层间错动带水力耦合抗剪强度特性演化规律研究

层间错动带具有延伸规模大、物理力学性质较差等特点。水库蓄水后,水位抬升使层间错动带受到较大的水压力。在高水压力作用下,层间错动带的抗剪强度及其演化规律,尚待开展试验研究。采用新研发的HMSS-300型现场结构面水力耦合直剪试验系统,针对溪洛渡水电站的层间错动带进行了不同水压力-应力耦合作用下的直剪试验,探讨了层间错动带水力耦合作用下的抗剪强度特征及其变化规律。研究结果表明:水力耦合作用下,层间错动带抗剪断过程的剪应力-剪切位移曲线具有明显的峰值,法向位移随剪切位移的增加大多表现出先剪胀后剪缩的特征。层间错动带的有效内摩擦角随水压力的升高而降低,二者呈负指数关系;有效黏聚力也随水压力的升高而降低,二者同样呈负指数关系。在0~2.0MPa水压力条件下,层间错动带有效内摩擦角劣化程度为7%~22%,有效黏聚力的劣化程度为32%~93%,表明水压力的增加对层间错动带的有效黏聚力影响更加明显。在不同法向荷载-水压力耦合作用下层间错动带呈现出剪切滑移破坏模式与中、细角砾岩颗粒的剪断-滑移混合破坏模式。在水力耦合条件下,黏土矿物的软化、膨胀与水侵入层间错动的颗粒之间以及黏土矿物的结构单位层之间形成水分子层是导致层间错动带抗剪强度劣化的主要因素。

堤防管涌通道微弱磁场信号检测技术

渗流管涌是二元结构堤防最常见的破坏形式之一,高水位期准确查明堤防渗流通道对研究管涌演变规律和除险加固意义重大。基于此,提出堤防管涌通道微弱磁场信号检测技术,利用渗流水良导电性,向管涌口供人工电流,通过在堤防表面检测管涌通道导电回路产生的一次感应微弱磁场信号,快速判识管涌分布情况。采用数值计算分析管涌通道的弱磁场分布特征,针对微弱磁场信号检测难题,提出基于锁相放大法的弱磁信号提取方法和导线源同频干扰磁场校正方法,减少堤防起伏地形影响,增强微弱磁场信号能量。在鄱阳湖流域某堤防开展管涌探测现场试验,有效查明潜在管涌路径分布情况。该研究将有助于提高堤防管涌通道探测准确性,实现管涌险情的早发现早治理,为管涌险情应急处置提供技术支撑。

堤防渗漏通道弱磁探测技术及其磁场分布特征

渗流管涌是堤防最常见的破坏形式之一,高水位期准确探明渗漏通道分布对堤防除险加固意义重大。利用渗漏水良导电性,提出通过向漏水口供人工电流,观测渗漏通道导电回路产生的一次感应微弱磁场能量查找渗漏通道的方法,称为渗漏通道弱磁探测法。基于室内物性参数试验和正演计算,分析堤防土体导电性随含水率的变化趋势,揭示不同形态渗漏通道的弱磁场空间分布特征;系统总结弱磁场强度、电流密度随渗漏通道埋深、电导率的变化规律。物理模型试验结果表明弱磁探测法能有效查明渗漏通道的空间分布形态,具有效率高、无接地电极、抗干扰性强等优势。该技术将对促进堤防渗漏隐患探测技术的发展具有重要科学意义和实用价值。

超大跨度悬索桥隧道锚承载特性的岩石力学综合研究

针对四渡河特大桥宜昌岸隧道锚承载特性问题,采用基于岩石力学的综合研究方法,从围岩地质与力学特性、隧道锚1∶12实体模型试验及隧道锚承载特性数值分析等方面,对隧道锚与围岩岩体变形机制、时效特征及超载安全性等方面开展系统研究。结果表明,通过岩石力学试验及基于实体模型试验获得的隧道锚围岩弹塑性及流变参数符合实际;在设计水平下,隧道锚锭围岩变形在mm级水平;隧道锚极限抗拉拔力≥7.6倍设计载荷,满足锚固安全系数>4.0的设计要求;实桥隧道锚碇的长期安全系数≥2.6。通过工程实际施工过程中的监测实施,对研究成果和结论的合理性进行验证。研究技术路线及成果可供山区类似桥梁建设借鉴。

