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高边坡变形机理与稳定性控制成都理工大学二00五年六月黄润秋1.前言2.西南地区岩石高边坡的主要特点3.相关的科学和工程技术问题4.岩石高边坡发育的动力学过程5.典型岩石高边坡变形破坏机理6.开挖过程中高边坡的变形破坏、稳定性评价及其控制原理7.基于变形理论的高边坡变形过程模拟与过程控制技术8.实例研究9.结束语提纲印度洋板块塔里木盆地青藏高原柴达木盆地四川盆地复杂的地貌景观长江上游水能资源开发示意图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向家坝白鹤滩小湾糯扎渡溪洛渡断裂的强活动性高地震烈度背景高地壳应力环境活跃而独特的岩石圈动力环境受青藏高原近百万年来的持续隆升影响，金沙江、雅砻江、大渡河、澜沧江等深切成谷，从而形成高山峡谷的宏伟地貌特征，构成高陡边坡的基本地貌景观；加之现代构造活动强烈，自然动力地质作用发育，高边坡通常处于复杂的地质环境并具有复杂的地质结构。而这个地区的大型水电工程建设，边坡高度一般在200～500m之间，最高达1000余米。因此，复杂环境下的高边坡稳定性问题构成了雅砻江，乃至我国西南地区其他大型水电工程建设中的一个关键工程技术难题,对工程修建的可行性起到重要的控制作用,并在很大程度上影响工程建设的投资及运营效益。1.前言1.前言长江上游水能资源开发示意图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向家坝白鹤滩小湾糯扎渡溪洛渡金沙江下游河段梯级水电站纵剖面图左岸高边坡全景小湾水电站坝址原貌2002年7月开工初期高边坡景观右岸全景2004年1月右岸高边坡全景进水口边坡III区边坡拱肩槽边坡水垫塘边坡尾水边坡大椿树沟堆积体边坡2004年11月左岸高边坡全景拱肩槽边坡堆积体边坡四号山梁边坡六号山梁边坡二号山梁边坡水垫塘边坡岷江紫坪铺水电站水电工程建设中，岩石高边坡既是工程建（构）筑物的基本环境，同时又是工程设施的承载体。岩石高边坡的稳定问题不仅涉及到工程本身的安全，同时也涉及到整体环境的安全；岩石高边坡的失稳破坏不仅会直接摧毁工程建设本身，而且也会通过环境灾难对工程和人居环境带来间接的影响和灾害。因此，对岩石高边坡稳定性的研究一直是我国工程地质和岩石力学领域热点和难点的科学与工程技术问题。1.前言因此，伴随西部水电资源的大规模深度开发，加强复杂岩体中高陡边坡稳定性的理论研究，加强重大工程边坡稳定性的应用研究是非常必要的。可以说，这一问题的复杂程度和其所具有的挑战性在全世界范围内也是少见的。1.前言1.前言2.西南地区岩石高边坡的主要特点3.相关的科学和工程技术问题4.岩石高边坡发育的动力学过程5.典型岩石高边坡变形破坏机理6.开挖过程中高边坡的变形破坏、稳定性评价及其控制原理7.基于变形理论的高边坡变形过程模拟与过程控制技术8.实例研究9.结束语提纲工程名称自然边坡（m）人工边坡（m）超高比1小湾水电站高边坡700-8006702.52天生桥水电站高边坡4003003.03锦屏水电站高边坡1000-20004004.04溪洛渡水电站高边坡300-400300-4001.255向家坝水电站高边坡650300-4003.16糯扎渡水电站高边坡8004002.67拉西瓦水电站高边坡7003002.8(1)边坡高陡具有较大的超高比(Dh)超高比=边坡的总高度/主体建筑或构筑物高度Dh=1.0-1.3弱超高边坡，简单边坡环境Dh=1.3-2.0中等超高边坡，边坡环境一般Dh2.0超高边坡，复杂边坡环境Dh(1)边坡高陡(1)边坡高陡工程名称自然边坡（m）人工边坡（m）超高比1小湾水电站高边坡700-8006702.52天生桥水电站高边坡4003003.03锦屏水电站高边坡1000-20004004.04溪洛渡水电站高边坡300-400300-4001.255向家坝水电站高边坡650300-4003.16糯扎渡水电站高边坡8004002.67拉西瓦水电站高边坡7003002.8(2)复杂的应力环境和很高的天然应力状态川西北三角形断块川滇菱形断块滇西南构造活动区川中断块区域应力量级可达:10Mpa河谷集中应力量级可达:30-55Mpa边坡应力量级可达:22Mpa(2)具有复杂的应力环境和很高的天然应力状态(3)河流的快速下切及强烈的卸荷过程Q2晚期以来，河流的下切速度高达3-5mm/年。