本文關(guān)鍵詞：水電工程高陡邊坡全生命周期安全控制研究綜述，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

第32卷第6期；巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)Vol.32No.6；2013年6月ChineseJournalofR；水電工程高陡邊坡全生命周期安全控制研究綜述；周創(chuàng)兵12；(1.武漢大學(xué)水資源與水電工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；摘要：庫(kù)壩安全是水電工程成敗的關(guān)鍵，高陡邊坡規(guī)模；中圖分類號(hào)：P642文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：10；APROSPECTOFRESEARCHESONL

第32卷 第6期

巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào) Vol.32 No.6

2013年6月 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering June，2013

水電工程高陡邊坡全生命周期安全控制研究綜述

周創(chuàng)兵12

，

(1. 武漢大學(xué) 水資源與水電工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430072；2. 武漢大學(xué) 水工巖石力學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430072)

摘要：庫(kù)壩安全是水電工程成敗的關(guān)鍵，高陡邊坡規(guī)模巨大、服役時(shí)間長(zhǎng)、安全標(biāo)準(zhǔn)高，設(shè)計(jì)、施工與運(yùn)行的難度世界罕見，已成為制約水利水電工程建設(shè)與運(yùn)行安全的關(guān)鍵科學(xué)技術(shù)難題。在回顧研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，緊扣高陡邊坡性能演化與安全控制這一主題，以全生命周期為研究主線，闡明高地應(yīng)力區(qū)高陡邊坡巖體工程作用機(jī)制與效應(yīng)、復(fù)雜環(huán)境下高陡邊坡變形與穩(wěn)定性演化機(jī)制、高陡邊坡全生命周期性能評(píng)估與安全控制理論等關(guān)鍵科學(xué)問題及其重點(diǎn)研究?jī)?nèi)容，論述水電工程高陡邊坡全生命周期安全控制研究的學(xué)術(shù)思路與技術(shù)路線，介紹部分階段性研究成果，對(duì)高陡邊坡開挖錨固與滲流控制等工程作用效應(yīng)、高陡邊坡巖體時(shí)效力學(xué)特性、邊坡與壩體–庫(kù)水相互作用與穩(wěn)定性演化機(jī)制以及高陡邊坡全生命周期性能評(píng)估與安全控制等進(jìn)行展望。 關(guān)鍵詞：邊坡工程；高陡邊坡；全生命周期；性能演化；安全控制

中圖分類號(hào)：P 642 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1000–6915(2013)06–1081–13

A PROSPECT OF RESEARCHES ON LIFE-CYCLE SAFETY CONTROL ON HIGH-STEEP ROCK SLOPES IN HYDROPOWER ENGINEERING

，

ZHOU Chuangbing12

(1. State Key Laboratory of Water Resources and Hydropower Engineering Science，Wuhan University，Wuhan，Hubei 430072， China；2. Key Laboratory of Rock Mechanics in Hydraulic Structural Engineering，Ministry of Education，Wuhan University，

Wuhan，Hubei 430072，China)

Abstract：In hydropower engineering，the engineered slopes on both river sides are characteristics of large scale，high and steep geometry，long service life and high stabilization requirement. The design，construction and safe operation of the high-steep rock slopes has been a key technological issue in hydropower projects. Following a literature review，this study discusses the scientific problems associated with the life-cycle safety control on high-steep rock slopes，including the engineering disturbance effects of high-steep slope rock masses in high geostress condition，the mechanisms of high-steep slope deformation and stability evolutions in harsh environment，，and their life-cycle performance evaluation and safety control theory，etc. The scientific ideas and technology road map for researches on this topic are presented and some preliminary results are illustrated. A prospect is made for researches on the engineering disturbance effects induced by high-steep slope excavation，reinforcement and seepage control，the time-dependent mechanical properties of high-steep slope rock masses，the interactions among slopes，dams and reservoirs，the mechanisms of slope stability evolution，and the life-cycle performance evaluation and safety control of high-steep rock slopes，etc.

