块体稳定性

块体稳定性（精选5篇）

块体稳定性 篇1

摘要：采用Visual C++语言,OpenGL与API技术,对块体理论赤平解析法进行了相关软件开发,软件通过人机交互界面或文件形式进行数据输入,用所开发的软件对鹤上隧道的围岩稳定性进行了较系统的评价,为设计有效的加固方案提供了科学依据。

关键词：块体理论,赤平投影,软件开发,小间距

0 引言

根据掌握的现有相关资料分析,各类软件的分析功能较为全面,但随着块体理论的发展,相应的软件并未得到相应的扩展,不能较好地代表当今块体理论的发展水平,基于此,本文进行了块体理论工程分析软件的开发,运用VC++并采用动态链接库(DLL)技术,使用OpenGL技术实现计算结果的图形化输出,利用MFC函数方便实用地实现软件的前后处理功能,可以对图像进行编译,并且可以实现对图像的旋转、缩放等操作。

1 块体理论赤平解析法软件开发的主要技术问题

1.1 软件开发的设计思路

自关键块体理论被介绍到我国以来,国内多家科研院所将其应用到工程实践中,而且还编制了关键块体理论计算程序,给工程应用带来方便。有些功能还很强大,如许强、黄润秋等开发的边坡块体稳定性分析系统SASW,可以对边坡中复杂形状块体的稳定性进行现场快速评价。作者在部分吸收前人的研究成果的基础之上,结合本文的研究内容,开发了工程分析应用软件。计算结果的图形化输出,使得作为分析研究对象的工程实体更加形象地展现在用户面前,使用户获得直观感受。软件的设计框图如图1所示,该图很好地反映了本论文的程序设计思路。

按软件的运行过程可叙述如下:

1)根据应用方便可选择文本文件或窗口对话两种方式的数据输入,并可进行保存、打印等,而且这两种方式互相通用;

2)根据所需选择工程分析类型;

3)输入实际工程实体及结构面等的计算所需的相关参数;

4)程序开始进行相应的计算分析,分析存在的关键块体,可以选择输出关键块体的体积、重量、下滑力、安全系数,从而对实际工程进行稳定性分析,为失稳块体的锚固支护提供相关参数;

5)分析结果以图形及数据文件方式显示,并且所有的图形均可以进行缩放、移动,三维图形可进行旋转、动画等操作。

1.2 图形的初始开发

图形开发基于OpenGL技术。OpenGL(Open Graphics Language)是一个工业标准的三维图形软件接口,OpenGL功能强大,能够创建出接近光线追踪的高质量三维图像,是进行三维图形编程、实现科学数据可视化、实体仿真、三维动画乃至虚拟现实场景的重要工具。

OpenGL是动态链接库实现的低级图形API,这些动态链接库有两个版本,Microsoft的动态链接库和SGI的动态链接库。本软件开发使用的Microsoft的动态链接库,即opengl32.dll和glu32.dll。在Visual C++编程环境中调用OpenGL函数之前,需要加入OpenGL的库文件,方法是打开主菜单中的工程,选择设置,出现Project Settings对话框,选择连接页面,在对话框中的对象/库模块编辑栏中填入“opengl32.lib glu32.lib glaux.lib”。

图形开发中,使用了GeomCalc.dll,也即一个几何基本工具类库[5],基本内容是分析点、矢量和齐次变换矩阵之间的几何运算,并将它们的数据结构设计实现相应的C++类。在GeomCalc.dll中还设计并输出了常用的全局计算函数,以方便在不同的场合调用。如下:

double AFX-EXT-API-AngleBetween(VECTOR3D v1,VECTOR3D v2);

double AFX-EXT-API-DistOf(POINT3D pt0,POINT3D pt1);

BOOL AFX-EXT-API-IsParallel(VECTOR3D v0,VECTOR3D v1);

BOOL AFX-EXT-API-IsOrthogonal(VECTOR3D v0,VECTOR3D v1)。

图形开发中还使用了glContext.dll,这是基于OpenGL的图形工具库,在这个动态链接库中包含了3个封装的类:GCamera为照相机类,COpenGLDC为OpenGL绘图类,CGLview为OpenGL视图基类。

2 软件界面及功能

软件的功能:在“块体理论”的下拉菜单中,通过点击“数据输入”可以手动的输入各结构面的产状等;点击“输入定点”为输入经过测量所得的数据及各结构面所通过的定点坐标;通过点击“文件导入数据”可以将结构面的产状及各种信息以文本文件的形式导入,这样便于处理大量的数据;然后点击“计算”,则程序将执行计算过程,最终便可得到相关的计算结果。

在“数据输入”菜单下所对应的对话框实体中,“倾角”“倾向”下所对应的编辑框为用于输入结构面的产状,通过“增加”按钮来逐一加入各结构面的产状,若需要修改所输入的数据时,在对应的“组”“倾角”“倾向”的窗口中点击所要修改的那组数据后,此组数据会重新显示在“倾角”“倾向”所对应的编辑框中,此时可以把想要的数据重新填入后点击修改即可。“请选择临空面的数量”下的复选框是用来选择临空的数量,本软件中最多涉及两个临空面,其余的两个复选框是用来选择块体位于临空面的上盘或下盘。所需的数据都输入完毕后点击“确定”即可,点击“取消”则关闭此对话框。

