边坡工程

       如美工程的主要特点是,边坡都由坚硬岩体组成,传统意义上都属于工程地质条件良好、具有良好稳定性的情形。但是以往的工程实践表明,即便是硬岩边坡,也会出现超出既往认识和经验范畴的情况。就如美边坡工程而言,不论是宏观对比还是勘察揭露的具体现象都指示了这种潜在可能。硬岩条件下大型边坡的变形和稳定仍然以结构面起主要控制作用,结构面规模、性状、及其与边坡的空间关系仍然制约着边坡变形和稳定性,这意味着既往认识和经验仍然能够帮助分析和解决大型边坡常见的问题。不过,不论是通过外动力地质作用改造(河谷下切)、还是人工开挖,现实中之所以能形成大型乃在巨型边坡,其前提条件是缺乏导致边坡整体或大范围失稳的大规模不利结构面。也就是说,很多情况下次级结构面和岩块之间的相互作用、岩块局部范围小尺度破裂导致潜在破坏面的不断发展,是硬岩大型边坡常见的变形破坏机制。

       目前已有的理论和方法都不直接涉及岩块的细观破裂及其导致的边坡宏观破坏面的发展演化,也就是说,所有这些相对常用的理论和方法都无法解决巨型岩质边坡比较常见的问题。解决方法是,在继承传统连续和宏观非连续理论基础上,考虑岩块破裂导致介质从连续到非连续变化的过程,建立细观非连续力学理论。细观非连续力学方法把岩体划分为结构面和岩块两个基本组成单元,并通过这种方法建立与地质调查和岩体工程地质特性之间的关系。显然,此时结构面是关键,岩块是结构面几何特征的表现和产物。在硬质岩石条件下,(1)结构面发育程度(长度、间距)决定了岩体的完整程度,从而直接影响RQD、完整性系数等用于描述岩体工程地质特性的指标取值。进一步地,优势结构面发育程度的差异决定了岩体宏观各向异性;(2)结构面彼此间的交切关系是影响岩体结构的另一个重要环节;(3)结构面性状(张开、起伏、充填、风化等)不仅直接影响岩体工程地质特性,也是结构面力学特性的决定性因素。

       为了使研究工作达到预期效果,必须采集到体现结构面空间分布特征的相关资料,从而对平硐编录等基本地质工作提出了新要求。反映在研究工作制定上,其主要内容为:

       (1)深切河谷岸坡碎裂、卸荷岩体工程地质特性研究

重点围绕结构面几何分布和性状及其在河谷演化过程中的响应,其流程包括:a.现场补充调查和编录;b.利用ItasCAD进行结构面统计分析与结构面网络模拟;c.地质综合分析。

       (2)边坡岩体物理力学参数研究

引入细观非连续力学理论,同时考虑大量结构面任意变形和块体破损,考虑不同结构类型变形和强度参数取值和对边坡变形和稳定产生影响的结构面强度参数取值。如美边坡工程岩体力学特性和参数取值研究涉及两个方面,分别为常规参数描述的峰前力学特性和非常规参数描述的特殊特性,具体分别为块体峰后非线性特性和破裂特性。

       (3)边坡破坏机制与失稳模式研究

       按顺序考虑三方面问题:a.边坡变形机制和失稳模式;b.变形破坏的地质边界如潜在破坏面位置和组成;c.强度参数取值。对于复杂条件的大型边坡而言,由于地质条件的多样性和空间变化性,决定了边坡潜在变形和破坏模式往往具有组合特征,并且在不同部位的表现形式和控制因素存在差异。为此,研究过程需要采取定性和定量交互的工作方式,具体工作方法为:a.现场补充地质调查,重点针对能够体现边坡变形和失稳的地质条件和现场现象;b.构建边坡综合三维地质模型,采用三维可视化手段全面展示边坡地形地质条件,尤其是彼此之间的空间关系;c.采用非连续力学程序(UDEC3DECPFC)开展分析评价,以揭示岩体任意复杂的变形破坏机制,包括连续变形、结构面张开和滑移、块体滑移滚动和完全的脱离等;d.考虑地下水和地震荷载工况下碎裂松动岩体的变形机制与失稳模式;e.结构岩体的变形机制与失稳模式;f.人工开挖卸荷回弹边坡失稳模式。

       下图所示为边坡变形破坏机制与稳定研究技术路线框图。