地质力学论文

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地质力学论文:大型地下水电站厂房洞群三维地质力学模型试验

摘要：本文对拟建的超大型水电站地下厂房洞室群三维地质力学模型试验作了综合介绍，包括采用离散化多主应力面加载和控制系统，解决了复杂三维初始应力场的模拟难题；采用机械臂和步进微型掘进机技术、微型高精度位移量测技术、声波测试技术、光纤测量及内窥摄影技术等，解决了三维试验中的隐蔽开挖模拟及内部量测等关键技术问题。试验结果表明拟建水电站地下厂房洞室群的总体布置、洞型设计、洞室间距是合理的，推荐的支护方案对洞室整体性的加强有明显的作用，对设计方案起到有力的支持和验证作用。

关键词：大型水电站 地下厂房洞室群 三维地质力学模型试验

研究岩体稳定问题通常采用的方法有工程类比法、地质结构分析法、数值模拟仿真分析法和地质力学物理模型试验法等[1，2]。对于中小型工程，一般只采用前几种方法进行研究，但对于大型或超大型工程，地质力学物理模型试验则是必要的。模型试验尤其是三维模型试验与数值方法相比有它的弱点，如尺寸效应、试验难度大、费用高。然而，物理模型则由于是真实的物理实体，在基本满足相似原理的条件下，则更能真实地反映地质构造和工程结构的空间关系，更准确地模拟施工过程和影响。试验结果能给人以更直观的感觉，使人更容易从全局上把握岩体工程整体力学特征、变形趋势和稳定性特点，以及各洞室或结构之间的相互关系，从而做出相应的判断。其次，也可以通过物理模型试验，对各种数值分析结果进行一定程度上的验证。与研究坝体、坝基和坝肩及边坡稳定性的三维地质力学模型试验[3～6]相比，地下洞室群的岩石力学物理模型试验则有很大的差距。据文献检索，只有少数几个平面模型试验[7～11]和小型三维试验[12]。这些试验均未模拟洞室的施工过程。其原因主要是模拟地下洞室施工过程的三维模型试验难度太大，如三维地应力场的模拟原理和技术、洞室群开挖尤其是内部洞室隐蔽开挖技术的实现、内部物理量测量等。本文作者提出并研制了离散化多主应力面加载和控制系统，成功解决了复杂三维初始应力场模拟的难题；采用机械臂和步进微型掘进机技术、微型高精度位移量测技术、声波测试技术、光纤测量及内窥摄影技术等，解决了隐蔽开挖模拟及内部量测等关键问题，完成了水电站复杂洞室群模型试验。这一试验成果可应用于今后我国大西南地区的其它超大型地下水电站的研究。

1 工程简介

溪洛渡水电站位于四川和云南视壤的金沙江峡谷中[13]。电站总装机容量12600MW，共计18台700MW的水轮发电机组。该工程地质条件复杂，地下洞室群布置复杂、纵横交错，尤其是左岸地下厂房轴线与最大主应力呈较大角度相交，对厂房洞室稳定不利，而且厂房又位于高地震烈度区(高达Ⅷ度)，如此超大规模的地下洞室群在施工期和运行过程长期安全稳定问题，都是前所未遇的。电站厂房采用全地下式，分左、右岸地下厂房，各布置9台机组。左岸地下厂房布置在大坝上游山体内，总装机容量为6300MW.厂房轴线为N24°W，三大洞室平行。

图1 左岸地下厂房洞室群布置方案

主厂房尺寸为318.03m×31.9/28.40m×75.10m(长×宽×高)，厂房总长度426.0m.主变室长325.52m，宽19.8m，高26.5m.尾水调压室长300.0m，宽26.5/25.0m，高95m，中间设两条岩柱隔墙，厚18.0m。如图1所示。

左岸厂房顶拱围岩由P2β4、P2β5、P2β6层玄武岩组成。岩体新鲜较完整，无大的断层切割，层间错动带一般不发育。层内错动带以P2β6下部及P2β4、P2β5层内相对较发育，错动带一般宽5～10cm，挤压紧密，为岩块岩屑型。裂隙以陡裂和缓裂为主，中倾角裂隙一般不发育。

2 模型相似条件设计

经过与设计单位协商，确定模型的几何比尺为1/100，材料容重比尺为1.之所以这样确定，主要是考虑到开挖模拟的可操作性，以及相似物理量之间换算关系的简化。根据试验相似理论和上述几何比尺，进行了如下的模型相似条件设计：用下标p代表原型，下标m代表模型，K代表相似比尺，L为长度，u为位称，E为弹性模量，G为剪切模量，γ为容重，σ为应力，σo为初始地应力，ε为应变，ν为泊松比，φ为摩擦角，C为粘聚力，Rc为抗压强度，Rt为抗拉强度。如设实际岩体的容重为γp，模型材料的容重为γm，则容重相似比尺为：

与应力有相同量纲的物理量均有与应力相同的相似比尺，即材料弹性模量、剪切模量、抗压强度、抗拉强度、粘聚力，初始地应力和面力荷载的相似比尺均为100.

3 试验要点及关键技术

本试验研究对象为左岸地下厂房洞室群，包括主厂房、主变室、尾水调压室、母线道和尾水管。

3.1 模拟范围 地下厂房顺水流方向的上下游各取三大洞室最大开挖跨度的1～1.5倍长度，实际各约为1.27倍，总长度为620m；沿高程方向的下方取到洞室高度的1～1.5倍，实际取为1.45倍～1.85倍，达到海拔200m；上方取到地面，实际模型作到海拔670m，其上部作为荷载加在模型顶面；沿主厂房的纵轴线方向取3个机组段长度(自5号机组中心线至8号机组中心线)，为102m.因为模型几何比尺为1/100，所以岩体模型尺寸为长×高×宽＝6.20m×4.70m×1.02m.

3.2 地形及地质条件模拟 对模型试验范围内的地形、地貌、地质材料和三维地质构造如层间和层内错动带进行了模拟，模型基本满足几何、物理、力学相似条件。

3.3 初始地应力场模拟 三维原始地应力的模拟是本试验的关键和难点。经过研究、论证和试验，本试验中首次提出并研制了“离散化多主应力面加载及控制系统”，成功地模拟了三维地应力场，保证了试验的初始条件。离散型三维多主应力面加载系统，是在地质力学模型仿真试验中，首次提出使用的一种能近似模拟复杂三维空间地应力场的加载系统。

它的基本思路来源于有限元、边界元、离散元等将研究域离散化进行数值分析的原理，把需要模拟的复杂变化地应力分布场，离散为有限多个微小的单元应力场，并认为此单元应力场为一个等效的均匀应力场。用一组垂直于该单元应力场主应力矢量的微小主应力面，代替原来的斜截面，并在这一组主应力面上按照等效主应力的大小施加法向力，就达到了模拟这一单元应力场的目的(如图2).对各个离散的单元应力场均进行这样的操作，就可以完成整个试验域复杂变化的应力场的模拟。

图2 离散化多主应力面加载原理示意

这一加载系统由高压气囊、反推力板、限位千斤顶、垂直立柱、封闭式钢结构环梁、支撑钢架和空气压缩机组成。此外还有压力监测和报警辅助系统，以保证试验期间的压力稳定。

3.4 开挖过程模拟 按照数值计算优选的开挖步序(如图3所示)，对试验范围内地下洞室群的隐蔽开挖进行了模拟。本试验中隐蔽性开挖的洞室包括尾水管和母线廊道，尾水管的隐蔽开挖长度为125m，而且为渐变的城门洞形断面，母线道断面也为城门洞形，但是靠近主变室一侧13m一段断面加大，造成母线道断面突变。这些都给开挖模拟带来极大困难。隐蔽开挖无法采用一般的手工钻进方法，需要设计专门的钻凿机具。经过反复研究试验，开发出隐蔽开挖机器臂和微型步进式掘进机，以及与之配合使用的隐蔽洞室内窥系统，成功解决了这一技术难题。如图4所示。

图3 地下厂房洞室群开挖分期设计

3.5 支护方案模拟 按照数值计算优选的支护方案，对锚固支护(包括三大洞室的喷混凝土、锚索)进行了模拟。按照设计支护方案，锚索按实际位置模拟并施加预应力。系统锚杆与喷混凝土联合模拟为挂金属丝网涂浆。锚索模拟材料采用金属铝线或细铜丝束，用建筑胶浆固结，以螺旋加载方式施加预应力。

3.6 施工模拟过程中的多种方式洞室内部收敛变形及破坏形态量测 在主厂房、主变室、尾调室三个主要洞室中，采用预埋多点位移计方式进行了内部收敛以及洞周围岩深度变形量测；采用光导纤维进行了内部变形的量测；采用超声波测量方法进行了洞周围岩屈服松动区的量测；采用内部摄影方式进行了内部破坏形态的观测。

3.7 内部应力场分布量测 在主厂房、主变室、尾调室围岩中的适当位置，预埋三向应变计、应变花，进行了应力场分布量测。在重要位置，预埋光纤传感器，与应变片测量相比较，测量应力场分布。

图4 隐蔽洞室开挖微型步进TBM示意

4 试验过程和结果

试验自2000年5月开始各项前期工作，包括场地准备、试验台设计和施工、模型材料设计和试验、模型制作和传感器埋设、地应力场生成和监控系统研制、隐蔽洞室开挖系统研制和试运行、测量仪器的研制和准备等。2001年7月15日正式实施洞室开挖模拟，量测系统进行同步量测，采集数据，至2001年8月18日完成洞室群开挖。试验得出的洞群围岩变形、应力应变、屈服区分布等情况如下。

4.1 位移 主厂房顶拱最大下沉为37.5mm，主变室顶拱下沉为23mm，尾水调压室顶拱为34mm.各个洞室顶拱的变形随开挖量的增加均以下沉为主，开挖后期伴随有少量的上抬。这与同时进行的数值计算相比顶拱位移偏大一些，这是由于模型试验中准确地模拟了层内错动带的影响，而计算中则有所简化。尾水调压室边墙比主厂房边墙高20多米，初估最大水平位移应该更大些，但尾水调压室中间隔墙起到了限制变形的作用，从而减少了水平位移值。主变室与尾水调压室之间岩柱的上下游方向水平尺寸有所增大。

图5 地下厂房洞周围岩位移分布

而主厂房与主变室之间的岩柱在上下游方向则有所压缩，是由于母线道对这部分岩柱削弱较多引起的。试验中所揭示的各个方向的位移量均不大，分布合理。除三大洞室顶拱位移比计算值略大之外，其它与计算值都很接近，洞周没有发现明显的开裂或位移突变。图5给出了洞周围岩位移分布。

4.2 应力 主厂房上游拱肩和拱脚处、尾水调压室上游拱肩和拱脚处均有拉应力出现。尾水调压室下游边墙5m范围内的岩体大部分存在拉应力，10m之外则呈现为压应力。随开挖的进行，洞室交叉部位产生应力集中，凡是压应力的则压应变值为原来的1.5～2.2倍。产生拉应力的部位则给出了很大的拉应变值，明显不大合理，可能是粘贴应变片的块体发生破裂造成的。但是可以从中判断是出现了拉应力。拉、压应力分布范围与计算结果接近。光纤传感器量测的结果比较有规律，随尾水调压室高边墙的逐渐形成，边墙表面岩体应力松驰，压应力降低甚至产生拉应力，而压应力分布有向深部岩体传递的趋势。

4.3 超声波测量 试验中采用超声波测速与位移沿岩体深度分布规律相结合的方法判断屈服松动区。洞周岩体波速最低处为尾水调压室的底部和顶拱，波速比未开挖前降低了40%～50%.三大洞室顶拱的岩体波速，主变室顶拱最高，达900～1000m/s，主厂房顶拱次之，为800～900m/s，尾调室顶拱最低，为400～500m/s.与地质剖面相比较可以看出，这一结果恰恰和这些洞室所在地层及地质构造相吻合。根据声波测量和位移测量结果的综合比较和分析，得到各洞室周围屈服区的范围(图6).

图6 地下厂房洞周屈服区分布

4.4 锚固支护系统 根据地下工程围岩稳定性分析的经验，洞室围岩越稳定，围岩的整体性越好(早期喷锚支护可以增加这种整体性)，则在后期开挖过程中，洞室上抬的趋势越明显。XA-22支护方案在主厂房顶拱埋设的两排锚索，穿过了层内错动带，增加了顶拱的整体性，是很必要的。虽然本试验中尚不能定量地比较这种锚固的作用，但定性上已经可以说明模拟的锚固系统对增加洞室围岩的完整性和整体性，起了明显的作用，这是数值计算中没有反映出来的。通过对模型锚索应力的测量，反映出对目前的开挖方案，锚索应力有明显增加。因为尾调室是上下先开挖然后中间再挖通，高边墙有一个突然形成的过程。虽然这一情况因为中间隔墙的存在而减弱，但对离隔墙远一些的部位仍有一定的冲击作用。考虑到这一点，尾调室上下游边墙锚索的预应力施加应有所控制，而隔墙的加固应适当提前。

5 结论

(1)本试验是首次大规模三维仿真模拟地下洞室群的施工过程。它成功模拟了高容重岩体材料和岩体构造，容重比尺1比1；研制了离散化多主应力面加载系统，使模拟复杂三维初始地应力场得以实现；研制了用机械臂和步进微型掘进机，仿真模拟了施工过程；研制微型多点位移计，采用声波测试、内窥技术等多种测量手段进行了内部物理量的测量。(2)试验结果验证了在厂区特有的地形地貌、地质构造和地应力条件下，该水电站地下厂房洞室群的总体布置、洞型设计、洞室间距是合理的。主变室滞后主厂房和尾水调压室开挖一期的施工方案以及锚固支护方案，保证了洞室安全成洞。在试验开挖过程中，洞室群保持了总体稳定，主要洞室周边未出现明显的开裂及变形突变。洞周围岩屈服松动区分布，与厂区地质条件和洞室断面情况及空间相对关系有较好的吻合。推荐的支护方案对洞室整体性的加强有明显的作用，并有效地控制了松动区的发展。(3)试验结果表明，对条件复杂的超大型地下洞室群进行三维地质力学模型试验可以从全局上把握地下洞室工程整体力学特征、变形趋势和稳定性特点，并对数值模拟结果进行验证和校核。