在“输入所过的定点”对话框,通过“弱面”“x”“y”“z”“Φ”下所对应的编辑框来输入弱面的次序和所过的定点及弱面的内摩擦角,每次点击“增加”后,所输入的数据则读入文件中,并显示在次对话框所对应的窗口中;若需要修改所输入的数据,则在此窗口中点击所对应的数据后,此组数据将会重新出现在各编辑框中,将各数据改好后点击“修改”即可。

通过“文件导入数据”对话框可以打开任意目录下所需的文件,文件名应以.txt结尾,文件内容的格式应按倾角、倾向、定点坐标、结构面内摩擦角的顺序单击“打开”按钮后文件即导入,点击主菜单中的“计算”即可进行块体理论赤平投影的相关计算。

用OpenGL技术进行图形显示开发,在统一的图形显示风格下,软件中涉及的各种图形均可以实现图形的缩放、移动,三维图形的旋转、填充显示或框线显示等功能。

工具栏中Front表示前视图,Rear表示后视图,Left表示左视图,Right表示右视图,Top表示俯视图,Bottom表示顶视图,SWISO表示西南方向轴侧图,SEISO表示东南方向轴侧图,NEISO表示东北方向轴侧图,NWISO表示西北方向轴侧图,ZoomIn表示景物放大,ZoomOut表示景物缩小,ZoomAll表示显示全部模型,Shade是填充显示与框线显示功能的切换。

3 鹤上隧道的围岩稳定性分析

福建某高速公路鹤上隧道其地处东北走向的长乐—诏安断裂的北段,于其次级断裂琅歧龙台—吴庄—鼎干山断裂和琅歧上头仑—长乐风门岭—董凤山之间,为主要断裂之间的次级断块区,具有相对稳定性,属晚更新世活动断层,在全新世以来未有活动迹象。

鹤上隧道洞身均位于半径为1 710.00 m的平曲线内,进口桩号:K6+250.00;出口桩号:K6+700.00,隧道长450.00 m,纵坡为-2.5%,上下行线隧道相距8 m,系为小间距隧道。进口设计高:58.17 m;出口设计高:46.93 m。

根据现场的地质素描图可得到相应结构面的产状、测点坐标等参数。由相关设计资料可取结构面的抗剪强度指标φ=30°。

用所编制的软件计算结果可知:K6+250～K6+305,K6+620～K6+700分别有3个主要块体,其中2块体下滑力大于0,为关键块体,1块体下滑力小于0,为伪关键块体,这两段的下滑力都不是很大,所以多发生小坍塌;K6+325～K6+417共有2个主要块体且都为关键块体,其中块体最大的下滑力达到5 862 kN,所以此段注意防护,防止发生大坍塌;K6+417～K6+526,K6+526～K6+587都存在伪关键块体,所以在支护时要多加注意;K6+587～K6+620关键块体较多,且下滑力较大,在支护设计时要多加注意。由以上计算结果得知:K6+250～K6+305,K6+620～K6+700围岩相对稳定,大多发生小坍塌;K6+305～K6+325,K6+587～K6+620围岩相对松动较易失稳;K6+325～K6+417,K6+526～K6+587围岩稳定性极差;K6+417～K6+526围岩稳定性较复杂。

4 结语

1)以Visual C++为开发平台,按程序设计框架,采用动态链接库(DLL)技术实现了软件的开发。

2)用程序对鹤上隧道进行块体稳定性分析,所得出的结果与施工期地质编录得到的鹤上隧道围岩破坏情况基本相符。

3)用程序所计算的结果为隧道临时支护起到了良好的指导作用。

参考文献

[1]张奇华,刘祖德,邻爱清.Windows环境下块体理论工程分析软件的初步开发[J].长江科学院院报,2004,21(1):60-62.

[2]刘长祥,金秀丽.模糊聚类分析在隧道围岩稳定性预测中的应用[J].山西建筑,2007,33(7):257-258.

[3]苏生瑞,怀超.关键块体理论在高速公路连拱隧道围岩稳定性分析中的应用[D].西安:长安大学硕士学位论文,2005.

[4]刘祖德,张奇华.块体理论的应用基础研究与软件开发[D].武汉:武汉大学博士学位论文,2004.

[5]王清辉,王彪.Visual C++CAD应用程序开发技术[M].北京:机械工业出版社,2003.

块体稳定性 篇2

大渡河金川水电站位于四川省金川县城以北约12 km的大渡河上(又名大金川),右岸下游1 km有较大支流新札沟汇入。坝型为堆石坝,左岸布置地下厂房,右岸布置导流洞、溢洪道。大坝高度约为112m,装机容量为860MW,水库正常蓄水位为2253.00 m。左岸引水发电系统进水口轴向边坡边主要位于一单薄山梁上,深沟切割两面临空,边坡上游为大槽沟,下游冲沟为三朗沟(见图1)。整个进水口边坡顶部高程在2390~2395m之间。岩性多样,构造复杂。

2 地层岩性

金川水电站坝址区出露地层岩性为一套三叠系上统杂谷脑组上段(T3z2)薄—厚层状变质细砂岩夹碳质千枚岩,由于构造较为发育,导致地层产状变化较大,在Ⅱ线以下,岩层产状为N30~40°W/SW(NE)∠70~85°,而在Ⅱ线以上,岩层产状变为N30~40°W/SW∠55~70°。根据岩性、层厚及其组合特征,将坝址区这套地层由老到新共划分为8个工程地质岩组,分别为T3z2(1)-T3z2(8),其中进水口边坡主要位于T3z2(6)和T3z2(7)两个岩组中,另外在边坡表部还有一些松动变形体和第四系堆积物。

