变坡

变坡2100433B

第

1章 绪 论1。1 引 言岩体作为一种复杂的地质体，流变特性是其重要的力学特性之一。工程实践与研究表明，岩体工程的破坏与失稳,在许多情况下并不是在开挖完成后立即发生的，它是岩体的应力、变形随时间变化而不断发展和调整,需要延续较长一段时期。由于岩体的非均质性

、不连续性和各向异性,在长期荷载作用下,工程岩体的应力应变状态

、变形破坏特征均随时间而不断发生变化,具有显著的流变时效特性。对高边坡软弱岩带来说，由于其强度低、质地软弱,在较小荷载作用下,极易出现显著的流变变形，并随荷载增大最后产生破坏。对高边坡硬脆性岩体来说,由于其强度较高，一般认为其不会产生流变,但许多实际监测结果表明,即使是质地比较坚硬的岩体，因为受到大量节理裂隙的切割,在开挖卸荷和高地应力的长期作用下也会产生明显的流变变形。如三峡船闸花岗岩高边坡在开挖完成后,其边坡与底槽在卸荷后的变形不是即刻完成的，而是具有较强的时效特性,并导致边坡支护的一部分锚杆

、锚索在经过一段时间后被拉断和失去加固效果；锦屏二级水电站引水隧洞和辅助交通洞的围岩主要为质地坚硬的大理岩，辅助洞的现场监测资料表明,隧洞开挖过程中大理岩随时间增加而持续变形，出现明显的蠕变现象。国内外许多高拱坝工程在运行过程中出现失事和变形破坏在很大程度上是与

坝肩坝基边坡岩体的时效变形特性有关。例如,1963年10月9日发生的意大利瓦依昂

(Vajont)水库库岸边坡的蠕滑破坏,是一次震惊世界的大坝失事,巨大的深层滑动岩体

(据估计为2.8亿m3),从峡谷左岸快速滑落到库底,产生的涌浪超过坝高

267m的双曲拱坝的坝顶,冲向下游河谷,下游朗加隆镇的大部分房屋、道路在

7min后荡然无存,死亡近3000人[1,2]。1959年12月,坝高60m的法国马尔帕赛

(Malpasset)拱坝突然溃决,造成400人死亡。我国的部分拱坝在运行过程中出现的破坏问题也较普遍，如1962年11月6日,安徽省梅山连拱坝右岸坝基边坡大面积漏水，最大漏水量达70L/s,部分坝基出现20mm以内不同程度的剪切错动和陡裂隙，部分帷幕受损。12#垛、13#垛、14#垛和15#垛发生不同程度的偏移,其中1

3#垛向左偏移较大,达42.04mm,同时坝基上抬,右岸坝基、坝体许多部位出现了裂缝，最严重的15#垛所在位置的拱冠部位拉开了一条长28m、最宽2mm的大裂缝。后经放空水库检查,发现大坝上游面沿拱台前缘与基岩接触面有一条延伸百----Page 2-----------------------

余米的连续裂缝，1963年3月至1965年5月,梅山水库被迫放空进行修复加固

；1971年冬至1972年春,陈村混凝土重力拱坝下游面出现许多水平向裂缝,其中

105m高程附近水平向裂缝规模最大,它不仅横跨5～28坝段,大部分坝段被水平向裂缝贯穿，且部分坝段有2～3条水平向裂缝,累计延伸总长约450m,裂缝缝口宽度最大达

7mm；佛子岭钢筋混凝土连拱坝在1954年大坝建成蓄水后不久坝体即出现大量裂缝，随着运行时间的延长,裂缝不断增多,至1995年达到856条

。这些拱坝出现较大变形与破坏,在很大程度上都与坝肩坝基边坡软弱岩带和硬脆性岩体在长期荷载作用下的流变时效变形密切相关。由此可见,开展水电高边坡岩体的流变试验与流变理论研究对于保证高坝工程的设计和施工安全以及

长期运行稳定具有十分重大的理论意义

、工程意义和工程应用价值。在水电站高边坡的施工开挖与运行过程中，为了监测边坡的变形和运行安全状况，需要在边坡岩体内部埋设大量变形和内力监测仪器,面对高边坡大量的监测信息和呈海量级增加的观测数据，目前大部分水电高边坡工程仍主要依靠人工进行监测信息管理和观测数据的计算分析处理，因而劳动强度大、分析处理效率低、人为影响因素多，数据分析因人为因素造成的错误概率也非常大。同时,落后的人工处理观测数据的状况常常导致监测资料的整理

