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复杂场地高坝建设适宜性的工程地质研究

作　者: 唐胜传
导　师: 黄润秋
学　校: 成都理工大学
专　业: 地质工程
关键词: 高坝建设工程地质适宜性地质历史过程分析岩体质量分级相关方程数值模拟重力坝心墙堆石坝
分类号: TV223
类　型: 博士论文
年　份: 2002年
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内容摘要

研究复杂地质环境条件下高坝建设的适宜性是水电工程建设过程中不可或缺的一个重要环节。针对这一课题，本文较为系统和明确的提出了高坝建设的适宜性评价问题以及研究这一问题的基本原理与方法体系。在此基础上，以澜沧江糯扎渡水电站为研究对象，以大量的现场实测资料为基础，以GEMM(Geology-Engineering-Mechanic Model)模型为桥梁，结合系统的数值模拟分析，进行了复杂场地高坝建设适宜性的工程地质研究。研究内容包括了岩体结构、地应力场、岩体力学特性、水力学特性等岩体力学环境条件的分析和评价；重点阐述了与高坝建设适宜性评价有关的岩体质量分级、GEMM模型建立及不同坝型在修建过程中可能产生的边坡稳定性问题、坝基不均匀沉降问题以及在蓄水后坝基岩体的变形稳定性问题。通过上述研究，本文取得了如下主要成果：系统归纳、总结了高坝建设工程地质适宜性评价的理论和方法，并将整个适宜性评价划分为规划选点、坝段坝址比选、坝线坝型比选、专项工程地质研究和技施设计工程地质研究五个阶段，提出了各个阶段的适宜性评价目标和决定因素。整个高坝建设适宜性评价的过程是一个从仅仅考虑地质因素到综合考虑地质环境和工程相互作用的逐步深入过程。提出了GEMM模型的概念，将GEMM模型定义为：由等价体单元、界面单元(包括天然边界单元和人工边界单元)以及各地质单元的目标参数构成的，包含有关键工程信息并可直接应用于分析判断和数值计算的参数化模型。认为GEMM模型是整个高坝建设工程地质适宜性评价的核心和纽带，它既是地质条件的概化综合，又包含了地质环境和工程相互作用的关键信息，同时也是理论分析和数值计算的基础。查明了糯扎渡坝区复杂岩体的成因，认为坝区岩体经历了复杂的岩浆活动、火山活动和多期构造作用后，产生了一系列原岩蚀变和变形破裂迹象；靠近右岸的丫口后山穹隆的隆起加剧了这些变形破裂从而为风化营力深入到坡体深部提供了良好的通道；两岸岩体介质水力学特性的不同更导致了地下水活动在空间上的不均匀性，从而形成了两岸岩体的差异风化，而风化程度的差异反过来进一步加剧地下水活动的不均匀性。因此，坝区复杂岩体是蚀变—构造—风化共同作用的结果。采用了四种岩体质量分级评价方案对研究区岩体质量进行了研究，这四种方案包括：工程岩体分级标准(GB50218-94)、水利水电围岩工程地质分类(GB50267—99)、岩体RMR分类(Bieniawski,1973)、岩体质量指数Z分级(小湾,1995)。结果显示，四种分级指标之间具有较好的相关性，岩体质量Z分级和其他的三种方法呈指数关系，RMR和水电围岩工程地质分级方法呈线性关系，而水电围岩工程地质分级与工程岩体分级方法则呈对数关系。其相关系数在0.85以上。在此定量化基础上，结合现场分类以及水利水电工程地质勘察规范，通过对比综合，得到研究区岩体质量分级。通过建立岩体力学参数与反映岩体质量优劣的指标(如RQD、K_V、V_P、Z、RMR、BQ、T)之间的相关方程，运用不同质量分级的分级定量指标计算相应级别的岩体力学参数值。结果表明，这种方法所求得参数值与实测值吻合很好，在试验资料不充分的部位，可以利用现场测得ROD、V_p等指标，快速求取相应的岩体力学参数值，供设计参考使用。咸都理工大学工学博士学位论文，2002 采用分形理论，研究了分维值与岩体变形模量和纵波速之间的关系，结果表明：岩体的变形模量并非只受岩体内结构面分布的影响，还受其岩块的变形性质的控制。仅用一个分维数与岩体变形模量的拟合方程来计算所有风化等级岩体的变形参数是不可行的，但是对于同一风化程度的同种岩体（其岩块变形参数相近）分维数和变形模量具有较好的线性相关关系，可以用分维数快速求取该种岩体的变形模量。运用数值模拟技术，对心墙堆石坝和混凝土重力坝对研究区的工程地质适宜性。研究结果表明：对于混凝土重力坝，按照现在的深开挖方案，坝肩开挖后，土石方开挖量高达820X10‘m‘，且在72dri高程至坡顶将产生大范围的破坏区，采用工程治理将带来巨额的费用。综合比较推荐的两种坝型的适宜性评价结果，表明：心墙堆石坝具有更好的适宜性。

