国际水电工程地质勘察实践探讨

作为国际水电工程勘测设计的主要基础性资料,地质勘察成果的国际工程咨询审批进度往往对工程进度甚至成本有较大影响。在总结对标研究工作成果、中国水电技术标准“走出去”之工程测量与地质勘察篇研究成果的基础上,结合国际水电工程地质勘察实践,对地震参数确定、坝基岩体力学参数确定、边坡稳定分析、洞室围岩分类及支护建议等关键技术问题进行了初步分析,总结了中外技术标准的主要差异,初步提出了探讨性的对策及建议,可供业内人士参考。

锦屏一级水电站左岸边坡微震监测系统及其工程应用

锦屏一级水电站坝区山高坡陡,两岸山体地应力高,左岸存在深部裂缝、低波速松弛岩体、煌斑岩脉(X)及f2,f5断层等复杂地质条件。为对左岸边坡深部岩体微震活动性进行实时监测和分析,2009年6月该边坡安装加拿大ESG公司生产的微震监测系统。通过构建左岸边坡三维地质模型和优化传感器布设方案,采用人工定点爆破试验对监测系统定位性能进行测试,结果显示在传感器阵列范围内的震源定位误差小于12m,证明系统具有较高的定位精度。对拾取的事件波形进行分析和聚类研究,给出系统运行以来微震事件的时空分布规律,初步圈定左岸边坡微震活动引起的深部岩体变形区域,并结合RFPA有限元软件对比研究边坡应力场和潜在滑裂面。研究结果表明,该边坡微震监测系统的设计和实施满足深部岩体变形的全局监测,能够识别左岸边坡可能存在的潜在岩体破坏区域和滑移面,为边坡后期生产性灌浆以及加固处理提供一些参考,也为高岩质边坡稳定性分析提供一个新的研究思路。

大型复杂岩质高边坡安全监测与分析

岩石高边坡稳定性是水电站建设能否顺利进行的关键问题之一。锦屏一级水电站左岸开挖高边坡地应力高、断层裂隙发育、岩体卸荷深度大,地质条件十分复杂,边坡在施工期和运行期的稳定性问题特别突出。介绍左岸边坡的监测布置,并对岩体表面变形趋势、空间分布形态、变形与开挖的关系进行分析,对多点位移计变形大小、岩体变形与结构面的关系进行探讨,对平洞石墨杆收敛计变形、谷幅平距观测、锚索荷载和抗剪洞变形等监测结果进行综合分析,得到边坡岩体的变形规律。研究结果表明,锦屏一级水电站左岸边坡岩体受开挖影响的范围较大,超过80m,边坡岩体卸荷松弛变形量级较大,边坡岩体应力释放与转移过程较长,边坡达到完全稳定需要的时间较长。该工程的监测成果可供其他类似工程参考和借鉴。

基于三维数值模拟和微震监测的水工岩质边坡稳定性分析

建立以微震监测为主、应力场分析为辅的水工岩质边坡稳定性分析方法。利用RFPA3D分析软件,研究三维条件下锦屏一级水电站左岸岩质边坡破坏过程微破裂的萌生、演化、扩展、相互作用和贯通机制,揭示边坡整体失稳破坏模式,探讨岩质边坡渐进失稳破坏过程应力场和微震活动性空间演化基本规律,形成从细观损伤演化过程揭示宏观岩体结构破坏的研究方法。研究结果表明:断层F5,F2和煌斑岩脉X等软弱结构面是控制左岸边坡破坏模式的关键因素之一,RFPA3D离心加载法得到的边坡潜在滑移面及声发射与微震监测系统得到的岩石微破裂空间宏观演化趋势比较一致。