河流的快速下切伴随边坡应力的强烈释放，边坡经历了强烈的卸荷过程。谷坡动力现象发育。(4)复杂的变形历史和过程显现西南地区岩石高边坡发育的另一个重要特征就是绝大多数边坡表出较为显著的时效变形特征，并且具有复杂的变形演化历史，这在雅砻江河谷表现也极具代表性；高边坡时效变形发生的规模和范围超过了人们的想象，如在雅砻江三滩~水文站河段，沿江砂板岩的倾倒变形长度达到了十余公里，深度最大达300余米。类似这样的现象还常常被人们误判为是褶皱、断层或别的构造成因，但的的确确，他们是边坡时效变形的产物。1.前言2.西南地区岩石高边坡的主要特点3.相关的科学和工程技术问题4.岩石高边坡发育的动力学过程5.典型岩石高边坡变形破坏机理6.开挖过程中高边坡的变形破坏、稳定性评价及其控制原理7.基于变形理论的高边坡变形过程模拟与过程控制技术8.实例研究9.结束语提纲对大型水电工程建设，高边坡的稳定性及其灾害控制问题归根结底是一个“高边坡的工程适宜性问题”。也就是说，我们必须回答在工程修建与运行过程中，边坡能否有足够的安全余度，或通过采取某种合理的工程措施后具有足够的安全余度，不致失稳或因过大的变形对工程造成危害或对环境带来冲击。对这个问题的回答包括以下几个科学问题：3.关键科学问题（1）近地表过程发生的动力基础：高边坡的形成作为一个地表过程，它与地球深部过程、青藏高原的隆升存在什么样的内在联系？高地应力环境是如何形成的？（2）高边坡发育的动力学模式：内、外动力之间是如何转换的？是什么样的“力”在驱动高边坡的变形与破坏？（3）卸荷条件下的高边坡的变形破坏机理？尤其是深部裂缝的形成机理及其对工程影响的评价、卸荷条件下的岩体力学特性？3.关键科学和工程技术问题（4）如何认识岩石高边坡的稳定性？是强度的问题（刚体问题）还是变形的问题?，仰或两者的关系？（5）开挖、荷载作用及异常的动力（高强度雾化、强震作用），边坡将如何响应？评价技术与方法？（6）岩石边坡的设计和安全控制应该采用什么样的原则？3.关键科学和工程技术问题（1）近地表过程发生的动力基础高边坡的形成作为一个地表过程，它与地球深部过程、青藏高原的隆升存在什么样的内在联系？高地应力环境是如何形成的？我们可以相信，这种高地应力环境一定与青藏高原的隆升这一深部过程有某种确定性的联系，但这种联系究竟是什么样的动力机制？搞清楚这个问题，对我们认识高地应力的分布规律及强度特点非常有意义，而这个问题不仅是高边坡问题的基础，也是雅砻江开发中其他重大工程问题共同的基础。研究表明，印度板块与欧亚于始新世末，即大约3800万年前相互碰撞，此后印度板块仍以每年约5cm的速度向北北东方向推进，强力地推挤着欧亚板块,板块接触带的两个端点位于察隅和伊斯兰堡附近。在碰撞挤压过程中欧亚板块内产生了塑性或粘性流动变形。印度洋板块青藏高原区域应力量级可达:10-20Mpa河谷集中应力量级可达:30-55Mpa边坡应力量级可达:22Mpa（1）近地表过程发生的动力基础高边坡的形成作为一个地表过程，它与地球深部过程、青藏高原的隆升存在什么样的内在联系？高地应力环境是如何形成的？我们可以相信，这种高地应力环境一定与青藏高原的隆升这一深部过程有某种确定性的联系，但这种联系究竟是什么样的动力机制？搞清楚这个问题，对我们认识高地应力的分布规律及强度特点非常有意义，而这个问题不仅是高边坡问题的基础，也是雅砻江开发中其他重大工程问题共同的基础。