地质力学论文:坝陵河悬索桥西岸隧道式锚碇及其边坡的岩体工程地质力学研究建议

论文作者：曾钱帮 王思敬 彭运动 刘明虎 陈晓东 樊敬亮

摘要：针对施工图设计阶段，提出坝陵河悬索桥西岸隧道式锚碇及其边坡的岩体工程地质力学研究建议，包括：锚碇围岩工程地质条件研究、锚碇围岩工程力学特性研究、锚碇围岩渗透及抗溶蚀特性研究、锚碇及其围岩相互作用三维数值模拟研究、锚碇隧道钻爆开挖及支护的施工技术试验、锚碇锚固系统试验和大体积混凝土浇筑防裂的施工技术研究。

关键词：悬索桥 隧道式锚碇 施工图设计阶段 岩体工程地质力学 研究建议

1 前言

坝陵河大桥离拟建贵州省镇宁至胜境关高速公路起点约21km，地处黔中山原地带。高速公路在关岭县东北跨越坝陵河峡谷，峡谷两岸地势陡峭，地形变化急剧，高差起伏大，河谷深切达400～600m。桥址区属构造剥蚀、溶蚀中低山河谷地貌。岩石建造类型以碳酸盐岩与陆源碎屑岩互层，以碳酸盐岩构成峡谷谷坡，以碎屑岩互层构成谷底及缓坡为基本特征。坝陵河流向与区域地质构造线方向(NW)基本一致。河谷西岸地形较陡，地形坡度40～70°，近河谷一带为陡崖。桥位区西岸（关岭岸）锚碇地段处于斜坡中部，出露的岩层有三叠系中统竹杆坡组第一段（T2z1）中厚层状泥晶灰岩和杨柳井组（T2y）中厚层状白云岩[1,2]。弱风化岩体直接出露于地表，微新岩体埋深30～50m。

坝陵河悬索桥主跨1068m，桥面总宽度24.5m，东岸锚碇采用重力式锚，西岸锚碇采用隧道式锚。西岸隧道式锚碇在技术设计中全长74.7m，最大埋深78m，主要由散索鞍支墩、锚室（34.7m）和锚塞体（40m）三部分组成，两锚体相距18～6.36m。锚塞体和锚室为一倾斜、变截面结构，上缘为圆形，下缘为矩形，纵向呈楔形棱台，矩形截面尺寸为10m×5.8m～21m×14.5m。西岸每根主缆缆力（P）约为270MN，水平夹角约26°。锚体中设预应力锚固系统，主缆索股通过索股锚固连接器与锚体中的预应力锚固系统连接。

悬索桥锚碇在承受来自主缆的竖向反力的同时，主要还承受主缆的水平拉力，是悬索桥的关键承载结构之一，其总体稳定性和受力状态直接影响到大桥的安全和长期使用的可靠性。坝陵河悬索桥是镇宁－胜境关高速公路的重要节点，针对该大桥施工图设计阶段，本文提出坝陵河悬索桥西岸隧道式锚碇及其边坡的工程地质力学研究建议。鉴于锚碇型式受到地形、地质条件的限制，国内外采用隧道式锚碇的大跨悬索桥为数较少[3－7]，见诸文献报道的更少，本研究建议有不适当之处，请专家批评指正。

2 岩体工程地质力学研究建议

2.1 锚碇围岩工程地质条件研究

西岸隧道式锚碇坐落于边坡浅表弱风化～微新岩体中，弱风化～微新岩体的工程地质条件关系到锚碇隧洞的成洞条件及锚碇体系在主缆拉力荷载作用下的整体稳定状态。

边坡浅表部中存在卸荷岩体。岩体卸荷带是伴随河谷下切过程或边坡开挖过程中，由于应力释放，岩体向临空面方向发生卸荷回弹变形，能量的释放导致斜坡浅表一定范围岩体内应力的调整，浅表部位应力降低，而坡体更深部位产生更大程度的应力集中。由于表部应力降低导致岩体回弹膨胀、结构松弛，破坏岩体的完整性，并在集中应力和残余应力作用下产生卸荷裂隙。岩体应力的降低最直观的表现是导致岩体松弛和原有的裂隙发生各种变化，形成新环境下的裂隙网络。这些裂隙一部分是迁就原有构造裂隙引张扩大经改造形成[8]，有一些是微裂隙扩展后的显式裂隙，也有在新的应力环境和外动力环境下形成的裂隙。在岩体卸荷、应力降低的过程中，随着新的裂隙系统的形成，也为外动力或风化营力提供了通道，加速岩体的风化和应力的进一步降低。风化岩体裂隙的增多，是岩体卸荷和风化共同造就的。

西岸锚碇边坡岩体在浅部节理裂隙发育，岩体透水性较好，渗透系数高；随着深度的增加，透水性逐渐减弱。深部的岩溶发育情况有待研究。

据初步设计阶段工程勘察资料，西岸锚碇边坡出露的灰岩和白云岩的产状为：倾向50～80°，倾角48～87°。主要发育三组优势节理：①155°∠57°；②220°∠34°；③333°∠46°。在岩层层面、不利结构面组合切割和深部岩溶发育情况下，在主缆巨大拉力下，不能够排除存在深部拉裂滑移面威胁西岸锚碇边坡整体稳定性的可能性。

锚碇围岩工程地质条件研究内容包括：

（1）研究从边坡表部至深部岩体中裂隙的分布密度及张开度变化，揭示岩体的卸荷程度，为锚碇施工期和运行期边坡岩体质量评价以及岩体质量变化趋势提供可靠基础资料；

（2）在岩层层面和不利结构面组合切割下，由于锚碇工程荷载，研究岩体中形成的潜在不稳定块体的安全度以及西岸锚碇边坡的整体稳定性；

（3）采用地球物理勘探方法，研究边坡深部溶蚀裂隙与溶蚀洞穴的分布规律及其发育特征。

2.2 锚碇围岩工程力学特性研究

主悬索的巨大拉力通过索股、锚杆传人隧道中填充的（预应力）混凝土，再通过（锚塞体）混凝土与隧道岩体的摩阻力和粘结力传递给周围的岩体。隧道式锚碇在巨大主缆拉力荷载作用下，不仅要维持自身的抗拔稳定，同时还要将自身承受的主缆拉力传递到锚碇围岩中，以充分利用围岩的承载能力，使锚碇和围岩共同作用形成一个整体的承载体系。

锚碇围岩工程力学特性研究包括三个方面：

（1） 锚塞体与岩体之间的抗剪摩擦力学性能[9，10]和粘结特性试验研究；

（2） 锚碇下部及两锚体之间的岩体处于复杂的拉剪应力状态，研究锚碇围岩在拉剪应力下的变形及强度特性，尤其是弱风化～微新围岩在拉剪复杂应力下的变形、强度及疲劳试验研究，模拟其破坏现象和破坏过程，从而掌握其破坏机制；

（3） 岩体在中度～轻度工程爆破开挖扰动下的力学性能研究。

锚碇围岩工程力学试验目的是确定锚碇边坡岩体力学参数建议值，供设计和三维数值仿真采用。建议在设计锚碇区域附近开挖一试验斜硐，采取岩样，并在硐壁打适量钻孔，进行室内岩石力学试验和原位岩石力学性质及配套的各项试验研究工作。主要包括室内岩石力学三轴剪切试验、节理（裂隙）测量、岩体变形特性（静载）试验、岩体抗剪（抗剪断）试验、岩体抗拉试验、混凝土与基岩胶结面抗剪和摩擦等试验和硐室声波普测、硐室地球物理勘探、含水量测试、钻孔声波测试、钻孔压水试验等试验研究工作。锚碇系统的摩阻力由基岩与锚碇系统接触面的正应力与摩擦系数来决定，摩擦系数一般由相似原理进行模型试验或现场测试得到。硐室地球物理勘探是查明锚碇围岩（主要是锚碇下部及两锚体之间的岩体）中的岩溶发育情况。

试验资料的整理应通过对现场和室内大量试验数据的综合分析，结合现行有关行业规范（规程）和工程经验的类比，提出西岸隧道式锚碇边坡区域岩体力学参数建议值，供设计采用。

2.3 锚碇围岩渗透及抗溶蚀特性研究

坝陵河悬索桥西岸锚碇围岩为弱风化～微新的灰岩和白云岩，属于易溶蚀化岩体。锚碇边坡地段地下水主要为（节理）裂隙水、岩溶裂隙水和岩溶孔（洞）穴水。西岸隧道式锚碇锚体混凝土浇筑后，在边坡岩体中形成不透水体（阻渗体），从而改变锚碇边坡的地下水渗流场。可以预见，地下水将从锚塞体混凝土边缘绕渗，因此锚塞体与围岩的交界部位岩体更易遭到溶蚀，削弱锚塞体混凝土与围岩之间的摩阻力和粘结力。锚碇围岩渗透特性的研究应着重锚塞体与围岩的交界部位岩体的渗透性能与抵抗溶蚀的能力的试验研究。

为防治锚塞体与围岩交界部位岩体的溶蚀危害采取的工程措施，主要是加强锚碇边坡坡面的排水工程。

2.4 锚碇及其围岩相互作用三维数值模拟研究

由于悬索桥安全是依靠锚碇固定桥的体系，锚碇发生移动将严重影响桥梁体系，甚至导致桥体破坏，因此研究西岸隧道式锚碇的锚块及其围岩在主动拉力作用下的稳定性、瞬时变位与长期变位是相当重要的。应建立真实反映隧道式锚碇锚体和围岩二者相互作用、考虑施工过程非线性、地质结构面影响等的三维数值仿真模型，对锚碇稳定性及变位进行预测[11]。

2.5 锚碇隧道钻爆开挖及支护的施工技术试验

根据西岸隧道式锚碇为倾斜、变截面的工程特点，需研究锚碇隧道的钻爆开挖以及支护的施工技术[12－14]。在隧道式锚碇施工过程中，自始至终都要注意严格控制围岩的完整性，尽量避免对围岩产生过大的扰动。为保证主缆等硐内钢结构的使用寿命，锚碇的防水按GB50108－2001二级标准进行控制，要求较高。施工开挖后应对围岩中的塑性变形带进行挤密压浆处理，以使锚塞体混凝土与围岩紧密结合。

2.6 锚碇锚固系统试验

试验目的是验证用于坝陵河大桥锚碇锚固系统的各产品力学性能是否满足设计要求。试验内容包括锚拉杆组件静载试验、疲劳试验及锚具组装件静载试验和疲劳试验[15]等。

2.7 大体积混凝土浇筑防裂的施工技术研究

坝陵河悬索桥西岸隧道式锚碇锚塞体混凝土浇筑量约2×12143.322m3。锚碇结构混凝土浇筑量大，强度高，对施工工艺及养护维修提出了更高的要求；而大体积混凝土浇注施工由于受多种因素影响，若措施不当，很容易出现裂缝，影响到锚塞体混凝土的整体性强度以及钢筋的耐久性和实用性。西岸隧道式锚碇锚塞体大体积混凝土浇筑防裂技术从混凝土原材料选取和配合比的选择、降低原材料温度和控制混凝土拌和物温度、合理选择浇筑工艺和保证整体质量、有效控制混凝土内外温差到对混凝土温度进行监控及时掌握混凝土温度变化动态等一系列技术措施[16－22]，都可借鉴汕头海湾悬索桥、宜昌长江公路大桥和重庆鹅公岩大桥的做法。

3结语

针对施工图设计阶段，提出坝陵河悬索桥西岸隧道式锚碇及其边坡的岩体工程地质力学研究建议，包括：锚碇围岩工程地质条件研究、锚碇围岩工程力学特性研究、锚碇围岩渗透及抗溶蚀特性研究、锚碇及其围岩相互作用数值模拟研究、锚碇隧道钻爆开挖及支护的施工技术试验、锚碇锚固系统试验和大体积混凝土浇筑防裂的施工技术研究。

地质力学论文:岩体地质力学下水利水电勘察的应用

摘要：随着经济的发展和社会的进步，用电量、用水量的需求大幅增加，急需新建大量利水电工程，而水利水电工程场地及其周围环境的岩体工程地质情况对水利水电工程的工程质量和工程安全影响很大，所以急需对岩体工程地质力学在水利水电工程勘察中的应用进行研究。本文将对岩体工程地质力学在水利水电工程勘察中的应用进行相关的阐述，并提出了一些相应的建议，希望对相关参与者与研究人员带来一定帮助。

关键词：岩体工程地质力学；水利水电工程勘察；岩体结构；高坝坝基；地质构造稳定性

1引言

经济在发展，社会在进步，人民群众的用电量、用水量急剧增加，从而导致了水利水电工程也随之急剧增加，水利水电工程场地及其周围环境的岩体工程地质情况，对水利水电工程的质量和安全影响很大，进行水利水电工程勘察时，要运用岩体工程地质力学知识，对水利水电工程场地及其周围环境的岩体工程地质情况进行详细勘察，所以急需对岩体工程地质力学在水利水电工程勘察中的应用进行研究。本文将对岩体工程地质力学在水利水电工程勘察中的应用进行相关的阐述，希望对相关参与者与研究人员带来一定帮助。

2岩体工程地质力学基本知识

岩体工程地质力学的研究对象是工程场地附近的岩体结构。岩体，由一种或多种不同的岩石组合而成，受到形成环境以及后期构造影响后，岩体内会呈现各种各样不同的结构面。在实际环境中，岩体会被各种各样不同的结构面切分成为不同的结构体并出现破裂带。进行岩体工程地质力学等地质研究时，必须先研究岩体结构。进行水利水电工程地质勘察时，依据相关规范并结合实际工程经验对岩体结构类别进行量化和细化，岩体主要分为5类。Ⅰ类岩体，主要为厚层状或整体块状结构；Ⅱ类岩体，主要为中厚层状或块状结构；Ⅲ类岩体，主要为镶嵌状或互层状结构；Ⅳ类岩体，主要为碎裂状或薄层状结构；V类岩体，主要为散体状结构。在具体工程中，可以根据工程区域的具体地质条件以及影响岩体质量的因素，进行适当调整，从而结合工程区域岩体的具体特性，制定相应的岩体质量分类或岩体工程地质分类，以及结构面分类，用于实际工程情况下的边坡、坝基、地下洞室围岩等结构的岩体具体分类，赋予相应结构面岩土体以及岩类物理力学参数值。高地应力等因素会对岩体分类造成影响，其对岩体分类造成的影响，有待进一步研究。