复杂岩质高边坡工程安全监测三维可视化分析

应用自主研发的岩石边坡工程安全监测三维可视化分析系统(SlopeMoni3D),以锦屏一级水电站左岸高边坡工程为例,建立安全监测分布式分析平台,对边坡安全监测系统与赋存地质条件进行虚拟现实可视化分析。以三维云图的可视化形式对安全监测获得的左岸边坡开挖区域浅表、深部变形发展趋势及锚索测力计锚固力在相同时段变化量的空间分布进行综合分析,完成边坡整体稳定性和变形趋势的分析评估。分析结果表明:(1)以虚拟现实可视化方式解析复杂岩质边坡工程区域地质条件,可直观表达各监测项目测点布置与地质结构的相互关系,便于监测成果与地质条件和施工信息的综合分析;(2)借助三维可视化分析平台所提供的监测数据管理和监测数据场三维云图绘制等功能,可直观比较相同监测时间段不同监测项目所获得监测物理量的三维云图分布,便于从地质、施工等方面综合分析边坡各区域的变形趋势和稳定状态。

岩石边坡潜在失稳区域微震识别方法

为深入研究锦屏一级水电站左岸边坡深部岩体微震活动规律并评价边坡稳定性,在已有微震监测资料基础上,结合常规监测数据,并借助RFPA有限元数值模拟手段,分析左岸边坡深部岩体微破裂萌生、发育和扩展的演化机制,解释高程1 829 m处2#固结灌浆平洞多点位移计变化与微震事件时空分布规律之间的内在联系,再现典型剖面边坡渐进破坏全过程,重点阐述高程1 885 m坝顶平台裂缝形成机制。综合施工工况和工程地质情况分析,表明微震监测系统可以有效地识别和圈定边坡深部岩体微破裂区域和潜在滑裂面,边坡外观变形及微震活动性与该部位地质构造及灌浆活动有密切关系,灌浆导致的应力重分布和边坡内部天然裂隙带错动变形是诱发高程1 885 m坝顶平台裂缝的主要原因。研究结果为更好地理解和分析复杂应力条件下岩石边坡变形及其微震活动性诱发失稳机制提供重要的参考。

三峡库区奉节新县城库岸边坡类型及岩体结构特征

奉节新县城库岸边坡自三峡水库蓄水至139 m水位以来多处出现变形破坏,库岸段岸坡变形破坏模式的复杂多样给相应的工程治理带来了较大的困难。通过研究奉节新城区库岸段岩土体类型和岩体结构特征,将新县城江北片区21.7 km的库岸划分成21个库岸段,明确了基岩岸坡和土石岸坡的分布范围,确定了库岸边坡的结构类型。针对不同的岸坡结构类型,分析了岸坡可能出现的6种变形破坏模式。岩质边坡可能出现弯曲–拉裂–倾倒型、剪切–滑移型、楔形体崩塌–滑动型和风化–剥落型变形破坏;土石岸坡可能出现弧形整体滑动型、局部剪切破坏或崩塌型变形破坏。以库岸段的可能变形破坏模式为基础,有针对性地分段采取相应工程治理措施,有利于保证库岸防治达到预期效果。

边坡岩体风化卸荷特征研究及在姚家坪水利工程中的应用

姚家坪水利枢纽工程两岸边坡稳定性研究内容包括边坡卸荷带划分和卸荷岩体质量评价2部分。通过采用小排列折射波法,有效消除了试验平洞开挖后形成的岩体松动区对边坡卸荷带划分的影响,获得了边坡内部与风化卸荷有直接关联的未扰动层原岩波速;根据平洞地质素描和波速测试资料分析高边坡岩体卸荷带的风化卸荷特征;按照国家工程岩体分级标准,根据平洞波速和室内岩石力学试验求取卸荷区岩体的BQ值及其分布规律,最终达到了充分了解和掌握该工程边坡岩体稳定条件的目的。