Key words：slope engineering；high-steep rock slopes；life-cycle；performance evolution；safety control 推進(jìn)節(jié)能減排、發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)的重要戰(zhàn)略舉措。一

1 引 言

加快西南水能資源開發(fā)已成為改善能源結(jié)構(gòu)、

收稿日期：2013–04–02；修回日期：2013–05–06

批大型、特大型水利水電工程已相繼開工建設(shè)，還有一大批水利水電工程進(jìn)入前期籌建階段。然而，我國(guó)水能資源開發(fā)普遍面臨庫(kù)壩安全、工程移民、

基金項(xiàng)目：國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973)項(xiàng)目(2011CB013506)；國(guó)家優(yōu)秀青年科學(xué)基金項(xiàng)目(51222903)；國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目(51079107) 作者簡(jiǎn)介：周創(chuàng)兵(1962–)，男，博士，1984年畢業(yè)于華東水利學(xué)院工程地質(zhì)及水文地質(zhì)專業(yè)，現(xiàn)任教授，主要從事復(fù)雜巖體多場(chǎng)廣義耦合、滲流分析等方面的教學(xué)與研究工作。E-mail：cbzhou@whu.edu.cn

? 1082 ? 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào) 2013年

環(huán)境保護(hù)、高效運(yùn)行等挑戰(zhàn)性難題。其中，庫(kù)壩安全是大型水利水電工程安全的基石與工程成敗的關(guān)鍵，開展庫(kù)壩穩(wěn)定與安全研究既是加快我國(guó)水能資源開發(fā)的重要保障，也是水利水電工程防災(zāi)減災(zāi)的重大需求。

1.1 水電工程高陡邊坡特點(diǎn)

我國(guó)西南地區(qū)的大型水利水電工程多布置于深切河谷，在大規(guī)模開挖后建造大壩、蓄水發(fā)電和通航，大壩、高陡邊坡和水庫(kù)組成一個(gè)相互作用的有機(jī)整體；高陡邊坡經(jīng)過高強(qiáng)度巖體開挖、大規(guī)模巖體錨固、大范圍滲流控制等工程作用，已由原來的自然邊坡轉(zhuǎn)變?yōu)槌休d大壩水荷載和山體重力的水工構(gòu)筑物；同時(shí)，地質(zhì)缺陷的存在會(huì)對(duì)高陡邊坡的變形和穩(wěn)定造成重大危害。在高山峽谷地區(qū)建設(shè)大型水利水電工程，確保庫(kù)壩穩(wěn)定與安全是工程的首要任務(wù)，而庫(kù)壩安全的前提之一是高陡邊坡的穩(wěn)定。

深切河谷和200～300 m級(jí)高壩導(dǎo)致高陡邊坡的開挖規(guī)模巨大，內(nèi)、外動(dòng)力作用下河谷地質(zhì)演化使得高陡邊坡巖體結(jié)構(gòu)復(fù)雜、深卸荷發(fā)育、穩(wěn)定條件與工程適應(yīng)能力差，庫(kù)水位的頻繁變動(dòng)以及泄洪霧化等形成高陡邊坡復(fù)雜的運(yùn)行環(huán)境和荷載條件。另一方面，水電工程對(duì)高陡邊坡穩(wěn)定性的要求比一般工程更高、安全服役時(shí)間更長(zhǎng)，邊坡設(shè)計(jì)、施工與運(yùn)行的難度也更大。因此，水電工程高陡邊坡問題已成為制約水利水電工程建設(shè)的關(guān)鍵技術(shù)難題(見表1)。例如，錦屏一級(jí)水電站雙曲拱壩，最大壩高305 m，為世界在建的第一高拱壩，壩址區(qū)兩岸為千米以上的高陡邊坡，壩頂高程以下自然坡度達(dá)60°～90°，其中左岸工程邊坡開挖高度達(dá)530 m，開挖方量達(dá)550×104 m3，是我國(guó)西南地區(qū)大型水利水電工程中地質(zhì)條件最復(fù)雜、施工難度最大的邊坡工程之一。

表1 西南地區(qū)部分水電工程高邊坡

Table 1 High slopes of hydropower engineering in Southwest

China

序號(hào) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 工程 名稱

自然坡高/m

自然坡

開挖坡高/m

度/(°)

壩高/m

綜上所述，我國(guó)西南地區(qū)大型水利水電工程高陡邊坡地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜，工程規(guī)模巨大，其性能與穩(wěn)定將長(zhǎng)期影響乃至控制工程全生命周期庫(kù)壩安全，沒有高陡邊坡的穩(wěn)定就沒有庫(kù)壩安全。 1.2 水電工程高陡邊坡全生命周期安全控制