3工程区域的地质构造稳定性以及地震研究

汶川大地震以后，国家相关部门十分重视地震对水利水电工程的影响，相关部门专门发文要求，进行大型水利水电工程设计时，必须要进行工程防震抗震设计，并必须专门接受审查。在地震研究中，活断层的判别标志有：（1）地震断裂带中构造岩或者被错动脉体是晚更新世；（2）错断晚更世以来的地层；（3）沿着断层存在历史地震，或者存在现代中、强震的震中分布，或者存在密集而频繁的近期微震；（4）经现代化监测表明，沿着断层存在地形变和地位移；（5）经地质构造上的证实，被发现的断层与已知的活断层有着共同或共生的关系。在工程地质勘察规范中，工程场地岩体中活动断层的年龄被限定在十万年以来存在过活动的断层。水坝等主要水工建筑物应该尽量避免跨越活断层或者与活断层有构造活动联系或相关联的分支断层，特别应该注意尽量避开晚更新世晚期以来有过地质活动的断层。水坝选址不适宜选在地震等级为6级及以上的震中区或者地震的基本烈度为Ⅸ度及其以上的强震区。如果在上述两种情况下建水坝，需要专门进行论证。汶川特大地震后，地震灾区的大部分大中型水电水利工程，虽然有不同程度的损坏现象，但却没有一个水电水利工程在地震中发生重大次生灾害，这有力说明工程地质勘察规范中所规定的区域构造稳定性的技术标准、工作方法、评价原则是正确的，能经受大地震考验。

4高坝坝基工程地质研究

我国的水坝高度有些已达到了300米，成了俗称的“高坝”，水荷载和坝基荷载对高坝坝基岩体质量的要求非常严格。主要有以下技术要求：（1）高坝坝基岩土体在长期被水渗透和作用的前提下，必须保持力学、化学及物理性质的稳定，并要确保坝基的渗透压力和渗漏量维持在允许的范围内，以免发生渗透破坏；（2）在各项不同荷载作用下，高坝坝基各个部位的变形和应力值应该确保在允许范围内，以免出现不均匀变位或局部应力集中的现象而影响大坝安全运行；（3）高坝坝基岩土体在其所承受的荷载作用下确保不会产生滑移失稳。如果高坝采用混凝土坝基，需要先对坝基岩体工程地质进行分类以及对岩体质量进行分级，要重点对影响坝基抗滑稳定性的软弱结构面的性状以及它们的不利组合的边界条件进行勘察，并需要根据岩体的软弱结构面类型选定它们的强度参数和变形参数以适合工程建设的需要。要对影响高坝坝基不均匀变形与应变的弱化岩体进行详细勘察以避免其对水利水电工程的工程质量带来安全隐患。如果进行高坝建设时采用当地采挖来的工程材料将坝基建在深厚的覆盖层上，必须对覆盖层的结构和详细分层、埋藏谷的范围、河床深槽的范围等相关地质资料进行详细勘察，特别要对漂孤石层、架空层、粉细砂层、软土层的物质组成、渗透特性、分布范围进行详细勘察，同时要详细准确地评价地震作用下的地层不均匀沉陷可能性、地层渗透稳定性、砂层液化程度，这是为了给水利水电工程建设时采取合适的防地层渗透、抗砂层液化、防地层不均匀沉陷等措施提供科学的依据。

5结语

本文通过对岩体工程地质力学基本知识、工程区域的地质构造稳定性以及地震、高坝坝基工程地质进行阐述与分析，对岩体工程地质力学在水利水电工程勘察中的应用进行了初步探究，提出了一些相应的建议，对相关参与者与研究人员起到了一定帮助作用。

地质力学论文:岩体工程地质力学研究论文

摘要：针对施工图设计阶段，提出坝陵河悬索桥西岸隧道式锚碇及其边坡的岩体工程地质力学研究建议，包括：锚碇围岩工程地质条件研究、锚碇围岩工程力学特性研究、锚碇围岩渗透及抗溶蚀特性研究、锚碇及其围岩相互作用三维数值模拟研究、锚碇隧道钻爆开挖及支护的施工技术试验、锚碇锚固系统试验和大体积混凝土浇筑防裂的施工技术研究。

关键词：悬索桥隧道式锚碇施工图设计阶段岩体工程地质力学研究建议

1前言

坝陵河大桥离拟建贵州省镇宁至胜境关高速公路起点约21km，地处黔中山原地带。高速公路在关岭县东北跨越坝陵河峡谷，峡谷两岸地势陡峭，地形变化急剧，高差起伏大，河谷深切达400～600m。桥址区属构造剥蚀、溶蚀中低山河谷地貌。岩石建造类型以碳酸盐岩与陆源碎屑岩互层，以碳酸盐岩构成峡谷谷坡，以碎屑岩互层构成谷底及缓坡为基本特征。坝陵河流向与区域地质构造线方向(NW)基本一致。河谷西岸地形较陡，地形坡度40～70°，近河谷一带为陡崖。桥位区西岸（关岭岸）锚碇地段处于斜坡中部，出露的岩层有三叠系中统竹杆坡组第一段（T2z1）中厚层状泥晶灰岩和杨柳井组（T2y）中厚层状白云岩[1,2]。弱风化岩体直接出露于地表，微新岩体埋深30～50m。

坝陵河悬索桥主跨1068m，桥面总宽度24.5m，东岸锚碇采用重力式锚，西岸锚碇采用隧道式锚。西岸隧道式锚碇在技术设计中全长74.7m，最大埋深78m，主要由散索鞍支墩、锚室（34.7m）和锚塞体（40m）三部分组成，两锚体相距18～6.36m。锚塞体和锚室为一倾斜、变截面结构，上缘为圆形，下缘为矩形，纵向呈楔形棱台，矩形截面尺寸为10m×5.8m～21m×14.5m。西岸每根主缆缆力（P）约为270MN，水平夹角约26°。锚体中设预应力锚固系统，主缆索股通过索股锚固连接器与锚体中的预应力锚固系统连接。

悬索桥锚碇在承受来自主缆的竖向反力的同时，主要还承受主缆的水平拉力，是悬索桥的关键承载结构之一，其总体稳定性和受力状态直接影响到大桥的安全和长期使用的可靠性。坝陵河悬索桥是镇宁－胜境关高速公路的重要节点，针对该大桥施工图设计阶段，本文提出坝陵河悬索桥西岸隧道式锚碇及其边坡的工程地质力学研究建议。鉴于锚碇型式受到地形、地质条件的限制，国内外采用隧道式锚碇的大跨悬索桥为数较少[3－7]，见诸文献报道的更少，本研究建议有不适当之处，请专家批评指正。

2岩体工程地质力学研究建议

2.1锚碇围岩工程地质条件研究

西岸隧道式锚碇坐落于边坡浅表弱风化～微新岩体中，弱风化～微新岩体的工程地质条件关系到锚碇隧洞的成洞条件及锚碇体系在主缆拉力荷载作用下的整体稳定状态。

边坡浅表部中存在卸荷岩体。岩体卸荷带是伴随河谷下切过程或边坡开挖过程中，由于应力释放，岩体向临空面方向发生卸荷回弹变形，能量的释放导致斜坡浅表一定范围岩体内应力的调整，浅表部位应力降低，而坡体更深部位产生更大程度的应力集中。由于表部应力降低导致岩体回弹膨胀、结构松弛，破坏岩体的完整性，并在集中应力和残余应力作用下产生卸荷裂隙。岩体应力的降低最直观的表现是导致岩体松弛和原有的裂隙发生各种变化，形成新环境下的裂隙网络。这些裂隙一部分是迁就原有构造裂隙引张扩大经改造形成[8]，有一些是微裂隙扩展后的显式裂隙，也有在新的应力环境和外动力环境下形成的裂隙。在岩体卸荷、应力降低的过程中，随着新的裂隙系统的形成，也为外动力或风化营力提供了通道，加速岩体的风化和应力的进一步降低。风化岩体裂隙的增多，是岩体卸荷和风化共同造就的。

西岸锚碇边坡岩体在浅部节理裂隙发育，岩体透水性较好，渗透系数高；随着深度的增加，透水性逐渐减弱。深部的岩溶发育情况有待研究。

据初步设计阶段工程勘察资料，西岸锚碇边坡出露的灰岩和白云岩的产状为：倾向50～80°，倾角48～87°。主要发育三组优势节理：①155°∠57°；②220°∠34°；③333°∠46°。在岩层层面、不利结构面组合切割和深部岩溶发育情况下，在主缆巨大拉力下，不能够排除存在深部拉裂滑移面威胁西岸锚碇边坡整体稳定性的可能性。

锚碇围岩工程地质条件研究内容包括：

（1）研究从边坡表部至深部岩体中裂隙的分布密度及张开度变化，揭示岩体的卸荷程度，为锚碇施工期和运行期边坡岩体质量评价以及岩体质量变化趋势提供可靠基础资料；

（2）在岩层层面和不利结构面组合切割下，由于锚碇工程荷载，研究岩体中形成的潜在不稳定块体的安全度以及西岸锚碇边坡的整体稳定性；

（3）采用地球物理勘探方法，研究边坡深部溶蚀裂隙与溶蚀洞穴的分布规律及其发育特征。

2.2锚碇围岩工程力学特性研究

主悬索的巨大拉力通过索股、锚杆传人隧道中填充的（预应力）混凝土，再通过（锚塞体）混凝土与隧道岩体的摩阻力和粘结力传递给周围的岩体。隧道式锚碇在巨大主缆拉力荷载作用下，不仅要维持自身的抗拔稳定，同时还要将自身承受的主缆拉力传递到锚碇围岩中，以充分利用围岩的承载能力，使锚碇和围岩共同作用形成一个整体的承载体系。

锚碇围岩工程力学特性研究包括三个方面：

（1）锚塞体与岩体之间的抗剪摩擦力学性能[9，10]和粘结特性试验研究；

（2）锚碇下部及两锚体之间的岩体处于复杂的拉剪应力状态，研究锚碇围岩在拉剪应力下的变形及强度特性，尤其是弱风化～微新围岩在拉剪复杂应力下的变形、强度及疲劳试验研究，模拟其破坏现象和破坏过程，从而掌握其破坏机制；

（3）岩体在中度～轻度工程爆破开挖扰动下的力学性能研究。

锚碇围岩工程力学试验目的是确定锚碇边坡岩体力学参数建议值，供设计和三维数值仿真采用。建议在设计锚碇区域附近开挖一试验斜硐，采取岩样，并在硐壁打适量钻孔，进行室内岩石力学试验和原位岩石力学性质及配套的各项试验研究工作。主要包括室内岩石力学三轴剪切试验、节理（裂隙）测量、岩体变形特性（静载）试验、岩体抗剪（抗剪断）试验、岩体抗拉试验、混凝土与基岩胶结面抗剪和摩擦等试验和硐室声波普测、硐室地球物理勘探、含水量测试、钻孔声波测试、钻孔压水试验等试验研究工作。锚碇系统的摩阻力由基岩与锚碇系统接触面的正应力与摩擦系数来决定，摩擦系数一般由相似原理进行模型试验或现场测试得到。硐室地球物理勘探是查明锚碇围岩（主要是锚碇下部及两锚体之间的岩体）中的岩溶发育情况。

试验资料的整理应通过对现场和室内大量试验数据的综合分析，结合现行有关行业规范（规程）和工程经验的类比，提出西岸隧道式锚碇边坡区域岩体力学参数建议值，供设计采用。

2.3锚碇围岩渗透及抗溶蚀特性研究

坝陵河悬索桥西岸锚碇围岩为弱风化～微新的灰岩和白云岩，属于易溶蚀化岩体。锚碇边坡地段地下水主要为（节理）裂隙水、岩溶裂隙水和岩溶孔（洞）穴水。西岸隧道式锚碇锚体混凝土浇筑后，在边坡岩体中形成不透水体（阻渗体），从而改变锚碇边坡的地下水渗流场。可以预见，地下水将从锚塞体混凝土边缘绕渗，因此锚塞体与围岩的交界部位岩体更易遭到溶蚀，削弱锚塞体混凝土与围岩之间的摩阻力和粘结力。锚碇围岩渗透特性的研究应着重锚塞体与围岩的交界部位岩体的渗透性能与抵抗溶蚀的能力的试验研究。

为防治锚塞体与围岩交界部位岩体的溶蚀危害采取的工程措施，主要是加强锚碇边坡坡面的排水工程。

2.4锚碇及其围岩相互作用三维数值模拟研究

由于悬索桥安全是依靠锚碇固定桥的体系，锚碇发生移动将严重影响桥梁体系，甚至导致桥体破坏，因此研究西岸隧道式锚碇的锚块及其围岩在主动拉力作用下的稳定性、瞬时变位与长期变位是相当重要的。应建立真实反映隧道式锚碇锚体和围岩二者相互作用、考虑施工过程非线性、地质结构面影响等的三维数值仿真模型，对锚碇稳定性及变位进行预测[11]。

2.5锚碇隧道钻爆开挖及支护的施工技术试验

根据西岸隧道式锚碇为倾斜、变截面的工程特点，需研究锚碇隧道的钻爆开挖以及支护的施工技术[12－14]。在隧道式锚碇施工过程中，自始至终都要注意严格控制围岩的完整性，尽量避免对围岩产生过大的扰动。为保证主缆等硐内钢结构的使用寿命，锚碇的防水按GB50108－2001二级标准进行控制，要求较高。施工开挖后应对围岩中的塑性变形带进行挤密压浆处理，以使锚塞体混凝土与围岩紧密结合。

2.6锚碇锚固系统试验

试验目的是验证用于坝陵河大桥锚碇锚固系统的各产品力学性能是否满足设计要求。试验内容包括锚拉杆组件静载试验、疲劳试验及锚具组装件静载试验和疲劳试验[15]等。

2.7大体积混凝土浇筑防裂的施工技术研究

坝陵河悬索桥西岸隧道式锚碇锚塞体混凝土浇筑量约2×12143.322m3。锚碇结构混凝土浇筑量大，强度高，对施工工艺及养护维修提出了更高的要求；而大体积混凝土浇注施工由于受多种因素影响，若措施不当，很容易出现裂缝，影响到锚塞体混凝土的整体性强度以及钢筋的耐久性和实用性。西岸隧道式锚碇锚塞体大体积混凝土浇筑防裂技术从混凝土原材料选取和配合比的选择、降低原材料温度和控制混凝土拌和物温度、合理选择浇筑工艺和保证整体质量、有效控制混凝土内外温差到对混凝土温度进行监控及时掌握混凝土温度变化动态等一系列技术措施[16－22]，都可借鉴汕头海湾悬索桥、宜昌长江公路大桥和重庆鹅公岩大桥的做法。