3 地质构造

进水口边坡区的构造比较发育,其主要的结构面为顺层发育的各种挤压带和层间错动带,其倾向在200~230°之间,倾角在50~70°之间,破碎带的宽度一般为几厘米到几十厘米不等,切层发育的断层较少。边坡岩体中裂隙的优势方位共有四组(见表1)。其中最为发育的一组裂隙是层面。其次是一组NW倾向、倾角在45°以上的中陡倾裂隙。另外的两组裂隙倾向分别为SE和NE。三组倾坡内,一组倾向坡外。倾向坡外的裂隙为优势裂隙中的第二组,这对于边坡的稳定性是不利的。裂隙主要以短小裂隙为主,其中迹长在1m以下的裂隙所占的比例高达57.02%,迹长在1~2m之间的占25.39%,迹长在2~3 m之间的占9.47%,迹长在3 m以上的裂隙仅占8.12%。长大结构面中最发育的一组是层面。进水口轴向边坡走向与岩层走向交角为65°,坡体结构为横向层状斜坡,这对于边坡的整体稳定性是有利的。上游侧边坡与岩层走向交角为25°,并且上游边坡倾向与岩层倾向一致,因此属于顺层斜坡,这对于边坡的整体稳定是不利的。

4 变形失稳机制

通过野外露头和平硐对各岩层厚度进行统计,金川水电站左岸进水口岩层层厚普遍在30cm以内,属于薄层—互层状结构。边坡的稳定主要受到结构面的组合状况和强度指标参数控制。研究表明,边坡的变形失稳情况主要有:

(1)沿底部弱面向临空面蠕滑拉裂破坏模式(见图2)。在进水口山梁下游侧边坡内发育一条倾向坡外偏上游的断层,断层上部的岩体发生向坡外的蠕滑拉裂破坏。底部断层(弱面)的产状为45~50°∠35~45°,拉裂缝的产状为290~320°∠55~75°,拉裂缝的宽度普遍在0.5~5 cm之间。

(2)块体下滑或者掉块破坏。一种是三组结构面组合形成不稳定块体向临空面滑移破坏模式(见图3),其组合形式有:分离面210°∠69°和分离面310°∠88°与底滑面230°∠35°;侧部分离面(层面)217°∠57°和顶部分离面164°∠13°与底滑面347°∠38°。另一种是两组结构面和其它随机结构面组合形成不稳定块体向临空面下滑的破坏模式。两组相对较大的结构面相互切割形成楔形体;左侧分离面28°∠84°,右侧分离面166°∠40°在空间相互交割形成了向临空面的潜在不稳定块体,随机结构面将潜在不稳定块体底部的岩体切割。这种破坏模式一般发生在开挖边坡强风化段内,特别是在开挖边坡开口线上部自然边坡的地表。

(3)倾倒变形破坏模式。一种是顺层面的倾倒变形破坏模式(见图4),上部岩体已经向上游冲沟折断,折断面的产状为30°∠48°。另一种是顺长大结构面的倾倒变形破坏(见图5),一组长大结构面将岩体切割成层状,在岩体自重作用下发生向临空面的倾倒变形破坏,上部倾倒变形岩体长大结构面的产状为147°∠68°,下部未倾倒变形岩体长大结构面的产状为145°∠76°。

5 边坡块体稳定性分析

边坡块体稳定性分析是对边坡岩体稳定性评价的一个重要方面。从大量的工程实践可知,边坡开挖过程中,边坡岩体的主要破坏方式正是块体的失稳破坏。而块体的失稳破坏的一个重要条件就是岩体中各种结构面在空间的相互组合能够形成块体,一旦边坡开挖形成临空面后,这些组合的块体与边坡开挖面在一定的条件下就会组合形成潜在的不稳定块体。

5.1 边坡岩体质量分级与力学参数

CSMR分级方案是在RMR-SMR体系的基础上,引入高度修正系数和结构面条件修正系数,是一种适用于边坡岩体质量评价的方法[1~3]。采用该方法对边坡上的PD17号平硐内岩体质量进行分级评价。在平硐的前部0~48m弱风化上带内,受风化卸荷影响,岩体质量一般为Ⅲ2级;而在34~42m的地方,受断层破碎带的影响岩体质量较差,岩级为Ⅳ级岩体;硐深48~101m段为弱风化下带,岩体质量有一定的提高,岩体质量普遍为Ⅲ1级;在101m以后,开始出现Ⅱ级岩体。

根据6组岩体抗剪强度试验、4组结构面现场大剪试验和14组岩体现场变形试验的成果,以及在MTS伺服机上进行的17组小岩体抗剪强度试验、18组硬性结构面试验和17组小岩体变形试验和9组破碎带原状样剪切试验的成果,参考国家规范[4],并综合考虑各种因素的影响,给出结构面和边坡岩体的力学参数建议值,见表3。