非连续变形分析方法模拟千将坪滑坡启动与滑坡全过程

2003年7月13日,位于长江支流青干河左岸的秭归县千将坪村发生巨型基岩滑坡。滑坡体总体积约2.04×107 m3。因千将坪滑坡位于三峡库区,且是在三峡水库首次蓄水至135 m水位后不到2周时间内发生的,其滑坡体地质特征以及成因机制受到社会各界关注。在对千将坪滑坡特征、基本地质条件与力学参数进行调查和研究基础上,利用非连续变形分析方法兼有真实时间模拟和非连续大变形问题分析于一体的优势,研究用非连续变形分析数值模型反映滑坡启动的识别方法,并对该滑坡体的启动条件和滑坡全过程特征进行数值模拟。分析结果表明,千将坪滑坡启动的原因主要是降雨以及库水位上升使得滑坡体控制性滑面力学参数降低所致;滑坡类型为由上部变形错动引起的推移式滑坡;由非连续变形分析方法模拟得到的滑坡最大滑移速度及上部最大滑动错距与实际情况具有可比性,由数值模拟得出的滑坡滑动持续时间约40 s。另外,提出的研究思路与方法可为其他滑坡机制研究所借鉴。

DDA方法块体稳定性验证及其在岩质边坡稳定性分析中的应用

首先,介绍DDA方法中关于块体接触力的计算过程,提出计算沿潜在滑动面稳定性安全系数的计算方法;然后,在此基础上以沿折坡单块体滑动问题为实例,利用DDA方法分别计算仅考虑滑动面摩擦角?和同时考虑摩擦角?和黏聚力c条件下块体的运动稳定性和安全系数大小,并与理论值进行比较与验证;最后,针对乌江银盘水电工程右坝肩边坡开挖后因软弱断层控制引起的稳定性及处理措施选取问题,利用已有的极限平衡分析条块系统,将DDA方法应用于该边坡稳定性分析,对边坡的实际稳定状态及锚固效果进行对比分析与评价。研究结果表明,利用DDA方法在计算滑面上条块系统沿滑面稳定安全系数时,因其条块间接触力是建立在严格的力学平衡方程基础上,允许块体系统非连续变形,并且勿需条块界面强度等比例调用的假定,其结果对反映实际岩质边坡的稳定性应该更具合理性。另外,DDA方法关于边坡锚固模拟计算,充分反映和验证了锚杆在边坡稳定性加固处理中的效果。

三峡工程地下厂房围岩稳定性研究

三峡工程地下厂房围岩稳定性问题是地下厂房主要的岩石力学问题。以地下厂房岩石力学试验及地应力测试结果为基本资料，采用有限元数值计算、工程岩体分级、围岩块体分析等分析手段，对地下厂房围岩稳定性问题进行了研究，并对围岩稳定性及必要的支护措施进行了讨论。

单孔复合型锚杆锚固体应力分布特征研究

结合某工程深基坑边墙单孔复合型锚杆施工,选取4根锚杆作为试验锚杆,通过在锚固体范围埋设多个应变测试元件,对锚固体在不同张拉载荷条件下的应力分布状态进行了现场测试研究。根据单孔复合型锚杆的结构特点,对代表性锚固体建立有限元数值模型,并对锚固体的应力-应变特征进行了数值分析。根据现场测试和数值分析结果,对单孔复合型锚杆锚固体的应力分布规律和锚固机理进行了研究。

DDA方法在复杂地质条件下地下厂房围岩变形与破坏特征分析中的应用研究

以清江水布垭水电工程地下厂房为例,应用非连续变形分析方法对复杂地质条件下地下厂房围岩的变形与破坏特征开展了研究,重点分析了厂房区域地应力水平、锚固、岩体结构条件及结构面强度参数等对洞室围岩变形的影响。分析结果表明,当水平初始应力增加时,洞室围岩位移量相应增加,由于洞室边墙分布有多条层间剪切带且围岩具有软硬相间的层状岩体结构特点,使得边墙变形存在错动现象。锚固后洞室边墙围岩的变形明显减小,且围岩应力状态得到显著改善。对于高边墙地下洞室,陡倾角结构面在边墙上的出露对围岩的稳定十分不利,在一定的岩体结构条件下,围岩的破坏可表现为因局部块体的崩落所引起的整个洞室围岩的破坏。在相同岩体结构条件下,降低结构面强度参数,洞室围岩可以从变形稳定状态发展到不稳定状态,围岩的失稳主要表现为因围岩大变形引起的失稳。