3结语

针对施工图设计阶段，提出坝陵河悬索桥西岸隧道式锚碇及其边坡的岩体工程地质力学研究建议，包括：锚碇围岩工程地质条件研究、锚碇围岩工程力学特性研究、锚碇围岩渗透及抗溶蚀特性研究、锚碇及其围岩相互作用数值模拟研究、锚碇隧道钻爆开挖及支护的施工技术试验、锚碇锚固系统试验和大体积混凝土浇筑防裂的施工技术研究。

地质力学论文:三维地质力学模型管理论文

研究岩体稳定问题通常采用的方法有工程类比法、地质结构分析法、数值模拟仿真分析法和地质力学物理模型试验法等[1，2]。对于中小型工程，一般只采用前几种方法进行研究，但对于大型或超大型工程，地质力学物理模型试验则是必要的。模型试验尤其是三维模型试验与数值方法相比有它的弱点，如尺寸效应、试验难度大、费用高。然而，物理模型则由于是真实的物理实体，在基本满足相似原理的条件下，则更能真实地反映地质构造和工程结构的空间关系，更准确地模拟施工过程和影响。试验结果能给人以更直观的感觉，使人更容易从全局上把握岩体工程整体力学特征、变形趋势和稳定性特点，以及各洞室或结构之间的相互关系，从而做出相应的判断。其次，也可以通过物理模型试验，对各种数值分析结果进行一定程度上的验证。与研究坝体、坝基和坝肩及边坡稳定性的三维地质力学模型试验[3～6]相比，地下洞室群的岩石力学物理模型试验则有很大的差距。据文献检索，只有少数几个平面模型试验[7～11]和小型三维试验[12]。这些试验均未模拟洞室的施工过程。其原因主要是模拟地下洞室施工过程的三维模型试验难度太大，如三维地应力场的模拟原理和技术、洞室群开挖尤其是内部洞室隐蔽开挖技术的实现、内部物理量测量等。本文作者提出并研制了离散化多主应力面加载和控制系统，成功解决了复杂三维初始应力场模拟的难题；采用机械臂和步进微型掘进机技术、微型高精度位移量测技术、声波测试技术、光纤测量及内窥摄影技术等，解决了隐蔽开挖模拟及内部量测等关键问题，完成了水电站复杂洞室群模型试验。这一试验成果可应用于今后我国大西南地区的其它超大型地下水电站的研究。

1工程简介

溪洛渡水电站位于四川和云南视壤的金沙江峡谷中[13]。电站总装机容量12600MW，共计18台700MW的水轮发电机组。该工程地质条件复杂，地下洞室群布置复杂、纵横交错，尤其是左岸地下厂房轴线与最大主应力呈较大角度相交，对厂房洞室稳定不利，而且厂房又位于高地震烈度区(高达Ⅷ度)，如此超大规模的地下洞室群在施工期和运行过程长期安全稳定问题，都是前所未遇的。电站厂房采用全地下式，分左、右岸地下厂房，各布置9台机组。左岸地下厂房布置在大坝上游山体内，总装机容量为6300MW.厂房轴线为N24°W，三大洞室平行。

图1左岸地下厂房洞室群布置方案

主厂房尺寸为318.03m×31.9/28.40m×75.10m(长×宽×高)，厂房总长度426.0m.主变室长325.52m，宽19.8m，高26.5m.尾水调压室长300.0m，宽26.5/25.0m，高95m，中间设两条岩柱隔墙，厚18.0m。如图1所示。

左岸厂房顶拱围岩由P2β4、P2β5、P2β6层玄武岩组成。岩体新鲜较完整，无大的断层切割，层间错动带一般不发育。层内错动带以P2β6下部及P2β4、P2β5层内相对较发育，错动带一般宽5～10cm，挤压紧密，为岩块岩屑型。裂隙以陡裂和缓裂为主，中倾角裂隙一般不发育。

2模型相似条件设计

经过与设计单位协商，确定模型的几何比尺为1/100，材料容重比尺为1.之所以这样确定，主要是考虑到开挖模拟的可操作性，以及相似物理量之间换算关系的简化。根据试验相似理论和上述几何比尺，进行了如下的模型相似条件设计：用下标p代表原型，下标m代表模型，K代表相似比尺，L为长度，u为位称，E为弹性模量，G为剪切模量，γ为容重，σ为应力，σo为初始地应力，ε为应变，ν为泊松比，φ为摩擦角，C为粘聚力，Rc为抗压强度，Rt为抗拉强度。如设实际岩体的容重为γp，模型材料的容重为γm，则容重相似比尺为：

与应力有相同量纲的物理量均有与应力相同的相似比尺，即材料弹性模量、剪切模量、抗压强度、抗拉强度、粘聚力，初始地应力和面力荷载的相似比尺均为100.

3试验要点及关键技术

本试验研究对象为左岸地下厂房洞室群，包括主厂房、主变室、尾水调压室、母线道和尾水管。

3.1模拟范围地下厂房顺水流方向的上下游各取三大洞室最大开挖跨度的1～1.5倍长度，实际各约为1.27倍，总长度为620m；沿高程方向的下方取到洞室高度的1～1.5倍，实际取为1.45倍～1.85倍，达到海拔200m；上方取到地面，实际模型作到海拔670m，其上部作为荷载加在模型顶面；沿主厂房的纵轴线方向取3个机组段长度(自5号机组中心线至8号机组中心线)，为102m.因为模型几何比尺为1/100，所以岩体模型尺寸为长×高×宽＝6.20m×4.70m×1.02m.

3.2地形及地质条件模拟对模型试验范围内的地形、地貌、地质材料和三维地质构造如层间和层内错动带进行了模拟，模型基本满足几何、物理、力学相似条件。

3.3初始地应力场模拟三维原始地应力的模拟是本试验的关键和难点。经过研究、论证和试验，本试验中首次提出并研制了“离散化多主应力面加载及控制系统”，成功地模拟了三维地应力场，保证了试验的初始条件。离散型三维多主应力面加载系统，是在地质力学模型仿真试验中，首次提出使用的一种能近似模拟复杂三维空间地应力场的加载系统。

它的基本思路来源于有限元、边界元、离散元等将研究域离散化进行数值分析的原理，把需要模拟的复杂变化地应力分布场，离散为有限多个微小的单元应力场，并认为此单元应力场为一个等效的均匀应力场。用一组垂直于该单元应力场主应力矢量的微小主应力面，代替原来的斜截面，并在这一组主应力面上按照等效主应力的大小施加法向力，就达到了模拟这一单元应力场的目的(如图2).对各个离散的单元应力场均进行这样的操作，就可以完成整个试验域复杂变化的应力场的模拟。

图2离散化多主应力面加载原理示意

这一加载系统由高压气囊、反推力板、限位千斤顶、垂直立柱、封闭式钢结构环梁、支撑钢架和空气压缩机组成。此外还有压力监测和报警辅助系统，以保证试验期间的压力稳定。

3.4开挖过程模拟按照数值计算优选的开挖步序(如图3所示)，对试验范围内地下洞室群的隐蔽开挖进行了模拟。本试验中隐蔽性开挖的洞室包括尾水管和母线廊道，尾水管的隐蔽开挖长度为125m，而且为渐变的城门洞形断面，母线道断面也为城门洞形，但是靠近主变室一侧13m一段断面加大，造成母线道断面突变。这些都给开挖模拟带来极大困难。隐蔽开挖无法采用一般的手工钻进方法，需要设计专门的钻凿机具。经过反复研究试验，开发出隐蔽开挖机器臂和微型步进式掘进机，以及与之配合使用的隐蔽洞室内窥系统，成功解决了这一技术难题。如图4所示。

图3地下厂房洞室群开挖分期设计

3.5支护方案模拟按照数值计算优选的支护方案，对锚固支护(包括三大洞室的喷混凝土、锚索)进行了模拟。按照设计支护方案，锚索按实际位置模拟并施加预应力。系统锚杆与喷混凝土联合模拟为挂金属丝网涂浆。锚索模拟材料采用金属铝线或细铜丝束，用建筑胶浆固结，以螺旋加载方式施加预应力。

3.6施工模拟过程中的多种方式洞室内部收敛变形及破坏形态量测在主厂房、主变室、尾调室三个主要洞室中，采用预埋多点位移计方式进行了内部收敛以及洞周围岩深度变形量测；采用光导纤维进行了内部变形的量测；采用超声波测量方法进行了洞周围岩屈服松动区的量测；采用内部摄影方式进行了内部破坏形态的观测。

3.7内部应力场分布量测在主厂房、主变室、尾调室围岩中的适当位置，预埋三向应变计、应变花，进行了应力场分布量测。在重要位置，预埋光纤传感器，与应变片测量相比较，测量应力场分布。

图4隐蔽洞室开挖微型步进TBM示意

4试验过程和结果

试验自2000年5月开始各项前期工作，包括场地准备、试验台设计和施工、模型材料设计和试验、模型制作和传感器埋设、地应力场生成和监控系统研制、隐蔽洞室开挖系统研制和试运行、测量仪器的研制和准备等。2001年7月15日正式实施洞室开挖模拟，量测系统进行同步量测，采集数据，至2001年8月18日完成洞室群开挖。试验得出的洞群围岩变形、应力应变、屈服区分布等情况如下。

4.1位移主厂房顶拱最大下沉为37.5mm，主变室顶拱下沉为23mm，尾水调压室顶拱为34mm.各个洞室顶拱的变形随开挖量的增加均以下沉为主，开挖后期伴随有少量的上抬。这与同时进行的数值计算相比顶拱位移偏大一些，这是由于模型试验中准确地模拟了层内错动带的影响，而计算中则有所简化。尾水调压室边墙比主厂房边墙高20多米，初估最大水平位移应该更大些，但尾水调压室中间隔墙起到了限制变形的作用，从而减少了水平位移值。主变室与尾水调压室之间岩柱的上下游方向水平尺寸有所增大。

图5地下厂房洞周围岩位移分布

而主厂房与主变室之间的岩柱在上下游方向则有所压缩，是由于母线道对这部分岩柱削弱较多引起的。试验中所揭示的各个方向的位移量均不大，分布合理。除三大洞室顶拱位移比计算值略大之外，其它与计算值都很接近，洞周没有发现明显的开裂或位移突变。图5给出了洞周围岩位移分布。

4.2应力主厂房上游拱肩和拱脚处、尾水调压室上游拱肩和拱脚处均有拉应力出现。尾水调压室下游边墙5m范围内的岩体大部分存在拉应力，10m之外则呈现为压应力。随开挖的进行，洞室交叉部位产生应力集中，凡是压应力的则压应变值为原来的1.5～2.2倍。产生拉应力的部位则给出了很大的拉应变值，明显不大合理，可能是粘贴应变片的块体发生破裂造成的。但是可以从中判断是出现了拉应力。拉、压应力分布范围与计算结果接近。光纤传感器量测的结果比较有规律，随尾水调压室高边墙的逐渐形成，边墙表面岩体应力松驰，压应力降低甚至产生拉应力，而压应力分布有向深部岩体传递的趋势。

4.3超声波测量试验中采用超声波测速与位移沿岩体深度分布规律相结合的方法判断屈服松动区。洞周岩体波速最低处为尾水调压室的底部和顶拱，波速比未开挖前降低了40%～50%.三大洞室顶拱的岩体波速，主变室顶拱最高，达900～1000m/s，主厂房顶拱次之，为800～900m/s，尾调室顶拱最低，为400～500m/s.与地质剖面相比较可以看出，这一结果恰恰和这些洞室所在地层及地质构造相吻合。根据声波测量和位移测量结果的综合比较和分析，得到各洞室周围屈服区的范围(图6).

图6地下厂房洞周屈服区分布

4.4锚固支护系统根据地下工程围岩稳定性分析的经验，洞室围岩越稳定，围岩的整体性越好(早期喷锚支护可以增加这种整体性)，则在后期开挖过程中，洞室上抬的趋势越明显。XA-22支护方案在主厂房顶拱埋设的两排锚索，穿过了层内错动带，增加了顶拱的整体性，是很必要的。虽然本试验中尚不能定量地比较这种锚固的作用，但定性上已经可以说明模拟的锚固系统对增加洞室围岩的完整性和整体性，起了明显的作用，这是数值计算中没有反映出来的。通过对模型锚索应力的测量，反映出对目前的开挖方案，锚索应力有明显增加。因为尾调室是上下先开挖然后中间再挖通，高边墙有一个突然形成的过程。虽然这一情况因为中间隔墙的存在而减弱，但对离隔墙远一些的部位仍有一定的冲击作用。考虑到这一点，尾调室上下游边墙锚索的预应力施加应有所控制，而隔墙的加固应适当提前。

5结论

(1)本试验是首次大规模三维仿真模拟地下洞室群的施工过程。它成功模拟了高容重岩体材料和岩体构造，容重比尺1比1；研制了离散化多主应力面加载系统，使模拟复杂三维初始地应力场得以实现；研制了用机械臂和步进微型掘进机，仿真模拟了施工过程；研制微型多点位移计，采用声波测试、内窥技术等多种测量手段进行了内部物理量的测量。(2)试验结果验证了在厂区特有的地形地貌、地质构造和地应力条件下，该水电站地下厂房洞室群的总体布置、洞型设计、洞室间距是合理的。主变室滞后主厂房和尾水调压室开挖一期的施工方案以及锚固支护方案，保证了洞室安全成洞。在试验开挖过程中，洞室群保持了总体稳定，主要洞室周边未出现明显的开裂及变形突变。洞周围岩屈服松动区分布，与厂区地质条件和洞室断面情况及空间相对关系有较好的吻合。推荐的支护方案对洞室整体性的加强有明显的作用，并有效地控制了松动区的发展。(3)试验结果表明，对条件复杂的超大型地下洞室群进行三维地质力学模型试验可以从全局上把握地下洞室工程整体力学特征、变形趋势和稳定性特点，并对数值模拟结果进行验证和校核。

