工程边坡稳定性分析与综合控制方法课件

1、大型水电工程边坡稳定性分析与综合控制方法 报告人：姜清辉 武汉大学 2012.3.5.汇 报 提 纲大型水电工程边坡1非贯通结构面的抗剪强度2锦屏边坡工程应用实例4边坡变形与稳定分析方法31工程边坡稳定控制方法5攀枝花宜宾乐山二滩电站金沙江金沙江岷江大渡河长江雅砻江YibingPanzhihuaLeshang成都 昆明宜宾大理乐山攀枝花丽江澜沧江金沙江雅砻江大渡河岷 江白鹤滩小湾糯扎渡溪洛渡向家坝锦屏一级乌东德.大型水电工程边坡金沙江干流：规划20个梯级雅砻江干流：规划21个梯级大渡河干流：规划22个梯级 中国西南地区位于青藏高原东部，高原的强烈隆升 金沙江、澜沧江等深切成谷，导致边坡地质环境

2、极其复杂独特的大陆动力学背景和活跃的构造环境印度板块欧亚板块青藏高原河流的快速下切及强烈的河谷卸荷西南高边坡独特深部裂缝结构 主要特征地质环境复杂坡体结构复杂施工环境复杂运行环境复杂高强度开挖、大面积锚固、大范围防渗库水鄹变与泄洪雾化降雨大型水电工程边坡大型水电工程边坡 锦屏级水电站左岸高陡边坡 左岸坝头边坡开挖高度为530m（21101580m），总开挖量为550万m3，其中1885m以上约为191万m3，1885m高程以下约为359万m3，是目前水电工程开挖高度较大、开挖规模较大、稳定条件最差的边坡工程之一。底滑面:f42-9断层;后缘切割面:煌斑岩脉(X);侧向切割面:近SN向或NW向陡

3、倾角拉裂带SL44-1；f5以外岩体为阻滑岩体； f42-9断层剪出口最低高程约1790m。砂板岩大理岩左岸坝头边坡整体稳定滑移模式开挖线大型水电工程边坡大型水电工程边坡 大岗山水电站高边坡右岸顺坡向卸荷裂隙发育，且埋深较大，以XL316-1为底滑面形成的潜在不稳定块体方量达500万方，控制边坡的整体稳定与安全我国水电工程高边坡主要特点边坡高陡、工程规模巨大；坡体结构复杂、风化卸荷强烈；边坡赋存的自然环境复杂；边坡赋存的工程环境作用强烈；边坡变形控制严格、稳定性要求高；边坡设计和施工要求高边坡稳定性已经成为工程关键技术难题（分析方法、设计理论、控制技术）大型水电工程边坡.汇 报 提 纲工程概况

4、1非贯通结构面的抗剪强度2锦屏边坡工程应用实例4边坡变形与稳定分析方法31工程边坡稳定控制方法5边坡岩体的结构强度与强度参数 非贯通结构面的力学模型基本假定：岩桥和结构面概化成界面层，不考虑侧向变形岩桥与结构面的强度均服从Mohr-Coulomb准则岩桥与结构面的弹性应变相等法向力学模型切向力学模型 非贯通结构面的结构强度 非贯通结构面的综合抗剪强度参数边坡岩体的结构强度与强度参数 数值试验验证及与Jennings准则对比Jennings的加权平均强度准则 ：边坡岩体的结构强度与强度参数 工程应用SL44-1的抗剪强度参数连通率粘聚力(MPa)摩擦系数（结构强度模型）摩擦系数（Jennings

5、准则）20%0.660.760.7330%0.590.740.7040%0.520.710.6650%0.450.680.6360%0.380.650.5970%0.310.610.5680%0.240.570.52SL44-1松弛带立面图锦屏一级水电站左岸边坡的整体稳定性主要受煌斑岩脉X、底滑面F42-9以及深部卸荷裂隙SL44-1所控制， SL44-1发育在36层砂板岩中。边坡岩体的结构强度与强度参数.汇 报 提 纲工程概况1非贯通结构面的抗剪强度2锦屏边坡工程应用实例4边坡变形与稳定分析方法31工程边坡稳定控制方法5边坡稳定性三维极限平衡分析方法忽略条块界面水平向剪力行界面滑坡推力角为边

