中 国 水 科 院 科 学 技 术 奖 2011 年 度 获 奖 成 果 汇 编 1.2 西 南 地 区 复 杂 高 陡 边 坡 变 形 与 稳 定 性 分 析 方 法 研 究 简 要 信 息 获 奖 类 型 应 用 特 等 奖 任 务 来 源 自 然 科 学 基 金 雅 砻 江 水 电 开 发 联 合 研 究 基 金 重 点 项 目 课 题 编 号 岩 010110 课 题 起 止 时 间 2006 年 1 月 ~2009 年 12 月 完 成 单 位 中 国 水 利 水 电 科 学 研 究 院 主 要 完 成 人 汪 小 刚 陈 祖 煜 王 玉 杰 贾 志 欣 张 伯 艳 郭 永 刚 何 传 永 孙 平 赵 宇 飞 段 庆 伟 李 新 强 林 兴 超 刘 立 鹏 吴 永 平 立 项 背 景 随 着 我 国 经 济 的 持 续 快 速 发 展, 能 源 的 供 求 矛 盾 日 益 突 出 我 国 西 南 地 区 蕴 藏 着 丰 富 的 水 能 资 源, 约 占 我 国 可 开 发 水 能 资 源 的 60%, 因 此 大 规 模 开 发 西 南 地 区 水 能 资 源 已 成 为 缓 解 我 国 能 源 供 求 矛 盾 的 重 要 举 措 之 一 然 而, 受 地 质 构 造 和 气 候 条 件 的 影 响, 西 南 地 区 地 形 地 貌 地 质 条 件 十 分 复 杂, 在 这 一 地 区 修 建 水 电 工 程, 不 可 避 免 地 会 遇 到 大 量 复 杂 的 工 程 技 术 难 题, 岩 质 高 陡 边 坡 问 题 是 这 些 难 题 中 的 突 出 问 题 之 一 该 地 区 的 高 边 坡 具 有 以 下 显 著 特 点 :(1) 边 坡 高 陡, 高 度 在 300~1000m;(2) 地 应 力 高, 现 今 边 坡 内 部 的 水 平 或 近 水 平 应 力 在 15Mpa 以 上 ; (3) 地 震 烈 度 高, 部 分 地 段 地 震 烈 度 高 达 9 度 ;(4) 地 质 环 境 和 岩 体 条 件 复 杂 ; (5) 暴 雨 和 泄 洪 雨 雾 强 度 大 历 时 长 例 如, 锦 屏 一 级 水 电 站 坝 址 区 谷 坡 高 陡, 边 坡 高 度 达 千 米, 左 岸 拱 肩 槽 部 位 边 坡 开 挖 后 存 在 方 量 达 300 万 m 3 的 超 大 型 楔 体 稳 定 问 题 ; 左 岸 山 体 内 存 在 较 大 规 模 的 深 部 裂 缝, 对 山 体 稳 定 起 着 重 要 的 控 制 作 用 ; 拱 座 下 游 侧 两 岸 边 坡 岩 体 在 泄 洪 期 处 于 强 雾 化 区, 据 初 步 分 析, 地 面 降 雨 强 度 最 大 可 达 1000mm/hr 以 上 这 些 特 点 使 得 边 坡 问 题 的 复 杂 程 度 和 所 具 有 的 挑 战 性 在 国 际 上 都 是 少 有 的, 迫 切 需 要 开 展 深 入 系 统 的 专 项 研 究 工 作 在 过 去 的 十 几 年 中, 结 合 已 建 或 在 建 水 电 工 程 中 的 高 边 坡 问 题, 曾 开 展 过 大 量 的 科 研 工 作 中 国 水 利 水 电 科 学 研 究 院 牵 头 承 担 的 国 家 八 五 科 技 攻 关 项 目 岩 质 高 边 坡 稳 定 分 析 与 软 件 系 统 国 家 自 然 科 学 基 金 委 员 会 与 三 峡 开 发 总 公 司 联 合 设 立 的 三 峡 船 闸 高 边 坡 国 家 自 然 基 金 项 目, 围 绕 高 边 坡 的 稳 定 和 变 形 8
特 等 奖 成 果 问 题, 从 边 坡 失 稳 机 理 稳 定 和 变 形 分 析 方 法 边 坡 加 固 技 术 等 方 面 进 行 过 系 统 的 研 究, 并 取 得 了 一 批 国 际 领 先 的 科 研 成 果, 但 这 些 成 果 还 不 能 完 全 涵 盖 和 适 应 西 南 地 区 这 样 具 有 特 殊 工 程 背 景 和 复 杂 地 质 条 件 的 高 陡 边 坡 问 题, 仍 有 许 多 不 足 亟 需 解 决 (1) 复 杂 条 件 下 高 边 坡 变 形 破 坏 模 式 和 失 稳 机 理 研 究 西 南 地 区 由 于 受 复 杂 地 质 构 造 的 作 用, 边 坡 具 有 高 