自然邊坡有其自身的生命周期，從孕育、發(fā)展、演化到消亡通常經(jīng)歷一個(gè)漫長(zhǎng)的地質(zhì)時(shí)期。工程邊坡是根據(jù)工程建設(shè)需求由自然邊坡經(jīng)過一系列工程作用改造而成的。大型水利水電工程高陡邊坡性能不僅僅取決于工程設(shè)計(jì)，還與施工質(zhì)量、運(yùn)行控制等密切相關(guān)，貫穿于工程邊坡設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)行的全過程。工程邊坡安全性評(píng)價(jià)不能僅局限于某個(gè)階段，而是需要進(jìn)行全生命周期的邊坡性能評(píng)估與安全控制。工程邊坡的生命周期的起點(diǎn)為邊坡工程勘察設(shè)計(jì)，終點(diǎn)為工程邊坡退役，期間經(jīng)過工程施工與運(yùn)行階段。很顯然，工程邊坡的生命周期只是自然邊坡生命周期的一部分，工程建設(shè)前它是自然邊坡，工程退役后它又回到自然邊坡。高陡邊坡全生命周期是指從邊坡勘察設(shè)計(jì)開始，經(jīng)過巖體開挖錨固及滲流控制等工程作用，而后投入運(yùn)行直至退役的全過程。

水電工程高陡邊坡在大壩樞紐建設(shè)及運(yùn)行過程中發(fā)揮重要作用，具有重要功能。一方面，水電工程高邊坡不僅是水工建筑物的環(huán)境，更是水工建筑物的重要組成部分，起到布置水工建筑物、承擔(dān)大壩推力及水荷載、防滲以及發(fā)揮環(huán)境協(xié)調(diào)與安全保護(hù)等作用；另一方面，它是施工期必不可少的建設(shè)場(chǎng)地，用于布置交通路線、混凝土拌合樓、纜機(jī)平臺(tái)等。工程邊坡功能的實(shí)現(xiàn)需要由邊坡性能來保障。水利水電工程對(duì)邊坡性能的要求有其特殊性，除了邊坡穩(wěn)定性外，由于壩肩邊坡與大壩、水庫(kù)存在直接依存關(guān)系，在邊坡巖體變形和防滲排水性能方面還需要滿足高標(biāo)準(zhǔn)的要求。為此，水利水電工程高陡邊坡普遍需要經(jīng)受開挖、錨固和滲流控制等強(qiáng)烈的工程改造作用。

工程邊坡施工結(jié)束后投入運(yùn)行，運(yùn)行環(huán)境對(duì)邊坡性能具有重要影響。水電工程邊坡的運(yùn)行環(huán)境復(fù)雜，如水庫(kù)蓄水、庫(kù)水位周期性漲落、大壩泄洪霧化雨作用，以及庫(kù)水位的驟變與地震等極端運(yùn)行條件。惡劣運(yùn)行環(huán)境下，工程邊坡的性能演化主要表現(xiàn)為巖體及加固材料劣化、結(jié)構(gòu)老化。邊坡巖體的時(shí)效變形與損傷累積、錨索材料銹蝕與錨固體系松弛、滲流控制系統(tǒng)的淤堵或防滲體開裂等，都可能導(dǎo)致邊坡穩(wěn)定性惡化。由此可見，大型水利水電工程高陡邊坡性能不僅僅取決于工程設(shè)計(jì)，還與施工

小灣 700～800 錦屏一級(jí) 大崗山 天生橋 向家壩 糯扎渡 紫坪鋪

＞1 000 ＞600

47 670 294.5 ＞55

530 305.0

210.0 276.0

＞40 380～410 ＞60 300～350 ＞50 ＞40 ＞43

溪洛渡 300～350

350 800 350

400 50 350 178.0

200 161.0

261.5 289.0

280 156.0 430 263.0

＞43 300～400 ＞42 400～600

白鶴灘 440～860 烏東德 830～1 036

第32卷 第6期 周創(chuàng)兵：水電工程高陡邊坡全生命周期安全控制研究綜述 ? 1083 ?

質(zhì)量、運(yùn)行控制等密切相關(guān)，貫穿于工程邊坡設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)行的全過程。因此，工程邊坡安全性評(píng)價(jià)不能僅局限于某個(gè)階段，需要進(jìn)行全生命周期的邊坡性能評(píng)估與安全控制。

