本文關(guān)鍵詞： 庫(kù)岸高邊坡 消落帶 飽水-失水循環(huán) 劣化機(jī)理 流變本構(gòu)模型 BP-PSO算法　出處：《中國(guó)地質(zhì)大學(xué)》2014年博士論文　論文類(lèi)型：學(xué)位論文

【摘要】：在實(shí)施“西部大開(kāi)發(fā)”的戰(zhàn)略決策中,水電開(kāi)發(fā)是其中的重要組成部分。西部建設(shè)的大型水電站大多地處崇山峻嶺中的深山峽谷地區(qū),地形地質(zhì)條件復(fù)雜,因此,出現(xiàn)了大量的庫(kù)岸高陡邊坡。水庫(kù)在運(yùn)營(yíng)過(guò)程中,將按計(jì)劃周期性的蓄水和排水,庫(kù)水位反復(fù)大幅升降對(duì)“消落帶”的巖體來(lái)說(shuō)是一種“疲勞損傷”和反復(fù)弱化作用,庫(kù)水位漲落下,“消落帶”巖體的飽水-失水循環(huán)劣化作用會(huì)加劇庫(kù)岸邊坡消落帶巖體的流變性,甚至發(fā)生流變變形破壞。而壩址區(qū)的邊坡由于離大壩較近,在水電站運(yùn)行期庫(kù)水位漲落影響下其長(zhǎng)期穩(wěn)定性對(duì)大壩的長(zhǎng)期安全將有直接的影響。 本論文結(jié)合國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“水位周期性大幅漲落下庫(kù)岸高邊坡軟弱節(jié)理巖體流變機(jī)理與長(zhǎng)期穩(wěn)定性研究”(41172281),以國(guó)家重點(diǎn)工程龍灘水電站的壩址區(qū)庫(kù)岸高邊坡“消落帶”砂巖、泥板巖為研究對(duì)象,考慮庫(kù)岸邊坡在水電站運(yùn)營(yíng)中經(jīng)常遇到的庫(kù)水位漲落情況,對(duì)“消落帶”巖石試樣在飽水-失水循環(huán)作用下劣化機(jī)理和效應(yīng)進(jìn)行研究,進(jìn)行不同“飽水-失水”循環(huán)次數(shù)作用后的單軸、三軸抗壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)、抗拉實(shí)驗(yàn)以及三軸流變?cè)囼?yàn)。對(duì)“消落帶”砂巖、泥板巖飽水-失水循環(huán)作用后的損傷劣化規(guī)律進(jìn)行了研究分析,在Hoek-Brown強(qiáng)度準(zhǔn)則的基礎(chǔ)上,引入飽水-失水循環(huán)作用后巖石累積損傷率,考慮了飽水-失水循環(huán)作用對(duì)巖石的損傷影響,改進(jìn)了Hoek-Brown強(qiáng)度準(zhǔn)則,并構(gòu)建了改進(jìn)的Hoek-Brown強(qiáng)度準(zhǔn)則對(duì)應(yīng)的“GSI量化取值表格”。在流變?cè)囼?yàn)的基礎(chǔ)上,提出了考慮巖石飽水-失水循環(huán)次數(shù)n損傷的“非線性黏彈塑性流變模型(DNBVP模型)”,使用VC++編程對(duì)該模型進(jìn)行了基于FLAC3D軟件的二次開(kāi)發(fā)。選取龍灘水電站壩址區(qū)流變體B區(qū)域的典型剖面,進(jìn)行飽水-失水循環(huán)劣化作用下的長(zhǎng)期流變計(jì)算,采用"BP-PSO算法的邊坡位移反分析方法”,反演獲取考慮流變特性的數(shù)值計(jì)算模型中“巖體”相應(yīng)的DNBVP模型最優(yōu)流變參數(shù),結(jié)合庫(kù)水位漲落周期內(nèi)壩區(qū)高邊坡巖體現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)成果,論證提出的流變本構(gòu)模型,對(duì)庫(kù)水位漲落下壩區(qū)高邊坡長(zhǎng)期穩(wěn)定性進(jìn)行了計(jì)算預(yù)測(cè),并提出了相應(yīng)的防治措施,為工程實(shí)踐提供參考。在我國(guó)中西部眾多水利水電工程先后竣工和蓄水運(yùn)行的背景下,研究成果對(duì)揭示大量存在的庫(kù)岸邊坡巖體力學(xué)參數(shù)隨庫(kù)水位漲落的變化規(guī)律,并將此規(guī)律應(yīng)用到庫(kù)岸邊坡巖土體的長(zhǎng)期穩(wěn)定性評(píng)價(jià)分析中,具有十分重要的理論和應(yīng)用價(jià)值。 取得了如下研究成果： (1)從室內(nèi)單軸抗壓、抗拉、三軸抗壓、三軸流變?cè)囼?yàn)以及三軸流變?cè)囼?yàn)后巖樣的宏、細(xì)觀破壞形態(tài)分析發(fā)現(xiàn)“飽水-失水”循環(huán)對(duì)砂巖、泥板巖的物理力學(xué)性質(zhì)具有明顯的損傷劣化作用。 (2)以試驗(yàn)為基礎(chǔ),揭示了砂巖、泥板巖在不同“飽水-失水”循環(huán)下抗壓強(qiáng)度、彈性模量、抗拉強(qiáng)度、粘聚力、內(nèi)摩擦角的損傷劣化規(guī)律。 (3)在Hoek-Brown強(qiáng)度準(zhǔn)則的基礎(chǔ)上,引入飽水-失水循環(huán)作用后巖石累積損傷率,考慮了飽水-失水循環(huán)作用對(duì)巖石的損傷影響,改進(jìn)了Hoek-Brown強(qiáng)度準(zhǔn)則,為飽水-失水循環(huán)作用下現(xiàn)場(chǎng)巖體力學(xué)參數(shù)的獲取,提供了理論依據(jù)和過(guò)渡的“橋梁”。 (4)結(jié)合國(guó)內(nèi)外研究成果,在E. Hoek提出的廣義Hoek-Brown準(zhǔn)則中GSI評(píng)分表格的基礎(chǔ)上,對(duì)GSI評(píng)分系統(tǒng)進(jìn)行量化取值,構(gòu)建了包含巖體結(jié)構(gòu)類(lèi)型、巖體體積節(jié)理數(shù)JV、巖體完整性系數(shù)Kv、巖體結(jié)構(gòu)等級(jí)SR、節(jié)理特征系數(shù)JC、結(jié)構(gòu)面表面等級(jí)SCR的“新的GSI量化取值表格”,“新的GSI量化取值表格”解決了巖體節(jié)理體積系數(shù)JV通常不能合理確定的問(wèn)題,并采用我國(guó)相關(guān)規(guī)范以巖體完整性系數(shù)KV替換巖塊體積Jb來(lái)解決對(duì)巖體完整性合理的定量化取值問(wèn)題,且采用定性化的結(jié)構(gòu)面表面特征、結(jié)構(gòu)面表面等級(jí)指標(biāo)SCR、節(jié)理特征系數(shù)JC、巖石質(zhì)量指標(biāo)RQD四個(gè)指標(biāo),選擇性對(duì)比驗(yàn)證巖體結(jié)構(gòu)面特征的定量化取值。新的GSI量化取值表格采用了區(qū)間數(shù)理論,來(lái)表示地質(zhì)強(qiáng)度指標(biāo)GSI的不確定性,更為符合現(xiàn)場(chǎng)巖體力學(xué)參數(shù)取值的實(shí)際情況,且考慮了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)資料選擇性獲取的可操作性,并引入多指標(biāo)聯(lián)合確定GSI值的最終交集,確保了GSI定量化取值的合理性。為不同地質(zhì)情況下定量地將巖石力學(xué)參數(shù)轉(zhuǎn)換為巖體力學(xué)參數(shù)提供了新的依據(jù)。 (5)以飽水狀態(tài)(飽水-失水循環(huán)0次)的砂巖、泥板巖流變?cè)囼?yàn)曲線為例,進(jìn)行壩址區(qū)庫(kù)岸高邊坡“消落帶”砂巖、泥板巖流變特征研究分析,發(fā)現(xiàn)：①砂巖、泥板巖的流變曲線均經(jīng)歷了瞬時(shí)彈性變形階段、減速流變階段、穩(wěn)定流變階段和加速流變階段。在低軸向應(yīng)力作用下,砂巖、泥板巖只出現(xiàn)前三種階段,在軸向應(yīng)力接近或達(dá)到臨界破壞值時(shí)才依次出現(xiàn)上述四種流變階段。②砂巖巖樣在前四級(jí)軸向荷載作用下流變速率先減小后趨于零或穩(wěn)定值；砂巖巖樣在第五級(jí)軸向荷載作用下流變速率先減小后趨于零或穩(wěn)定值,最后又加速直至巖樣破壞。泥板巖巖樣在前四級(jí)軸向荷載作用下流變速率先無(wú)規(guī)律的波動(dòng)后總體上趨于零或穩(wěn)定值,但局部仍有波動(dòng),這是因?yàn)槟喟鍘r相對(duì)于砂巖有著更多的微裂隙、微缺陷或不均勻性更易受水的影響,在流變?cè)囼?yàn)的長(zhǎng)期作用下導(dǎo)致軸向應(yīng)變不均勻波動(dòng)；泥板巖巖樣在第五級(jí)高軸向荷載應(yīng)力作用下流變速率先減小后趨于零或穩(wěn)定值,最后又加速直至巖樣破壞。③砂巖、泥板巖的軸向應(yīng)變和軸向應(yīng)變速率曲線并不十分光滑,其局部應(yīng)變曲線段和應(yīng)變速率曲線段均發(fā)生了微小波動(dòng)和突變現(xiàn)象,而泥板巖的這種微小波動(dòng)和突變現(xiàn)象更為劇烈。造成這種現(xiàn)象的原因是由于流變?cè)囼?yàn)過(guò)程中,砂巖、泥板巖內(nèi)部結(jié)構(gòu)存在非均質(zhì)性,從而引起巖樣的微觀弱化和破裂,使得原有的應(yīng)力平衡被打破,由于受到恒定軸向應(yīng)力的長(zhǎng)期連續(xù)作用,巖樣內(nèi)部的微缺陷發(fā)生損傷,經(jīng)過(guò)較長(zhǎng)時(shí)間的積累之后,巖石中強(qiáng)度較低的部位無(wú)法承受這些微缺陷的長(zhǎng)期累積所引起的流變損傷,出現(xiàn)了非均勻的變形與破壞,從而造成巖石變形曲線產(chǎn)生了不規(guī)則波動(dòng)和突變。