陡 地 应 力 高 深 部 卸 荷 裂 隙 发 育 暴 雨 强 度 大 地 震 烈 度 高 等 特 点, 因 此 进 一 步 深 入 研 究 这 一 特 定 复 杂 条 件 下 高 边 坡 的 变 形 破 坏 机 理, 具 有 重 要 的 理 论 和 现 实 意 义 (2) 复 杂 条 件 下 高 坡 稳 定 与 变 形 分 析 方 法 研 究 随 着 近 十 年 来 岩 土 工 程 技 术 和 计 算 机 水 平 的 迅 猛 发 展, 边 坡 稳 定 分 析 方 法 的 理 论 和 数 值 计 算 技 术 从 前 二 十 年 的 极 限 平 衡 方 法, 已 经 发 展 到 了 极 限 分 析 方 法 采 用 连 续 介 质 力 学 理 论 的 数 值 分 析 方 法 ( 如 有 限 单 元 法 等 ) 采 用 非 连 续 介 质 力 学 理 论 的 稳 定 分 析 方 法 ( 如 块 体 理 论 离 散 单 元 法 ) 以 及 其 他 数 值 分 析 方 法 ( 如 分 形 法 和 流 形 元 法 ) 等 多 种 理 论 和 分 析 方 法 并 存 的 时 代 但 这 些 变 形 和 稳 定 分 析 方 法 中 有 不 少 尚 处 于 探 索 阶 段, 与 实 际 应 用 还 有 较 大 的 距 离, 须 加 以 改 进 和 完 善 ; 各 方 法 之 间 缺 少 统 一 的 评 判 标 准, 造 成 分 析 结 果 差 异 很 大, 难 以 相 互 印 证 如 何 运 用 这 些 新 的 边 坡 稳 定 分 析 方 法 指 导 边 坡 工 程 的 设 计 和 施 工, 是 目 前 边 坡 工 程 实 践 中 遇 到 的 难 点 问 题 (3) 复 杂 条 件 下 与 高 陡 边 坡 开 挖 相 关 问 题 的 研 究 边 坡 开 挖 过 程 中, 涉 及 到 合 理 的 开 挖 顺 序 有 效 的 爆 破 方 式 及 可 靠 的 加 固 措 施 等 一 系 列 问 题, 因 此, 采 用 现 代 数 学 力 学 和 信 息 技 术 等 手 段, 从 动 态 设 计 及 信 息 化 施 工 的 角 度 研 究 不 同 施 工 方 法 加 固 措 施 对 高 边 坡 岩 体 稳 定 性 的 影 响 及 评 价 方 法, 建 立 高 边 坡 岩 体 开 挖 加 固 全 过 程 数 值 仿 真 的 分 析 系 统 是 一 项 十 分 有 意 义 的 工 作, 目 前 这 方 面 的 研 究 基 本 上 还 是 空 白 (4) 复 杂 条 件 下 的 水 岩 耦 合 问 题 众 所 周 知, 相 当 部 分 的 滑 坡 都 与 水 有 关, 直 接 起 因 于 雨 季 渗 流 荷 载 或 者 由 泄 洪 雨 雾 产 生 的 渗 流 荷 载 五 强 溪 左 岸 船 闸 高 边 坡 施 工 期 间 连 续 在 雨 季 均 发 生 明 显 的 变 形, 经 采 取 一 系 列 工 程 措 施 后, 才 防 止 了 滑 坡 事 故 的 发 生 1998 年, 龙 羊 峡 由 于 底 孔 泄 流 造 成 的 雨 雾, 使 下 游 右 岸 虎 山 坡 发 生 大 面 积 滑 坡, 险 些 堵 塞 下 游 河 道 二 滩 水 电 站 在 1999 年 进 行 泄 洪 雾 化 原 型 观 测 期 间, 由 于 雾 化 降 雨 严 重, 发 生 局 部 岸 坡 失 稳 滑 坡 人 员 伤 亡 事 故 这 些 实 例 都 说 明 滑 坡 的 发 生 与 降 雨 或 雾 化 雨 关 系 密 切, 但 如 何 认 识 和 合 理 的 评 价 强 9
中 国 水 科 院 科 学 技 术 奖 2011 年 度 获 奖 成 果 汇 编 降 雨 对 边 坡 稳 定 的 不 利 作 用 至 今 还 缺 少 深 入 的 研 究 因 此, 研 究 强 暴 雨 和 泄 洪 雨 雾 条 件 边 坡 的 变 形 与 稳 定 性 具 有 重 要 的 意 义 (5) 复 杂 条 件 高 地 震 烈 度 区 高 边 坡 的 动 力 稳 定 问 题 大 量 的 震 害 调 查 结 果 表 明, 地 震 诱 发 的 边 坡 失 稳 是 主 要 的 地 震 地 质 灾 害 类 型 之 一, 边 坡 的 地 震 稳 定 性 分 析 已 成 为 岩 土 和 地 震 工 程 界 重 要 的 课 