DDA数值模型及其在岩体工程上的初步应用研究

根据已初步开发出的ＤＤＡ模型计算程序，分别就某工程试验洞洞挖和边坡明挖问题进行了计算，并与有限元结果进行了比较。两种开挖问题计算结果表明，ＤＤＡ模型计算结果在岩体开挖位移形态及位移量级上与有限元及实际位移监测结果都具有较好的可比性，说明该模型所反映的岩体开挖变形趋势是符合实际的，分别就ＤＤＡ模型应用于岩体洞挖和明挖计算时所存在的问题进行了讨论，包括岩体开挖荷载施加方式、块体界面特性模拟以及块体系统嵌入差别等问题。

高围压岩石三轴流变试验仪研制

TLW-2000型岩石三轴蠕变试验仪是经科技部资助对原流变试验设备进行技术升级与改造项目的主要成果,能自动稳压、自动记录并能进行高围压三轴流变试验。介绍了该仪器的升级改造、各项性能指标校准及通过三轴流变试验对设备进行测试的情况。该设备稳压系统升级改造采用先进的伺服控制、滚珠丝杠和液压等技术组合,达到了良好的稳压效果。

国标《工程岩体分级标准》的应用与进展

依据已发表的与《工程岩体分级标准》(GB50218—94)(简称《国标》)相关的各类文献成果的整理与分析,对《国标》执行以来的工程应用实践效果、《国标》与RMR,Q系统及HC法等分级方法的相关性、在行业标准制订上的推动作用、以及基于《国标》的研究方法进展及相关完善建议等进行总结和综述。基于多个工程200余组实测数据的统计分析,给出《国标》BQ值与RMR分值间的综合统计回归公式,对《国标》BQ法与RMR法级别划分的对应性进行验证。研究表明,该分级方法体系严谨,具有很强的科学性和可操作性。利用岩体基本质量指标BQ,减少分级的主观性,提高分级的精度,降低工作难度,方便不同设计阶段的工程应用。另一方面,在已有实践基础上,有必要对该分级方法作进一步的修订和完善。

岩体三维网络模拟技术及其在三峡工程中的应用

在对三维岩体开挖面上节理迹线生成及其迹线网络搜索技术进行深入研究的基础上，初步开发了相应的岩体三维网络模拟分析程序。程序分析内容包括：绘制任意给定开挖面或复杂开挖边界上的岩体节理迹线分布图；在三维迹线图上搜索出由结构面切割形成的各闭合块体区域，进一步搜索可移动性块体，并分析其几何特征值，如闭合块体区域面积及可移动块体体积等。最后，根据对三峡工程船闸高边坡施工期典型区段开挖面岩体结构的调查资料和分析结果，用已开发的程序，对岩体结构条件进行了初步模拟分析。

清江水布垭枢纽地下厂房岩石力学研究

水布垭地下厂房岩石力学问题主要表现为复杂的岩体结构及软岩对洞室围岩的控制作用。针对水布垭地下厂房岩石力学问题开展了系统的岩石力学研究,包括地应力分布特征、岩石力学特性、工程岩体分级、岩体稳定与支护数值模拟、洞室围岩变形破坏特征、超载安全度以及洞室围岩开挖与支护措施等。结果表明:水布垭地下厂房洞室开挖在技术上是可行的;所采用的软岩处理、洞室围岩喷锚支护以及尾水管槽间留隔墩并加锚桩的综合处理措施是合理的,作用效果明显。并综述了主要相关内容的研究成果。

岩石块体理论中三维随机块体几何搜索

运用地质统计学与计算机技术随机模拟生成三维结构面网络,并在对前人关于结构面地质统计分析、结构面网络模拟、砍树、寻找封闭回路、搜索随机块体可能出现的最大区域等研究的基础上,运用交点组合法,通过交点旋转方向及空间位置的判断等过程,形成搜索三维随机块体的方法。运用该方法对边坡交棱处、洞室顶拱进行随机块体的搜索,并对块体的形态、大小及空间分布特征进行统计分析,从而实现了边坡和洞室工程的随机块体分析。算例表明,该方法可以在工程分析中得到较好的应用。

