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在国内外的水利水电、矿山、铁路等工程建设中曾出现了大量反倾向岩体变形破坏的灾难性事故,反倾岩体的变形与稳定问题已成为工程地质学科亟需解决的关键技术难题之一。本文以金沙江龙盘水电站宽谷坝址右坝肩的龙蟠反倾岩体为例,展开了大型反倾岩体的变形破坏机制与稳定性分析的研究工作。论文取得的主要研究成果如下:
(1)金沙江宽谷河段(龙蟠至硕多岗河口)地处青藏高原东南缘,宽谷坝址上游距石鼓大拐弯26km,下游距虎跳峡18km,这里地质构造复杂,新构造活动强烈。本文结合隐伏构造地球物理探测(大地音频电磁法与地震折射波法)以及工程地质勘察资料,经过地质-地球物理的综合解译论证了宽谷河段的隐伏构造格局,提出古龙蟠断陷谷地是在上新世末至早更新世初期以来冲江河断裂发生逆断走滑和白汉场断裂的正断左旋并伴随断块的垂直升降活动而逐步形成。根据典型河床覆盖层的沉积物的分层性和不同组分性状,划分了相应的成因类型,指出它们是本地区中更新世以来由间歇性山体抬升等新构造活动造成的不同沉积环境下的产物。
(2)龙蟠边坡岩体为反倾互层状砂岩、板岩,变形规模达6.5×107m3,其成因机制有古滑坡和倾倒变形等不同观点。本文在岩体变形特征和位移监测资料分析的基础上,结合区域地质环境效应和内外地质营力作用提出其地质力学机制是以重力时效性弯曲变形为主的复合型变形机理,并用离散单元法模拟和验证了龙蟠反倾岩体的变形演化过程。基于反倾岩体变形破坏的时效性观点,引入强度折减法来分析并以安全系数来度量反倾岩质边坡在不同变形阶段的稳定性,根据边坡岩体在加速时效变形过程中剪切屈服区的扩展方式提出了“软基效应”和“互层效应”共同作用下大型反倾岩体的累进性剪切破坏模式。
(3)库水位骤降和地震是库岸边坡最常遭受的动力作用形式,龙蟠边坡作为坝肩边坡或近坝库岸是否会形成高速滑坡以及产生次生涌浪灾害是工程设计中的关键问题之一。本文以离散元强度折减法得到的反倾岩体的剪切屈服区作为边坡的潜在滑动面,采用B-bar法和GLE法分析边坡在库水位骤降下的超孔隙水压力及其稳定性系数的变化规律。用人工合成地震动加速度时程作为地震动输入,进行变形岩体的全时程动力分析,结论认为:地震惯性力作用的实质是引起剪应力的积聚效应;岩体结构面对岩质边坡的地震动力响应起着决定性控制作用;边坡系统在地震作用下产生的最大响应是地震刚刚发生之时;地震作用导致岩体变形破坏的内在机理是剪应力积聚和超静孔隙水压力累积效应的耦合作用。
(4)基于现有国内外边坡极限平衡法稳定性分析软件在岩质边坡临界滑裂面搜索中的局限性,本文将遗传算法(GA)和Sarma法相结合,提出了岩质边坡最危险滑裂面的GA-Sarma算法。GA-Sarma算法解决了以折线形为滑面形态、以层面等结构面为边界任意条分并满足条块间边界力平衡原理、滑裂路径可追踪顺坡向不连续结构面的岩质边坡临界滑裂面的全局优化问题。
本文选题与研究内容紧扣国内重大水电工程建设中的疑难问题,旨在进行理论方法探讨的同时,为解决实际工程问题提供科学依据。论文涉及的主要结论得到了设计单位的高度认可,论文研究对于金沙江龙盘水电站的坝址决策和工程设计具有重要的工程价值。