述裂隙的扩展过程，提出边坡岩体吸水、脱水和风化环境下边坡岩体损伤演化数值分析方法，并采用改进的离散元分析方法，研究接触面力学性能变化与宏观损伤演化过程的内在联系。结合锦屏一级、大岗山水电工程高陡边坡开展研究，对边坡岩体的时效力学模型和数值分析方法进行初步验证和应用。5、边坡与坝体-库水相互作用及稳定性演化机制研究能考虑边坡裂隙动态扩展的高阶流形元法，改善不连续变形分析方法的数值特性，建立基于关键块体理论的三维严格极限平衡法，发展能考虑动力特性的三维矢量和方法。结合课题14研究成果，进行不同开挖和锚固方式下边坡岩体变形计算分析，研究施工期边坡岩体的开挖方式、顺序、速度与锚固时机、强度、布局等关键因素对边坡岩体变形与稳定性的影响，分析开挖扰动区范围与分布特征、锚固体系内力分布及其与围岩相互作用机制，揭示施工过程中边坡变形和稳定性的动态演化特性。依托锦屏一级和大岗山等大型水电工程高陡边坡，采用大型数值模拟技术，进行大坝不同浇筑时机和速度条件下边坡的变形和稳定性计算分析，揭示大坝浇筑过程中边坡应力与变形的变化规律，研究边坡变形对坝体应力场及变形场的影响；从岩体水-力耦合模型出发，研究不同蓄水速度对边坡渗流场、岩体应力及变形的影响，揭示蓄水过程中高边坡的变形与稳定性演化规律。根据岩体的饱和/非饱和渗流模型，进行高边坡在暴雨/泄洪雾化条件下的变形和稳定性计算分析；研究库水位骤升、骤降速度对边坡变形和稳定性的影响，提出满足边坡安全要求的库水位骤变临界条件，揭示全生命周期内边坡在暴雨/泄洪雾化和库水位反复涨落条件下的稳定性演化机制。研究高边坡在不同地震动输入方式下的动力响应以及边坡动力放大效应，探讨强震对锚固体系累积损伤的影响；同时，进行边坡-坝体-库水三维动力特性模拟，研究边坡变形与稳定性的水库动水压力效应。6、高陡边坡全生命周期性能评估与安全控制收集和整理大型水电工程高陡边坡案例资料，建立高陡边坡数据库。采用实例推理和专家系统，研究高陡边坡全生命周期性能演化过程中的不确定性因素及失事后果，建立高陡边坡变形与稳定性评价指标体系。借鉴国外边坡风险接受准则，考虑国内风险接受水平及风险决策的倾向性，提出高陡边坡风险接受准则。采用马尔可夫链-贝叶斯法等多维数据动态分析方法，对多源监测信息进行集成和融合分析。通过工程类比、数值分析、信息熵方法，提出基于多源信息融合的高陡边坡性能的确定性评估方法。综合考虑影响高陡边坡性能演化的不确定性因素，建立高陡边坡失事概率演化模型，提出边坡失事的动态风险评估方法。将课题15所研究的岩体开挖扰动区形成与时空分布模型、锚固体系性能劣化模型、渗流控制系统老化模型、岩体时效力学模型等应用于高陡边坡设计。运用边坡施工信息、安全监测信息进行边坡性能动态反馈分析，将目前流行的“信息化施工、动态设计方法”拓展为基于全生命周期性能演化的高陡边坡设计方法。以锦屏一级和大岗山水电工程高陡边坡为典型案例，采用岩体微震监测技术捕捉边坡岩体变形与局部破坏信息。通过分析高陡边坡不同演化阶段的稳定状态与各监测物理量间的相关关系，建立高陡边坡的安全等级和预警指标。基于复杂环境下边坡性能的评估结果，提出边坡的安全预警等级划分方法。根据高陡边坡变形与稳定性演化机理，建立一套包含设计调控、施工与运行控制相协调的、工程与非工程措施相配套的、基于高陡边坡全生命周期性能演化的安全控制理论。