5.2 边坡块体稳定性分析

将地质图中的地形等高线提取出来,获取等高线上每个点的三维坐标值,然后输入三维模型生成软件中,得到进水口边坡的三维实体模型,并将统计得到的全部长大结构面做成三维圆盘模型,然后放入三维数值模型中。由于模型是数值化的,模型中的每一个点均有三维坐标,因此可以对模型进行任意方向的剖切。结合边坡的开挖设计,进行平行轴向边坡和垂直轴向边坡的方向进行剖切,可以得到这两个方向上结构面在空间的相交和组合块体情况(见图6和图7)。

将两两组合的结构面和获得的结构面参数输入商用块体稳定性计算程序中进行计算,得到各组合块体的稳定性;计算考虑的工况有以下几种:天然状态、暴雨状态、地震状态,其中地震状态下,水平地震峰值加速度a=0.097g。计算的结果见表4,典型破坏块体的组合模式和赤平投影分析见图8和图9。

从表中的结果可以得到以下几点结论:

(1)在天然状态下,PD17-91和PD17-97.5两条结构面组合块体的稳定性较差,仅为0.7,组合块体的体积为226.78m3,开挖过程中可能引起下滑破坏,应该引起重视。其它组合块体的稳定性较好,均在1.8以上。

(2)暴雨状态下,PD17-91和JSK-20组合块体的稳定性有较大程度的降低,从天然状态的2.42降低为0.72,其组合块体的体积为780.78m3。并且PD17-91和PD17-97.5组合块体的稳定性进一步降低为0.38,组合块体将会出现失稳破坏。其余组合块体的稳定性较好,稳定性系数均在1.5以上。

(3)地震状态下,只有PD17-91和PD17-97.5组合块体的稳定性在1.0以下,为0.61,其余组合块体的稳定性均在1.5以上,稳定性较好。

6 结论

由于受到断层构造的控制和影响,金川水电站左岸引水发电系统进水口处岩质边坡可能存在的破坏类型主要有三种:倾倒破坏、蠕滑拉裂破坏、块体下滑或者掉块破坏。通过对野外长大结构面的测量和硬性结构面的统计分析,利用CSMR方法对边坡岩体进行评价分析,结果表明边坡岩体稳定。边坡块体稳定性分析结果表明,在轴向边坡的14个组合块体中,在天然和地震状态下,不稳定块体只有1个,即PD17-91与PD17-97.5的组合块体;在暴雨状态下,不稳定块体有2个,即PD17-91与PD17-97.5的组合块体和PD17-91与JSK-20的组合块体,除此以外,其它块体均较稳定且稳定性系数都在1.5以上。因此,该岩质边坡处于稳定状态,不会对电站的生产运行和交通运输产生威胁。

从上面的分析结果来看,需要注意的是上游侧的顺层边坡,但是由于上游侧边坡开挖高度不大,只要做到及时支护就可以有效地避免各种工程事故的发生。因此总体上来看,左岸进水口边坡没有发现大的、控制性的工程地质问题,边坡工程地质条件较好。

摘要：边坡开挖为边坡岩体中的岩石块体创造了新的临空条件,块体的初始稳定状况受到了外界影响,因此需要重新对结构面组合块体稳定性进行评价。通过对金川水电站左岸引水发电系统进水口边坡的岩性、构造、变形失稳机制以及岩体质量和力学参数的研究,利用空间坐标建立了边坡和结构面的三维地质模型,结合边坡的开挖设计,进行平行和垂直轴向边坡方向的剖切,从而得到块体组合情况。然后,利用商用岩石边坡块体稳定性计算程序对各潜在不稳定块体进行计算。计算结果表明:除了在极端的工况下局部块体会失稳外,其它块体均较稳定。

关键词：金川水电站,边坡块体,CSMR系统,变形失稳机制,稳定性分析

参考文献

[1]杨天俊.边坡岩体质量分类体系介绍[J].西北水电,2004,(2):8～9.

[2]李胜伟,李天斌,王兰生.边坡岩体质量分类体系的CSMR法及应用[J].地质灾害与环境保护,2001,12(2):69～72.

[3]余先华,聂德新.岩质边坡确定性块体稳定性的研究[J].水土保持研究,2007,14(3):180～181.

块体稳定性 篇3

关键词：块体理论,关键块体,围岩稳定性

随着国民经济的快速发展, 交通、水利、矿山等工程中的隧道或洞室越来越多。岩体是处于一定天然应力环境中的地质体, 被各种节理、裂隙等结构面所分割。隧道工程的开挖将再次切割这些空间块体, 形成不同规模的岩石块体, 这些块体的失稳或垮落是影响岩体整体稳定性的关键因素, 往往在施工及运营过程中造成灾害[1,2]。在分析围岩稳定性时, 可主要对这些失稳块体进行分析和加固, 就可以确保整个工程岩体的稳定。

1 块体理论的基本原理

1.1 块体的基本类型

岩体被临空面和结构面切割成了大小不同、形状各异的块体。从工程岩体的稳定性出发, 其中有些类型的块体不会引起危害, 另外一些类型的块体则容易导致岩体工程事故的发生。块体可分为无限块体和有限块体两大类。有限块体又可分为不可动块体和可动块体。可动块体又分为稳定块体、可能失稳块体和关键块体[3,4]。各块体类型的示意图如图1所示。