無論是工程設(shè)計(jì)原因，還是施工質(zhì)量問題，或是運(yùn)行控制不當(dāng)，如果大型水利水電工程高陡邊坡在其全生命周期中發(fā)生性能劣化、結(jié)構(gòu)老化，就會(huì)引起邊坡變形加劇，穩(wěn)定性惡化，甚至發(fā)生邊坡失穩(wěn)破壞，危及大壩及其他樞紐建筑物安全，造成人員傷亡、工期延誤、樞紐功能喪失，嚴(yán)重時(shí)誘發(fā)大壩潰決、庫(kù)水漫頂、涌浪、下游淹沒、河道堵塞等重大工程事故和環(huán)境災(zāi)害。長(zhǎng)期以來，由于對(duì)水利水電工程高邊坡施工期和運(yùn)行期性能演化規(guī)律缺乏系統(tǒng)深入地研究，在全生命周期中的不同階段，因不同誘因造成的邊坡安全隱患和災(zāi)難性事故時(shí)有發(fā)生，嚴(yán)重制約水利水電工程建設(shè)與運(yùn)行安全。

在水電工程高陡邊坡施工過程中，邊坡巖體變形和穩(wěn)定性與施工質(zhì)量和安全控制等因素密切相關(guān)，不規(guī)范的工程施工是導(dǎo)致邊坡性能惡化的重要誘因。水庫(kù)蓄水、庫(kù)水位周期性漲落、庫(kù)水位驟變和泄洪霧化雨作用構(gòu)成水利水電工程邊坡特殊的運(yùn)行環(huán)境，由此引起的突發(fā)性邊坡失穩(wěn)事故日益增多。1961年3月6日，柘溪水電站壩區(qū)在首次蓄水過程中發(fā)生總高度近200 m的高速滑坡，產(chǎn)生21 m的浪高，涌浪越過壩頂導(dǎo)致在壩面上施工的70余名工人喪生。1963年10月9日，高262 m的意大利瓦依昂高拱壩[1]在首次蓄水過程中，在壩前2 km的左岸誘發(fā)總體積達(dá)2.4×108 m3的巨型滑坡，在水庫(kù)中激起250 m的浪高，涌浪越過壩頂100余米，導(dǎo)致下游2 000余名居民喪生。1989年7月12日，龍羊峽水電站在泄洪過程中，因霧化雨作用導(dǎo)致下游虎山坡發(fā)生87×104 m3的巖體失穩(wěn)。此外，李家峽水電站[2]和二灘水電站在1997年和1999年泄洪時(shí)，都曾因霧化雨的沖刷和入滲作用誘發(fā)不同規(guī)模的下游岸坡失穩(wěn)。此外，2010年4月25日發(fā)生的因錨固體系失效造成的臺(tái)灣基隆滑坡[3]就為大型水利水電工程高陡邊坡的性能演化和安全控制問題敲響了警鐘。

因此，大型水利水電工程高陡邊坡安全控制問題貫穿于工程設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)行全過程，高陡邊坡全生命周期性能演化與安全控制是我國(guó)水電工程建設(shè)與運(yùn)行過程中迫切需求解決的基礎(chǔ)理論問題。本“973”計(jì)劃項(xiàng)目(大型水利水電工程高陡邊坡全生命周期性能演化與安全控制)重點(diǎn)研究：高陡邊坡開

挖、錨固與滲流控制的工程作用機(jī)制；復(fù)雜環(huán)境下高陡邊坡巖體的時(shí)效力學(xué)特征、錨固體系與滲流控制系統(tǒng)的性能演化機(jī)制；高陡邊坡全生命周期的變形與穩(wěn)定性演化規(guī)律；以及高陡邊坡全生命周期性能評(píng)估與安全控制等內(nèi)容�？傮w目標(biāo)是圍繞大型水利水電工程高陡邊坡全生命周期安全控制問題，開展高邊坡巖體工程作用效應(yīng)、時(shí)效力學(xué)特性、邊坡與壩體–庫(kù)水相互作用以及性能演化機(jī)制的基礎(chǔ)研究，闡明高邊坡巖體開挖擾動(dòng)區(qū)的孕育演化模式、大型錨固體系的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度特性以及高邊坡巖體的滲流控制機(jī)制，揭示復(fù)雜環(huán)境下高陡邊坡全生命周期的性能演化規(guī)律，建立基于全生命周期性能演化的大型水利水電工程高陡邊坡變形與穩(wěn)定性分析方法，提出邊坡性能綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系與多源信息融合的評(píng)估方法，形成一套基于全生命周期性能演化的高陡邊坡設(shè)計(jì)方法與安全控制理論體系。同時(shí)，本項(xiàng)目的順利實(shí)施具有重大的科學(xué)意義：將為大型水利水電工程高陡邊坡安全施工和運(yùn)行提供理論支撐和技術(shù)平臺(tái)，顯著提高我國(guó)水利水電高陡邊坡的優(yōu)化設(shè)計(jì)、安全施工與運(yùn)行水平，培育和形成一支從事水利水電高邊坡工程研究的創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)，提升我國(guó)在高陡邊坡研究領(lǐng)域的國(guó)際地位和學(xué)術(shù)影響力。