（三）创新点与特色1、创新点创新点一： 高陡边坡岩体开挖、锚固与渗流控制的工程作用效应及分析模型反映由河谷演化模式、地应力特征和坡体结构等多因素协同控制的西南高地应力区高陡边坡深部裂缝地质力学模式，从而揭示深切河谷赋存环境与演化历史；考虑爆炸荷载与开挖载荷瞬态卸荷联合作用效应的高陡边坡岩体开挖扰动区分析模型，以揭示高地应力区边坡岩体开挖扰动区特有的形成与演化机制；基于高陡边坡锚固效应宏细观机制所建立的锚固体系结构性强度模型；考虑边坡岩体渗透特性以及渗流运动的各向异性、多尺度效应、非饱和性和多场耦合特性，基于过程、状态、参数和边界控制的渗流控制原理与优化设计方法。该创新点体现了河谷边坡演化与岩体工程作用对高陡边坡稳定性起控制作用的学术思想。创新点二： 复杂环境下高陡边坡岩体的时效特性、性能演化模型与分析方法基于宏细观机制的复杂环境下边坡岩体时效特性与力学模型；库水变幅带边坡岩体的水力风化耦合机理以及考虑锚固体系性能劣化机制的边坡锚固岩体多尺度时效力学模型；充分考虑高陡边坡岩体工程作用效应以及复杂运行环境作用效应的边坡岩体、锚固体系及渗流控制系统全生命周期性能演化模型；考虑工程作用效应和时效力学特性的高陡边坡全生命周期变形与稳定性分析方法。该创新点体现了复杂环境下高陡边坡全生命周期性能演化具有宏细观动力学机制的学术思想。创新点三： 基于全生命周期性能演化的水利水电工程高陡边坡安全控制理论综合考虑变形与稳定性演化特征的高陡边坡性能评价指标体系和基于多源信息融合的高陡边坡性能评估方法，以突破现行的单一边坡安全指标的局限；基于全生命周期性能演化的高陡边坡设计、监测预警以及安全控制的理论与方法，填补全生命周期边坡岩体微破裂实时监测与评估技术的空白。该创新点体现了水利水电工程高陡边坡安全控制贯穿于工程设计、施工和运行全过程的学术思想。2、研究特色本项目的研究特色主要体现在研究对象的针对性、科学问题的前瞻性、研究内容的整体性、研究方法的先进性等四个方面。(1) 研究对象的针对性：本项目以重大国家需求和相关学科发展前沿为导向，以西南地区复杂地质条件及运行环境下大型水利水电高陡边坡工程为研究对象，研究高陡边坡设计、施工至运行、退役全生命周期的性能演化机制、变形与稳定性动态特征和安全控制问题。研究对象具体，研究重点突出，科学问题明确。(2) 科学问题的前瞻性：本项目研究围绕所凝练的三个关键科学问题，体现了河谷边坡演化、岩体工程作用与运行环境共同对高陡边坡稳定性起控制作用、复杂环境下高陡边坡全生命周期性能演化具有宏细观动力学机制以及水利水电工程高陡边坡安全控制贯穿于工程设计、施工和运行全过程的学术研究思想，对于解决我国西南地区大型水利水电工程安全与高效运行问题具有前瞻性。(3) 研究内容的整体性：本项目研究内容紧紧围绕水利水电工程高陡边坡全生命周期性能演化这一核心科学问题，抓住控制或影响高陡边坡性能演化的边坡地质条件、工程作用、运行环境等因素，将边坡设计、施工和运行全过程有机结合起来。项目研究既重视边坡岩体工程作用效应，又凸显库水位周期性涨落、泄洪雾化、库水位骤变和强震作用等复杂运行条件下水利水电工程高陡边坡特有的变形与稳定性演化规律，并强调高陡边坡全生命周期性能评估与安全控制。