水电岩质边坡的稳定性概率分级方法研究

引入荷兰学者R.Hack等[1-3]提出的边坡稳定性概率分级(SSPC)方法,针对该方法在水电边坡稳定性评价中存在的两个局限性:一是仅适合于45 m以下边坡的稳定性评价和对完整岩石抗压强度的估计主观性和随意性较强,提出采用Hoek-Brown经验强度准则和边坡最大坡高经验公式,对SSPC方法中边坡岩体的抗剪强度和最大坡高进行修正。典型水电边坡实例的研究结果表明,SSPC修正方法对34个水电边坡稳定性评价的准确率为61.8%,对10个非构造性控制破坏的水电边坡稳定性评价的准确率达80%。SSPC修正方法对于水电岩质边坡的稳定性概率分级具有较好的适用性,可以为水电岩质边坡的稳定性快速评价提供一条新的途径。

水电工程环境边坡危岩体稳定性综合评分方法

环境边坡危岩体关系到水电工程施工的安全和运行的可靠性,是最为突出的边坡问题之一。根据现场第一手资料,选取结构面特征、岩性、地形坡度、岩体风化与卸荷程度、地下水和地表水作为危岩体稳定性评价的关键性因素,结合其对危岩体稳定性的"贡献"程度,赋予相应的分值,另给予相关特殊因素判断分,从而建立了一套简单易行的评价危岩体稳定性的综合评分系统。之后选取大渡河双江口水电站左岸坝肩环境边坡的危岩体为样本,通过综合评分系统结果与极限平衡法定量计算结果的比较,验证了该综合评分系统的正确性。

高烈度区水电工程岩石高边坡三维地震动力响应分析

基于动力响应时程分析Wilson-θ法的原理和应用条件,结合西部某高坝岩石高边坡工程实例,建立三维高边坡地震动力分析模型。应用动力有限元法,研究岩石高边坡的动态特征,分析高边坡不同部位对地震加速度响应、位移响应及其应力响应特点。最后,探讨地震作用下,由于边坡形状和结构的差异,不同时刻高边坡的不同部位对地震响应的加速度值、位移值和应力值有明显不同,其中边坡中部的加速度有明显放大现象,边坡的中上部对地震响应最为敏感,地震时容易激发而破坏。研究表明,用时程分析法计算边坡地震作用下的动力响应结果能够较真实的反映出岩石高边坡的动态特征以及地震对高边坡的扰动作用。

高寒高海拔地区岩质边坡稳定性评价研究

为研究高寒高海拔地区岩质边坡稳定性的评判方法,选取影响该类特殊地区岩质边坡稳定性的12项主要评判指标,作为模糊评判的评价因子,应用AHP方法和模糊数学理论确定各指标的权重和隶属度,从而构建高寒高海拔地区模糊综合评判体系模型。基于该模型对旁多水利枢纽工程右岸公路边坡稳定性作模糊综合评判,评价结果较为客观地反映了工程实际情况,对该类地区岩质边坡稳定性进行分析预测具有一定的指导意义和参考实用价值。

水电岩质边坡稳定性预测的支持向量机方法

以我国水电工程区典型岩质边坡为例,选择边坡岩体质量系数、结构面方位系数、结构面类型修正系数、坡高系数及施工方法修正系数6个边坡稳定性复合指标作为评价因子,建立了水电岩质边坡稳定性预测的支持向量机方法,并将其与传统统计判别方法(如距离判别方法和Bayes判别方法)进行了比较。分析结果表明,支持向量机方法的预测精度较高,且高于传统数理统计判别方法的预测精度。

基于模糊理论的寒区岩质路堑边坡稳定性分级标准研究

季节冰冻地区的冻融循环作用对岩质路堑边坡产生稳定性影响,为研究寒区岩质路堑边坡病害的产生条件以及评价方法,选取影响寒区岩质边坡稳定性的常用指标,建立综合评价体系,同时基于权重矩阵采用模糊理论建立寒区岩质路堑边坡稳定性的分级标准。研究结果显示本分级标准适合于由多因素控制其稳定性的岩质工程。

三峡永久船闸高边坡安全监测

在深入分析永久船闸高边坡安全问题的基础上,提出了安全监测设计的基本原则;针对三峡船闸高边坡中的稳定性问题,提出了具体的监测要求;最后给出了具体的监测部位(断面)及监测项目和仪器的优化布置方案。实践表明,该方案是可行的,系统提供的监测数据能相互协调,互相印证。