地质力学论文:关于工程地质力学应用过程中常见问题的分析

摘 要：社会经济的进步，极大促进了工程地质力学的发展，工程地质力学是研究地质体变形状况的科学，地质体具备多形态的特征，为了满足工程地质的实际要求，进行地质体存在状态、力学特性、地质体演化过程的分析是必要的。

关键词：工程地质学；地质体；演化过程；力学特性

1 地质体的力学特性

（1）地质体产生于一定的地质环境，地质体是由地质环境中按照某些结构排列的岩石、水等构成的，其具备非均匀性、非连续性的地理特征，无论是初始状态特性，还是流-固耦合特性都充分体现了地质体的独特性，区别于传统力学的研究对象。

地质力学界对地质体特性的研究并没形成一个统一的描述方法，其中依旧存在很多的问题需要深入研究，这需要做好相关的室内试验，进行精细性的分析，获得丰富多样的本构关系，掌握地质力学的特殊规律。地质体是一个比较复杂的系统，仅仅通过局部的岩石试样，并不能代表其整体的特性，岩石试样缺乏典型代表性，岩体试样不能脱离地质体本身，否则其会丧失处于母体中的作用。在某些状况下，获取试样，会导致其内在特性的改变。为了更为深入地研究地质体的整体特征，需要深入了解地质体的局部特性，在此基础上，进行地质体整体特性的描述及探测，从而满足实际工作的要求。

（2）地质体的特性与地质构造运动、地质环境密切相关，从而影响到地质体的一系列的力学行为。通过对力学分析方法的应用，不能取得定量化的结果，为了获得地质体的初始状态，需要应用工程地质力学的应用方法，从而解决实际工程问题，地质体的特性具备多样性，比如非线性特性、非弹性，这些特性与岩体结构面的特性密切相关，温度效应、时间效应是固体材料的常见特性，地质体的特征与温度、天气等密切相关，其中外界因素的变化，导致其出现更为复杂的力学过程。

2 工程地质力学所面临的常见问题

（1）地质工程主要分为两类问题，地下工程问题，比如水电工程的地下隧道、地下核肥料、地下矿藏等区域的采空区，地质体的活动断幼纯觥⑷硌易纯觥⑼杆状况等，对于工程的稳定运作产生一系列的影响，与工程建设、工程造价密切有关，这类问题主要涉及到高地应力前提下的地质体的变化状况。第二类问题是地面工程，涉及到一系列的基础工程建设，铁路公路边坡、矿石开采，主要引发的问题为滑坡、泥石流等，我国的边坡工程规模日益庞大，其也引发了一系列的自然灾害，存在的主要力学问题是水、地震等作用下的破坏状况。

一项合格的工程建设必然要经历选址、勘察、设计等几个模块，在不同的工作模块中，由于其工程阶段的不同，工作目的的差异性，其工作的侧重点也不一样。地质工程是一个整体性的工程，其内部各个阶段间互有联系，密切相关，为了解决实际工作需要，工程地质力学的应用要因地制宜，灵活应用，切实解决地质工程中的问题。

（2）在地质工作中，避让是非常重要的原则，避开危险区域，是地质工程工作的重点。为了达到这一目的，必须首先明确哪些区域存在着危险状况，获得相关的地质资料后，再针对山体的稳定性进行判定，这种可靠性关系的判断与地质工程的顺利开展密切相关。建筑工程的顺利开展，需要建立在良好的地质条件基础上，如果将良好的地质条件误判为不稳定，将会造成地质工程工作资源的巨大浪费。

在地质工程实践中，有些地质问题依赖于工程师的工作经验，比如利用边坡稳定判断方法进行滑面参数的分析，这些参数的确定依赖于丰富的工作经验，在这个过程中，有些工作步骤需要利用有限元进行计算，这些可靠的地质工程分析方法都离不开大量的工程实践工作。

3 地质体力学特性探测的一般方法

（1）在地质工作中，选址是一门重要的工作，在选址过程中，地质人员需要依据地质条件、环境等，进行工程建设可行性的判断，这需要进行工程建设地点、线路等的综合性分析，需要做好一系列的地质勘察工作，进行地质条件的深入了解，从而判断出工程建设状况。通过各种工程手段获得工作资料将作为下续工作的依据，一般来说，勘察过程中获得越多的资料，其工程设计的可靠性也就越大。在实际工作中，地质勘察的手段诸多，受到实际工程状况的影响，地质资料的获取比较困难，工程设计往往要进行多次设计。

为了实现地质工程造价的优化，必须最大程度地降低工程成本，而又获得最大的工程效益，在最优成本的前提下，获得丰富的地质材料。地质力学研究不仅仅需要获得给定条件的结果，也要最大程度创造地质工作的良好条件，这通常需要进行表面位移监测、波动等方法的应用，进行地质体力学特性的探测。这些方法具备良好的工程合理性。

上述方法运用得当，可以进行某工作区域某点特征的获取，而又不破坏地质体的原本形态，它的探测成本也是比较低的，目前来说，我国的地质勘察体系并不健全，缺乏丰富的理论体系支撑，计算机应用技术体系尚不健全。

（2）相比于工程结构，地质体的可容许变形更大，工程结构与地质体之间的相互作用比较复杂，远甚于单纯结构的变形分析，在这个过程中，为了给出合理性的工程设计，必须进行地质体初始状态、地应力场状况的深入分析，从而给出恰当的工程设计方法，进行工程涉及到优化。在地下工程工作中，岩体分类技术是常见的工程设计方法。

目前来说，我国的岩体分类技术理论体系尚不健全，通过对这种岩体分类问题的论证，能够满足我国复杂环境区域工作的要求，进行复杂性地质工程可行性的判断。工程岩体分类是比较笼统的，它主要适应于工程的初步设计阶段、工程预算阶段、招投标阶段，这种方法与一般工程的力学计算方法存在较大差异性，有些精密、复杂、大型的地质工程，需要精细化的岩体分类技术方法，这需要具体问题具体分析，提出适宜的工程方案，满足实际地质工作的需要。

（3）在地质工程工作中，力学、地学是密不可分的，这两者的结合都是为了创造更大的工程建设效益，这与力学基本理论体系的发展密切相关，需要满足工程建设工作的需求。通过对力学研究工程的应用，模拟复杂性的地质结构状况，通过科学性的建模，满足复杂的工程需要，这也需要工作人员的综合性判断，实现工作经验与计算机数值计算结果的结合，确保力学及地质学的相互渗透、相互结合，从而进一步解决工程常见问题。

（4）在实际工作中，地质工程师凭借丰富的工作经验，能够进行某地区地层的直接判断，从而有利于地质调查工作的开展，进一步节省工程成本，如果不能确保地质判断的准确性，将会导致工程实践的失败，也不能获得正确的力学分析结果。为了满足实际地质调查工作的要求，需要进行力学分析手段的补充，进行地质体力学参数的获取。

通过对力学手段定量化的分析，可以实现地质体的准确判断，再通过一系列的力学理论方法，做好工程的定量分析工作，为工程设计提供丰富的信息依据。这就需要进行地质环境定量化的分析，进行地层的辨认、定性地分析，进行地层几何特性的分析，这都离不开地质勘查工作的开展，需要做好相关的现场监测工作。

4 结束语

工程地质力学与地质工程密切相关，其实现了工程学科、力学、地学的结合，地学是地质工程的基础，力学是重要的工作研究手段，以此为标准，实现工程工作的高效化，通过对不同学科的结合、研究、分析，实现工程地质力学的长远发展，解决实际工作问题，满足工程的实际需要。

地质力学论文:超大断面隧道软弱破碎围岩渐进破坏过程三维地质力学模型试验分析

【摘要】超大断面隧道在软弱破碎围岩的施工中具有很大的难度，软弱破碎围岩的不良地质条件，加上隧道断面的扩大，极大的影响了隧道的稳定性。软弱破碎围岩的渐进破坏过程，由最初的开挖改变围岩应力重分布的情况，可以发展到应变弱化过程中逐渐发生破坏。本文采用三维地质力学模型，从模拟试验的建立、相似材料的选择等方面着手，对超大断面隧道软弱破碎围岩的渐进破坏过程进行了试验分析。

【关键词】隧道；破碎围岩；渐进破坏过程；三维地质力学模型

一、三维地质力学模型试验内容

（一） 实验参数

本文选取某隧道工程为试验背景，该隧道的主要特征是，穿过极破碎地层，薄片状岩层在节理表现上呈碎块状，并伴有少量裂隙出水现象，隧道开挖后，岩层粉末化。同时，围岩岩体破碎完整性较差，还会在与水接触时松散软化，稳定性较差，容易发生坍塌。本研究将所选取的隧道工程相关工程数值与相关规范进行对比，统计了该隧道软弱破碎围岩的基本物理力学参数：

（二）模型初设

选取尺寸为 2.0 m长×2.4 m宽×2.4 m高的三维三维地质力学模型，其应力相似比、几何相似比为 1∶50。使模型边界满足相关条件，在模型的中间位置进行开挖，其实际的开挖面积为 110m2 ，为超大断面铁路隧道。模拟试验的开挖长度为2米，由台阶法支护试验、全断面支护试验、全断面无支护试验以及掌子面保留超载段四个阶段组成。四个阶段中按顺序依次开挖，有效进行超载破坏试验。

二、三维地质力学模型模拟材料选择

模拟材料应该与实际的修筑情况较为相似，模拟材料包括锚杆、初喷混凝土等支护结构以及软弱破碎围岩所采用的材料。

（1）支护体系相似模拟材料

尽可能通过相似材料的选用，避免出现混凝土与围岩间不良特殊效应，保障模拟试验与实际的隧道施工中混凝土初喷的原料情况相近。因为实际的隧道施工混凝土的来源是爆破围岩碎石，可以选取C 2 5初喷混凝土，其抗拉强度、抗压强度以及弹性模量较为相似。根据隧道刚度与面积要求，首先让聚四氟乙烯满足锚杆的基本物理条件要求，其次将胶结剂涂抹在聚四氟乙烯材料的表面，最终与黏结石、英砂共同完成围岩的模拟，这一过程有效实现锚杆模拟材料。以初喷混凝土相似材料举例来说，其力学参数对比表如下：

（2） 软弱破碎围岩相似模拟材料

本次三维试验的隧道，其主要的岩层构成为炭质千枚岩、上统千枚岩，整体岩质都较容易破碎，而且具有一定程度的流变性，即其岩层的状态容易受到外力的作用而改变。根据这种情况，模拟试验可以采用重晶石粉、精铁粉、石英砂，结合以松香溶液胶结剂进行相似材料的配偶。并通过相应的流变装置对其力学参数进行有效的测验，测试结果表明，当情况为过载时，慢速蠕变、稳定蠕变和加速蠕变是相似材料的三个变形过程，最终会出现破坏现象；当情况为小额载荷时，也就是受低应力影响下，相似材料有慢速蠕变和稳定蠕变两个变形过程。与此同时，针对千枚岩，相似材料在蠕变测试中，压缩应力增大，其蠕变性随之增强，这一测试表明，千枚岩软弱破碎围岩同样具有蠕变性。

三、三维地质力学模型试验

三维地质力学模型试验中隧道的修筑方法为夯实填筑法，首先依照科学的等比进行材料配置，并保证材料能充分满足试验需要，搅拌均匀后在模型框架内从下往上进行分层铺设，在设计方案的标高部位预设测量仪器，之后继续填铺，到模型顶部后停止铺设。隧道模拟试验的埋深为200米左右，模型开挖步骤为：先从隧道口开始每隔0.5米连续进行台阶法支护开挖、全断面支护开挖、全断面无支护开挖，之后在掌子面的前0.5米处进行超载破坏试验，对不同围岩段的渐进破坏现象进行观察分析。4阶段的深挖中围岩都受到有规律的破坏：当埋深增加至400米时，局部的拱顶围岩有拉剪破坏，且最早出现裂缝甚至掉块现象的是掌子面邻近的全断面无支护开挖段，一般是在隧道拱顶集中表现；当埋深增加至700米时，拱顶、边墙都有大量的材料脱落与破坏现象；当埋深增加至800米时，台阶法支护开挖方法下，局部拱顶支护材料出现开裂与破坏；当埋深增加至1000米时，支护与围岩均出现大面积破坏现象，隧道面临整体坍塌。

四、分析结果

超载情况下，围岩的破坏区域会随着开挖深度的增加渐进扩大，最早发生破坏的是全断面无支护段周边围岩，然后是全断面支护段与台阶法支护段的初喷混凝土。拱顶上方区域是主要的破坏集中区，既是衬砌结构出现破坏的主要源头，也是造成围岩坍塌的主要原因；隧道侧部的边墙也有局部的破坏，破坏程度从边墙的上部到边墙的拱脚逐渐加剧。同时，随着埋深的增加，无支护段围岩位移增长情况多于支护段围岩位移增长情况，说明支护结构具有明显的承载力，这一过程中荷载与应力的增长呈反向；随着围岩破坏深度的增加，拱部出现变化性的压力拱现象，这说明在顶部进行加固有一定可行性，是改善超大断面隧道软弱破碎围岩渐进破坏现象的有效探索方向。

结束语

采用三维地质力学模型试验对在隧道逐渐深挖过程中软弱破碎围岩的渐进破坏情况进行试验，所展现的超大断面隧道软弱破碎围岩渐进破坏全过程与实际情况极为贴近，有利于掌握超大断面施工过程中可能出现的问题，为提高隧道稳定性的方法探究提供有效的参考依据。

地质力学论文:地貌地质力学及其最新进展

第一部分 中国地貌的基本特征及其形成机理

一、中国地貌的形态特征

我们伟大祖国群山纵横，高原雄伟壮丽，江河源远流长，平原一望无际。青藏高原在大西南屹立，喜马拉雅山高耸成为“世界屋脊”。大西北地区巨大的山脉环绕着巨型盆地。中国东部平原辽阔和丘陵起伏。主要河流自西向东注入海洋，反映了我国地势西高东低的特点。随着地势向东逐级递减，大致沿青藏高原东北部边缘，大兴安岭―太行山―雪峰山东缘和洋陆边界三条巨大界线，出现四个地形阶梯。这就是人们所熟悉的西高东低、梯级分布、形态多样和山区广大等我国地貌的四个显著特点。然而，这只不过是中国地貌外在的形态特征，还没有揭示中国地貌的展布规律和形成机理。