(4) 研究方法的先进性：本项目采用大型离心机试验系统、地质力学综合试验系统和地质灾害大型物理模拟系统等大型试验平台研究高边坡岩体与大坝、库水之间的相互作用机制；采用大型拟环境试验和现场锚索开挖试验研究预应力锚固体系的耐久性，采用超导声波等先进技术实现预应力锚索性能的无损检测；采用微破裂实时监测系统实现对边坡损伤与破坏过程的实时监控，采用基于现代地球空间信息和全数字摄影测量技术实现对边坡变形动态特征的实时获取与反馈；采用宏细观相结合的方法研究边坡岩体的长期性能演化规律，研究方法在国内外高陡边坡领域具有先进性。（四）可行性分析从国家重大工程需求、研究基础、学术思想、研究方法等4个方面，论述本项目研究的可行性和取得重大创新性研究成果的可能性。(1) 在国家重大工程需求方面，我国西南地区金沙江、雅砻江、大渡河、澜沧江等流域云集一大批在建或拟建的百万kW以上大型水利水电工程。这些工程都面临复杂的地质条件、施工环境与运行环境下高陡边坡的变形、稳定与安全控制问题，都迫切需要对高陡边坡的工程作用效应、性能演化规律与安全控制理论开展系统深入的研究。在这一需求牵引下，项目承担单位近20年来一直参与西南地区大型水利水电工程的科技攻关，积累了数十个大型高陡边坡工程地质、设计、施工资料及边坡安全监测数据，与锦屏一级、大岗山、白鹤滩、乌东德等大型水利水电工程设计和业主单位建立了良好的协作关系，从而为本项目的现场试验和应用研究创造了条件。(2) 在研究基础方面，项目申请人及研究团队主要成员长期从事河谷边坡自然演化与地质条件、高边坡变形与稳定性分析、优化设计与施工控制、安全监测与动态反馈、岩土工程渗流分析与控制、岩土力学数值模拟等方面的科研工作，承担过与本项目密切相关的国家科技支撑计划项目、国家自然科学基金重点项目、省部级科技攻关项目和国际合作项目，在高边坡变形与稳定分析、岩体开挖动力学、锚固机理与时效性能、多场耦合机理与模型、岩体损伤与渐进破坏机制、大规模数值模拟、高边坡岩体安全控制等方面具有良好的理论基础和研究积累。(3) 在学术思想方面，本项目研究既重视河谷演化模式及复杂坡体结构对高陡边坡岩体变形与稳定性的控制作用，又重视开挖、锚固和渗流控制等工程作用对岩体性能的改造和影响；既重视复杂环境下高陡边坡的时效宏观力学响应，又重视细观尺度上物理机制和结构特征的演化；既重视高陡边坡施工期的安全控制，也强调工程设计对边坡性能的调控作用以及运行阶段边坡变形与稳定性状态的安全预警与控制。从而实现地质、工程与力学三视角的有机融合、宏观与细观的内在统一、边坡安全控制从设计、施工到运行的全过程协调。(4) 在研究方法方面，本项目研究通过吸纳工程地质、岩石力学、边坡工程、损伤力学、渗流力学等多学科前沿理论成果，采用室内外试验、理论分析、数值模拟、监测反馈等综合研究方法，注重理论研究与试验研究相结合、工程地质评价与力学分析相结合、定性描述与定量分析相结合、确定性分析与不确定性分析相结合、整体分析与局部研究相结合、宏观力学分析与细观机制研究相结合、数值模拟与试验验证相结合，从而为本项目研究取得原始创新和集成创新提供了正确的技术途径。