、分析与评价往往滞后于工程运行的需要，不能及时发现和预报工程的安全隐患,因而直接影响高坝工程的施工稳定与运行安全。因此,开发高边坡监测智能分析网络系统对于保证高坝边坡的长期运行安全

、规避其设计和施工风险具有重要的工程应用价值。基于上述背景，本书在国家自然科学基金面上项目(51279093、41172268)、“

973”项目课题(2009CB724607)、山东省自然科学基金项目(Y2007F52)以及中国水电顾问集团公司科技支撑项目的支持下，系统开展了高坝高边坡软弱岩带和硬脆性岩体的流变试验

、流变理论和流变数值计算分析研究；建立了高边坡岩体大尺寸原位压缩蠕变试验

、原位剪切流变试验和不同加卸载应力路径的室内三轴蠕变试验方法，揭示了软弱岩带和硬脆性岩体的压缩蠕变特征、剪切流变特性、流变破坏机制以及流变强度的变化规律；建立了软弱岩带的变参数流变损伤模型和硬脆性岩体的非线性黏弹塑性流变模型；提出岩体流变参数的解析反演、解析-智能反演和改进二次粒子群反演方法；应用先进的计算机软硬件技术开发出高边坡监测智能分析网络系统，并在大型水电高边坡工程中得到成功应用。1。2 国内外研究现状人们对岩石流变力学性质的研究始于

20世纪初,Griggs于1939年首先通过使用梁式试件对石灰岩

、页岩、云母以及类岩石材料在室温条件下进行了蠕变试验，采用对数经验公式来描述岩石的流变行为,并且认为不同岩石的长期强度各不·

----Page 3-----------------------

相同，砂岩和粉砂岩当荷载达到破坏荷载的12.5～80就会产生蠕变。日本的Ito

等对尺寸为215cm×12.3cm×6.8cm的花岗岩进行了历时10年的弯曲蠕变试验。结果表明,花岗岩呈黏滞流动而没有屈服应力。目前,国内外许多学者相继对岩石流变特性从各个方面进行了试验和理论分析研究

[7～17]。我国的岩石流变学研究开始于

20世纪50年代,陈宗基是我国岩土流变力学学科的先驱和奠基人。1991年,陈宗基等对宜昌砂岩进行了扭转流变试验,提出了采用单个岩样进行分级加载的试验方法，研究了岩石在流变变形过程中的封闭应力和扩容等特征，并着重指出“蠕变和封闭应力是岩石性状中的两个基本要素。”近20年来,随着国内许多大型水电工程的兴建,极大促进了我国同行对岩石流变特性的研究。进入21世纪初,我国岩石流变力学的研究更趋活跃,在岩石室内流变试验

、现场流变试验以及理论研究和数值模拟等方面也取得了显著的研究成果

[19～21]。下面分别就岩石(体)流变试验、理论研究、流变参数反演以及岩体边坡监测数据分析系统开发等方面的研究现状做一全面介绍。1。岩石(体)的流变试验研究现状1

)室内流变力学试验岩石材料的室内流变试验是研究其流变力学性质的主要手段和重要依据。室内试验具有能够严格控制试验的环境条件

、可以进行长期观测、可以排除次要的影响因素

、允许物资设备多次重复使用及花费相对较少等优点。因此,室内流变试验可以为岩石流变特性的研究提供宝贵数据，已被研究人员广泛接受,也成为研究岩石流变力学性质的重要手段。(

1)单轴压缩蠕变试验。岩石单轴压缩蠕变试验的研究开展得较早，成果也比较丰富。例如,Okubo等

研制开发了刚性流变试验机,并采用该设备对大理岩、砂岩和安山岩等岩样进行了压缩蠕变试验，获得了岩石加速蠕变阶段的完整应变-时间关系曲线,并建立了相应的蠕变方程；Tsai等对Mushan砂岩进行了多级加载—蠕变—卸载—再加载的试验，并把应变分为弹性应变和黏塑性应变,认为黏塑性流动的方向与时间相关，黏塑性势函数与塑性势函数类似,只是形状与时间具有相关性。陶振宇