6、坡平均坡度主滑动方向唯一满足3个静力平衡条件收敛性较好三维美国陆军工程师团法边坡稳定性三维极限平衡分析方法忽略条块界面水平向剪力界面滑坡推力角为上个条块倾角主滑动方向唯一满足3个静力平衡条件单纯形算法求解三维剩余推力法忽略条块界面水平向剪力行、列界面滑坡推力角为主滑动方向唯一满足3个静力平衡和2个力矩平衡单纯形算法求解三维Morgenstern-Price方法三维Morgenstern-Price方法边坡稳定性三维极限平衡分析方法典型算例分析边坡稳定性三维极限平衡分析方法椭球滑面算例安全系数主滑方向简化Bishop方法2.1351.571简化Janbu方法1.9521.571不平衡推力法2.1

7、331.537陆军师团方法2.1701.569Spencer方法2.1331.570ZhangXing方法2.1221.570楔形体算例安全系数主滑方向简化Bishop方法1.6301.727简化Janbu方法1.6381.728不平衡推力法1.6331.738陆军师团方法1.6391.749Spencer方法1.6401.768理论解1.6401.762 基于地层信息系统的三维边坡稳定分析软件将三维地层信息系统、极限平衡方法和可视化技术有机结合，研制了三维边坡稳定分析软件（JSlope3D）三维简化Bishop方法三维简化Janbu方法三维陆军工程师团方法三维剩余推力方法三维Morgenst

8、ern-Price方法用GIS方法建立滑坡体空间信息系统提出了建立真三维地层模型体元技术用发展了多种三维极限平衡分析方法 软件登记号：2009SR046981，编录水工设计手册（第二版）作为边坡稳定分析推荐使用软件边坡稳定性三维极限平衡分析方法提出了考虑地下水、爆破、加固、地震等多种荷载作用下的边坡三维稳定方法研制软件JSlope-3D已应用于锦屏、大岗山、古树包等16个水电工程边坡和库区滑坡治理该软件被编录水工设计手册（第二版）作为边坡稳定分析推荐使用软件，促进了行业科技进步三维边坡稳定分析软件JSlope3D边坡稳定性三维极限平衡分析方法 边坡开挖与锚固支护的模拟分步分期开挖的模拟方法边坡

9、稳定性三维有限元分析方法加锚岩体的等效本构模型渗流分析理论裂隙网络渗流分析的Signorini型变分不等式提法定义试探函数集PVI :则与PDE提法等价的变分不等式(VI)提法可表述为：在VI中求一随时间变化的函数，使得对VI，都有如下不等式成立 从理论上严格证明了VI提法的正确性，即VI提法与PDE提法的等价性确保了有自由面裂隙网络渗流计算的高效性和准确性研究成果被中国科学发表，审稿专家认为“对复杂裂隙网络渗流分析的一个突破性进展”.汇 报 提 纲工程概况1非贯通结构面的抗剪强度2锦屏边坡工程应用实例4边坡变形与稳定分析方法31工程边坡稳定控制方法511920m便道1780m便道PD12PD

10、40PD18PD04PD16PD46PD38左岸坝肩开挖前1780m高程以上地形地貌地形地貌 锦屏一级左岸边坡工程地质左岸坝顶平台1885左岸缆机平台196017841828.51780182517651750垫座建基面拱肩槽上游坡拱肩槽下游坡1829基础处理洞室1785基础处理洞室f5f5f5f8f8f38-6f42-9X地质构造开挖边坡中主要发育f5、f8、f42-9等不同规模断层锦屏一级左岸边坡工程地质X(煌斑岩脉)f42-9SL44-1f5左岸坝头变形拉裂岩体的可能失稳主要模式为楔体滑移破坏模式，其边界为f42-9断层和SL44-1松弛拉裂带构成楔形体的双滑面，剪断f5断层外侧的大理岩