1.2 块体可动性的几何分析

将各空间的界面进行平移, 使其通过坐标原点形成棱锥, 假定块体为这些半空间的交集。如若棱锥为非空集, 那么相应的凸块体无限;若棱锥为空集, 则相应的凸块体为有限。有限块体并非全部是可移动的, 如果只由结构面形成的裂隙锥为有限, 由临空面与结构面一起组成的块体锥也为有限, 那么块体不可动;如果只由结构面形成的裂隙锥为无限, 由临空面与结构面组成的块体锥为有限, 那么块体可动。

1.3 关键块体的运动学分析

以上都是纯几何学的论述, 接下来从运动学的角度对可动块体进行分析。作用于可动块体上的力有:主动力合力滑动面上的法向反作用力滑动面上的切向摩阻力块体有三种运动形式, 即直接掉落、沿单面滑动和沿双面滑动 (见图2) 。

图2a) 上表示结构面l指向块体内部的法向矢量。可以看出, 块体的运动方向必须满足时才能使块体直接脱离岩体。

从图2b) 中可以看出, 块体要沿单面下滑必须满足以下两个条件:一是不脱离滑动面i, 即二是块体的运动方向使i以外各结构面与岩体脱开, 即

由图2c) 中可以看出, 块体要沿平面i和j双面滑动, 必须使块体与滑动面i和j接触, 即

为了便于程序化, 在滑动面上假定一切向力表示净滑动力。显然, 如果净滑动力为正值, 即F>0, 那么该可动块体为关键块体。反之, 如果净滑动力小于摩阻力, 即F<0, 则块体处于稳定状态[5]。通过计算净滑动力F的值, 从而确定关键块体。

2 块体理论分析隧道围岩稳定性

某分离式公路隧道南北走向, 净宽10.75 m, 净高5 m。根据地质测量与概率统计, 该隧道主要有三组优势结构面, 其参数取值见表1。

根据可动块体判别标准, 在隧道的顶部、两侧及底部形成如图3所示的关键块体。由于块体1, 2在底部, 属稳定块体。因此主要对块体4, 5, 7, 8进行加固, 其块体特征如表2所示。

对不稳定块体, 工程上常常采用锚喷支护的措施来提高其稳定性。对于以上危险块体, 采用长12 m的锚杆进行加固, 其他一般区域采用长4 m的锚杆, 锚杆沿着隧洞的两侧及顶部均匀布置, 与洞壁垂直, 间距均为1.5 m, C25混凝土喷层厚度为20 cm, 锚喷支护见图4。由表3可以看出:在支护前后, 安全系数有了较大的提高, 起到了较好的效果。

3 结论与存在的问题

1) 块体理论是工程岩体稳定分析的有效方法。根据调查的裂隙数据, 可对施工过程中可能出现的不稳定岩石块体的数量、规模、形状等进行预测, 进而优化开挖及锚固支护设计方案。

2) 块体理论假设结构面为平面且无限长, 而实际上结构面的延伸是有限的, 有时会无法形成块体或没有完全把块体切割下来。因此通过该理论得到的关键块体是最不利的情况。

3) 另外, 块体理论无法确定关键块体的具体出露位置, 需要结合现场地质超前预报进一步分析, 有待继续深入探讨。

参考文献

[1]王在泉, 华安增.确定边坡潜在滑面的块体理论方法及稳定性分析[J].工程地质学报, 1999, 7 (1) :40-45.

[2]于青春, 陈德基, 薛果夫, 等.裂隙岩体一般块体理论初步[J].水文地质工程地质, 2005 (6) :42-48.

[3]Shi Genhua, Goodman RE.Block Theory and Its Application to Rock Engineering[M].New York:Prentice Hall, 1985.

[4]刘锦华, 吕祖珩.块体理论在工程岩体稳定分析中的应用[M].北京:水利水电出版社, 1988.

块体稳定性 篇4

关键词：地下厂房,矢量和法,关键块体,稳定性

1 工程概况

三峡水利枢纽位于西陵峡中段的湖北省宜昌市境内的三斗坪, 距下游葛洲坝水利枢纽工程38 km, 其右岸地下厂房位于白岩尖山体中, 地下电站, 是相对置于坝后的敞开式电站而言, 置发电机于山体内的隐蔽式电厂。三峡地下电站就是在三峡大坝右侧的山体“白岩尖”内, 凿出一个大洞作为地下厂房;再在厂房内安装6台70万kW装机容量的机组发电。地下电站建成后, 将使三峡电站的总装机由26台增加到32台, 装机总容量由1 820万kW增至2 240万kW;其再增的发电装机容量, 相当于1.5个葛洲坝水电厂、2.3个小浪底水电站。

三峡右岸地下厂房由主厂房、引水洞、母线洞、尾水洞等建筑物组成。根据设计资料, 各个洞室尺寸如下。

主厂房:轴线方向为NE43°, 平面尺寸为311.3 m×32.6 m (其中机组段长250.5 m, 安装厂房长60.8 m) , 横剖面为城门洞型, 断面尺寸为32.6 m×87 m (宽×高) 。

引水洞:为一机一洞型, 共6条, 进口高程119.75 m, 出口高程57 m (断面中心点的高程) 。上平段与下平段之间由60°的斜井段连接。上平段、下平段和斜井段洞径均为8 m。上平段长47.3 m, 下平段长27.1 m。6条引水洞间距为38.3 m, 引水洞与主厂房轴线垂直。

