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。

基于FLAC3D的层间错动带对大型地下洞室地震响应影响分析--以白鹤滩水电站为例

为揭示大型地下洞室群地震响应机制,以西南地区白鹤滩水电站大型地下厂房洞室群为研究对象,运用有限差分数值模拟软件FLAC3D,建立了13号机组剖面数值分析模型,基于弹塑性本构关系,采用动力时程分析方法,研究了地下厂房洞室群在有、无层间错动带条件下围岩地震响应的加速度、变形、应力、塑性区等特征。结果表明:①有层间错动带条件相比无层间错动带条件,洞室群围岩的响应加速度峰值和围岩变形值分别增加了2%~34%和18%~63%;②层间错动带对震后围岩应力状态有一定影响,与无层间错动带条件相比,有层间错动带条件下的围岩拉应力区范围明显增大;③在有层间错动条件下,由开挖和地震产生的塑性区面积分别为8684m^(2)和975m^(2),均大于无层间错动带条件的7103m^(2)和888m^(2)。在地下洞室的抗震设计中,层间错动带对大型地下洞室地震响应的影响不可忽视。

白鹤滩水电站层间错动带的剪切特性

基于白鹤滩水电站层间错动带的室内和现场剪切试验结果,对层间材料、层间材料/母岩接触面(土/岩接触面)的剪切力学特性进行研究。试验结果表明,层间材料和土/岩接触面都表现出无剪胀行为的理想弹塑性力学特性;层间材料的蠕变特性不明显;土/岩接触面的抗剪强度与接触面形貌密切相关,接触面越粗糙,其抗剪强度就越高。比较层间材料的室内和现场直剪试验的抗剪强度可知,试样具有强烈的不均匀性。试样扰动对其抗剪强度的影响要比材料变异性的影响小。尺寸效应使得室内试验获得的内摩擦角要比现场试验获得的大。黏粒含量是影响层间材料抗剪强度的重要因素:随着黏粒含量的增加,内摩擦角减少,黏聚力增大。层间材料的抗剪强度对初始饱和度的变化不敏感。室内试验和现场试验结果在黏粒含量和初始饱和度影响上表现出良好的一致性,说明试样的尺寸效应和变异性只是影响其抗剪强度的次要因素。

含层间错动带岩体的破坏模式及其剪切特性研究方法探讨

层间错动带存在的普遍性,给世界上许多工程带来了岩体稳定性问题和地质灾害。通过对因层间错动带导致工程岩体结构变形失效或破坏的实例进行归纳总结,采用岩体结构控制理论的观点将含层间错动带的岩体的破坏模式分为拉裂破坏、掉块和层间剪切滑移破坏3大类。以此为基础,提出剪切力学模型是层间错动带力学模型研究的重点。对层间错动带剪切力学特性的现有试验方法和建模理论进行评述,并根据现有的研究基础,提出屈服面蠕变模型是当前层间错动带剪切蠕变模型的较好选择。

不同因素影响下层间错动带颗粒破碎和剪切强度特性试验研究

为了获得不同初始颗粒粒径分布和含水率对层间错动带颗粒破碎和剪切强度特性的影响,通过对比泥夹碎屑、泥夹粉砂、全泥型3种不同层间错动带类型与现场3种不同含水率(10%、7%和3%)试样在法向压力2～10 MPa作用下的反复直剪试验和剪切面颗粒粒径分析试验结果,可得出以下结论:①粗颗粒越多(d60越大),采用相对颗粒破碎势Br量化的颗粒破碎程度越大;②较干颗粒(低含水率)由于磨损产生了更多的细小颗粒,而较湿颗粒(高含水率)由于破裂和摩擦产生了较大颗粒;③粗颗粒仅对峰值抗剪强度产生一定的影响,且粗颗粒越多,残余强度包线非线性越强;④黏聚力和内摩擦角随含水率线性减小,且低含水率试样残余强度包线非线性最强;⑤残余内摩擦角随颗粒破碎后的黏粒含量(<2μm)线性减小。提出的残余内摩擦角初步预测公式可供实际工程参考。

高压力下层间错动带残余强度特性和颗粒破碎试验研究

针对某水电站层间错动带的原状样与重塑样,模拟现场地应力条件,在试验法向应力高达10 MPa条件下开展了反复直剪试验。试验结果表明:原状样峰值强度高于重塑样,但强度下降较快,二者残余强度趋于一致;此外,试样发生了大规模的颗粒破碎,采用颗粒相对破碎势Br量化重塑样剪切面附近区域与非剪切面附近区域颗粒破碎程度,对比发现,前者颗粒破碎程度高于后者,且破碎机制不同;剪切面颗粒破碎是高压力下残余强度包线非线性的根本原因:剪切强度的下降(残余强度与峰值强度的比值)与Br和S2(试验前后小于粒径<2μm颗粒含量的比值)呈线性关系,颗粒破碎导致的能量释放和不断产生的黏粒(<2μm)降低了剪切强度。

