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我国是一个多山的国家,也是地质灾害频发的国家,尤其是在西南地区。除了地质、地形地貌和极端气候条件以外,大规模人类活动是导致大型滑坡发生相对频繁的主要因素。对于人类活动与边坡地质环境相互作用而言,土方填筑、边坡开挖和地下采矿是影响边坡地质环境最重要的作用方式。围绕人类活动对边坡变形破坏和稳定性影响这个核心问题,本文以三种不同类型人工边坡为例,通过现场调查、数值计算和监测等多种方法,对边坡的变形破坏机制和稳定性分析进行了详细的研究。具体内容如下:
(1)数值模拟是本文对边坡变形和稳定性研究的主要工具,目前针对数值计算方法的边坡失稳评价还没有统一的评判标准,本文首先对评判标准和破坏准则进行了总结和利弊分析,然后确定适合的评判标准。
(2)以220KV云南盐津变电所填土边坡为例,对边坡变形特征、失稳模式和室内试验进行了研究,结果表明:场地边坡不利的地形地貌条件、地层岩性和地质结构特征及不良的水文地质条件是坡体变形的内在因素,而大方量场地平整填方是造成坡体推移式蠕滑变形的诱发因素。为了确定合理的计算参数,开展了饱和三轴固结不排水剪(CU)和排水剪(CD)试验、直剪与反复直剪试验以及岩块单轴抗压强度试验。采用三维数值模拟手段对边坡变形破坏机制进行了分析,并通过三维强度折减对复杂条件下的填土边坡加固前后的稳定性分别进行了评价。结果表明:自然边坡的安全储备较低(F0S=1.10),坡顶填方加载导致边坡处于临界状态(F0S=1.03),连续的强降雨导致边坡进入蠕滑状态,坡体滑带以及坡体前缘为剪切破坏,而坡顶为张拉破坏。抗滑桩及时加固后避免了边坡进一步剪切滑动破坏(F0S=1.27)。
(3)开挖对边坡变形和稳定性影响是一个复杂的问题,以向家坝水电站左岸升船机段开挖边坡为例,采用了快速拉格朗日差分法(FLAC3D)及现场监测对开挖边坡的变形及稳定性规律进行了系统研究。数值模拟计算结果表明:随着边坡开挖的进行,边坡位移逐渐增大。永久开挖边坡形成后,其最大位移为27.5mm,主要位于高程340~380的马道之间及其附近;边坡开挖后,边坡区域并未出现贯通的塑性区,只是在I段边坡煤层开采部位出现张拉塑性区。永久开挖边坡形成后,煤层开采范围内的张拉塑性区比初始状态相对减小,而在高程为340和360的马道之间的地表面局部出现张拉塑性区。边坡开挖后,边坡表面拉应力状态增大,使本来弱化的岩组局部产生张拉破坏。通过对地表监测点、多点位移计、钻孔测斜仪、锚索测力计和锚杆应力计的监测,对边坡变形和稳定性进行分析和评价,边坡整体处于一个良好的稳定状态。
(4)以向家坝马步坎采动边坡为例,采用三维数值模拟分析方法,详细研究了多煤层开采边坡的变形破坏机理,结合残余变形监测对其边坡稳定性进行了详细分析。研究结果表明:当煤层初始开采时,顶板岩体向临空面法线方向发生变形,底板还有轻微隆起现象,地表形成了沉陷盆地,此阶段的地表下沉和水平移动相对较小,坡内岩体基本也没有塑性区的分布:随着开采的进行,顶底板岩体变形增大,地表下沉和水平移动也开始增大,岩层内的变形要大于地表的变形,并且上下煤层开采产生了互相影响。坡内岩体开始出现张拉和剪切破坏区,主要以张拉破坏为主;随着开采的继续进行,其变形明显增大,煤层顶底板出现大量张拉和剪切破坏区,以剪切破坏为主,采空区岩体内张应力转变为压应力。采空区上覆岩土体要受到先拉后压的水平应力应变作用,导致采空区岩体内垂直节理和软弱结构面拉开,然后在压应力作用下产生错动;采空区上覆岩体的地表移动指向采空区,停采线上前方的岩体受到水平拉伸作用,致使岩体NEE向垂直节理拉开,形成了目前的坡顶拉裂缝带。长期的残余变形监测表明边坡没有产生整体变形迹象,边坡上部的变形也基本处于稳定状态。