题 之 一 相 对 于 边 坡 的 静 力 稳 定 分 析 而 言, 边 坡 的 地 震 稳 定 分 析 研 究 还 很 不 成 熟 再 加 上 西 南 地 区 特 有 的 地 形 工 程 地 质 和 岩 体 条 件, 使 这 一 地 区 高 边 坡 的 动 力 稳 定 问 题 变 得 更 加 复 杂, 需 要 从 理 论 研 究 和 工 程 应 用 的 角 度 对 这 一 问 题 作 深 入 探 讨 详 细 科 学 技 术 内 容 (1) 完 成 了 作 为 历 史 模 型 的 边 坡 工 程 登 录 的 补 充 完 善 和 整 理 工 作, 建 成 了 包 含 136 个 工 程 的 水 利 水 电 工 程 边 坡 数 据 库 和 相 应 的 查 询 系 统, 并 对 边 坡 岩 体 结 构 特 征 失 稳 破 坏 模 式 及 诱 发 因 素 等 进 行 了 详 细 的 统 计 分 析 研 究 了 河 谷 边 坡 的 结 构 特 征 并 首 次 提 出 了 基 于 稳 定 性 评 价 的 岩 质 边 坡 坡 体 结 构 概 念 基 于 该 数 据 库, 对 已 建 部 分 边 坡 工 程 ( 共 86 个 ) 相 应 正 常 运 用 工 况 下 的 设 计 规 定 或 实 际 使 用 的 安 全 系 数 进 行 了 统 计 分 析, 此 成 果 为 颁 布 的 水 利 水 电 工 程 边 坡 设 计 规 范 (SL 386-2007) 和 水 电 水 利 工 程 边 坡 设 计 规 范 (DL/T5353 2006) 合 理 确 定 安 全 系 数 的 取 值 标 准 提 供 了 极 有 价 值 的 基 础 信 息 (2) 完 成 了 作 为 历 史 模 型 的 岩 体 抗 剪 参 数 资 料 的 补 充 完 善 和 整 理 工 作, 建 成 了 包 含 1550 组 的 岩 土 工 程 抗 剪 强 度 数 据 库 和 相 应 的 查 询 系 统, 并 对 节 理 岩 体 和 结 构 面 抗 剪 强 度 参 数 的 统 计 特 征 进 行 了 分 析 基 于 该 数 据 库, 探 讨 了 应 用 贝 叶 斯 理 论 将 大 范 围 经 验 数 据 与 工 程 具 体 试 验 资 料 相 结 合 的 岩 体 强 度 参 数 取 值 方 法, 并 通 过 对 锦 屏 一 级 水 电 站 坝 区 岩 体 强 度 参 数 处 近 SW 向 结 构 面 强 度 参 数 的 优 化, 验 证 了 该 方 法 的 可 行 性 (3) 在 应 用 概 率 论 与 统 计 学 方 法 得 到 地 质 结 构 面 几 何 特 征 参 数 统 计 特 性 的 基 础 上, 探 讨 了 岩 体 三 维 结 构 面 网 络 的 生 成 和 模 拟 技 术 在 对 传 统 节 理 岩 体 连 通 率 定 义 拓 展 的 基 础 上, 考 虑 岩 体 结 构 特 征 和 应 用 遗 传 算 法, 建 立 了 基 于 三 维 结 构 面 岩 桥 组 合 路 径 上 抗 剪 力 最 小 的 三 维 连 通 率 的 确 定 方 法, 并 将 此 技 术 推 广 到 确 定 其 它 岩 体 工 程 力 学 特 性 参 数, 如 综 合 抗 剪 强 度 指 标 渗 透 张 量 等, 以 及 应 用 人 工 智 能 算 法 A* 算 法 在 三 维 结 构 面 网 络 上 确 定 抗 力 最 小 的 空 间 滑 裂 面 10
特 等 奖 成 果 (4) 通 过 离 心 模 型 试 验 和 3 组 180 次 的 室 内 模 型 试 验, 揭 示 了 当 楔 体 失 稳 破 坏 时, 楔 体 并 不 是 按 照 教 科 书 上 论 述 的 那 样 沿 着 两 个 结 构 面 的 交 棱 线 滑 动, 而 是 会 发 挥 一 定 的 剪 胀 效 应, 与 交 棱 线 夹 一 定 角 度 剪 胀, 其 具 体 数 值 与 滑 裂 面 的 材 料 特 性 有 关 基 于 相 关 联 和 非 相 关 联 流 动 法 则 和 应 力 空 间 和 应 变 空 间 主 轴 重 合 的 假 设, 建 立 了 能 考 虑 滑 裂 面 剪 胀 角 的 广 义 楔 体 稳 定 分 析 方 法, 并 得 到 初 步 的 工 程 应 用 (5) 通 过 离 心 模 型 揭 示 出 边 坡 倾 倒 