通过对岩石流变试验与现场观测的比较分析,认为现场流变观测资料常常缺失初期变形资料，需要结合流变试验资料来分析,对于不趋稳定的蠕变情况，可根据ε-lgt曲线上的拐点估计蠕变破坏时间；谷耀君进行了黄河小浪底细砂岩单轴压缩蠕变试验，以梯级加载方式进行,对试验数据进行了叠加处理,得出蠕变随时间的变化满足

ε=A Blgt Ct这样一个规律,并指出岩石的变形经历了压缩

、扩容和破坏的过程；钟时猷等对东乡铜矿砂质页岩进行了6个荷载大小不同的单轴压缩蠕变破坏试验和三个荷载大小不同的稳定蠕变试验，提出了确定·

---Page 4-----------------------

长期强度的公式，初步提出定常蠕变阶段和加速蠕变阶段产生的应变之和近乎一个

常数；王子潮等简述了高温高压实验条件下采用参数变动法测定岩石幂次蠕变律常数的理论基础和方法，该法可以利用较少数量的岩石试件得到较大温压范围内的蠕变常数；李永盛对粉砂岩、红砂岩、泥岩、大理岩4种不同强度的岩石进行了单轴压缩条件下的蠕变和松弛试验，指出在定常应力作用下,岩石材料一般都出现蠕变速率减小

、稳定和增大三个变化阶段,但各阶段出现与否及其延续时间与所观测的岩石性质和所施加的应力水平有关；王贵君等通过硅藻岩的单轴蠕变试验，发现其长期强度与瞬时强度的比值为1/5～1/4,并采用多项式逐步回归分析很好地模拟了加速蠕变阶段；许宏发通过对软岩的单轴压缩蠕变试验,指出软岩的弹性模量和强度变化规律具有相似性，都随时间的延长而降低；沈振中等

进行了三峡大坝坝基花岗岩的单轴压缩蠕变试验,建议用Burgers模型来描述其黏弹性性质；朱合华等通过对凝灰岩干燥和饱水状态下的单轴压缩试验,探讨了岩石蠕变受含水状态影响的规律性，研究表明含水量对岩石瞬时弹性模量影响较小，对极限蠕变量影响较大,还影响岩石达稳定蠕变阶段的时间；李铀等开展了花岗岩饱水和风干状态下单轴流变特性试验，得到饱水后花岗岩长期强度明显降低及流变速率和变形量明显增大的结论；李化敏等利用自行研制的蠕变试验装置，采用单调连续加载和分级加载方式,对南阳大理岩进行了单轴压缩蠕变试验，认为蠕变强度与瞬时强度之比为0.9左右,并用Burgers模型来描述蠕变曲线；范庆忠等采用重力加载式流变仪,对山东东部红砂岩在分级加载条件下进行了单轴压缩蠕变试验，重点观察和分析了蠕变条件下岩石的弹性模量和泊松比的变化效应；袁海平等对金川有色金属公司Ⅲ矿区软弱复杂矿岩采用分级增量循环加卸载方式进行了蠕变试验，分析了矿岩黏弹塑性特性的基本规律；范秋雁等

以南宁盆地泥质软岩为研究对象,进行了一系列单轴压缩无侧限和有侧限蠕变试验，配合扫描电镜,分析了泥岩蠕变过程中细观和微观结构的蠕变机制,构建蠕变

、损伤及硬化综合曲线说明蠕变三阶段的形成机制；张明等结合锦屏一级水电站地下厂房洞室群施工

、运行期围岩的长期稳定性需要,对厂区大理岩进行了单轴和双轴蠕变试验。(

2)三轴压缩蠕变试验。Fujii

等对Inada花岗岩和Kamisunagawa砂岩进行了三轴蠕变试验,分析了轴向

、横向和体积应变三种蠕变曲线,并指出横向应变可用来作为蠕变试验和常应变速率试验中判断岩石损伤的指针；Maranini等对PietraLeccese石灰岩进行了单轴和三轴压缩蠕变试验，研究表明蠕变变形机理主要为低围压下裂隙扩展和高应力下孔隙塌陷；彭苏萍等对某煤层巷道的泥岩进行了三轴压缩蠕变试验，结果表明每一级围压下均对应一个起始流变强度；赵法锁等对某工程边坡软岩进行了三轴压缩蠕变试验，提出水对岩石的结构和岩石力学性质的影响；陈渠·