在飽水狀態(tài)下,泥板巖出現(xiàn)突變現(xiàn)象的次數(shù)明顯高于砂巖,說(shuō)明飽水狀態(tài)下軸向應(yīng)力對(duì)泥板巖的微觀缺陷具有更明顯的損傷效應(yīng),從而使泥板巖的軸向應(yīng)變曲線多次出現(xiàn)突變現(xiàn)象。 (6)針對(duì)線性流變體的元件組合模型構(gòu)建的與巖石流變相關(guān)的本構(gòu)模型將會(huì)與實(shí)際有所偏差的情況,在Burgers模型的基礎(chǔ)上串聯(lián)一個(gè)非線性黏性元件和塑性元件并聯(lián)而成的非線性黏塑性體,進(jìn)而提出了一種能同時(shí)描述巖石黏彈和塑性特性的非線性流變模型-NBVP模型,對(duì)NBVP模型的三維流變本構(gòu)方程進(jìn)行了推導(dǎo)。以飽水狀態(tài)的砂巖、泥板巖流變?cè)囼?yàn)曲線為例,分別采用三參量模型、Burgers模型、NBVP模型對(duì)試驗(yàn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合,對(duì)比分析后發(fā)現(xiàn)所建立的非線性黏彈塑性流變模型—NBVP模型曲線與砂巖、泥板巖的三軸流變?cè)囼?yàn)結(jié)果較吻合,且NBVP模型可以較理想的描述巖石的加速流變階段。 (7)將損傷變量引入到NBVP模型中,建立了考慮巖石飽水-失水循環(huán)次數(shù)n損傷的非線性黏彈塑性流變模型—DNBVP模型,同時(shí)基于流變?cè)囼?yàn)結(jié)果得到了相應(yīng)的損傷變量表達(dá)式,并推導(dǎo)了DNBVP模型的三維流變本構(gòu)方程,以試驗(yàn)數(shù)據(jù)為例進(jìn)行分析可以看出DNBVP模型能夠很好地描述飽水-失水循環(huán)后巖石流變的全過(guò)程曲線。 (8)將非線性黏彈塑性流變模型(DNBVP模型)方程,進(jìn)行詳細(xì)推導(dǎo),獲得了其二次開(kāi)發(fā)所需的應(yīng)力增量三維中心差分格式,參照DNBVP流變模型的應(yīng)力增量差分表達(dá)式,采用VC++編程,生成可調(diào)用的動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)(.d11),可以實(shí)現(xiàn)DNBVP流變模型在FLAC3D中的開(kāi)發(fā)。以三軸巖樣的數(shù)值模型試驗(yàn)計(jì)算結(jié)果分析發(fā)現(xiàn)二次開(kāi)發(fā)的DNBVP模型是合理正確的；對(duì)不同飽水-失水循環(huán)次數(shù)n取值后,計(jì)算所得的巖樣頂端軸向位移,進(jìn)行分析可以看出,隨著飽水-失水循環(huán)次數(shù)n的增大,軸向位移亦增大,既損傷亦增大,且其與試驗(yàn)數(shù)據(jù)較吻合,證明了所建立的DNBVP流變模型的正確性。 (9)選取龍灘水電站壩址區(qū)流變體B區(qū)域典型剖面,進(jìn)行飽水-失水循環(huán)劣化作用下的長(zhǎng)期流變計(jì)算。將室內(nèi)巖石流變?cè)囼?yàn)與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)相結(jié)合,根據(jù)提出的“非線性黏彈塑性流變模型(DNBVP模型)”,采用"BP-PSO算法的邊坡位移反分析方法”,反演得到了高邊坡消落帶“巖體”的DNBVP模型的最優(yōu)流變參數(shù),并將其應(yīng)用于高邊坡的長(zhǎng)期流變計(jì)算中,再將監(jiān)測(cè)點(diǎn)的反演計(jì)算位移值與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)位移值進(jìn)行對(duì)比,發(fā)現(xiàn),現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)位移值與流變計(jì)算值的變化趨勢(shì)基本相同,量值上也接近,表明了本文采用的通過(guò)“基于BP-PSO算法的邊坡位移反分析法”和提出的“非線性黏彈塑性流變模型(DNBVP模型)”的正確性。最后對(duì)龍灘水電站壩址區(qū)左岸B流變體典型剖面高邊坡模型進(jìn)行了長(zhǎng)期流變計(jì)算與預(yù)測(cè)分析,并提出了相應(yīng)的防治措施,為工程實(shí)踐提供參考。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)地質(zhì)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類(lèi)號(hào)】：TV221.2;TV223.1

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：1494463