破 坏 时 并 不 遵 循 Goodman-Bray 建 议 的 单 滑 面 的 破 坏 模 式, 而 是 遵 循 靠 近 坡 趾 部 具 有 较 缓 倾 角 破 坏 面 的 双 折 线 的 破 坏 模 式 基 于 这 一 发 现, 建 立 了 计 入 节 理 岩 体 连 通 率 的 双 折 线 滑 面 的 改 进 的 Goodman-Bray 倾 倒 稳 定 分 析 方 法 同 时 应 用 二 阶 流 形 元 法 和 DDA 法 对 边 坡 倾 倒 破 坏 机 理 进 行 了 数 值 模 拟, 成 果 可 以 真 实 再 现 离 心 模 型 试 验 成 果, 证 明 了 流 形 元 和 DDA 方 法 可 以 较 好 解 决 其 它 数 值 方 法 无 法 全 面 模 拟 复 杂 岩 体 结 构 中 裂 隙 扩 展 岩 桥 拉 裂 剪 断 等 现 象 的 问 题 (6) 完 成 了 基 于 非 相 关 联 流 动 法 则 三 维 边 坡 稳 定 极 限 分 析 方 法 的 理 论 推 导, 并 对 该 方 法 与 整 体 静 力 平 衡 条 件 的 等 价 性 给 出 了 理 论 证 明 通 过 现 代 优 化 算 法 与 混 合 优 化 方 法 等 多 种 优 化 方 法 的 比 较, 在 三 维 边 坡 临 界 滑 裂 面 的 优 化 搜 索 方 面 取 得 了 新 的 进 展 通 过 对 不 同 应 力 应 变 数 值 分 析 方 法 与 传 统 极 限 平 衡 分 析 方 法 的 对 比 分 析, 重 点 对 强 度 折 减 有 限 元 的 收 敛 准 则 进 行 了 研 究 (7) 针 对 预 应 力 锚 索 施 加 后 对 锚 固 岩 体 综 合 工 程 力 学 参 数 影 响 效 应 的 这 一 工 程 界 普 遍 关 心 的 问 题, 本 研 究 项 目 采 用 非 线 性 有 限 元 数 值 模 拟 和 理 论 分 析 的 方 法 对 加 锚 节 理 岩 体 的 结 构 强 度 效 应 进 行 了 研 究, 并 探 讨 了 锚 杆 数 量 布 置 方 式 和 安 装 角 对 加 锚 节 理 面 等 效 强 度 参 数 的 贡 献 及 影 响 同 时 通 过 对 中 国 水 科 院 引 进 的 压 力 分 散 性 锚 索 岩 体 锚 固 机 理 的 试 验 和 数 值 模 拟 研 究, 初 步 得 到 了 几 点 认 识 :a) 新 型 压 缩 摩 擦 组 合 分 散 型 无 粘 结 预 应 力 锚 索 的 结 构 合 理, 可 靠 性 良 好 ;b) 压 力 分 散 性 锚 索 内 锚 头 间 轴 向 压 应 力 分 布 及 注 浆 体 与 岩 体 接 触 面 的 剪 应 力 分 布 主 要 受 接 触 面 上 的 摩 擦 系 数 和 凝 聚 力 控 制 (8) 针 对 高 地 应 力 区 边 坡 开 挖 爆 破 过 程 中 的 动 态 卸 荷 松 弛 现 象, 利 用 应 力 波 理 论 分 析 了 高 地 应 力 条 件 下 节 理 岩 体 边 坡 开 挖 过 程 中 的 动 态 卸 荷 效 应, 探 讨 了 卸 荷 松 动 后 节 理 岩 体 渗 透 特 性 的 变 化 规 律 分 析 了 高 地 应 力 条 件 下 静 水 压 力 场 中 圆 形 隧 洞 钻 爆 开 挖 时 开 挖 边 界 上 初 始 应 力 场 动 态 卸 荷 效 应 及 破 坏 机 理, 并 计 算 了 其 11
中 国 水 科 院 科 学 技 术 奖 2011 年 度 获 奖 成 果 汇 编 破 坏 范 围 在 国 内 外 有 关 岩 石 边 坡 爆 破 振 动 速 度 安 全 阈 值 研 究 成 果 的 基 础 上, 通 过 对 西 南 峡 谷 地 区 岩 质 高 边 坡 坡 爆 破 振 动 荷 载 下 动 力 响 应 计 算, 提 出 了 岩 石 高 边 坡 爆 破 震 动 速 度 的 安 全 阈 值 (9) 通 过 建 立 考 虑 非 关 联 流 动 和 滑 动 剪 胀 特 性 的 节 理 岩 体 弹 塑 性 等 效 本 构 模 型, 提 出 了 应 变 敏 感 的 岩 石 单 裂 隙 及 裂 隙 岩 体 的 峰 后 水 力 强 耦 合 分 析 模 型, 并 采 用 大 量 的 室 内 试 验 及 现 场 试 验 数 据 对 