2 研究歷史回顧

截止2011年，針對(duì)復(fù)雜地質(zhì)條件、施工環(huán)境與運(yùn)行環(huán)境下高陡邊坡穩(wěn)定與安全問題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)河谷邊坡自然演化與開挖擾動(dòng)機(jī)制、高邊坡巖體錨固機(jī)制與性能演化、高邊坡巖體滲透特性與滲流控制、高邊坡巖體時(shí)效力學(xué)特性、高陡邊坡變形與穩(wěn)定性分析方法等方面進(jìn)行了不少有益的探索。 2.1 高地應(yīng)力區(qū)河谷邊坡巖體開挖擾動(dòng)機(jī)制

我國(guó)西南地區(qū)的深切河谷具有較為特殊的演化模式，受復(fù)雜的地球內(nèi)、外動(dòng)力作用，深切河谷具有應(yīng)力降低、升高及原始三帶的“駝峰型”及谷底存在“高應(yīng)力包”的地應(yīng)力分布基本規(guī)律[4]。針對(duì)河谷高陡邊坡巖體深卸荷問題，D. Bachmann等[5]提出了巖體深層重力變形成因機(jī)制。國(guó)內(nèi)類似研究則始于20世紀(jì)80年代，尤以針對(duì)錦屏一級(jí)水電站左岸巖體深部裂縫研究最多，但目前對(duì)西南地區(qū)深部裂縫成因機(jī)制的認(rèn)識(shí)上尚存在分歧，缺少深部裂縫現(xiàn)象的共性和基礎(chǔ)性研究。

在巖體開挖擾動(dòng)機(jī)制研究方面，國(guó)外在地下工程圍巖開挖擾動(dòng)區(qū)的形成機(jī)制、開挖擾動(dòng)區(qū)巖體的

? 1084 ? 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào) 2013年

力學(xué)特性、開挖擾動(dòng)范圍現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)與診斷技術(shù)等方面取得了系列成果[6]。國(guó)內(nèi)針對(duì)巖體開挖擾動(dòng)區(qū)的形成機(jī)制研究始于20世紀(jì)90年初，這些研究主要結(jié)合三峽、小灣、溪洛渡和錦屏一級(jí)等高陡邊坡工程實(shí)踐，已在裂隙巖體卸荷破壞機(jī)制和力學(xué)特性、考慮卸荷效應(yīng)的高陡邊坡穩(wěn)定與變形計(jì)算方法、爆破損傷模型和爆破松動(dòng)機(jī)制等方面取得進(jìn)展[7-8]。但由于賦存環(huán)境、原有坡體結(jié)構(gòu)和開挖卸荷、爆破作用過程的復(fù)雜性，尚未建立開挖擾動(dòng)區(qū)形成與預(yù)測(cè)的定量模型；而且已有的研究大都未考慮開挖過程中巖體應(yīng)力瞬態(tài)調(diào)整對(duì)擾動(dòng)區(qū)巖體損傷及大變形的影響。

2.2 高陡邊坡巖體錨固機(jī)制與性能演化特征

在預(yù)應(yīng)力錨桿(索)對(duì)巖體的加固力學(xué)機(jī)制及數(shù)值模擬方法研究方面，李術(shù)才等[9-11]開展了系列研究。研究成果初步揭示了錨固構(gòu)件與節(jié)理巖體的相互作用機(jī)制，但已有的錨固力學(xué)模型未能有效揭示錨固巖體的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度特性，使現(xiàn)有模型難以充分反映錨固構(gòu)件的支護(hù)效果。

針對(duì)西南水電工程高邊坡工程，常需要采用錨桿(索)、抗滑樁、錨固洞、框格梁等綜合加固措施，周德培等[12-13]研究了抗滑樁與預(yù)應(yīng)力錨索的聯(lián)合優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。但由于高邊坡大型錨固的作用機(jī)制及力學(xué)模型研究遠(yuǎn)落后于工程實(shí)踐，目前的研究成果尚無法體現(xiàn)預(yù)應(yīng)力錨索與其他加固措施的協(xié)同作用機(jī)制。

在邊坡錨固體系性能演化機(jī)制與耐久性研究方面，我國(guó)有關(guān)金屬材料的應(yīng)力腐蝕研究已經(jīng)達(dá)到較高的水平

[14-15]