二、中国地貌的展布特征

经研究发现，定向纵横的群山、巨大而规则的洼地和受山脉控制的江河，是我国地貌重要的展布特征。具体而言：

1）三道纬向“长城”：由横亘于北纬40o―42o的阴山和天山山系、北纬32o30―34o30的秦岭和昆仑山系，以及北纬24o―26o的南岭山系等5条山系组成的三带巨大山岭。它们每个带各自大约占2个纬度，彼此之间大致间隔7―8个纬度，其展布特征十分引人注目（图1）。

2）三带濒洋山岭：在东亚河我国东部濒太平洋地区，大致平行海岸线出现有三条巨大的北北东向山系（图1）。第一带是“岛弧山系”，由千岛群岛、日本列岛、琉球群岛和我国的台湾列岛等所组成。第二带是“沿海丘陵山地”，包括长白山、胶辽丘陵和东南沿海丘陵。第三带是“内陆山脉”，由大兴安岭、太行山和大巫山组成。这三带山系也有一定的等间距性。

3）东西对称山岳：我国西北地区，存在这一系列北西向山系，如阿尔泰山和祁连山等。它们和东部地区展布的北东向山系有遥相对应之势，显示了镜向对称的特征。

4）巨大弧形山川：我国西南部，由青藏高原及其周缘山脉，组成一个向东北突出的巨大弧形。喜马拉雅山、冈底斯山、喀拉昆仑山等大致东西延伸，向东迅速转折为近南北走向，在那里出现了横断山脉。再向南延出国境，经中南半岛到印度尼西亚后又转为东西向，形成一个异常庞大的反S形山系（图1）。在国境内，澜沧江、怒江和金沙江径流于其高山峡谷之中，形成一个“巨大弧形山川”。

5）大型横向水系：由于纬向山系的持续横亘，我国的大江大河，如黄河、长江和珠江等，尽管其局部流向反复多变，但大都在其间广阔的东西向洼地中径流。因此，纬向山系就成为我国主要水系的分水岭。东西方向的阴山，分隔了东北水系和华北水系。阴山与秦岭之间为黄河流域，黄河流向几经反复大角度转折，但一般不跨越阴山和秦岭山系。昆仑一秦岭山系和南岭山系之间则是长江流域，长江在两带山系之间汹涌奔腾。南岭山系以南还有珠江水系。这些山系总的流向和山系的走向基本一致，由西向东径流，明显受到中国地形西高东低和纬向山系的控制。

6）纵横行列洼地：“洼地”一词是各种“负向地形”（即是下降而形成的各种地形）的统称，包括平原、草原、沙漠，以及由下降堆积而形成的“黄土高原”等。负向地形和正向地形是相辅相承、彼此伴生、又相间出现的，它们沿一定走向规律地展布在山系两侧。在我国有一系列“纵向洼地带”和“横向洼地地带”：

纵向洼地带：在东亚濒太平洋地区，平行三带濒洋山岭相应出现三个大型洼地带，向东而西：第一带是由鄂霍次克海盆、日本海盆和东海海贫组成的“浅海洼地带”；这些近海海域不过是被海水淹没了的洼地，从地质结构来看，它们基本还是大陆型的地壳。第二带是由松辽平原、华北平原、长江中下游平原和北部湾盆地组成的“平原洼地带”。第三带是呼伦贝尔草原，陕北盆地和四川盆地组成的“盆地洼地带”。

横向洼地带：自北而南，第一带为天山一阴山纬向山系以北的准噶尔盆地、蒙古―呼伦贝尔草原、松辽平原和鄂霍次克海盆。第二带为天山一阴山和昆仑一秦岭两个纬向山系之间的塔里木盆地、柴达木盆地，河西走廊、阿拉善沙漠、陕北盆地、华北平原和日本海盆。以及第三带的四川盆地、长江中下游平原和东海盆地等。

这些洼地规律地分布着，形成“横成行，竖为列”排列十分有序的地貌格局。

归纳起来，①三道纬向“长城”；②三带濒洋山岭；③东西对称山岳；④巨大弧形山川；⑤大型横向水系；⑥纵横行列洼地，是中国地貌的六个展布特征。

三、中国地貌的展布规律

事实表明，我国地形复杂而又有规律地分布着。经认真研究，可以将中国地貌展布规律概括为：1）成群地带出现（群带性）：无论山脉、盆地或平原都成群、成带展布；2）山川定向纵横（定向性）：表现为定向纵横的群山，以及受山脉控制的水系；3）保持一定间隔（等距性）：无论山脉和洼地，都以一定间距重复出现；4）东西镜向对称（对称性）：中国东部北北东向的山脉和洼地与西部北西西向的山脉和洼地，有遥相对应之势；5）正负地形相向（伴生性）：上升的正地形总是和下降的负地形相间、相伴出现；6）重叠形成网络（交织性）：不同方向的正地形带和负地带相互交织，彼此阻割与干扰，形成我国独具特色、丰富多彩的地貌景观。

四、几个有趣地貌景观的解析

1）问：既然我国东部濒太平洋地区有北北东向的“三带濒洋山岭”，为什么不形成三条连续的山脉，却被一一分隔？而中国的洼地带，又为什么“横成行、竖为列”规则而有序地分布呢？

答：地貌地质力学揭示，正是由于“三道纬向长城”的顽强横亘，阴山山系和秦岭山系，不仅把“三带濒洋山岭”，也将与其伴生的“三条洼地带”一一分隔，致使北北东向的山脉和洼地被分割成为不同段落，并分别冠以不同的地理单元名称。

2）问：为什么在东亚出现独特而美丽的花彩列岛，它们又为什么形成大小相若的一系列弧形，而不是一个巨大的弧形呢？

答：地貌地质力学指出：东亚花彩列岛中的每两个相邻弧形交接处的“结”，都正处于中国大陆纬向山脉向东的延长线上；也正是由于顽强横亘的纬向山系控制了花彩列岛的“结”，才形成了一系列美丽的岛弧。关于东亚岛弧形成的假说众多，没有哪一个比这一说法更具雄辩力了。

3）问：为何在东亚出现两类不同形态的“弧形山脉”？即濒太平洋地区出现一系列向东南突出的“不对称单突弧形”？而在中国大陆内部却呈现一系列S形（即“对称的双突弧形）山脉呢？

答：地貌地质力学认为：大陆内部，两侧均为大陆型地壳，岩石性质彼此均一的条件下，在南北向相对扭动作用时，左侧向南推挤而出现向东南突出的弧形时，右侧必然相对向北推挤而产生向西北突出的弧形，所以形成“S”形（即“对称的双突弧形”）山脉。而在濒太平洋地带，一侧为大陆型地壳（由古老的多层地壳组成的很厚的大陆型地壳），另一侧为大洋型地壳（由年轻的单层地壳组成很薄的大洋型地壳），在南北向相对扭动作用时，大陆一侧向南扭动而出现向东南突出的弧形时，大洋一侧因为缺失巨厚的上层物质，就不能形成向西北突出的弧形，结果导致“不对称单突弧形”的形成。

五、中国地貌的形成机理

1）揭示了地貌规律性，还不能明了它们的成因。毫无疑问，一个正确的地貌假说必定能够完满地解释中国地貌的展布特征和展布规律。地貌的形成和演化起因于地球内营力的地壳运动，而地球外营力导致的地表风化、剥蚀、搬运、堆积作用，以及崩（塌）、滑（坡）、（泥石）流等，也时刻改变着地表地貌景观。简言之，地球内营力是一种“造形作用”，使地表地形出现起伏；地球外营力则是一种“毁形作用”，使地形差异趋于消失，起填平补齐的作用。可见，地貌形态是地球内、外营力共同作用结果；地壳运动则是其矛盾的主要方面，正是地壳运动铸就了地貌形态的基本格架。

2）因此，探讨地貌的成因离不开地壳运动，研究地壳运动又离不开力的作用，力是一切地貌形成的源头。研究形成地貌过程和方式，就要根据地质构造的力学性质和位移方向，反演形成它们的构造应力场及其动力来源。深入研究揭示，我国东部和西部都经历了两个发展阶段：第一阶段，中国大陆整个向南推挤，在“纬向协和函数”控制下，形成等距分布的纬向构造带；继之，由于分别受到太平洋和印度地块的顽强阻抗，中国大陆中部相对向南移动，致使中国东部发生反时针扭动；中国西部则为顺时针扭动，从而分别形成了深及地幔的巨型挤压性的北北东向和北西西向构造带，铸成了中国大地构造格架”，成为中国现代地貌的基础。在第二阶段，由于构造运动大大减弱，在“弹性回返”（由于第一阶段和第二阶段构造的强度和幅度显著由强变弱，所以用“弹性回返”比整个区域外力改变来解释，更为合理）作用下，构造运动动力让位于重力作用，在重力均衡作用主导下，深及地幔的构造带产生明显差异升降，在地幔坳陷带（即“山根”）强烈上升成为山脉，在地幔隆起带持续沉降形成盆地（或平原），由此形成了中国现代地貌格架。

第二部分 有关几个重要地貌问题的新理论

一、造山―成盆统一形成新机制

1）造山带与盆地是经久不衰的两个研究热点，但其形成机理至今仍然没有一致的看法。地质学家一向强调造山作用是构造运动结果，板块构造说更直接视为两个板块碰撞使然；地理学家则根据“山根”的普遍存在，更多地认为重力均衡作用是山脉不断隆升的主要原因。直至目前尚未见到一个能够统一说明构造运动和重力均衡作用在造山过程中各起着何种作用的理论或假说。从事盆地研究的学者，向来认为盆地主要是强烈拉伸作用的结果；专注山脉研究的学者，则强调山岳主要是强烈挤压作用的产物。其实，山脉不是在单一的挤压作用下形成的：其一，根据“平衡剖面法则”，造山过程中平面上的缩短，远远不足以使山脉上升到如此高度；其二，更不可能使山脉持续上升至今，挤压只能造丘（陵），而不能造山。实际上，一切地貌现象都不是孤立存在的，盆地和山脉、正地形和负地形、隆起和沉降是对立的统一，彼此相辅相成、相依存在和相伴而生，共同组成有成生联系的“地貌体系”。它们的形成是在一个复杂的地壳运动过程中，由不同构造运动体制（而不限于一个“挤压体制”或一个“伸展体制”）相继作用的结果。

2）根据我国主要造山带和青藏高原典型地区的深入研究揭示，它们具有共同的五个显著特征，即①中生代经历强烈挤压并未上升为高山或高原；②山脉与盆地同步形成，新生代以来升降幅度已近万米；③山前和高原边缘都发育新生代巨型交角度正断层，确切表明山脉隆升与盆地沉降是在新生代以来拉张作用下以“断块”完成的；④中生代挤压构造上，普遍叠加了新生代张性构造；⑤秦岭上升和渭河盆地同步下降以及青藏高原隆生的过程中，都受到强烈的拉张作用。

3）任何正确的造山一成盆理论，必须能够说明我国的地质实际。我们提出的“挤压后效―拉张、断块、均衡造山一成盆统一新机制”可以给予完满解释：①中生代历经强烈构造运动挤压，波及地下深部，形成巨型“幔隆带”和“幔坳带”（即“山根”）；②构造运动挤压作用大大减弱，在重力均衡作用主导下，导致幔坳带隆升成山和幔隆带沉降成盆；③新生代造山作用和成盆作用，在拉张作用下以“断块”形式表现出来。同时，这新机理还可以合理说明“后造山作用”形成的一系列伸展构造现象（诸如：山前平缓正断层、变质核杂岩、造山带塌陷作用和造山侵蚀作用等）。

4）挤压后效一拉张、断块、均衡造山一成盆统一形成新机制有三个显著特征：①把多元造成山一成盆作用因素（挤压作用、拉张作用等构造运动，以及重力均衡作用等）纳入统一模式；②用诸多因素主导作用有序转化，来解释造山一成盆的演化过程及其形成机制；③将造山（带状山脉）造高原（面状山脉）和成盆作用的形成，有机地联系起来。

5）两个推论：①“挤压与伸展”、“开与合”互相转换，是地壳运动的普遍现象。中国大陆“中生代挤压”的“燕山运动”和“新生代伸展”的“喜马拉雅运动”，并非如目前被公认的是两个独立的“构造运动施回”，它们实际是同一个构造旋回的两个阶段。因此建议更命为“燕山一喜马拉雅运动旋回”。进言之，更古老地质年代的“加里东运动”、“海西运动”、“印支运动”等等，都被视为强烈的挤压运动旋回。其实不然，它们都是由“早期挤压”和“晚期伸展”两个阶段所构成；人们对第二阶段的“伸展运动”知之甚少，是因为张性构造形迹叠加在强烈挤压构造之上，很难把它们一一辩认出来的缘故罢了！

②根据山脉不断强烈隆升、盆地持续沉降，以及强震、活火山不断发生等一系烈地质现象，许多学者断言：当今处于地壳运动强烈的时期。否！这种结论过于武断了！

按照我们的观点，第一，如前所述，当今处于地壳构造运动相对微弱、重力均衡作用居于主导地位的地质时期，山脉的隆升和盆地的沉降并非构造运动所致，乃是重力均衡作用的结果；第二，地震和火山的活跃期和宁静期的短周期，与地壳运动的超长周期是无可相比拟的。因此可以认定：当今正处于地壳运动相对的和缓时期，而不是地壳运动强烈的阶段。

二、中国大陆构造带的“向洋迁移”和对板块学说的置疑

1）关于形成中国大陆构造的动力来由，至今存在着重大争论，集中体现在动力是来自印度板块和太平洋板块向欧亚板块（中国大陆）的碰撞推挤？还是源于中国大陆中部向南―南东的挤压？

2）地质学家所公认的地质事实是：无论是中国东部还是中国西部，至少中生代以来地壳运动存在“定向迁移”的规律：①中国东部北北东向的三个沉降带，自西而东，它们形成的时代分别是三叠纪的印支运动、侏罗―白垩纪的燕山运动和新生代的喜马拉雅运动；构造带的形成时代也与此相一致；②中国西南部则更为明显：从华力西运动的昆仑带开始，向南依次出现甘孜印支折皱带、藏北早燕山折皱带，藏中晚燕山折皱带和藏南喜马拉雅折皱带；与此同时，岩浆岩带、变质带以及海水退出的方向，也清楚地显示这种规律。