全文目录

1 前言  11-28
  1．1 选题依据及研究意义  11-13
  1．2 高坝建设适宜性工程地质研究的阶段划分  13-18
  1．3 工程适宜性评价的研究历史与现状  18-21
  1．4 高坝建设地质适宜性的系统工程地质分析  21-26
    1．4．1 高坝建设工程地质适宜性评价的基本原则  21
    1．4．2 高坝建设工程地质适宜性研究的决策方法  21-24
    1．4．3 本文研究技术路线  24-26
  1．5 主要研究内容及取得的主要成果  26-28
    1．5．1 主要研究内容  26
    1．5．2 取得的主要成果  26-28
2 坝区工程地质环境条件  28-41
  2．1 区域地质背景  28-29
  2．2 地形地貌  29
  2．3 地层岩性  29-31
  2．4 地质构造  31-36
    2．4．1 断层  32-35
    2．4．2 节理  35-36
  2．5 水文地质条件  36
  2．6 坝区应力场历史及现状  36-41
    2．6．1 坝区应力场演变分析  36-38
    2．6．2 坝区地应力场特征研究  38-41
3 坝区复杂岩体成因机制研究  41-61
  3．1 概述  41
  3．2 研究区复杂岩体特征  41-44
    3．2．1 岩体风化特征  41-43
    3．2．2 卸荷作用特征  43-44
  3．3 研究区变形破裂现象及成因机制  44-58
    3．3．1 变形破裂特征  44-56
    3．3．2 变形破裂成因机制研究  56-58
  3．4 研究区复杂岩体成因综述  58-61
4 坝区岩体水力学特性研究  61-69
  4．1 研究区地下水分布及渗流特征分析  61-63
    4．1．1 研究区岩体的渗透性  61-62
    4．1．2 研究区内地下水的渗流特征  62-63
  4．2 研究区岩体水力学参数研究  63-69
    4．2．1 概述  63-64
    4．2．2 研究区岩体渗透张量研究  64-69
      4．2．2．1 渗透张量的计算方法  64-65
      4．2．2．2 研究区岩体渗透张量计算  65-67
      4．2．2．3 讨论  67-69
5 坝区结构面工程地质特性研究  69-96
  5．1 结构面的工程地质分级  69-70
  5．2 结构面的描述体系  70-76
    5．2．1 结构面（断层型）的构造描述  72-73
    5．2．2 结构面物质组成的工程地质描述  73
    5．2．3 破碎带结构类型描述  73-74
    5．2．4 破碎带胶结和密实状态的描述  74
    5．2．5 影响带的描述  74
    5．2．6 基体裂隙的描述  74-76
  5．3 Ⅰ类结构面的工程地质特性  76-86
    5．3．1 破碎带的物质组成及结构类型  84
    5．3．2 结构面几何特征及延伸长度  84
    5．3．3 结构面其他性状统计分析  84-85
    5．3．4 主要结构面提取  85-86
  5．4 Ⅱ类结构面的工程地质特性  86-92
  5．5 Ⅲ类结构面的工程地质特性  92-96
    5．5．1 Ⅲ类结构面优势方位分析  92-94
      5．5．1．1 岩体随机节理产状优势分组概率统计方法  92-93
      5．5．1．2 研究区Ⅲ类结构面产状优势分组概率统计结果  93-94
    5．5．2 Ⅲ类结构面其他工程地质特性分析  94-96
6 坝区岩体质量分级研究  96-121
  6．1 岩体质量的分级标准  97-103
    6．1．1 工程岩体分级标准（GB50218-94）  97-99
    6．1．2 水利水电围岩工程地质分类（GB50267—99）  99-101
    6．1．3 岩体RMR分类（Bieniawski）  101-102