高压力下原状层间错动带三轴不排水剪切特性及其影响因素分析

针对某大型水电站揭露的原状层间错动带试样,模拟现场快速施工可能会产生的不排水边界条件,在围压5～30 MPa的高压力条件下开展了不固结不排水三轴试验,并结合试样物理性质的差异,分析讨论了原状层间错动带的力学特性。试样试验曲线和破坏模式主要由高围压控制:其应力-应变关系曲线均为应变硬化型且破坏后呈腰鼓状为塑性破坏。此外,较湿颗粒发生了大规模的颗粒破碎,其是造成高饱和度试样强度包线的趋势线随围压降低的根本原因。试验结果明显受物理性质影响造成了试验数据离散性,敏感性分析表明,围压P和饱和度S r对初始弹性模量E 0和破坏强度s的影响最大,其次是孔隙比e,颗粒粒径(d 60)分布对其影响程度最小。根据试样剪切特性建立的强度特征(E 0和s)初步预测公式可供实际工程参考。

坝肩高边坡层间错动带剪切蠕变特性与模型研究

高坝工程坝肩边坡岩体深部层间错动带的蠕变力学特性与蠕变损伤特性,直接影响着水电工程的长期稳定性与整体安全性。以某坝肩高边坡岩体层间错动带的剪切蠕变力学试验为基础,研究了层间错动带的剪切蠕变力学特性,分析了层间错动带的长期剪切强度参数和加速蠕变特性及蠕变速率变化特征;通过对层间错动带加速蠕变过程中损伤演化特性的分析,研究了考虑层间错动带岩体力学参数弱化和伴随加速蠕变变化的蠕变损伤效应,并基于西原流变模型和蠕变损伤演化方程,建立了能够反映高边坡层间错动带蠕变损伤演化过程的本构模型;而后通过对比数据拟合结果与试验结果,对提出的本构模型进行验证,显示所建立本构模型的正确性与合理性。

白鹤滩层间错动带微结构特性及其化学改性初探

白鹤滩水电站层间错动带结构疏松、性状软弱、空间展布范围大、力学强度低,严重影响着地下厂房洞室的稳定性。为了揭示并改良层间错动带的力学特性,首先通过矿物成分分析试验、扫描电镜试验和压汞试验,从微观结构角度对层间错动带的矿物组成特征、颗粒排列规律、孔隙分布规律进行了详细的研究,阐明了层间错动带的微观结构特性及其对灌浆材料选择的影响,进而开展了层间错动带化学溶液浸泡对比试验。试验表明,硅酸钠溶液可以有效改善层间错动带的完整性,明显提高层间错动带的弹性波速、抗压强度、弹性模量和凝聚力。其研究结果对白鹤滩层间错动带的工程加固和改性设计具有一定的借鉴意义。

大光包滑坡层间错动带液化特性及滑坡启动成因探讨

大光包滑坡是2008年汶川地震触发的最大规模滑坡,其剪滑破坏发生在斜坡先期构造层间错动带内,该带主要由糜棱化、角砾化的构造碎裂物质组成,且具有显著地下水赋存与运移特征。为探讨强震过程地下水参与下该错动带动力学行为及对大光包滑坡启动的可能影响,取错动带材料,室内开展系列饱水静三轴、单向和双向动三轴试验,分析该材料液化特性。试验结果表明:材料具有较强的潜在液化能力;单向和双向动载作用下材料均能液化,但双向振动液化速率更快,且动强度比单向降低约20%;双向振动下材料液化速率随循环偏应力和径向循环应力增大而加快,相位差180o比0o液化速率更快。研究表明,对于产状倾斜(N2°W/NE/30°)的大光包滑坡层间错动带,双向动三轴试验动力条件可能更接近实际应力状态;强震过程,该错动带液化可能是大光包滑坡突然启动原因。