中国大陆东部和西部两个方向“定向迁移”，有一个共同特征，就是“向洋迁移”规律。板块说断言：这是裂解于“古陆”的板块，在地质历史时期，自北向南依次碰撞而形成的；令人不解的是：在漫长的地质历史时期，若干板块依次向北漂移，第一，只有在后一板块恒比前一板块速度更快时，才能依次逐一碰撞。试问，有什么动力可以使后一板块比前一板块速度更快呢？第二，在每一板块经历了不同距离的漂移和不同角度的转动之后（这已由古地磁所证实）而逐一碰撞拼合，其碰撞缝合线却“严丝合缝”，平滑而光洁，既没有“棱棱角角”，也不见“碎裂地体”？第三，所有碰撞缝合线分布彼此平行、协调，就像同一个时期形成的一套弧形一样？难道这不有点近似于“天方夜坛”吗？显然，这种向洋迁移规律不能用板块构造向北―北东向碰撞推挤，或俯冲给出理论说明。

3）合理的解释是：依据力学上的“近极强原理”，动力来自北方，在接近动力源的部位，首先受力变形并促发构造运动、岩浆活动和变质作用。板块构造学说立足于海洋，令人信服地解决许多重大地质问题，取得了骄人的成就。但它在大陆地质中遇到到了许多难题，这正是它之所以不能顺利“登陆”的重大难题之一。

三、重要的“三新理论”

现代地貌、地表构造带和各种地球物理界面的现在形态等三类现象，都是很新地质时代形成的。

1）新地貌：地质学家认为，中生代燕山运动（205―137百万年）奠定了我国大地构造格架，中国盆地格架也随之形成。但是不要因此就认为我国现代地貌（盆山格架）就是中生代铸就的。实事上，中生代形成的盆地格架已久经变迁，当时的山脉也几经夷平。深入研究表明：①青藏高原是新生代上新世（5.3百万年）以来强烈隆升的；②全国的现代地貌也主要是上新世以来，也就是“新构造运动”时期才形成的。

2）新构造带：地质学家一贯强调构造继承性是中国地质构造的基本特征，认为现在地表出露的大型构造带，都是久远地质年代，甚至是吕梁运动（18亿年前）所形成，并持续活动至今的。其实这是一个很大的误解。深入研究揭示：“构造新生性”是主导的，“构造继承性”是次要的。中国的地质实际地说明，仅仅在燕山运动（205百万年）以来，存在着显著的构造继承性，而不会跨越“构造运动旋回”恒久地继承活动下去。这不仅因为古老构造已相继老化固结；更重要的是彻底的活动论告诉我们，各大陆不仅逐渐改变着自己的位置，也改变着自己的方向，作用于它的构造运动也会因而改变，无论从理论上和地质实际看，上述看法都是没有道理的。恰恰相反，现在持续延伸的构造带都是很新的，都有很明显的现代活动性。对此，我们可以多方面加以论证，仅就一点而言：因为没有新的活动它们就会被不同方向构造切载，因一段隆起、一段沉降而不连续。可见，一切现代地表持续延伸的构造带都是“新构造运动”时期以来正在活动着的，一般不会老于燕山运动的构造带。

3）新地球的物理界面：地球内部存在许多地球物理界面，例如古登堡面、莫霍面、康拉德面等，使地球成为具有层状构造的球体。它们形成于不同的地质年代，有的很为古老。有人认为这些形成时代久远地质年代的地球物理界面，其现在空间分布的形态也是古老的。这显然是不对的。因为这些古老界面受到各种动力作用，在整个地质演化过程中，不断改变着自己的位置和形态。例如，在强烈构造运动作用下，会形成新的上地幔隆起（幔隆，即山根）和上地幔坳陷（幔坳），即使地壳和上地幔分界莫霍面形成隆起和坳陷。这些古老的界面和它新的形态的关系，正如“老砖盖新房”。

这就是有关现代地貌、地表构造带和地球物理界面形态的“三新理论”。

第三部分 结语

一、在传统的中国地貌形态特征的基础上，通过展布特征、展布规律和形成机理三个层次跨越式的深入研究和总结，地貌地质力学把中国地貌研究从形态归纳分析，提高到论理的新阶段。

二、掌握了中国地貌展布特征，人们不仅可以直接掌握我国地貌格局和主要地貌单元的分布，容易地把它们绘画成图并铭记在心；更重要的是，可以由此进一步揭示中国地貌的展布规律。

三、懂得了中国地貌展布规律，不仅为我们理解纷繁而多样的地貌现象之间的内在联系和依存关系，铺平了道路；还为深入探讨中国地貌形成机理打下基础。

四、中国地貌形成的新机理告诉我们：和其他许多事物一样，各种宏观地貌格架的形成不是一蹴而就的。中国地貌的演化经历了两个发展阶段。第一阶段在构造运动主导下，形成了“中国大地构造格架”；第二阶段在重力均衡作用下，在大地构造格架的基础上，构建了“中国地貌格架”。

五、造山一成盆统一新机制把造山、造高原和成盆作用、构造运动和重力均衡作用，以及挤压和伸展作用巧妙地结合起来，纳入统一发展演化模式；创造性地运用不同地质阶段主导作用有序转化，合理地解释了盆山构造的形成机理。这一理论具有普通适用意义。

北京地质学会副理事长、中国科学院地质力学研究所研究员。大地构造学家、石油地质学家和地震地质学家。政府特殊津贴获得者。历任地球科学大辞典副主编、中国地质大学客座教授、地质力学专业委员会秘书长、国家地震局基金委评委、长期代表地矿部参加全国地震趋势会商会，中国地质科学院高级职称评委等职。主要学术成就：（1）提出《造山一成盆统一形成新机理》；有“半隐伏构造带”等诸多新发现；对中国大地的构造特征做出全新理论概括。（2）发现冷湖工业油田；以“隐伏东西亚带”双重控油新理论，指导发现陕北大气田。（3）大三线选址中，纠正了攀枝花基地的否定理论，肯定了二滩水电站，否定了牛郎坝基地等。（4）最早填制第一张三峡沿江1/万地质详图，首次填出断裂带，解决了“谷底深槽成因”等三个关键工程地质难题，充分肯定了建坝地质条件。（5）总结出一套中国活动构造特征及其控制地震分区的创新理论；最早编制“填图规范”，开创了“区域地震地质填图”新途径。（6）担任常务副主编，二十多年合作编就《地球科学大辞典》等一系列重要专著。

地质力学论文:滑坡变形规律的地质力学模型试验研究

摘 要 本试验主要研究毕威高速公K86+800截面分别没有支护和有支护的情况下在开挖路堑后降雨的工况下边坡的稳定性，坡体可能的破坏模式等，利用试验结果验证对比验证边坡支护结构对坡体稳定性起到的作用大小，以及相同支护条件下开挖路堑与降雨作用分别对边坡位移影响大小比较。

关键词 滑坡变形；地质力学模型；相似原理

1 试验内容

1.1 开挖路堑与降雨工况对边坡变形及滑动影响作用对比

通过对相同条件下的边坡（有支护或者无支护）在开挖路堑与降雨两种工况作用下边坡坡面位移与坡体内部位移的监测，对比位移在开挖路堑期间坡面与坡体内部位移变化速率与累计变化量的大小来比较两种不同工况对边坡位移与滑坡规律的影响大小。

1.2 边坡支护与否在开挖路堑与降雨工况下的变形滑动规律对比

分别对支护与没有支护的边坡在相同工况作用下（开挖路堑+降雨）表面位移、内部位移监测，通过对比两者相同位置测点的位移变化趋势，对边坡支护结构作用作出定性的评价。

1.3 试验特色及创新

1）利用相似性原理模拟试验模型及试验参数，选用的模型经过不断重复的对比性试验，选用了与实际相似度较高的试验材料及配合比，有利于试验现象进行观察，为得到一个较为准确的结论做好铺垫。

2）对坡体表面及内部位移分别采用电阻应变式传感器和全站仪经行测量，达到试验数据有科学性、正确性、准确性的目的。

3）正确选用试验模拟工具和方法。雾化喷头及坡体锚固结构，相对尺寸与实际相似度较高有较强的相似性、说服性。

4）合理运用控制变量法、夹逼法进行试验，有效评估了有、无支挡结构的不同破坏程度，对得出试验结论提供了重要的依据。

2 试验原理

2.1 模型相似原理

模型相似原理是指在模型上重现的物理现象应与原型相似，即要求模型材料、模型形状和荷载等均须遵循一定的规律。它们的几何特征和各物理量之间必然互相保持一定的比例关系。

根据弹性理论，可以写出原型和模型之间的平衡方程、相容方程、物理方程、几何方程、边界条件。由此可得到模型的相似判据。

2.2 相似常数的确定

本试验中主要考虑几个控制性相似常数。分别为：几何相似常数CL，应力相似常数 ，材料容重相似常数 。根据以上相似常数可以计算出相应的相似常数。

2.3 相似材料

相似材料除应满足相似关系外，还应做到成本低、性能稳定；受环境变化的影响小；便于加工等。考虑以上因素，本试验用到的相似材料分别有：石英砂、膨胀土、木条、塑料网、铁丝等。用以上材料，按照相似关系制作模型试验中的边坡材料和抗滑桩钢筋网等。

3 试验参数确定

3.1 试验截面的选取

在实验中选择坡体高度最大，危险性相对较大的截面作为研究对象，进行模拟试验。

3.2 相似比及模型尺寸的确定

综合考虑实验的可操作性与实验结果的准确性，确定本试验选择几何相似比CL=90，能满足试验要求。主要考虑重力场的影响，由此确定材料容重相似比为 =1，其余物理量力学指标的相似比按照相似理论导出。

3.3 相似材料的配置

鉴于岩土性质的离散太大，且模型尺寸较小，因此尺寸效应对实验影响较大，单纯采用相似原理反算土体材料参数（C、Φ）并不容易达到理想效果。为了达到试验目的，采用夹逼法进行实验材料的配置。坡体材料采用石英砂与膨胀土两种材料进行配置。

依次采用五组不同的重量配比进行试验。试验条件为对制作好的无支护边坡模型进行路堑开挖和降雨作用，对边坡表面与内部进行位移监测。

通过实验我们选用材料配比为“石英砂：膨胀土=300：75”作为后续试验所采用的材料配比。

4 对比试验

4.1 试验条件模拟方法

1）开挖路堑模拟，路堑开挖阶段模拟采用小规格铲子由上至下的顺序对路堑进行开挖，开挖过程尽量不对坡体产生扰动，分层、有序开挖。

2）降雨作用的模拟，降雨的模拟采用雾化喷头对坡体进行降雨，分次进行降雨，降雨过程流量控制在60 L/h，每次降雨时间控制在10 min～15 min。并且保证无支挡与有支挡情况下对边坡降雨的总时间是一样的。从而使两者降雨总量是一致的。

4.2 试验测试内容及测点布置

试验测试内容包括坡体表面位移，坡体内部位移。坡体内部位移测点有三个，坡体表面位移测点在有支挡时有10个，无支挡时有12个。

4.3 量测系统及原理

表面测点位移测量采用全站仪进行测量，通过全站仪观测预先安装在坡面的铁皮测点来确定实验过程中相应测点位移变化量的大小。

内部位移的测量主要是借助于电阻应变式传感器进行数据采集，并通过北京波普公司生产的数据采集箱进行信号转换。

5 结论

1）在降雨时间控制在一定范围内时，不管是边坡位移变化速率，还是位移变化累计量，路堑开挖所造成的影响都远小于降雨作用的影响，因此开挖路堑对边坡产生滑坡并不是其主要作用。

2）通过边坡加设支挡与不架设支挡进行比较可以发现，加设支挡之后的边坡稳定性得到了明显的提高，内部位移与表面位移变化量都大大降低，坡体几乎不发生滑动，坡体支护起到了良好的效果。

地质力学论文:五里堠煤业地质力学测试及其特征分析

摘 要：煤岩体地质力学参数是一切工程研究、设计及施工的基础，采用小孔径多参数耦合地质力学快速测试系统对五里堠煤业进行了测试。测试表明测试区域应力场类型为σH>σh>σv型，即水平应力控制型，量级上属于中等偏低应力区；顶板岩层结构及强度存在差异，第一测点顶板较为坚硬，第二测点相对软弱；顶板结构相对稳定，部分层位存在破碎段及裂隙。

关键词：地质力学参数；小孔径多参数耦合快速测试；五里堠煤业；水平应力控制型

1 前言

煤岩体地质力学参数可分为应力参数、变形与强度参数及结构参数，是一切与岩体力学有关的理论研究、工程设计及施工的基础，准确了解煤岩体地质力学参数是岩体力学最基本的一项工作，是认识研究对象必不可少的环节，具有不可替代的重要作用。

煤岩体地质力学参数测试可分为实验室试验和现场测试。实验室试验的岩块已经脱离岩体，在进行试验时很难比较准确地模拟和反映煤岩体在井下的实际状态，如应力环境、结构面分布及其他井下环境因素。因此实验室岩石力学数据往往与井下煤岩体的实际情况出入很大。现场测试在井下煤岩体中进行，在实际的井下环境中测试，测试数据更接近实际。

五里堠煤业为潞安集团整合矿井，之前未进行过系统的地质力学测试，各种基础力学数据缺乏，工程设计随意性较大，不利于矿井的高产高效。为解决这一问题，五里堠煤业采用新开发的小孔径多参数耦合地质力学快速测试系统进行了系统的地质力学测试。

2 测试方法与测试系统

2.1 地应力测试

相比较应力解除法、应力恢复法等测试方法，水压致裂法有以下优点：（1）能测量较深处的绝对应力状态；（2）它是最直接的测量方法，无需了解和测定岩石的弹性模量，甚至连岩石的抗张强度也可以用水压曲线求出；（3）水压致裂测量应力的空间范围较大，受局部因素的影响较小；（4）不需要套芯工序，可利用其它工程的勘探孔进行压裂；（5）井下测量速度快，成功率较高。

鉴于水压致裂法的上述优点，选择水压致裂法为地质力学快速测试系统的地应力测量方法。水压致裂法地应力测量在现场巷道围岩钻孔中进行。在打好的钻孔中用一对橡胶封隔器封闭选定的钻孔段，然后对封隔器之间的岩孔进行高压注水，直到将围岩压裂。根据压裂曲线和裂纹方向确定最大水平主应力、最小水平主应力及最大水平主应力的方向。垂直主应力由上覆岩层重量求得。

