大型水利水电工程高陡边坡全生命周期性能演化与安全控制.docx

编号：时间：2021年x月x日书山有路勤为径，学海无涯苦作舟页码：项目名称：大型水利水电工程高陡边坡全生命周期性能演化与安全控制首席科学家：周创兵武汉大学起止年限：2011.11-2016.8依托部门：教育部湖北省科技厅一、关键科学问题及研究内容（一）拟解决的关键科学问题根据国家水利水电工程建设重大需求、相关学科国际学术前沿和国内外研究现状，本项目紧密围绕大型水利水电工程高陡边坡全生命周期性能演化与安全控制理论问题，从河谷演化与边坡岩体工程地质特征、边坡岩体工程作用、边坡岩体及结构性能演化等视角，凝练出拟解决的三个关键科学问题。科学问题一：高地应力区高陡边坡岩体工程作用机制与效应西南高地应力区自然河谷边坡经过长期的地质演化，原岩应力强烈卸荷，形成了独特的高陡边坡坡体结构。深切河谷演化模式、地应力特征和坡体结构控制自然边坡稳定性，并对高陡边坡岩体开挖、锚固支护、渗流控制等工程作用效应、运行期边坡性能演化产生重要影响。边坡岩体开挖过程中，岩体应力重分布及储能释放，导致岩体变形甚至局部破坏，形成开挖扰动区（EDZ）。边坡岩体结构特征、地应力水平、开挖方式与程序等对EDZ的孕育、发展和演化起控制作用。对于岩体爆破开挖，在爆炸荷载与开挖卸荷耦合作用下岩体发生损伤、裂纹扩展，甚至局部失稳。因此，需要研究爆破荷载与开挖荷载的耦合作用机制、爆破损伤与卸载松动机理、反复扰动的损伤累积效应、边坡岩体EDZ形成与演化、边坡开挖扰动区岩体的力学行为、高陡边坡开挖扰动效应控制方法等问题。预应力锚索及抗剪洞、锚固洞等加固措施具有复杂的加固机理。就预应力锚索加固而言，预应力通过锚索传递至孔底，而且不同的锚固方式具有不同的应力传递模式，锚索与砂浆、砂浆与岩体之间存在应力传递与变形协调过程。显然，简单地考虑锚固力或锚固件自身刚度的锚固设计方法尚不足于揭示边坡岩体真实的锚固效应。因此，需要研究锚固件和岩体的相互作用机制、锚固与联合加固措施的协同作用机制、锚固岩体的变形与结构强度特性以及锚固岩体力学行为等问题。水利水电工程高陡边坡渗流涉及天然强降雨或泄洪雾化雨入渗机理、饱和区与非饱和区演化特征、边坡岩体饱和/非饱和渗流及其与应力/变形的耦合机理、库水位骤变条件下边坡岩体渗流特性及其对边坡稳定性的影响等。因此，需要研究边坡岩体的地质特征对其渗透特性及渗流运动的控制作用，揭示边坡岩体渗流运动规律，建立排水孔（幕）结构的精细化分析方法以及边坡渗流控制的优化设计方法。本科学问题旨在揭示复杂地质条件下高陡边坡岩体开挖、锚固、渗控的工程作用机制及其力学效应，为工程边坡岩体变形与稳定性演化机制研究提供地质基础、力学模型与参数。科学问题二：复杂环境下高陡边坡变形与稳定性演化机制在全生命周期中高陡边坡岩体物理力学性质、锚固体系以及渗流控制系统的性能演化具有内在的动力学机制与模式。高陡边坡性能演化的动力主要来自复杂环境因子，例如库水周期性涨落形成的循环加卸载条件、泄洪雾化形成的干湿循环条件、库水骤变和地震动力形成的瞬态荷载条件。复杂环境下高陡边坡性能演化始于施工期的强烈工程作用，在长期运行过程中表现为边坡岩体与锚固材料性能劣化、结构老化等时效力学特征。对于超大规模高陡边坡，不同部位由于所处的环境不同往往具有不同的演化特征。边坡岩体物理力学性能演化总是从岩石材料的细观尺度开始，逐步过渡到裂隙尺度和岩体结构尺度。在细观尺度上，岩石在复杂荷载作用下微裂纹萌生、扩展、位错，再过渡到裂隙尺度；当新生裂隙与原生节理或裂隙汇聚、贯通后就发展到岩体结构尺度。这一演化过程与边坡岩体地质特征密切相关，同时受控于边坡岩体应力场、渗流场以及环境因子的多场耦合作用。因此，需要研究复杂荷载条件下岩体时效特性的宏细观机制、库水变幅带裂隙岩体水力风化耦合机理以及非均匀岩体时效力学特性的多尺度模型等。高陡边坡锚固体系与渗流控制系统的长期性能演化，一方面有系统自身的演化规律，另一方面受边坡岩体物理力学性能演化的影响。例如，锚索钢绞线在应力、渗流、温差变化、化学因子的联合作用下将发生一定程度的腐蚀，锚索材料锈胀可能引起砂浆包裹体和局部岩体开裂，如果再经受数次极端工况作用，损伤就会不断累积，呈现出渐进破坏特征，最后导致锚固体系功能失效。受边坡岩体变形和损伤累积的影响，岩体渗透性、渗透路径将发生变化，防渗体系可能丧失功能，一些排水孔幕也可能因为淤堵而失效。因此，需要研究复杂环境下岩体及工程措施的耐久性与功能失效机制以及高陡边坡变形与稳定性演化规律。本科学问题是大型水利水电工程高陡边坡全生命周期性能演化与安全控制理论研究的核心科学问题，旨在揭示不同环境下高陡边坡性能演化机制，建立高陡边坡全生命周期性能演化的时效力学模型。科学问题三：高陡边坡全生命周期性能评估与安全控制理论复杂环境下大型水利水电工程高陡边坡全生命