因此，通过研究团队5年的协作攻关，本项目可望在边坡全生命周期性能演化机制、性能评估与安全控制等方面取得理论突破，实现预期研究目标。（五）各课题间相互关系围绕凝练出的三个关键科学问题，紧密结合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的理论与方法开展基础研究。本项目共设置6个课题，各课题之间的关系如下：课题1：高地应力区河谷边坡岩体开挖扰动机制，重点研究河谷自然演化与开挖扰动机制，揭示河谷边坡岩体的物质性、赋存性和结构性特征以及开挖扰动区的形成机制、演化特征和力学行为，从而为后续课题研究奠定基础。课题2：高陡边坡岩体锚固机理与性能演化特征，重点研究边坡岩体的锚固机理、锚固体系的性能演化与耐久性、锚固特性安全控制方法等，研究对象既涉及开挖边坡，也包含自然边坡，因此课题2是以课题1对河谷边坡开挖扰动区孕育、形成与演化机制研究为基础的。课题3：高陡边坡岩体渗透特性与渗流控制机理，结合课题1、2的研究成果，研究边坡岩体在自然状态、开挖扰动、锚固支护以及运行过程中渗透特性与渗流运动规律，揭示边坡岩体的渗流控制机理并建立渗控优化设计方法。课题4：复杂环境下工程边坡岩体时效力学特性，以课题13为基础，研究高陡边坡岩体在开挖、锚固等工程作用以及复杂运行环境条件下细观结构特征和宏观力学特性随时间的变化。课题5：边坡与坝体-库水相互作用及稳定性演化机制，以课题14为基础，研究高陡边坡在开挖、锚固、水库蓄水和运行过程中变形与稳定性演化规律以及在泄洪雾化、库水骤变和地震条件下的渐进破坏特征。课题6：高陡边坡全生命周期性能评估与安全控制理论，在课题15的基础上建立边坡性能评价指标体系、评估方法和安全预警平台，进而通过集成前5个课题和本课题的研究成果，建立基于全生命周期性能演化的高陡边坡设计与安全控制理论体系。课题1： 高地应力区河谷边坡岩体开挖扰动机制研究目标：围绕本项目拟解决的关键科学问题一“高地应力区高陡边坡岩体工程作用机制与效应”，研究深切河谷演化模式、地应力场和坡体结构特征，建立深部裂缝的地质力学模型，提出高陡边坡工程适应性评价方法；研究高陡边坡岩体开挖动力学过程，揭示高陡边坡开挖扰动区的形成机制与演化规律，提出基于爆破损伤和岩体松动控制的高地应力区边坡开挖优化设计方法，为高陡边坡全生命周期性能演化与安全控制提供边坡地质模型、岩体力学参数。研究内容：1、深切河谷演化模式及边坡地应力特征研究西南深切河谷地区工程地质环境条件，分析近百万年以来构造演化历史、河谷演化进程，建立典型深切河谷地区的河谷演化模式；研究边坡岩体浅表生改造对河谷演化模式的影响机制，揭示典型河谷地区坡体结构与地应力场特征；研究基于深切河谷演化模式的地应力场模拟方法，分析河谷演化与坡体结构形成及边坡变形破坏之间的关系，揭示典型河谷边坡应力场演化规律。2、高陡边坡深部裂缝地质力学模式研究深切河谷深部裂缝的变形破坏特征、基本类型及控制因素，揭示深部裂缝的空间分布规律；分析河谷边坡演化进程中深部裂缝的宏细观结构特征与力学属性，研究深部裂缝的形成机制，揭示深部裂缝的形成条件；研究岩体深部裂缝孕育-形成-演化过程，建立深部裂缝地质力学模式，提出深部裂缝的评价、预测与识别方法。