模 型 的 正 确 性 进 行 了 验 证 (10) 针 对 含 排 水 孔 幕 排 水 井 群 或 防 渗 心 墙 排 水 棱 体 等 复 杂 渗 控 结 构 的 强 边 界 非 线 性 及 介 质 非 线 性 渗 流 问 题, 提 出 了 以 子 结 构 变 分 不 等 式 和 自 适 应 罚 Heaviside 函 数 相 结 合 的 SVA 求 解 方 法, 并 通 过 大 量 算 例 对 SVA 方 法 的 正 确 性 及 收 敛 性 进 行 了 验 证 (11) 通 过 对 锦 屏 下 游 二 滩 水 电 站 17 次 有 影 响 的 强 震 记 录 进 行 整 理 和 分 析, 研 究 了 在 强 震 作 用 下 两 岸 边 坡 测 点 地 震 响 应 分 布 趋 势 及 规 律 通 过 对 地 震 动 的 模 拟 的 方 法 的 研 究, 开 发 了 人 工 地 震 动 生 成 软 件 实 现 了 利 用 比 例 法 反 应 谱 法 和 ARMA 法 在 不 同 场 地 条 件 不 同 地 震 烈 度 条 件 下 的 地 震 动 的 模 拟 (12) 利 用 HHT 数 学 方 法, 对 地 震 信 号 进 行 了 分 解 和 重 构 重 点 研 究 了 抑 制 边 界 效 应 的 方 法 改 进 措 施 和 地 震 及 两 岸 边 坡 地 震 响 应 信 号 的 时 频 特 性 通 过 对 HHT 数 学 方 法 基 本 原 理 的 研 究, 推 导 了 计 算 机 程 序 的 基 本 算 法, 开 发 了 能 够 对 实 际 工 程 地 震 动 信 号 进 行 时 频 分 析 的 计 算 机 程 序 (13) 提 出 了 边 坡 动 力 分 析 的 自 由 场 输 入 模 型 和 地 震 模 拟 振 动 台 仿 真 模 型, 为 边 坡 动 力 稳 定 计 算 奠 定 了 基 础, 该 模 型 能 计 入 无 限 地 基 辐 射 阻 尼 的 影 响 和 体 现 地 震 波 的 传 播 特 点, 能 有 效 计 入 边 坡 对 地 震 动 的 放 大 效 应, 从 根 本 上 有 别 于 极 限 平 衡 方 法 中 地 震 输 入 的 拟 静 力 方 法, 为 边 坡 的 地 震 作 用 提 供 了 更 合 理 的 途 径 (14) 解 决 了 LDDA 分 析 中 至 关 重 要 的 接 触 力 的 迭 代 求 解 问 题, 提 出 一 个 新 的 动 接 触 力 的 迭 代 求 解 算 法 : 一 种 收 敛 速 度 极 快 的 改 进 的 Uzawa 迭 代 算 法, 该 算 法 的 松 驰 因 子 是 依 据 块 体 接 触 的 物 理 特 性 而 非 按 照 数 学 理 论 选 用 的 该 算 法 具 有 收 敛 速 度 快, 收 敛 精 度 高 的 特 点 为 接 触 问 题 的 计 算 提 供 了 一 个 有 效 的 方 法 和 工 具 同 时 应 用 LDDA 程 序 对 锦 屏 一 级 河 谷 边 坡 的 地 震 反 应 进 行 了 分 析 研 究 (15) 从 波 动 方 程 出 发, 将 非 零 存 储 技 术 与 分 区 隐 式 显 式 求 解 方 法 相 结 合, 推 导 了 暂 态 波 场 分 区 算 法 的 计 算 公 式, 编 制 了 相 应 的 计 算 机 程 序, 为 大 型 工 程 地 震 反 应 分 析 提 供 了 强 有 力 的 工 具 12
特 等 奖 成 果 发 明 及 创 新 点 (1) 基 于 水 电 工 程 边 坡 数 据 库, 考 虑 边 坡 岩 体 结 构 特 征 失 稳 破 坏 模 式 及 诱 发 因 素 等, 建 立 了 适 用 于 西 南 地 区 高 陡 边 坡 坡 体 结 构 的 分 类 体 系 与 岩 体 力 学 参 数 的 定 量 取 值 方 法, 为 边 坡 稳 定 性 分 区 分 析 评 价 和 安 全 控 制 奠 定 了 坚 实 基 础 1) 高 陡 岩 质 边 坡 坡 体 结 构 分 类 方 法 研 究 了 河 谷 边 坡 的 结 构 特 征 并 首 次 提 出 了 基 于 稳 定 性 评 价 的 岩 质 边 坡 坡 体 结 构 概 念 边 坡 的 坡 体 结 构 指 边 坡 中 先 前 存 在 的 各 种 控 制 性 结 构 面 与 边 