唐家山堰塞坝形成机制DDA模拟研究

为了研究唐家山堰塞坝的形成机制,采用了兼有真实时间和非连续大变形分析于一体的非连续变形分析方法(DDA)。以DDA方法为基本研究手段,以唐家山滑坡完成后形成的堰塞坝形态和位置作为目标函数,对唐家山滑坡过程进行复演;通过对滑床强度参数、地震荷载以及河床泥沙等滑坡过程的主要影响因素进行深入研究,探讨了地震荷载下高速滑坡的形成机制。研究结果表明,唐家山滑坡原因是汶川强地震载荷作用,使得滑坡滑床强度参数由静强度参数降低为动强度参数,由此引发高速滑坡。滑坡从启动到停止,其速度变化曲线具有显著的非线性特征。滑坡滑动总的持续时间约37 s,其中,在0~25 s内滑坡速度较大,最大滑速达25m/s,平均滑坡速度15 m/s。滑坡体高速滑到河川后,形成堰塞坝,在滑体中下部主应力方向发生偏转,最大主应力与河床边界近于平行,量值达6~7 MPa。在滑体前缘与后缘一定范围,滑体被解体,应力较小。

深部岩石工程力学特性及地应力测试研究综述

伴随中西部高山峡谷区水电及交通等工程的建设,与之相关的地下工程多呈现出超长、大埋深、高地应力、高外水压等特点,由此引发对深部岩石工程的岩石力学特性及地应力测试等科学问题的重视。简要综述了深部岩石试验技术、高应力复杂应力路径下的岩石力学特性、深部岩石的流变特征、深部围岩的质量分级与评价、地应力测试与分析等方面在过去10余年的进展,并对上述科学问题及后续研究重点进行了展望。

非连续变形分析中时间步及弹簧刚度取值研究

非连续变形分析(DDA)是一种隐式求解的动力学计算方法,且采用在块体界面加减刚硬弹簧的方式来满足块体界面无张拉和无嵌入的接触准则,其中时间步长和弹簧刚度两个物理量的取值直接影响DDA的计算结果。基于对DDA时间步和弹簧刚度在程序运行过程中的调整策略和块体接触的简化力学概念模型,研究了惯性力在DDA收敛求解中的作用过程。采用数值模拟试验对自由落体和斜面单滑块模型在3种力学状态下的相关力学问题进行了数值模拟研究,通过对自由落体运动的模拟,研究了时间步长单一因素对计算结果的影响规律,并初步确定了时间步长的合理取值区间。在此基础上,采用斜面单滑块模型,研究了时间步长和弹簧刚度对计算结果的共同影响,确定了不同时间步长条件下弹簧刚度的合理取值区间。研究成果表明,合适的时间步长和弹簧刚度的取值组合构成一个单连通参数取值域,当时间步和弹簧刚度的取值组合位于此"域"范围内时,DDA的计算结果是合理的。

三峡工程永久船闸中隔墩岩体变形全过程测试研究

针对三峡永久船闸勘探设计阶段己有勘探平洞的布置特点，利用船闸二闸室中隔墩中部的８平洞主洞，在船闸开挖初期布置多点位移计测孔，实现了中隔墩岩体开挖过程中近４ａ的全过程监测。根据变形观测设施观测结果，对中隔墩岩体随船闸开挖的变形过程以及岩体的变形特征进行了分析，并将观测结果与数值计算结果进行了比较。最后，对中隔墩岩体的稳定性问题进行了讨论。

堤防险情演化机制与隐患快速探测及应急抢险技术装备

中国洪涝灾害问题突出,防洪减灾关系人民生命财产安全和社会稳定。堤防工程是中国防洪体系的重要基础,具有线路长、隐患多、险情频发等特点。目前,对堤防抢险仍然以人海战术为主,抢险效率低,其主要原因是对堤防险情演化机理认识不够系统,缺乏高精度的堤防隐患探测抢险技术与装备,抢险技术装备化程度不高,难以应用抢险实际。“十三五”国家重点研发计划项目“堤防险情演化机制与隐患快速探测及应急抢险技术装备”以长江、黄河、松花江等流域典型堤防工程为依托,以提高堤防工程防御能力为目标,以提高堤防隐患探测精度和应急抢险效率为关键突破点,在堤防工程安全分类、典型堤防险情演化机理、堤防工程安全运行风险评价理论、智能化监测与信息化预警、堤防隐患快速探测和应急抢险技术装备等方面取得一系列创新成果,社会和经济效益显著,应用前景广阔,为中国堤防防灾能力提升提供系统技术支撑,具有重要意义。