----Page 5-----------------------

等

对三种沉积软岩进行了三轴蠕变试验,探讨了不同条件下岩石的强度和变形特

征；刘光廷等利用岩石双轴流变试验机,对砾岩进行了多轴流变试验,探讨了干燥和饱水两种状态下以及不同侧压下砾岩的流变力学特性，并应用于拱坝的稳定分析中；徐卫亚等采用全自动流变伺服仪研究了锦屏2100433B

目

录《

岩石力学与工程研究著作丛书》序《

岩石力学与工程研究著作丛书》编者的话前言

主要符号说明

第

1章 绪论1

1.1 引言1

1.2 国内外研究现状2

1.3 本书主要研究成果12 第

2章 高边坡软弱岩带的原位流变试验与分析研究14

2.1 引言14

2.2 软弱岩带原位压缩蠕变试验及分析14

2。2.1 试验对象和试验点地质条件1

4

2。2.2 原位压缩蠕变试验的加载与测试方法1

6

2。2.3 原位压缩蠕变试验结果分析1

9

2.3 软弱岩带压缩蠕变长期承载能力分析24

2。3.1 等时应力-应变曲线2

4

2。3.2 压缩荷载-变形等时簇曲线2

5

2。3.3 压缩蠕变长期承载力2

5

2.4 软弱岩带原位剪切流变试验及分析27

2。4.1 试验对象与试验点地质条件2

7

2。4.2 试验设备安装与试验程序2

8

2。4.3 原位剪切流变试验结果分析2

9

2.5 软弱岩带的长期抗剪强度35

2。5.1 剪切流变长期强度3

5

2。5.2 剪切流变试验抗剪强度4

0

2。5.3 长期抗剪强度4

2

2.6 小结44 第

3章 软弱岩带的变参数流变损伤模型与计算程序开发45

3.1 引言45 ----Page 2-----------------------

3.2 软弱岩带的蠕变变形特征45

3。2.1 黏弹性性质4

5

3。2.2 黏塑性性质5

0

3。2.3 流变损伤性质5

0

3.3 软弱岩带的流变损伤演化方程51

3。3.1 流变损伤演化方程5

1

3。3.2 流变损伤判别条件5

2

3.4 软弱岩带的变参数流变损伤模型53

3。4.1 流变损伤模型的本构方程5

3

3。4.2 流变损伤模型的蠕变方程5

5

3。4.3 流变损伤模型的松弛方程5

6

3。4.4 流变损伤模型的三维表达式5

8

3.5 软弱岩带的变参数流变损伤计算程序60

3。5.1 流变损伤模型的差分形式6

1

3。5.2 流变损伤计算程序的开发6

2

3。5.3 流变损伤计算程序的验证6

2

3.6 小结66 第

4章 高边坡硬脆性岩体的原位流变试验与分析研究67

4.1 引言67

4.2 硬脆性岩体原位压缩蠕变试验及分析67

4。2.1 试验对象与试验点地质条件6

7

4。2.2 试验加载分级与设备安装6

8

4。2.3 原位压缩蠕变试验结果分析6

9

4。2.4 压缩蠕变长期承载能力分析7

5

4.3 硬脆性岩体原位剪切流变试验及分析77

4。3.1 试验对象与试验点地质条件7

7

4。3.2 试验设备安装与试验流程7

8

4。3.3 原位剪切流变试验结果分析7

9

4。3.4 硬脆性岩体的长期抗剪强度8

8

4。3.5 硬脆性岩体的剪切流变经验方程9

8

4。3.6 硬脆性岩体的剪切流变模型1

25

4.4 硬脆性岩体的三轴蠕变试验及分析134

4。4.1 常规三轴试验1

35 高边坡岩体流变试验与流变理论及工程应用

----Page 3-----------------------

4。4.2 不同加卸载应力路径的三轴蠕变试验1

43

4。4.3 硬脆性岩体的三轴蠕变长期强度1

91

4。4.4 三轴蠕变试验结论2

04

4.5 硬脆性岩体的三轴蠕变破坏机制205

4。5.1 常规三轴试验破坏形式2

05

4。5.2 三轴蠕变破坏形式2

06

4。5.3 三轴蠕变破坏机制2

09

4。5.4 研究结论2

18

4.6 小结218 第