對(duì)于穩(wěn)定/非穩(wěn)定滲流問題，朱伯芳等[25-29]研究了滲流分析方法；鄭 宏等[30-31]先后建立了橢圓和拋物Signorini型變分不等式提法，以解決滲流溢出邊界非線性導(dǎo)致的數(shù)值穩(wěn)定性問題。陳益峰等[31]將各種巖體滲流控制機(jī)制歸結(jié)為過程、狀態(tài)、參數(shù)和邊界控制四大類，為滲流控制優(yōu)化設(shè)計(jì)奠定了理論基礎(chǔ)。

2.4 復(fù)雜環(huán)境下工程邊坡巖體的時(shí)效力學(xué)特性

針對(duì)長(zhǎng)時(shí)間尺度和復(fù)雜荷載條件(循環(huán)荷載、靜動(dòng)荷載組合、復(fù)雜應(yīng)力路徑等)問題，現(xiàn)有的試驗(yàn)手段還無法在邊坡全生命周期時(shí)間尺度上全部模擬復(fù)雜荷載條件，因而所得到的宏觀認(rèn)識(shí)和唯象理論僅在試驗(yàn)所涵蓋的時(shí)間尺度和荷載條件范圍內(nèi)是有效的。國(guó)內(nèi)外學(xué)者運(yùn)用細(xì)觀損傷力學(xué)和斷裂力學(xué)理論研究巖石內(nèi)部缺陷萌生、發(fā)展直至破壞的過程，采用非線性均勻化理論[32]、概率統(tǒng)計(jì)理論[33]、數(shù)值仿真分析等[34]建立多尺度力學(xué)模型。但目前的研究對(duì)巖石細(xì)觀破壞機(jī)制的描述引入的假設(shè)過多，難以反映真實(shí)的力學(xué)機(jī)制，也不能在邊坡巖體損傷建模時(shí)全面考慮邊坡全生命周期時(shí)間尺度、復(fù)雜荷載條件以及飽和–非飽和等因素的影響。

在庫(kù)水位周期性變化過程中，庫(kù)水變幅帶巖體經(jīng)歷長(zhǎng)期的飽和–非飽和循環(huán)，在孔隙水壓力和水–巖物理化學(xué)作用下，加速了巖石礦物成分和細(xì)觀結(jié)構(gòu)的改變及力學(xué)性能的劣化。針對(duì)庫(kù)水變幅帶巖體水力風(fēng)化問題，朱珍德等[35-36]開展了巖石流–固耦合機(jī)制與特性研究，湯連生等[37]進(jìn)行了水–巖物理化學(xué)作用機(jī)制與特性研究。但現(xiàn)有研究成果還無法外推到邊坡長(zhǎng)期運(yùn)行時(shí)間尺度的性能演化分析上。目前，對(duì)于錨固體系的時(shí)效性及其力學(xué)模型研究主要集中在錨固力隨時(shí)間變化規(guī)律及錨固巖體的流變特性研究方面，但現(xiàn)有研究成果尚不足以描述不同錨固方式和錨固結(jié)構(gòu)的細(xì)觀作用機(jī)制以及因錨索銹蝕導(dǎo)致的局部失效及其時(shí)效力學(xué)特性。

2.5 邊坡與壩體–庫(kù)水相互作用及穩(wěn)定性演化機(jī)制

在邊坡開挖與錨固過程中的變形和穩(wěn)定性研究方面，丁秀麗等[38]對(duì)三峽船閘高邊坡開挖過程進(jìn)行了變形計(jì)算分析；朱繼良等[39]研究了高邊坡開挖的變形響應(yīng)；李 寧等[40]采用預(yù)應(yīng)力錨索單元對(duì)錦屏左岸拱肩槽邊坡潛在不穩(wěn)定塊體進(jìn)行了邊坡加固效果分析；楊 強(qiáng)等[41]基于理想彈塑性模型研究了高邊坡錨固力與非平衡力之間的關(guān)系。

針對(duì)強(qiáng)泄洪霧化雨作用對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響，朱濟(jì)祥等[42]研究了龍羊峽霧化雨誘發(fā)的邊坡變形

，但與我國(guó)水電工程復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境緊

密結(jié)合的預(yù)應(yīng)力錨固體系耐久性研究仍不多見，對(duì)惡劣巖土環(huán)境下錨索的銹蝕演化機(jī)制尚不明確。 2.3 高陡邊坡巖體滲透特性與滲流控制機(jī)制