尾水洞:为一机一洞型, 共6条, 入口高程22 m, 出口高程44 m (洞底的高程) , 为有压洞。6条尾水洞间距为38.3 m, 尾水洞与主厂房轴线夹角80°。

母线洞:位于主厂房下游侧, 为一机一洞型, 城门洞型, 共6条, 高程66.5 m, 沿轴向的纵向剖面尺寸为20.9 m×9.7 m (长×高) , 垂直于轴线的横剖面的尺寸为9.6×9.7 (宽×高) , 衬砌厚度为0.8 m。然后经断面为7.6 m×9.7 m的水平母线洞和8.1 m×8.1 m的母线竖井将母线引入高程182 m的升压站。

2 三峡右岸地下厂房的工程地质条件及围岩物理力学参数

地下厂房区位于长江右岸白岩尖山体中, 与右岸坝后式厂房相毗邻, 山顶高程243m, 上游是茅坪溪, 下游有枫箱沟等近EW向的沟谷发育。地下厂房区岩石主要有前震旦系闪云长花岗岩和闪长岩包裹体, 岩体中尚有花岗岩脉和伟晶岩脉。厂房区主要断层F20、F22、F24等走向NNW340°～350°, 倾向SW为主, 陡倾角60°～85°, 宽一般为2～5m, 构造岩胶结较好;次为F84 、F205 、f100等NNE70°～90°的断层, 倾向北为主, 短小、分布稀疏, 断层宽0.3～3 m, 以角砾岩为主, 断面波状起伏, 多张开渗水, 胶结较差。另外还有f10等NE50°, 倾向西, 倾角50°的断层, 宽1.00～3.00 m, 构造岩中夹泥, 胶结较差。地下厂房由主厂房、引水洞、尾水洞系统组成的大型地下洞室群, 位于微新岩体中, 岩石坚硬, 完整性较好, 主厂房上覆山体厚度为63.00～98.00 m, 水文地质条件较简单, 成洞条件较好[1,2,3,4]。

根据地表测绘, 平硐勘探及钻孔揭露, 地下电站区断层较发育, 但多为裂隙型, 延伸长度一般小于100 m, 破碎带宽度一般小于0.3 m。延伸长度大于300 m, 破碎带宽度大于1m的断层见到2条, 即F20及F84;延伸长度大于100 m, 破碎带宽度大于0.5m的断层见到5条, 即F22、F24、f10、f35、f1。断层以陡、中倾角为主。构造岩主要为碎裂岩、角砾岩及影响带, 破碎岩一般胶结较好, 而角砾岩一般较松散个别断层含泥或泥化物。

根据断层的走向以及厂房的位置, 将对地下厂房整体结构产生重要影响的断层整理成表1。

将围岩岩体划分成强风化、弱风化、和微风化3个岩体区, 每个区的岩体物理力学参数见表2。

3 矢量和法简介及计算模型

3.1 矢量和法简介

边坡与坝基抗滑稳定分析方法都是在对“潜在”滑动体和“潜在”滑动面进行受力分析的基础上定义和求解抗滑安全系数, 根据安全系数的大小来判定其稳定程度。我们认为, 最经典抗滑稳定安全系数 的概念和定义应该是:坡体在受各种荷载 (包括自重) 作用条件下, 潜在滑动面所能提供的极限抗滑力的“总和”与作用在潜在滑动面上滑动力的“总和”之比。这样的定义是非常直观和朴实的。“矢量和”分析法基于如下诸点[5,6,7,8]:

(1) 这里说的“总和”, 并不是力的简单叠加, 因为力是矢量。把作用在潜在滑动面上各分段的滑动力矢量按“矢量和”合成为导致坡体可能发生滑动的力矢, 称之为总滑动力矢。同理, 把作用在潜在滑动面上各分段的抵抗滑动的力矢, 通过“矢量和”形成总抗滑力矢。

(2) 因为总抗滑力矢与总滑动力矢都是矢量, 不可能通过直接对比形成用标量表达的抗滑稳定安全系数。它们必须在某一方向上进行投影才能计算出具有标量性质的抗滑稳定安全系数K。

(3) 向不同方向投影所得的结果是不同的。因此, 要确定最合理, 而且有明确物理含义的投影轴。

(4) 在二维状态下总滑动力矢与总抗滑力矢在一个平面内。作用在潜在滑面上各段的剪力τiΔli的矢量和的方向代表坡体可能发生滑动的趋势方向, 经过多年研究我们认为也可将坡体潜在滑面上各点极限抗滑强度矢量和作为滑动趋势方向, 在通常情况下两者相差很小, 将坡体滑动趋势方向作为投影轴是最为合理的。

(5) 在三维状态下采用同样的原则, 将潜在滑动面上各微元面上滑动力通过“矢量和”合成总滑动力矢。将滑动面上各微元面δi上的τiδi合成的矢量方向称为整体滑动方向。各微元面上的抗滑力通过“矢量和”合成总抗滑力矢。将总滑动力矢与总抗滑力矢向坡体潜在滑动方向投影, 它们的比值称之为“矢量和法”抗滑稳定安全系数。

3.2 计算模型

图1为初始地质模型, 图2和3是地下和地表开挖模型, 图4是地下厂房部位断层切割形成的几个关键块体, 是后续稳定性分析的重点.先用数值模型得到计算块体的应力边界条件, 然后利用矢量和方法计算其稳定性。