5章 硬脆性岩体的非线性流变模型与计算程序开发219

5.1 引言219

5.2 考虑加载历史的蠕变曲线处理方法219

5.3 硬脆性岩体的非线性黏弹塑性流变模型222

5。3.1 非线性流变模型的建立2

22

5。3.2 非线性流变模型的本构方程2

24

5。3.3 非线性流变模型的蠕变方程2

25

5。3.4 非线性流变模型的松弛特性2

27

5。3.5 非线性流变模型的三维表达形式2

30

5。3.6 蠕变分段函数判别准则2

32

5.4 硬脆性岩体的非线性黏弹塑性流变计算程序234

5。4.1 流变模型的差分形式2

35

5。4.2 流变模型计算程序的开发2

39

5。4.3 非线性流变计算程序的验证2

40

5.5 小结245 第

6章 高边坡岩体流变参数的反演分析研究247

6.1 引言247

6.2 岩体黏弹性变形的解析分析250

6。2.1 刚性承压板下岩体的黏弹性变形计算2

50

6。2.2 柔性承压板下岩体的黏弹性变形计算2

58

6.3 岩体流变参数的解析反演方法261

6。3.1 设计变量与目标函数2

61

6。3.2 解析反演的基本方法2

62

6。3.3 解析反演的技术路线2

62 目

录----Page 4-----------------------

6.4 岩体流变参数的解析-智能反演方法263

6。4.1 解析-智能反演的基本方法2

64

6。4.2 解析-智能反演的技术路线2

64

6。4.3 解析-智能反演方法的具体应用2

64

6.5 岩体流变参数的改进二次粒子群反演方法275

6。5.1 粒子群算法原理2

75

6。5.2 流变参数改进二次粒子群反演2

79

6。5.3 改进二次粒子群反演方法的验证2

81

6。5.4 大岗山软弱岩带流变参数的改进二次粒子群反演2

83

6.6 小结286 第

7章 大岗山高边坡开挖稳定三维非线性流变数值计算分析287

7.1 引言287

7.2 计算条件288

7.3 坝区初始地应力场的反演293

7.4 边坡开挖流变数值计算结果分析295

7。4.1 边坡开挖位移场变化规律2

95

7。4.2 边坡开挖应力场变化规律3

02

7。4.3 边坡开挖塑性区分布规律3

10

7。4.4 边坡开挖损伤区分布规律3

12

7.5 小结314 第

8章 高边坡监测智能分析网络系统开发及应用316

8.1 引言316

8.2 系统开发目标与总体设计要求316

8。2.1 系统研发目标3

16

8。2.2 系统总体设计要求3

17

8.3 系统开发流程319

8.4 系统运行模式与架构320

8。4.1 C/S结构3

20

8。4.2 SQLServer2000数据库系统3

22

8。4.3 ADO数据库访问技术3

22

8.5 系统构成及主要功能323

8。5.1 系统构成3

24

8。5.2 系统主要功能3

24 高边坡岩体流变试验与流变理论及工程应用

----Page 5-----------------------

8.6 边坡变形预测分析模型及在系统中的实现331

8。6.1 边坡变形预测分析模型3

32

8。6.2 边坡变形预测的逐步回归分析及系统实现3

33

8.7 边坡监测智能分析网络系统的工程应用336

8。7.1 系统在龙滩水电站高边坡工程中的应用3

36

8。7.2 系统在锦屏一级水电站高边坡工程中的应用3

51

8.8 小结359 参考文献

360 目

录

《黄土流变力学特性及其在滑坡分析预报中的应用研究》是一本有关黄土宏微观流变力学特性及其在滑坡动态发展趋势分析预报中的应用研究专著。主要内容包括三大部分。黄土的宏微观流变力学特性研究；考虑流变效应的黄土滑坡稳定性分析评价；滑坡动态发展的趋势预报（时间预报）。

《黄土流变力学特性及其在滑坡分析预报中的应用研究》可供从事岩土工程、地质工程专业的科研、设计和施工的科技人员参考。也可作为相关专业研究生和教师的参考资料。