在飽和滲流條件下，單裂隙滲流的理論和試驗(yàn)研究成果極為豐富，涉及裂隙面幾何形態(tài)和延展特征對(duì)裂隙滲流規(guī)律的影響、滲流立方定理的適用條件及其修正、裂隙在變形或荷載作用條件下滲透特性和滲流規(guī)律的變化等[16-18]。然而，在非飽和滲流條件下，裂隙、水氣兩相流運(yùn)動(dòng)特性的研究成果還不深入，其理論模型也大多建立在多孔介質(zhì)的土水特性曲線基礎(chǔ)上[19-21]。通常采用等效連續(xù)介質(zhì)方法描述裂隙巖體的滲透特性及其演化規(guī)律[22-24]，但有關(guān)裂隙巖體非飽和滲透特性、水氣兩相流運(yùn)動(dòng)機(jī)制以及降雨入滲機(jī)制等的研究進(jìn)展緩慢，有理論價(jià)值的研究成果很少。

第32卷 第6期 周創(chuàng)兵：水電工程高陡邊坡全生命周期安全控制研究綜述 ? 1085 ?

特征和滑坡發(fā)生機(jī)制；張 卓等[43]針對(duì)裂隙較為發(fā)育的邊坡巖體，建立了在霧化雨入滲下的飽和–非飽和滲流模型。針對(duì)暴雨與庫(kù)水位驟變條件下高陡邊坡變形破壞機(jī)制問題，李邵軍等[44-45]采用了數(shù)值模擬、模型試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)等綜合手段進(jìn)行研究。

在邊坡穩(wěn)定性分析方法研究方面，朱大勇等[46-47]建立的三維嚴(yán)格極限平衡法是該領(lǐng)域的一個(gè)突破。適用于高陡邊坡整體穩(wěn)定分析的方法還包括強(qiáng)度折減法[48]和矢量和法[49]。此外，適用于局部穩(wěn)定性分析的關(guān)鍵塊理論已在巖質(zhì)邊坡工程中得到了普遍應(yīng)用。邊坡變形分析方法包括以有限元為代表的連續(xù)介質(zhì)方法和以不連續(xù)變形分析方法為代表的非連續(xù)方法，數(shù)值流形元法是一種有望能統(tǒng)一描述連續(xù)和非連續(xù)變形的高效數(shù)值分析方法[50]。然而總體而言，邊坡開挖計(jì)算結(jié)果與邊坡實(shí)際變形響應(yīng)還有很大出入，錨固系統(tǒng)的聯(lián)合作用效果也無法得到準(zhǔn)確反映。同時(shí)，考慮邊坡與大壩–水庫(kù)相互作用的成果并不多見。

2.6 高陡邊坡全生命周期性能評(píng)估與安全控制

現(xiàn)行水利水電工程邊坡設(shè)計(jì)規(guī)范采用安全系數(shù)作為邊坡穩(wěn)定性的評(píng)價(jià)指標(biāo)，安全系數(shù)設(shè)計(jì)方法使用時(shí)間長(zhǎng)，工程經(jīng)驗(yàn)積累多，而且簡(jiǎn)便易行[51]。為考慮影響邊坡穩(wěn)定性的不確定性因素，可靠度分析方法受到重視，J. M. Duncan[52]認(rèn)為可靠指標(biāo)不能看成是安全系數(shù)的替代物，而是一種補(bǔ)充。目前尚缺乏基于邊坡變形的安全評(píng)價(jià)指標(biāo)，盡管鄭穎人等[48]采用強(qiáng)度折減法研究邊坡變形與穩(wěn)定性的關(guān)系，但該方法無法得到邊坡性能演化真實(shí)的變形規(guī)律。

高陡邊坡各類監(jiān)測(cè)信息十分豐富，不少學(xué)者研究了多源信息融合與評(píng)估方法。在考慮邊坡性能演化的穩(wěn)定性分析方面，M. A Abd-Alghaffar和C. Dymiotis-Wellington[53]提出了倫敦地區(qū)黏土的抗剪強(qiáng)度參數(shù)的衰減模型，R. W. M. Cheung和W. H. Tang[54]基于香港地區(qū)大量邊坡失事案例，研究了邊坡失穩(wěn)概率隨時(shí)間的變化規(guī)律。然而，對(duì)于水電工程高陡邊坡，至今鮮有考慮設(shè)計(jì)、施工與運(yùn)行全過程的高陡邊坡性能評(píng)估模型和評(píng)價(jià)方法。