4 关键块体稳定性分析

4.1 1号块体稳定性分析

1号块体是有f285、f10、F84、下游边墙及开挖设想的105.3 m高程的水平顶面构成。其模型如图5。计算所采用的几何及力学参数如表3。

计算得到的整体潜在下滑方向为[-0.035 8, -0.659 1, -0.751 2], 方向角相对于计算坐标系分别为92.05°, 131.23°和138.68°, 如图5。

无支护时其安全系数为1.049 3。计算结果见表4。可见, 安全系数随着锚固应力的增大而不断增大。有效间排距布置约为4.4 m时即可达到2.0。

4.2 6号块体稳定性分析

6号块体是有f205、f58、F22、下游边墙及假象的105.3 m高程的水平顶面构成。其模型如图6。计算所采用的几何及力学参数如表5。

计算得到的整体潜在下滑方向为[0.144 8, -0.632 5, -0.761 0], 方向角分别为81.44°, 129.23°和139.55°, 如图6。

无支护时其安全系数为2.002 4。计算结果见表6。可见, 安全系数随着锚固应力的增大而不断增大。有效间排距布置约为4.4 m时即可达到3.246 2。

4.3 456号块体稳定性分析

考虑到单独分析6号块体计算得到的安全系数较大, 可能不是最危险的滑动模式, 因此将456号块体作为一个整体来考虑。

456号块体是由f205、F22、下游边墙及假象的105.3高程的水平顶面构成。其模型如图7。计算所采用的几何及力学参数如表7。

计算得到的整体潜在下滑方向为[0.085 1, -0.613 4, -0.785 2], 方向角分别为85.12°, 128.56°和141.74°, 如图7。

无支护时其安全系数为1.279 1。计算结果见表7。可见, 安全系数随着锚固应力的增大而不断增大。有效间排距布置约为4.4 m时即可达到2.141 6。

5 结 语

根据矢量和安全系数法, 对4号块体和6号块体的稳定性进行了分析, 4号块体在无支护的情况下, 安全系数为0.965, 300 t锚索支护间距为4.5时安全系数即可达到2.0以上;6号块体单独下滑时, 无支护情况下安全系数即可达到2;456号块体在无支护情况下安全系数为1.28, 在300 t锚索支护间距为4.0时安全系数可达到2.0以上。

参考文献

[1]张小刚, 唐田余.走进三峡右岸地下迷宫——三峡工程地下电站解读[J].中国三峡建设, 2005 (5) .

[2]长江科学院.三峡工程地下厂房区域1995年地应力测量研究报告[R].武汉:长江科学院, 1996.

[3]刘志宝, 宁海龙, 张海涛.岩土工程中位移反分析方法及其进展[J].路基工程, 2006 (128) .

[4]郑宏.关于岩土工程有限元分析中的若干问题[J].岩土力学, 1995, 16 (3) .

[5]丰定祥, 吴家秀, 葛修润, .边坡稳定性分析中几个问题的探讨[J].岩土工程学报, 1990, 12 (3) .

[6]葛修润.用PC型微机对岩体工程课题进行有限元分析[C]∥第一届全国计算岩土力学研讨会论文集.1987.

[7]刘艳章.边坡与坝基抗滑稳定的矢量和分析法研究[D].北京:中国科学院研究生院, 2007.

高速远程滑坡块体碰撞动量分析 篇5

1 理论分析

将滑体分割成块体进行研究, 特别是滑体在下滑冲击碰撞过程中破碎后, 其颗粒间紧密联系又相互碰撞的过程, 在滑面上符合动量守恒定律。其简化的模型为两颗球间的碰撞, 球i与i+1的质量分别是与, 球颗粒撞击前的速度为与, 撞击后速度改变为与。

由于球颗粒之间的碰撞模式不是完全的弹性碰撞, 也不是完全的非弹性碰撞, 特别是高速远程滑坡现实或模拟中, 颗粒球的变形模量不只有弹性模量, 而且碰撞过程中颗粒间存在一定的粘滞阻尼, 因此, 这种碰撞介于完全弹性碰撞与完全非弹性碰撞之间。碰撞存在恢复系数, 当=1时, 颗粒间实现了完全的能量传递, 速度发生了置换, 符合完全弹性碰撞;当=0时, 颗粒在碰撞后, 速度一致, 可以理解为两颗粒黏合到一起, 共同运动, 为完全非弹性碰撞。

高速远程滑坡滑坡体在破碎运动过程中, 作为滑体主体物质组成的岩石体之间的碰撞, 很明显不能够达到完全弹性碰撞的理想状态, 也不会像粘土质滑坡一样, 滑体完整性很好, 因此高速远程滑坡滑体运动过程块体间的碰撞形式一定介于完全弹性碰撞与完全非弹性碰撞之间。

2 PFC3D数值模拟分析

PFC3D (Particle Flow Code in 3 Dimensions) 也称之为二维的颗粒流程序[4], 它的核心就是离散颗粒离散单元法。通过对颗粒单元的运动过程以及相互之间的接触作用力研究, 来得到颗粒的特性。PFC3D的应用十分广泛, 起初主要应用于散体介质, 在研究散体介质细观力学特征基础之上, 将散体介质的力学响应从物理问题上面转化到数学问题上。这样的话, 一个真实的物理问题就简单的被数学领域中抽象的数值代替。通过设计单元的几何形状, 用合适的接触本构模型替代颗粒间相互作用力, 确定相应的边界条件和应力平衡状态, 就可以得到与颗粒宏观力学特性一致的细观参数[5]。