11、，后缘切割面为NEE向贯穿坡体分布的煌斑岩脉。由于SL44-1取不同的走向，产生了模式A及模式B两种不同的滑块。滑动模式可能滑面组合模式A煌斑岩脉+ f42-9+ SL44-1（SN向）+ 剪断1类岩体模式B煌斑岩脉+ f42-9 + SL44-1（N200W）+剪断1类岩体 模式模式B左岸变形拉裂岩体的滑动破坏模式 数值模型边坡施工期有限元计算模型锦屏边坡工程应用实例 破坏路径（关键部位）控制 f42-9断层向临空面的错动变形区范围处于II1 -II1线至V-V线之间，高程上处于1910m至1810m之间，最大错动变形达7mm，因此该区域内的f42-9应作为重点加固对象f42-9断层的错动变

12、形分析 破坏路径（关键部位）控制 煌斑岩脉的错动变形区范围处于II1 -II1线至II-II线之间， 1910m高程以上，煌斑岩脉错动变形不明显，在1910m高程以下至f42-9之间，煌斑岩脉产生倾向临空面的错动变形，但量值较小，最大错动变形约1.5mm，主要受岩脉下部f42-9的错动牵引其发生变形的，因此加固的重点仍然是控制f42-9的变形。煌斑岩脉X的错动变形分析取消高高程抗剪洞 破坏路径（关键部位）控制煌斑岩脉X的错动变形分析锦屏边坡工程应用实例 破坏路径（关键部位）控制深部变形机理分析锦屏边坡工程应用实例有限元计算成果与监测数据反映出的变形规律基本一致；合理地论证分析了深部裂缝的变形机

13、理，主要是深部裂缝产生松弛或张开变形。由于由于受众多结构面和深部裂缝的切割，该区岩体完整性差，岩体破碎，且深部裂缝多为张开空缝，为变形提供了空间；深部裂缝的变形主要还是由于开挖卸荷引起的变形调整，将随开挖结束而收敛，不会引起边坡的整体失稳破坏，提出了无需进行对深部裂缝进行专门处理的合理建议。锦屏边坡工程应用实例 结构强度控制-深层加固 顺f42-9走向布置抗剪洞，对f42-9断层进行置换处理，抗剪洞布置在1883m、1860m及1834m三个高程，均采用910m的断面。为增大抗剪洞抗滑作用，在抗剪洞上设十字形布置的键槽，键槽布置在抗剪洞的中部，键槽采用45m的断面。抗剪洞及键槽周围设置一定深度

14、的固结灌浆 -提高结构面的抗剪强度锦屏边坡工程应用实例 结构强度控制-表层加固 坡面表层加固主要由挂网喷混凝土、锚杆、锚杆束以及预灌浆组成。对开挖爆破轮廓面内、外侧约10m15m范围内的破碎松散岩体进行预固结灌浆，提高开挖爆破轮廓面的成形质量，同时对开挖轮廓面内的软弱岩体进行加固 ；挂网喷混凝土支护采用C25喷混凝土，厚15cm，挂网钢筋为6mm，间排距15cm15cm；锚杆为全长粘接砂浆锚杆，分28mm、L=6m和32mm、L=9m两种，全坡面交替布置-提高表层岩体结构强度灌浆孔锦屏边坡工程应用实例 支护时机控制模式模式B 1885m以下拱肩槽边坡开挖导致拉裂变形体前沿阻滑岩体被逐步挖除，安全系数下降，尤其是1855m以下边坡开挖导致拉裂变形体安全系数下降幅度显著增大。模式模式B模式