白鹤滩水电工程左岸玄武岩层间错动带渗透破坏预测与防治模拟

金沙江白鹤滩水电工程坝区发育有数条规模较大的、对工程有直接影响的玄武岩层间错动带。错动带内充填碎屑夹泥,当大坝建成蓄水之后,在高水头差下容易发生渗透破坏,可能影响坝区水工建筑物运行的安全和稳定。针对厂坝区的地形地貌、地质结构、大坝水工建筑物和防渗排水系统的设计布置特点,建立了坝区左岸三维有限元精细模型。并采用插值拟合的方法确定特定断面边界的地下水位,计算模拟了运行期白鹤滩电站左岸坝区渗流场的变化规律和水力梯度场的分布,并结合在现场开展的错动带的渗透破坏试验数据,确定了错动带的允许水力梯度,评价错动带内渗透破坏的可能性。研究结果表明:现有的渗控措施在坝区形成了明显的降落漏斗,地下厂区防渗排水系统效果良好,渗压得到了有效控制。然而C2错动带内部分区域的水力梯度超过允许水力梯度,可能会发生渗透破坏。提出设置截渗洞和加强帷幕的防治措施,并模拟验证了这一措施可以较好地截断渗漏通道,保障厂房安全稳定运行。

玄武岩体及其层间错动带的渗透性特征

玄武岩体具有重要的工程价值,而层间错动带在玄武岩体中很常见,很大程度上控制着地下水流场分布。因此玄武岩体及其层间错动带的水文地质特征有必要深入研究。采用压水试验数据,有效地分析了西南某水电站玄武岩中层间错动带C2的渗透特征。比较层间错动带C2所在压水试验段与其上下段的透水率后发现,层间错动带虽然在垂向上主要起隔水作用,但是水平上渗透性较好,其大小受层间错动带的深度和厚度的影响。通过将部分压水试验段的透水率与深度作回归分析,发现地质成因一致、岩性相对均一的岩体,其渗透性与所处深度呈负指数关系,表明了自重应力对渗透性的控制作用。这种渗透性与所处深度之间的负指数关系式中,回归系数受岩性均一程度影响,衰减系数也受岩性的影响。在此基础上,研究了单一层间错动带的渗透性随深度的关系。

层间错动带的工程特性及对边坡稳定性的影响研究

西南某大型水电站左岸坝肩边坡层间错动带(EP)特别发育,分布广,出露范围小,绝大部分埋藏在地下,这就给研究带来了巨大的困难。本文从EP的空间展布、EP的成因、EP的工程分类、EP的强度参数取值等因素进行分析,从这些方面可以看出,EP可能构成该边坡潜在的滑动面,对该边坡的稳定性影响很大。本文又从该边坡的整体稳定性和边坡拱间槽开挖后形成的不稳定块体两个方面进行了分析,可以看出EP构成该边坡潜在的滑动面,但是该边坡整体是稳定的,EP对块体稳定性的影响是比较大的。本文分析了块体的形状、块体的稳定计算方法,通过计算,最后给出了该边坡拱间槽开挖后的不稳定块体。

基于动三轴试验的层间错动带动孔压特性及能量分析

2008年汶川地震触发的大光包滑坡滑带形成背景是渗水层间错动带,该带强度变化是决定滑坡启动的主要因素,动孔压发展是土体材料强度劣化的根本原因,故基于系列室内动三轴试验研究该带材料孔压特性。结果表明,动载下层间错动带材料孔压快速增长,循环剪应力比越大,孔压增长越快,不同荷载条件下应变达到5%时动孔压比等于1,材料液化,根据动孔压比与振次比曲线的拟合关系提出幂函数应力模型。从能量角度描述层间错动带材料孔压增长特性,揭示出循环剪应力比对累积能量耗损与动孔压比曲线影响较小而围压对其影响较大,并进一步提出孔压增长的能量模型。

试验研究层间错动带动孔压增长的影响因素

对大光包滑坡层间错动带材料进行动三轴试验,研究在不同条件下动孔压的增长特性,试验结果表明:(1)频率对动孔压的增长没有影响,不同频率下试样达到液化的时间基本相同;(2)动应力越大,孔压增长越快,达到液化需要的振次越少;(3)饱和度对动孔压的增长有较大影响,饱和度越高,样品动孔压增长越快,达到液化需要的振次越少;饱和度降低,动孔压的增速减缓,在应变达到5%时样品没有液化;(4)干密度越小,动孔压增长越快;干密度越大,颗粒之间的咬合力和摩阻力越大,孔压增长缓慢。