3、边坡岩体开挖扰动区的形成与演化机制研究边坡开挖引起的岩体应力场动态调整力学过程,揭示开挖瞬态卸荷和爆炸荷载耦合作用下高地应力区边坡岩体的动力损伤与松动机制，建立边坡岩体动力损伤安全判据和松动计算模型；研究反复扰动荷载作用下边坡岩体的累积损伤效应与卸荷松动渐进发展过程，揭示开挖扰动区的时空演化规律，建立高地应区高陡边坡岩体开挖扰动区演化的时效分析模型。4、高陡边坡开挖扰动效应控制方法研究边坡岩体开挖爆破损伤分布特征，提出基于质点峰值振动速度安全判据的边坡开挖爆破设计方法；研究爆破振动荷载及爆炸应力波作用下高陡边坡潜在失稳机制与模式，建立基于时程分析的边坡岩体爆破动力稳定性分析方法；研究边坡岩体卸荷松动和爆破松动的应变能密度判据，提出基于岩体松动控制的高地应力区高陡边坡开挖优化设计方法。经费比例： 17.7%承担单位： 武汉大学、成都理工大学课题负责人： 卢文波学术骨干： 赵其华、荣冠、陈明、严鹏课题2： 高陡边坡岩体锚固机理与性能演化特征研究目标：围绕本项目拟解决的关键科学问题一“高地应力区高陡边坡岩体工程作用机制与效应”，揭示高陡边坡锚固体系的综合作用效应、锚固体系与联合加固措施的协同作用机制，提出复杂环境下边坡锚固体系性能演化模型；研制适用于预应力锚固体系的无损检测及长期监测诊断评估技术，建立边坡锚固体系的健康诊断方法、评价指标与安全控制标准，为高陡边坡锚固优化设计、锚固岩体时效力学特性研究提供理论依据。研究内容：1、锚固体系的力学作用机制与结构强度效应进行含多组节理的室内大比尺锚固岩体试验及现场锚固岩体试验研究，揭示锚固体系对不同坡体结构的加固效果及锚固构件与节理岩体的相互作用机制；研究加锚前后岩体应力分布、变形破坏机制与模式；研究锚固体系中的锚杆（索）、砂浆胶结体以及预应力等对岩体结构和应力状态的改善效果，揭示锚固岩体的结构强度形成机制，建立锚固岩体结构强度模型。2、边坡锚固与联合加固措施的协同作用机制通过大比尺锚固岩体室内试验及监测反演分析，研究预应力锚固体系与抗滑桩、抗剪洞及锚固洞等联合支护形式的协同作用机制，揭示各加固结构对边坡变形与稳定性的贡献；采用离心机和大型物理模型进行锚固边坡渐进破坏试验，研究各加固结构在边坡变形破坏过程中的变形协调与应力分担机制；通过不同加固措施的优化组合分析，提出具有复杂坡体结构的高陡边坡大型立体加固技术，建立锚固体系与联合加固措施的优化设计方法。3、边坡锚固体系性能演化机制及其耐久性通过拟环境试验，深入研究预应力、杂散电流、酸性离子等多因素综合影响下钢绞线的性能弱化机制，揭示钢绞线锈蚀发生、发展的形貌特征以及锈蚀对钢绞线力学强度和胶结性能的影响；研究锈胀产生、发展和砂浆性能劣化的宏细观特征，建立反映锚固体系性能演化的损伤模型，分析边坡锚固体系的群锚失效机制，提出锚固体系耐久性的评价指标。4、边坡锚固体系工作性态及健康诊断方法对比研究声频应力波、超声导波、光纤传输等先进技术在预应力锚固体系检测中的适用性、准确性和可靠性，研发适用于预应力锚固体系的无损检测及长期监测的诊断评估技术；基于检测监测数据和数值分析，研究锚固体系全生命周期的性能演化规律，揭示锚固体系性能演化过程中监测信息与锚固体系破坏状态的关系，建立边坡岩体锚固体系健康诊断数值模型，提出边坡锚固体系整体安全性态和健康诊断方法。