對(duì)于巖質(zhì)邊坡而言，由于宏觀破壞之前的變形小，表面位移不明顯，傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)方法難以捕捉邊坡巖體內(nèi)部可能存在的微破裂過程。微震監(jiān)測(cè)技術(shù)能夠充分考慮邊坡整體應(yīng)力場(chǎng)的影響和聯(lián)系，無疑是開展邊坡性能演化與預(yù)測(cè)預(yù)警的新方法[55]。在邊坡穩(wěn)定性預(yù)測(cè)方面，周創(chuàng)兵等[56-57]引入了邊坡變形預(yù)測(cè)的相空間重構(gòu)及混沌動(dòng)力學(xué)方法；鄭東健等[58]考慮降雨和溫度變化的影響，建立了邊坡變形的多

因素回歸時(shí)變預(yù)測(cè)模型。

在邊坡預(yù)警研究方面，香港土工處提出了基于降雨信息的預(yù)警標(biāo)準(zhǔn)。劉造保等[59]針對(duì)錦屏一級(jí)水電站左岸邊坡巖體位移監(jiān)測(cè)，設(shè)定了5個(gè)預(yù)警等級(jí)。在邊坡安全控制方面，尚缺乏基于全生命周期性能演化的集設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)行為一體的高陡邊坡安全控制理論和方法。

3 研究重點(diǎn)

圍繞水電工程高陡邊坡全生命周期性能演化與安全控制理論問題，需要從河谷演化與邊坡巖體工程地質(zhì)特征、邊坡巖體工程作用效應(yīng)、邊坡巖體及結(jié)構(gòu)性能演化等視角，深入研究如下3個(gè)關(guān)鍵科學(xué)問題。

3.1 高地應(yīng)力區(qū)高陡邊坡巖體工程作用機(jī)制與效應(yīng)

高地應(yīng)力區(qū)自然河谷邊坡經(jīng)過漫長(zhǎng)的地質(zhì)演化，形成了獨(dú)特的高陡邊坡坡體結(jié)構(gòu)，其演化模式、地應(yīng)力特征和坡體結(jié)構(gòu)控制自然邊坡穩(wěn)定性，并對(duì)高陡邊坡巖體施工期的工程作用效應(yīng)、運(yùn)行期邊坡性能演化產(chǎn)生重要影響。邊坡巖體開挖過程中，巖體應(yīng)力重分布及儲(chǔ)能釋放，導(dǎo)致巖體變形甚至局部破壞，形成開挖擾動(dòng)區(qū)(EDZ)。邊坡巖體結(jié)構(gòu)特征、地應(yīng)力水平、開挖方式與程序等對(duì)EDZ的孕育演化起控制作用。對(duì)于巖體爆破開挖，在爆炸荷載與開挖卸荷聯(lián)合作用下，巖體發(fā)生損傷、裂紋擴(kuò)展，甚至局部失穩(wěn)。因此，需要研究邊坡巖體EDZ形成與演化、邊坡開挖擾動(dòng)區(qū)巖體的力學(xué)行為、高陡邊坡開挖擾動(dòng)效應(yīng)控制方法等問題。

預(yù)應(yīng)力錨索、抗剪洞、錨固洞等加固措施具有復(fù)雜的加固機(jī)制。就預(yù)應(yīng)力錨索加固而言，預(yù)應(yīng)力通過錨索傳遞至孔底，而且不同的錨固方式具有不同的應(yīng)力傳遞模式，錨索與砂漿、砂漿與巖體之間存在應(yīng)力傳遞與變形協(xié)調(diào)過程。顯然，簡(jiǎn)單地考慮錨固力或錨固件自身剛度的錨固設(shè)計(jì)方法尚不足以揭示邊坡巖體真實(shí)的錨固效應(yīng)。因此，需要研究錨固件和巖體的相互作用機(jī)制、錨固巖體的變形與結(jié)構(gòu)強(qiáng)度特性以及錨固巖體力學(xué)行為等問題。

水電工程高陡邊坡滲流涉及天然強(qiáng)降雨或泄洪霧化雨入滲機(jī)制、飽和區(qū)與非飽和區(qū)演化特征、邊坡巖體飽和–非飽和滲流及其與應(yīng)力–變形的耦合機(jī)制、庫(kù)水位驟變條件下邊坡巖體滲流特性及其對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響等。因此，需要研究邊坡巖體的地質(zhì)特征對(duì)其滲透特性及滲流運(yùn)動(dòng)的控制作用，揭示邊坡巖體滲流運(yùn)動(dòng)規(guī)律，建立排水孔(幕)結(jié)構(gòu)的

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