白鹤滩水电站层间错动带工程地质特性

白鹤滩水电站层间错动带结构松散、水理性质不良、力学性质差且延展范围广,是地下空间围岩体中的弱结构面,控制围岩体的变形破坏。在大量地质勘探及室内试验研究资料基础上,将白鹤滩工程区的层间错动带划分为节理带、劈理带和泥化带,有利于其力学特性的研究;在分类的基础之上,研究了C2、C4层间错动带中不同带区的形成模式、宏微观结构特征、矿物成分、水理性质以及剪切力学特性等主要工程地质问题,认为白鹤滩层间错动带主要是构造成因,不同带区在黏土矿物含量、微观结构以及水理性质等方面差异明显,错动带的剪切位移曲线整体呈理想弹塑性特征;分析了施工期层间错动带的地质特性对工程岩体的影响,含层间错动带围岩体主要存在3种破坏形式:块体塌落、剪切滑移与渗透破坏。

大光包滑坡层间错动带岩体剪切特性研究

大光包滑坡滑带发育于构造作用形成的层间错动带中,带中岩体由上而下碎裂化程度增加,且底部存在一层泥化带。本研究选取大光包滑坡层间错动带中不同层位的碎裂岩体,共计进行18组中剪试验;此外,选取错动带中泥化带及临近的糜棱质带岩体进行了不同含水率下的42组快剪试验。试验结果表明:层间错动带碎裂岩体的剪切特性同碎裂程度有关,碎裂程度较低的岩体应变软化特性更明显,碎裂程度较高的岩体抗剪强度则更差;糜棱质带土体抗剪强度和内摩擦角一般大于泥化带土体,且剪切特性受地下水的影响小于泥化带;泥化带土体的抗剪强度和黏聚力随含水率的升高迅速降低,其内摩擦角与含水率呈负相关的指数关系,在地震过程中,随着岩体扩容引起地下水入侵,泥化带的抗剪强度会大大降低。研究结果对理解大光包滑坡滑面发育层位和地震中含水率上升及错动带岩体进一步碎裂化对滑带岩体抗剪强度的影响有重要意义。

玄武岩岩体层间错动带变形机制研究

层间错动带是影响边坡稳定性的重要因素之一,掌握层间错动带工程性状是大型水电工程建设中的一项重要内容.以金沙江某大型水电站工程为依托,对该工区玄武岩岩体层间错动带进行室内试验和现场变形试验,研究其变形机制.根据试验数据绘制出应力-应变曲线,分析层间错动带的变形过程,通过对比和归纳,得出层间错动带的水文情况、带内物质种类及含量是影响层间错动带变形特性的主要因素.

白鹤滩水电站典型层间错动带渗流模拟分析

为研究白鹤滩水电站层间错动带渗流特性,以电站右岸层间错动带C3为研究对象,基于FEFLOW建立了承压二维非稳定流有限元渗流模型,模拟在正常蓄水位825 m时,分析不同防渗帷幕布设下地下水渗流场分布及对右岸地下厂房区的稳定性影响.结果表明,帷幕和错动带渗透性对渗控效果影响明显,降低帷幕渗透性能显著减少排水廊道的排水量及降低厂房区的自由面高度;在现有帷幕布设下,帷幕渗透系数为1.0×10^(-5)cm/s时,厂房区上游的最大水力坡度值为9.25,超过了临界水力坡度值,而全封闭式帷幕布设能取得较好的渗控效果;与封孔情况相比,坝区勘探孔未封闭使厂房区上游最大水力坡度明显增大,且排水廊道排水量增加1.3倍,故在坝肩采用全封闭式帷幕且封闭勘探孔,能够有效降低厂房区的水头,为白鹤滩水电站防渗排水系统设计提供重要的科学依据.

白鹤滩水电站地下厂房层间错动带渗流控制措施研究

白鹤滩水电站地下厂房洞室群规模巨大,层间错动带C2贯穿左岸地下厂区整个防渗线路,由于其性状差、透水性强、允许渗透比降小,是左岸厂区主要渗漏通道,因此,提高C2的防渗能力和渗透稳定性,防止形成集中渗漏通道,对左岸厂区防渗体系至关重要。为此,采取截渗洞、系统帷幕灌浆和排水孔幕相组合的防渗排水工程措施,通过三维渗流场有限元计算及帷幕灌浆试验对防渗效果进行分析。结果表明:截渗洞和帷幕灌浆能有效截断渗漏通道,排水孔幕排水降压效果显著,C2渗透系数的变化对地下厂区上游侧渗流场影响不大; C2影响孔段可灌性好,灌后能够满足透水率小于1 Lu的工程防渗要求; C2渗流控制措施总体合理有效,但是排水孔揭穿C2部位渗透比降较大,最大可达7. 0,蓄水初期应重点关注,避免发生渗透变形。