溪落渡水电站坝基岩体质量综合分级

通过对已有岩体质量的评述，提出了对大型水电工程坝基岩体分级的综合分级方法。据对溪落渡水电工程18个钻孔岩芯的观测，首先分别应用比尼威斯基的地质力学分类、巴顿的Q系统分类和水电部的工程岩体分类方法对坝基岩体质量进行分类，再根据以上3种方法所得分级结果综合确定坝基岩体质量。分级结果表明，该工程的坝基岩体质量优良，以Ⅰ、Ⅱ类岩体为主，对工程建设有利。分级结果与坝区地质研究结果的对应性好。

岩体工程地质力学在水电水利工程勘察中的应用

应用谷德振先生的岩体工程地质力学理论,重视区域地质构造体系、重视收集地质基础资料、重视岩体结构的研究。在此基础上开展高拱坝、高重力坝、深埋长隧洞、地下厂房、抽水蓄电站的工程地质勘察和编制相应的地质勘察规范。

白鹤滩坝肩边坡开挖爆破损伤预测研究

岩石高边坡开挖爆破损伤预测是爆破振动安全控制的重要基础。通过理论分析研究了岩体损伤与岩体固有频率之间的关系,提出了基于岩体固有频率变化的边坡开挖爆破损伤预测方法,基于现场爆破振动监测和声波测试开展了白鹤滩右岸坝肩边坡开挖爆破损伤预测研究。结果表明,岩体固有频率变化率与岩体损伤深度之间存在显著线性关系,边坡开挖爆破损伤预测模型随数据样本增加而动态调整并趋于稳健,白鹤滩水电站右岸坝肩边坡各梯段开挖爆破下岩体损伤深度的Bayesian LASSO预测结果低于实际观测值的概率均高于0.83,Bayesian LASSO预测结果以概率形式涵盖实际观测结果,能显示预测结果的不确定性,提出的预测方法应用效果良好。

中国水电工程地质勘测技术的发展与展望

概述中国水电工程地质勘察的发展过程。对中国水电工程建设中常见的区域构造稳定、高坝坝基工程地质、工程高边坡稳定、地下工程围岩稳定和岩溶渗漏等主要工程地质问题的研究现状、内容、方法和评价原则,作了总结经验性的介绍。具体包括:活断层研究、地震危险性分析和区域构造稳定性评价;坝基岩体工程地质分类、建基面与岩(土)力学参数选择和深厚覆盖层勘察;工程高边坡地质结构、失稳条件和稳定分析、边坡处理与监测;水电工程围岩分类与围岩稳定分析以及河谷岩溶渗漏理论、岩溶地区坝址选择与岩溶渗漏处理原则等。并对上述工程地质问题今后勘察研究方向提出若干建议。

岩质边坡微震事件b值特征研究

研究分析锦屏一级水电站左岸边坡微震震级–频率关系及其对应b值变化规律。为评价左岸边坡整体稳定性以及强卸荷岩体损伤诱发的边坡局部潜在失稳风险,在已有多点位移计、石墨杆收敛计等常规监测仪器基础上,2009年左岸边坡成功安装运行微震监测系统。监测期内采集分析得到大量微震事件及其震源参数信息如震级、位置和时间,通过分析2009年6月至2011年5月之间微震数据,初步识别和圈定边坡深部岩体损伤区域,同时得到微震事件b值随时间变化规律。结果表明左岸边坡岩体损伤与b值存在一定关系:大坝拱肩槽周围微震事件b值等于0.87,说明微震活动性对岩质边坡稳定性影响较小;左岸边坡未知地质构造微震活动性b值小幅增大(从0.49到0.65)表明该未知地质构造岩体损伤或局部破坏风险不断降低。研究结果可为类似岩质边坡微震监测预报技术的应用提供参考,进而提高岩体稳定性监测的准确性。