坡 临 空 面 组 合 关 系 从 而 构 成 沿 主 控 结 构 面 向 边 坡 临 空 方 向 变 形 滑 移 的 三 维 岩 体 结 构 模 式 建 立 了 以 边 坡 坡 体 的 原 生 建 造 构 造 改 造 表 生 改 造 特 征 ( 包 括 正 常 卸 荷 及 深 部 卸 荷 破 裂 ) 为 基 础, 以 边 坡 控 制 性 结 构 面 潜 在 变 形 失 稳 模 式 为 核 心, 以 边 坡 稳 定 性 ( 分 区 ) 评 价 及 边 坡 稳 定 性 控 制 为 目 标 的 岩 质 边 坡 坡 体 结 构 分 类, 揭 示 了 边 坡 可 能 变 形 破 坏 的 边 界 条 件, 为 边 坡 稳 定 分 析 和 加 固 处 理 提 供 了 地 质 依 据 2) 边 坡 安 全 系 数 取 值 基 于 数 据 库, 对 已 建 部 分 边 坡 工 程 ( 共 86 个 ) 相 应 正 常 运 用 工 况 下 的 设 计 规 定 或 实 际 使 用 的 安 全 系 数 进 行 了 统 计 分 析, 此 成 果 为 颁 布 的 水 利 水 电 工 程 边 坡 设 计 规 范 (SL 386-2007) 和 水 电 水 利 工 程 边 坡 设 计 规 范 (DL/T5353 2006) 合 理 确 定 安 全 系 数 的 取 值 标 准 提 供 了 极 有 价 值 的 基 础 信 息 3) 边 坡 岩 体 力 学 参 数 定 量 取 值 方 法 针 对 西 南 地 区 特 有 的 深 卸 荷 松 驰 岩 体 声 波 波 速 无 法 检 测 原 位 力 学 试 验 代 表 性 差 的 情 况, 通 过 大 量 地 质 调 查 与 测 试, 整 理 分 析 我 国 103 个 工 程 的 1174 组 岩 体 抗 剪 强 度 参 数 试 验 资 料, 建 立 了 各 类 岩 体 抗 剪 参 数 的 概 率 统 计 模 型 及 参 数 取 值 区 间 ; 提 出 了 基 于 贝 叶 斯 理 论 的 经 验 和 试 验 相 结 合 的 岩 体 强 度 参 数 定 量 取 值 方 法 ( 图 1) 某 一 工 程 的 试 验 资 料 取 概 率 分 位 数 予 以 折 减 试 验 值 统 计 值 标 准 值 设 计 值 岩 土 工 程 的 大 母 体 试 验 资 料 取 分 项 系 数 予 以 折 减 图 1 基 于 数 据 库 和 贝 叶 斯 理 论 的 岩 体 强 度 参 数 取 值 方 法 13
中 国 水 科 院 科 学 技 术 奖 2011 年 度 获 奖 成 果 汇 编 (2) 针 对 西 南 地 区 高 陡 边 坡 的 特 点, 完 善 了 适 应 复 杂 坡 体 结 构 特 征 和 赋 存 环 境 的 边 坡 稳 定 分 析 评 价 的 理 论 方 法 体 系, 提 出 了 边 坡 工 程 全 局 优 化 加 固 设 计 方 法, 为 西 南 水 电 工 程 高 陡 边 坡 加 固 设 计 提 供 了 理 论 支 撑 和 技 术 保 障 1) 完 善 和 发 展 边 坡 稳 定 分 析 的 三 维 极 限 分 析 方 法 针 对 西 南 水 电 工 程 高 陡 边 坡 坡 体 结 构 特 征, 完 善 和 发 展 了 边 坡 稳 定 分 析 的 三 维 极 限 分 析 方 法, 将 二 维 Spencer 法 拓 展 到 三 维, 建 立 了 三 维 边 坡 稳 定 下 限 方 法 ; 将 极 限 分 析 方 法 应 用 于 岩 质 边 坡 块 体 稳 定 分 析, 突 破 了 传 统 块 体 分 析 中 对 滑 动 方 向 假 定 的 限 制, 使 计 算 结 果 更 加 符 合 实 际, 相 关 成 果 得 到 了 离 心 模 型 试 验 的 验 证 ( 图 2) 图 2 稳 定 分 析 方 法 得 到 离 心 模 型 试 验 验 证 2) 发 展 了 含 复 杂 渗 控 结 构 的 边 坡 渗 流 精 细 化 分 析 方 法 针 对 边 坡 中 复 杂 渗 流 控 制 结 构, 阐 明 了 排 水 孔 ( 洞 ) 等 工 程 渗 控 结 构 的 边 界 特 性, 提 出 了 排 水 孔 ( 洞 ) 稳 定 / 非 稳 定 饱 和 / 非 饱 和 渗 流 精 细 化 模 拟 方 法, 解 决 了 渗 控 结 构 