将上述动量理论模型代入到PFC3D进行数值模拟, 数值模型以ID=1与ID=2的球体ball来模拟碰撞球体i与i+1, 滑面通过墙体wall来模拟。所用模拟参数如下:球颗粒半径为1m, 球1初速度为V1=1m/s, 球2为V2=0m/s, 法向及切向刚度为1e8MPa, 球间的摩擦系数为0, 法向临界阻尼为0.36。

当球1与球2处于碰撞的临界点, 此时的速度曲线显示的是设置的初速度, 分别为V1=1m/s, V2=0m/s。两颗球体发生碰撞后, 由于球2的速度大于球1, , 此时球2已经与球1拉开了一定距离, 此时速度曲线显示球1的速度为U1=0.4m/s, 球2的速度为U2=0.6m/s。V1、V2、U1、U2之间的关系符合公式 (1) , 即V1+V2=U1+U2。将各数值代入到公式 (2) 中, 则此时碰撞的恢复系数K=0.2。

数值模拟实验能够模拟完全弹性碰撞模式, 模拟实验中得出的恢复系数K并不是等于1, 而是0.2, 是因为在模拟参数中将法向阻尼系数赋值为0.36, 。PFC3D软件, 通过切向和法向的粘性阻尼系数来表现粘滞阻尼, 粘滞阻尼主要用以模拟颗粒和颗粒之间或颗粒和墙体之间, 因塑性碰撞而损失的能量。在本次模拟实验中, 由于只有两个球体碰撞, 而且是法向碰撞, 因此球体只被赋值了法向临界阻尼系数, 从能量上分析, 刚体碰撞的阻尼能等于碰撞前后损失的动能, 因此阻尼系数与恢复系数有一定的关系。为了验证阻尼系数与恢复系数之间的关系, 只有一组数据显然是不够的, 现设置十组法向阻尼系数进行模拟实验, 其他参数不变, 以获取相对应的恢复系数。

从实验结果可以明显的看出, 颗粒间的法向阻尼系数与颗粒间碰撞的恢复系数具有明显的非线性反比例关系, 并且当法向阻尼系数达到0.6时, 恢复系数K开始趋近于0。从颗粒间的碰撞模式分析, 当法向阻尼系数为0时, 恢复系数K为1, 碰撞形式为完全弹性碰撞;当法向阻尼系数为0.6时, 恢复系数K值趋近0, 碰撞形式无限接近于完全非弹性碰撞, 到0.7时已完全成为完全非弹性碰撞模式。颗粒的法向阻尼系数与碰撞模式有着明显的对应。对于岩石恢复系数测量, 章广成等[6]通过高速摄像机和ANSYS软件做出了较为精确的测定, 并指出当地面为基岩裸露面时, 法向碰撞恢复系数为0.6~0.8, 切向碰撞恢复系数为0.0~0.3;为碎屑堆积层时, 法向碰撞恢复系数为0.4~0.6, 切向碰撞恢复系数约为0.6。且切向恢复系数与随着入射角的降低而升高。从法向阻尼系数对应的法向恢复系数分析, 以岩石为主要物质组成的高速远程滑坡, 其运动过程中, 颗粒块石间的法向阻尼系数在0.1-0.2之间, 而这一区间上的其岩石块体之间的碰撞模式很接近完全弹性碰撞, 是处于对块体间碰撞速度传递非常有利的区间。正是这种块石体之间良好的碰撞模式, 使速度的衰减过程变慢, 可以看做是滑体在一定的速度范围运动时间T的延长, 由速度与距离的基本公式S=VT可知, 滑体的运动距离S更长。由此通过块体间动量守恒理论, 可以作为解释高速远程滑坡远距离运动的动力原因。

3 结论

动量理论解释了岩石块体之间碰撞后速度分配更利于滑坡体保持高速度运动的原因, 根据动量理论得出的恢复系数与法向粘滞阻尼系数的关系, 有恢复系数与法向粘滞阻尼系数的曲线关系图, 再结合岩石固有的恢复系数, 得出岩石体碰撞时具有较小的粘滞阻尼, 物体间碰撞时粘滞阻尼越小, 则碰撞形式越接近完全弹性碰撞, 物体碰撞后传递速度越彻底, 越有利于物体的运动速度保持。

参考文献

[1]张明, 殷跃平, 吴树仁, 等.高速远程滑坡-碎屑流运动机制研究发展现状与展望[J].工程地质学报, 2010.

[2]廖小平, 徐峻龄, 郑静.高速远程滑坡的动力分析和运动模拟[J].中国地质灾害与防治学报, 1993.

[3]刘忠玉, 马崇武, 苗天德, 等.高速滑坡远程预测的块体运动模型[J].岩石力学与工程学报, 2000.

[4]Ghabouss.J, Pecknold.D.A (1984) , Incremental finite analysis of geometrically altered structure.International Journal for numerical methods in engineering.vol.20:2051—2064.

[5]曾远.土体破坏细观机理及颗粒流数值[D].同济大学, 2006.