高边坡的形成是在河流下切或人工开挖过程的产物。在这个过程中，边坡所发生的一系列行为看起来是一个河谷地貌改变的表观过程，而实质上是一个伴随下切或开挖卸荷过程的动力学行为。这个行为的动力特征是边坡由于构造和重力所积累的高原始应力，在河流下切或人工开挖的外动力条件作用下，引起强烈的卸荷释放，从而驱动高边坡的变形与破裂。那么，内、外动力之间是如何转换的？以什么样的方式驱动高边坡的变形与破坏？高原隆升与河流下切力学耦合模型及动力转换机理？（2）高边坡形成的动力学模式（1）强烈变形及破坏区（2）时效变形区（3）表生改造区（4）应力约束区破坏区时效变形区表生改造区应力约束区（2）高边坡形成的动力学模式150250-300（2）高边坡形成的动力学模式高边坡变形破坏机理是边坡稳定性评价及设计工程的基础。雅砻江河谷在这方面的突出特征是：高地应力环境，伴随河谷迅速下切的快速卸荷过程，这个过程，必然伴随一系列特殊的岩体力学特性和高边坡特殊的变形破裂机理。最为典型的现象就是锦屏一级水电站左岸高边坡的“深部拉裂缝问题”。锦屏一级水电站坝区左岸高边坡的深部拉裂缝问题揭露于1991年。这之后，经历了不同阶段的深入勘探揭示和国内若干单位和部门长时期的科学研究。应该说，到目前为止，对这个问题的认识意见相对还是统一的，即认为是：高应力环境下的河流快速下切，导致边坡形成过程的强烈卸荷，致使边坡深部沿特定的与坡面小角度斜交的一系列构造（小断层和长大裂隙）拉裂所致。（3）卸荷条件下的岩体力学特性及高边坡变形破坏机理（3）卸荷条件下的岩体力学特性及高边坡变形破坏机理岩石卸荷力学试验结果表卸荷前应力状态破坏时的应力状态及破裂特征弹性模量岩性应力控制方式轴压s1MPa围压s3MPa轴压s1MPa围压s3MPa应力差s1-s3破裂角b（皚）破坏性质加荷阶段Gpa卸荷阶段GPa攀矿灰岩加荷试验卸荷ＬＶＤＴ控制卸荷ＦＯＲＣＥ控制卸荷ＦＯＲＣＥ控制／38.9738.9730.53/303030261.34118.05226.66165.41102.4312.269.97251.34115.62214.40155.441862015剪切破坏张性破坏剪切破坏剪切破坏67.05////36.1846.0544.82秦岭隧道混合花岗岩加荷试验卸荷ＬＶＤＴ控制卸荷ＦＯＲＣＥ控制/45.4730.53/3030283.37160.98214.93105.410.63273.87155.57214.3019146剪切破坏剪张复合型张剪复合型53.48///40.7344.88含绿色矿物混合花岗岩加荷试验卸荷ＬＶＤＴ控制/42.22/30206.70148.24100.76196.70147.481911剪切破坏张剪复合性51.13//42.59普斯罗沟坝址V-V工程地质横剖面图1635.8T2(4)2-3zT2(4)2-3zT3(6)2-3zT3(5)2-3zT3(5)2-3zT2(1)2-3zT2(2)2-3zT3(4)2-3zT3(4)2-3zT3(3)2-3zT3(3)2-3zT12-3zT3(1)2-3zT3(2)2-3zT3(2)2-3zT2(7)2-3zT2(7)2-3zT2(6)2-3zT2(6)2-3zT2(5)2-3zT2(5)2-3zT2(3)2-3zT2(3)2-3zT2(8)2-3zT3(1)2-3zPD38PD18PD36PD24PD13普斯罗沟坝址1790m坝址地质平切图400-450m硬岩软岩软岩（3）卸荷条件下的岩体力学特性及高边坡变形破坏机理（3）卸荷条件下的岩体力学特性及高边坡变形破坏机理但是，这个问题似乎现在还没有完全说清楚，国内还有一些知名的科学家对此提出异议，尤其是对其成因机理和对高拱坝建设的影响。这表明，我们对这个问题的认识理论深度还不够，对一些基础的岩体力学特性认识还有所欠缺。从这一点出发，下一步应该深入开展以下的基础研究工作：（1）高应力环境下，卸荷过程中，岩体的力学特性响应，重点是试验研究；（2）特定结构