中 渗 逸 点 精 确 定 位 和 数 值 稳 定 性 问 题, 为 排 水 系 统 优 化 设 计 提 供 科 学 依 据 3) 针 对 西 南 地 区 高 陡 边 坡 深 卸 荷 环 境 下 的 变 形 破 坏 模 式, 研 究 了 加 固 措 施 的 优 化, 确 立 了 少 开 挖, 强 支 护 和 综 合 治 理 原 则, 论 证 了 深 埋 混 凝 土 抗 剪 结 构 + 锚 固 系 统 + 立 体 排 水 的 综 合 治 理 技 术, 成 功 解 决 了 超 大 型 具 有 复 合 破 坏 模 式 的 高 陡 边 坡 整 体 变 形 与 稳 定 控 制 难 题 结 合 锦 屏 一 级 等 大 型 水 电 工 程, 采 用 非 线 性 有 限 元 数 值 模 拟 和 理 论 分 析 的 方 法 对 加 锚 节 理 岩 体 的 结 构 强 度 效 应 进 行 了 研 究, 探 讨 了 卸 荷 松 动 后 节 理 岩 体 渗 透 特 性 的 变 化 规 律, 提 出 了 岩 石 高 边 坡 爆 破 震 动 速 度 的 安 全 阈 值, 研 发 了 多 锚 头 无 粘 结 预 应 力 锚 索 体 系 受 力 监 测 装 置, 为 充 分 发 挥 边 坡 岩 体 的 自 承 力 和 加 固 措 施 的 联 合 效 应 的 系 统 加 固 治 理 措 施 提 供 了 理 论 依 据 从 而 降 低 了 边 坡 开 挖 高 度, 减 少 了 开 挖 量, 确 保 了 边 坡 工 程 动 态 设 计 和 施 工 过 程 控 制 的 顺 利 实 施, 取 得 了 显 著 的 14
特 等 奖 成 果 经 济 效 益, 并 为 治 理 由 深 部 主 控 结 构 面 控 制 的 高 陡 边 坡 提 供 了 极 具 价 值 的 参 考 解 决 方 案 (4) 提 出 了 边 坡 动 力 分 析 的 自 由 场 输 入 模 型 和 地 震 模 拟 振 动 台 仿 真 模 型, 从 根 本 上 有 别 于 极 限 平 衡 方 法 中 地 震 输 入 的 拟 静 力 方 法, 为 边 坡 的 地 震 作 用 提 供 了 更 合 理 的 途 径 1) 通 过 对 锦 屏 下 游 二 滩 水 电 站 17 次 有 影 响 的 强 震 记 录 进 行 整 理 和 分 析, 研 究 了 在 强 震 作 用 下 两 岸 边 坡 测 点 地 震 响 应 分 布 趋 势 及 规 律 实 现 了 利 用 比 例 法 反 应 谱 法 和 ARMA 法 在 不 同 场 地 条 件 不 同 地 震 烈 度 条 件 下 的 地 震 动 的 模 拟 2) 提 出 了 边 坡 动 力 分 析 的 自 由 场 输 入 模 型 和 地 震 模 拟 振 动 台 仿 真 模 型 ( 图 3), 该 模 型 能 计 入 无 限 地 基 辐 射 阻 尼 的 影 响 和 体 现 地 震 波 的 传 播 特 点, 能 有 效 计 入 边 坡 对 地 震 动 的 放 大 效 应, 为 边 坡 的 动 力 稳 定 计 算 奠 定 了 基 础 图 3 边 坡 动 力 分 析 的 自 由 场 输 入 模 型 和 地 震 模 拟 振 动 台 仿 真 模 型 3) 解 决 了 LDDA 分 析 中 至 关 重 要 的 接 触 力 的 迭 代 求 解 问 题, 提 出 一 个 新 的 动 接 触 力 的 迭 代 求 解 算 法 : 一 种 收 敛 速 度 极 快 的 改 进 的 Uzawa 迭 代 算 法, 该 算 法 的 松 驰 因 子 依 据 块 体 接 触 的 物 理 特 性 而 非 按 照 数 学 理 论 选 用 该 项 目 大 量 研 究 成 果 直 接 应 用 依 托 工 程 ---- 锦 屏 一 级 边 坡 设 计 和 施 工 中, 并 间 接 推 广 应 用 于 瀑 布 沟 官 地 等 工 程, 为 边 坡 的 顺 利 开 挖 提 供 强 有 力 的 技 术 支 撑, 对 解 决 了 雅 砻 江 水 电 开 发 工 程 高 边 坡 工 程 面 临 的 核 心 技 术 问 题 具 有 重 要 的 指 导 意 义 取 得 了 显 著 的 社 会 经 济 效 益 该 研 究 成 果 对 于 西 南 地 区 水 电 工 程 以 及 交 通 采 矿 等 行 业 高 陡 边 坡 工 程 勘 察 设 计 和 建 设 具 有 推 广 价 值 15