5、边坡锚固体系安全控制标准与评价方法研究分析国内外锚固工程失效案例，结合水利水电工程锚索现场开挖试验成果，提出锚索失效程度的分级评判指标和安全控制标准；通过室内单因素腐蚀试验，研究预应力锚固体系性能影响因子的权重；基于工程类比、模型试验、监测反馈、数值模拟的综合方法，建立预应力锚固体系安全评价方法。经费比例： 15.5%承担单位： 中国水利水电科学研究院、北京科技大学课题负责人： 贾志欣学术骨干： 汪小刚、何积铨、王玉杰、赵宇飞课题3： 高陡边坡岩体渗透特性与渗流控制机理研究目标：围绕本项目拟解决的关键科学问题一“高地应力区高陡边坡岩体工程作用机制与效应”，研究高陡边坡岩体渗透特性、渗流运动规律、渗流控制机理，揭示高陡边坡岩体渗流运动的非线性、非饱和、各向异性及其与岩体变形的耦合特性，建立反映岩体宏细观结构特征的岩体渗透特性演化模型、高陡边坡岩体三维非线性渗流场数值模拟方法，提出基于渗流场演化的渗控结构优化设计方法，为复杂环境下高陡边坡变形与稳定性分析以及全生命周期性能评估提供理论基础。研究内容：1、强卸荷岩体渗透特性及其尺度效应在三个不同尺度上，研究岩块、裂隙及岩体在变形、损伤及渐进破坏过程中渗透特性的变化及其与细观结构的关系，提出基于微震监测的高陡边坡开挖扰动区岩体渗透特性检测方法，建立边坡岩体开挖扰动区渗透特性时空演化模型，揭示强卸荷边坡岩体渗透特性的各向异性、尺度效应及其与变形/应力的耦合特性。2、高渗压作用下边坡岩体的渗流运动规律研究裂隙渗流的基本运动规律，揭示裂隙几何形态及空间展布特征对裂隙渗流的影响以及平行板渗流模型的适用条件，建立高渗压作用下裂隙渗流模型。研究边坡岩体结构特征对渗流的控制作用，揭示边坡岩体渗流的非线性、非均匀性和各向异性特征。研究高渗压作用下边坡岩体渗流线性化和均匀化的条件，建立适用于工程尺度渗流分析的边坡岩体均化渗流模型。3、强雾化区边坡岩体水气两相流运动特性研究暴雨、长历时泄洪雾化雨作用下边坡岩体的入渗机制和坡面产流规律，建立边坡岩体降雨入渗率计算模型。研究结构面的持水机理和非饱和渗流特性，建立结构面非饱和渗流模型，揭示非饱和渗流的滞回特性、残余持水机制和初始进气值效应。研究边坡岩体结构对水气两相流运动特性的影响，建立边坡岩体非饱和渗流模型。4、高陡边坡岩体非线性渗流分析与控制研究高陡边坡岩体渗流场非线性特征和渗流控制原理，揭示复杂环境下渗控结构老化、排水孔幕淤堵、防渗系统性能劣化机理，提出边坡岩体大型排水孔幕等复杂渗流控制结构的精细化数值模拟方法，建立基于过程、状态、参数和边界控制的边坡岩体非线性渗流场分析及渗流控制效应评价方法，提出基于三维非线性渗流场精细模拟、并考虑岩体渗透性演化和渗控结构老化的高陡边坡岩体渗流控制优化设计方法。经费比例： 14.7%承担单位： 大连理工大学、清华大学课题负责人： 李宏学术骨干： 唐春安、林鹏、梁正召、马天辉课题4： 复杂环境下工程边坡岩体时效力学特性研究目标：围绕本项目拟解决的关键科学问题二“复杂环境下高陡边坡变形与稳定性演化机制”，全面揭示复杂荷载下岩体时效特性的宏细观机制，研究孔隙水压力、饱和度及风化过程对边坡岩体时效力学特性的影响，建立复杂环境下边坡岩体时效力学特性的宏细观模型，提出边坡岩体损伤演化的宏细观数值分析方法，为