    6．1．4 岩体质量指数Z分级（小湾）  102-103
  6．2 岩体质量分级基本指标  103-108
    6．2．1 岩石强度  104
    6．2．2 岩体结构特征  104-107
    6．2．3 岩体纵波速特征  107-108
  6．3 研究区岩体质量分级  108-121
    6．3．1 岩体质量综合分级  108-120
    6．3．2 几种岩体质量分级标准的相关分析  120-121
7 坝区岩体力学特性研究  121-142
  7．1 完整岩石强度特性  121-123
  7．2 岩体力学特性研究  123-141
    7．2．1 岩体变形模量  123-131
      7．2．1．1 岩体变形试验结果综合分析  123-126
      7．2．1．2 岩体变形模量的概率统计分析  126-128
      7．2．1．3 节理网络分形与岩体变形特征研究  128-131
    7．2．2 岩体强度参数  131-138
      7．2．2．1 岩体强度试验结果综合分析  131-132
      7．2．2．2 岩体强度参数预测  132-138
    7．2．3 岩体力学参数的综合选取  138-141
  7．3 结构面力学参数选取  141-142
8 研究区GEMM模型及高坝建设适宜性分析  142-189
  8．1 GEMM模型的建立  142-146
    8．1．1 基本构成与基本问题  142-143
    8．1．2 研究区GEMM模型的建立  143-146
      8．1．2．1 堆石坝GEMM模型  144
      8．1．2．2 重力坝GEMM模型  144-146
  8．2 FLAC3D的基本原理  146-149
    8．2．1 空间导数的有限差分近似  147
    8．2．2 运动方程  147
    8．2．3 应变、应力及节点不平衡力  147-148
    8．2．4 阻尼力  148
    8．2．5 计算循环  148
    8．2．6 FLAC3D的特点和应用范围  148-149
  8．3 心墙堆石坝建坝适宜性数值模拟分析  149-164
    8．3．1 模型分析及介质条件  149-151
    8．3．2 初始应力场特征  151
    8．3．3 坝体施工阶段附加应力场特征  151-154
    8．3．4 坝体施工阶段变形场特征  154-160
    8．3．5 水荷载施加阶段（蓄水阶段）应力场特征  160-162
    8．3．6 水荷载施加阶段（蓄水阶段）变形场特征  162-164
  8．4 混凝土重力坝建坝适宜性分析  164-185
    8．4．1 开挖边坡稳定性分析  164-169
      8．4．1．1 左岸开挖边坡稳定性分析  164-166
      8．4．1．2 右岸开挖边坡稳定性分析  166-167
      8．4．1．3 开挖边坡稳定性数值模拟分析  167-169
    8．4．2 坝基变形和抗滑稳定性初步分析  169-170
    8．4．3 混凝土重力坝建坝适宜性数值分析  170-185
      8．4．3．1 模型建立及初始应力场特征  170-171
      9．4．3．3 坝体施工阶段附加应力场特征  171-173
      8．4．3．4 坝体施工阶段变形场特征  173-179
      8．4．3．5 水荷载施加阶段（蓄水阶段）应力场特征  179-181
      8．4．3．6 水荷载施加阶段（蓄水阶段）变形场特征  181-185
  8．5 小结及建坝适宜性综合评价  185-189
9 主要结论  189-191
10 致谢  191-192
11 参考文献  192-195

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