中 国 水 科 院 科 学 技 术 奖 2011 年 度 获 奖 成 果 汇 编 与 当 前 国 内 外 同 类 研 究 同 类 技 术 的 综 合 比 较 本 项 目 的 研 究 成 果 与 国 内 外 同 类 技 术 的 比 较 见 表 1 表 1 研 究 成 果 与 国 内 外 同 类 技 术 比 较 研 究 成 果 国 内 外 同 类 成 果 本 项 目 成 果 高 陡 岩 质 边 坡 坡 体 结 构 分 类 体 系 边 坡 岩 体 力 学 参 数 的 定 量 取 值 方 法 边 坡 三 维 稳 定 分 析 方 法 边 坡 渗 控 结 构 数 值 模 拟 方 法 边 坡 动 力 分 析 方 法 以 宏 观 岩 体 结 构 为 主, 未 考 虑 边 坡 控 制 性 结 构 面 和 潜 在 变 形 失 稳 模 式 岩 体 声 波 波 速 检 测 室 内 试 验 原 位 力 学 试 验 强 度 折 减 法, 难 以 反 应 边 坡 内 部 真 实 应 力 状 态 ; 传 统 的 三 维 刚 体 极 限 平 衡 方 法, 假 定 过 多 缺 乏 力 学 上 的 严 格 性 排 水 子 结 构 法 等 效 法 以 沟 代 井 列 法 以 管 代 孔 法 复 合 单 元 法 等, 求 解 不 稳 定, 数 值 收 敛 性 较 差 传 统 的 极 限 平 衡 方 法 地 震 输 入 为 拟 静 力 方 法 提 出 基 于 稳 定 性 评 价 的 岩 质 边 坡 坡 体 结 构 概 念 及 其 分 类 体 系, 揭 示 了 边 坡 潜 在 破 坏 的 边 界 条 件 和 失 稳 模 式 提 出 了 基 于 Bayes 理 论 的 工 程 岩 体 强 度 参 数 取 值 方 法 建 立 了 边 坡 稳 定 分 析 三 维 下 限 方 法, 提 出 了 岩 质 边 坡 块 体 稳 定 分 析 的 广 义 解 析 解, 突 破 了 传 统 块 体 分 析 中 对 滑 动 方 向 假 定 的 限 制 提 出 了 子 结 构 - 变 分 不 等 式 - 自 适 应 罚 函 数 (SVA) 方 法, 克 服 了 数 值 计 算 不 稳 定 性 和 网 格 依 赖 性, 收 敛 性 较 好 提 出 了 边 坡 动 力 分 析 的 自 由 场 输 入 模 型 和 地 震 模 拟 振 动 台 仿 真 模 型 成 果 应 用 情 况 及 社 会 经 济 效 益 本 项 目 大 量 研 究 成 果 直 接 应 用 依 托 工 程 锦 屏 一 级 边 坡 设 计 和 施 工 中, 锦 屏 一 级 水 电 站 是 雅 砻 江 干 流 下 游 水 电 开 发 的 控 制 性 水 库 梯 级, 装 机 容 量 3600MW 大 坝 为 在 建 世 界 第 一 高 拱 坝, 坝 高 305m 坝 肩 左 右 岸 开 挖 边 坡 高 度 均 超 过 400m, 为 特 高 边 坡, 其 中 左 岸 拱 肩 槽 开 挖 边 坡 高 度 达 到 530m, 岩 体 卸 荷 强 烈, 边 坡 地 质 条 件 极 为 复 杂, 对 勘 察 设 计 和 建 设 均 富 有 极 大 的 挑 战 性 该 工 程 在 建 设 过 程 中 应 用 本 项 目 综 合 研 究 成 果, 建 立 了 少 开 挖 强 支 护 的 设 计 理 16
特 等 奖 成 果 念 和 深 埋 混 凝 土 抗 剪 结 构 + 锚 固 系 统 + 立 体 排 水 的 治 理 技 术, 优 化 了 设 计 方 案, 取 得 了 显 著 效 益, 左 岸 坝 肩 边 坡 降 低 开 挖 高 度 250m, 减 少 开 挖 量 390 万 m 3, 减 少 锚 索 3500 束, 减 少 交 通 道 路 长 约 6km, 共 计 节 约 工 程 投 资 约 6.65 亿 元, 缩 短 工 期 2 年 边 坡 工 程 已 实 施 完 成,3 年 的 运 行 监 测 表 明, 边 坡 稳 定, 满 足 设 计 安 全 标 准 本 项 目 研 究 成 果 推 广 应 用 于 瀑 布 沟 水 电 站 和 官 地 水 电 站, 进 行 了 稳 定 性 分 析 和 评 价, 优 化 了 开 挖 加 固 设 计 方 案, 减 少 开 挖 量 和 锚 索, 并 缩 短 了 工 期 17