2.2 巷道围岩强度测试

岩体强度原位测量方法有大尺寸压剪试验、冲击锤法、声波探测法、钻孔钻进法及钻孔触探法等。钻孔触探法是一种比较适合煤矿井下巷道围岩强度的测量方法。它具有以下优点：（1）测定结果比较接近岩体；（2）能够测出井下不能取样的软弱破碎煤岩体的强度；（3）能够测出钻孔不同深度、不同层位煤岩体的强度及分布；（4）仪器操作比较简单，可实现快速测量；（5）与现场原位大尺寸压剪试验相比经济得多。

通过比较分析，确定钻孔触探法为地质力学快速测试系统的围岩强度测量方法。钻孔触探法测量钻孔内表面岩壁的强度。在需要测试的煤岩体中打钻孔，利用钻孔触探仪对钻孔孔壁加压进行测试。钻孔触探仪的一个最重要部件是探头，在液压系统液体压力作用下，从探头壳体伸出一个平头探针，压紧钻孔孔壁。继续加压，直到孔壁被压裂，同时记录临界压力值。通过简单的换算，即可得到煤岩体的单轴抗压强度。大量的现场实测表明，该方法可快速、准确地测定煤岩体的单轴抗压强度。

2.3 巷道围岩结构测量

岩体结构观察与测量的方法有很多。在岩体被揭露的地方，岩体的结构暴露出来，可以通过肉眼直接进行观察和描述。对于没有被工程揭露的岩体，要想了解岩体结构，就必须在岩体中打钻孔。

钻孔法有钻孔裂缝压印法、完整岩芯采取法、钻孔壁观察法等。其中，钻孔壁观察法利用钻孔窥视仪观测钻孔壁上的不连续面分布情况。采用钻孔窥视仪，可借助锚杆、锚索孔进行观察，方便、快速、成本低，适用于煤矿井下巷道围岩结构大面积、快速观察。因此，确定钻孔窥视仪孔壁观察法为地质力学快速测试系统的围岩结构测量方法。

3 测试结果及分析

3.1 地应力

共布置两个测点，第一测站位于030210回采面的运输巷中，距离老切眼28m，埋深约为247m。第二测站位于集中回风下山巷道，距2#轨回联巷70m，埋深约为229m。

孔壁岩石的压裂曲线如图1和2所示，测量结果如表1所示。

结果表明，两测站地应力场形式为σHh，即σH>σh>σv。在二个测站中，第一测站σH较大，为14.03MPa；第二测站σH较小，为11.18MPa。二个测站侧压系数σH/σV分别为2.84、2.44。二个测站最大水平主应力方向分别为N41.34°W和N22.11°W。最大水平主应力方向大致为北偏西方向，两个测站一致性较好。

根据理论和数值模拟研究，水平主应力对巷道顶、底板的影响作用大于对两帮的影响，垂直应力主要影响巷道的两帮。σH>σh>σv应力场情况下，巷道最佳的布置方向为巷道轴线沿最大水平主应力方向，该结论可以作为现场设计和施工的参考。五里堠煤业旧系统3#煤工作面巷道布置方向大部分为N75°E和N80°E之间，这与最大水平主应力之间的夹角为45-60°之间，对巷道顶底板的稳定性极为不利，现场设计应考虑加强顶板的支护。

3.2 围岩强度

（1）顶板岩层。顶板岩层强度（顶板以上10m范围）如图3和4 所示。

图3 第一测站顶板岩层强度第一测站顶板钻孔围岩强度测试结果见图5，该测点顶板10m范围内岩体平均单轴抗压强度为52.63MPa，但强度分布不均，在2.2~6.4m范围内，围岩单轴抗压强度较大，平均为75.36MPa，而在0~2.2m及6.4~10.0m范围内围岩强度相对较小，仅为32.42MPa。这是因为在2.2~6.4m范围内，巷道顶板主要以砂岩为主，围岩强度较大，而在0~2.2m及6.4~10.0m范围内，岩层是由泥岩、砂质泥岩组成的，岩层强度较小。

图4 第二测站顶板岩层强度第二测站顶板钻孔围岩强度测试结果见图6，该测点顶板围岩单轴抗压强度整体分布较均匀，钻孔10m范围内平均单轴抗压强度为35.12MPa，只在局部段有围岩强度出现极值，如1.0m处围岩单轴抗压强度较小，为23.61MPa。

（2）煤体。两帮煤体10m范围内的强度如图5和6所示。

图5 第一测站煤体强度第一测站煤帮钻孔围岩强度测试结果中，钻孔10m范围内岩体平均单轴抗压强度为7.18MPa，但由图可知煤体强度整体分布较均匀，只在局部段围岩强度相对较大，如34m处，围岩单轴抗压强度较大，为9.4MPa。

图6 第二测站煤体强度第二测站煤帮钻孔围岩强度测试结果中，钻孔10m范围内岩体平均单轴抗压强度为7.09MPa；因此，在76~88m段煤体单轴抗压强度相对较小，平均值为5.16MPa，其余各测站都落在7.09MPa线附近。

综合分析两个测点数据，顶板结构有一定差异，第一测点有一层厚度约2m坚硬层，强度达到100MPa，坚硬层上下并有厚度4.5m左右的中硬岩层，强度范围为50-80 MPa；第二测点顶板强度相对较弱，但也相对分布均匀，平均为35MPa，最大为50MPa。两个测点的媒体强度相当，平均略超过7MPa，为软弱煤层。

3.3 围岩结构

对顶板测试孔围岩结构进行钻孔窥视，选取第一测点0-10.8m范围内窥视为例，如图7所示。

第一测点顶板测孔围岩窥视结果中，结合矿区综合柱状图分析可知：该测孔大部分较完整，但局部段有明显的破碎带，孔壁粗糙疏松，围岩空洞破碎，如7.5~7.8m、985~10.35m等处，此外还伴有裂隙、离层、夹层等结构，如065m、5.9m、6.4m、6.6m、6.8m等处。

因此，该测点附近顶板岩层相对结构简单，顶板5.8m范围内基本没有结构弱面，但5.9-6.8m范围内发育多条横向裂隙，以及7.5~7.8m、9.85~10.35m两处较大的破碎段等都大大影响围岩的长期稳定性。

图7 第一测点顶板0-10.8m围岩结构展开图4 结论

（1）巷道围岩地质力学测试是与岩石力学工程的一项最基本的工作，进行巷道布置、支护设计之前，应进行全面、详细的地质力学参数测试，为巷道布置优化和支护设计提供准确、可靠的基础参数。

（2）小孔径单孔多参数快速测试方法，仅采用一个钻孔，就可完成地应力、围岩强度、围岩结构的测量工作，测量速度大幅度提高。

（3）地应力测量结果表明，五里堠煤业两测站地应力场形式为σHh，即σH>σh>σv。σH 分别为14.03MPa和 1118MPa；侧压系数σH/σV分别为2.84、2.44；最大水平主应力方向分别为N41.34°W和N22.11°W，一致性较好。从量级上划分五里堠煤业测试区域地应力水平属于中等偏低应力区。

（4）从两个测站的围岩强度测试结果来看，五里堠煤矿巷道围岩的平均单轴抗压强度分布不均，由于裂隙和破碎带的存在，不同位置围岩体的强度差异较大。从巷道顶板来看，顶板以砂岩、砂质泥岩和泥岩为主。砂岩岩层围岩单轴抗压强度较大，如第一测站顶孔中部的砂岩岩层，强度达到100MPa；而砂质泥岩或泥岩岩层，裂隙和破碎带较发育，加之岩层本身的特性，围岩单轴抗压强度相对较小，平均为35MPa；两测站帮孔煤岩单轴抗压强度总的分布较均匀，平均值在7.1MPa左右。

（5）从两个测站钻孔窥视的结果来看，五里堠煤矿巷道顶板围岩整体较为稳定，但有一定的破碎，有的破碎带挺严重，孔壁伴有一定的裂隙、离层、夹层等结构，两测站中巷道围岩主要为灰色、灰黑色的砂岩、砂质泥岩、泥岩，局部处有煤线、岩石夹层、斜交裂隙等。

地质力学论文:对我国地形分布规律及成因的地质力学分析

摘要：祖国大地上，巍峨耸立的高山，连绵起伏的峻岭，纵横交织的江河，星罗棋布的湖海，塑造了多姿多彩的壮丽河山，构成了我国特有的地形分布特点。作者尝试以地质力学的观点剖析我国网格状地形分布的规律及成因。

关键词：地形；分布规律；地质力学；分析

我们伟大的祖国，山脉纵横，河流交错；丘陵起伏，高远辽阔；平原坦荡，盆地巨硕。它们纵横交织，形成了我国地形的网格状分布特点。

本文试从地质力学的角度．剖析我国网格状地形分布的规律及其成因。

一、我国网格状地形分布的概况

所谓网格状分布的地形。是指构成地形骨架的山脉．互相交织，把大地刻划成一个“棋盘”，在“棋盘”的网格中间分布着高原、平原、盆地和海洋的大陆架等相对低洼地。

当打开中国地形图时．乍一看去．映人眼帘的全国大大小小的山脉和相对低洼，纵横交织，似乎难以找到规律。但仔细观察，就会发现山脉与洼地，在排列上具有方向性展布的规律。归纳起来主要有：东西向、北东――南西向、北西――南东向和南北向；同时，山脉与洼地都是相问分布的，具体情况如下：

东西向山系和低洼地我国东西向山系主要有三条．自北至南依次有：横亘于北纬40-43度之间的天山――阴山山系：展布于北纬32-34度之间的昆仑一秦岭山系：坐落在北纬24-26度左右的南岭山系。这三条山系，彼此之间都是相隔7-8度，而山系两侧都分布着规模巨大的相对洼地。例如，在天山――阴山山系北侧有准葛尔盆地、内蒙古高原；南侧有塔里木盆地、河西走廊、黄土高原。在秦岭与南岭之间，有四川盆地、长江中下游平原。在南岭以南也有大片低洼地存在。这种山系与洼地相问的分布的现象，虽然各具特色，但它们分布的规律总是隆、凹相问，平行排列，具有明显的方向性特点。

北东向山系和低洼地主要展布在我国东半部和东亚岛弧地区，其延伸方向大致与海岸平行，具体也有三条巨大的山系，自东向西：第一条为岛弧山系，由千山岛群岛、日本群岛、琉球群岛和我国台湾岛所组成：第二条是沿海山系．包括长白山地和东南沿海低山丘陵；第三条是大兴安岭、太行山、巫山和雪峰山等。这些山系彼此之间，也保持着一定的距离，山系的两侧为相对低洼地。例如。在第一条山系东侧有一系列海沟。这里有世界最深的马里亚纳海沟；在第一、二条山系之间，分布着一系列浅海盆，自北而南有鄂霍次克海、日本海、黄海、东海和南海等；在第二、三条山系之间，由松辽平原、渤海盆地、华北平原和江汉平原分布；在第三条山系西侧，是由呼伦贝尔巴音和硕盆地、陕甘宁盆地和四川盆地所组成的沉降区。可见，北东向的山系与洼地，也是相问分布，其中，洼地长期持续地沉降，地形较为开阔并具有封闭性特点，接受了大量的沉积物，成为我国石油生成盆地和油田的分布区。这些北东向山系与洼地和东西向山系相交．是我国东半部的地形呈现出明显的网格状展布的特点。

北西向山系和低洼地展布于我国西北地区的主要山系有阿尔泰山和祁连山，它们和我国东半部的北东向山系遥相对应，显示出来镜像对称的特点。北西向山系之间，也有相对低洼地，不过这些低洼地因受东西向山系的联合挤压作用．多呈近东西向的长条菱形洼地。

南北向山系和低洼地主要山系有贺兰山、六盘山、大凉山及横断山脉等。它们已成为我国中部的一条重要地理分界线。在这些山脉之间也有低洼地分布．特别是横断山脉出现了明显的高山与峡谷相问分布的形势。

上述的山系和低洼地相问排列。构成了网格状分布的地形．这在我国东半部表现的尤为明显．东西向和北东――南西向山系互相叠加，形成了比较规则的格子状山系，致使我国东部的洼地形状多呈南北长得菱形。而西部由于受东西向山系的制约，其洼地形状往往多呈东西长得菱形。东部和西部之间，贯以南北向的山系．这就是我国网格状分布的地形格局

二、我国网格状地形分布的成因

我国网格状分布的地形。其成因有多种解释．现以地质力学观点来加以阐述。

地壳运动的基本形式有两种：一种是水平运动；另一种是垂直运动。所谓水平运动即地壳物质在力的作用下沿着地球表面作切线方向运动。所谓垂直运动，即地壳物质在力的作用下沿着地球半径方向作升降运动。这两种运动形式在地壳中虽然共存，但地质力学认为地壳运动是以水平运动为主。在水平运动影响下引起垂直运动。我国的主要山脉，就是在地壳水平运动中，受到水平挤压力而不断隆起形成的。

我国东西向的山脉，都是在南北向水平挤压力的作用下，伴生隆起而形成的；南北向的山脉，是在东西向水平挤压力的作用下，伴生隆起而形成的；北东向的山脉和北西向的山脉，则是南北向水平挤压力发生不均衡时，产生扭动而造成的。地壳不是一个均质体．所以对作用到地壳上的力的阻抗也就不同．从而引起刚柔性不同的地块．其运动速度也不同．这样的地块之间便产生了力偶，也就是方向相反，但不在一条直线上的两个力，导致快慢两个地块发生扭动，形成北东向或北西向的斜列山地与洼地。例如，我国东半部就是在这种力偶作用下形成了北东向的三列隆起与洼地。这主要是由于亚洲大陆地壳上部主要由硅铝层组成，具有柔性；而太平洋洋底上部地壳主要是由硅镁层组成，具有刚性，所以运动速度不同。当亚洲大陆向南运动时，太平洋洋壳起阻挡作用，引起北向的力，便产生了反时针方向的扭动，形成了北东向的三隆三凹。同样道理，在我国西半部，由于亚洲大陆在向南滑动中受到了印度板块的阻抗．这样使地壳中又产生了不均衡的力偶作用．出现了顺时针方向的扭动．形成了一系列北西向的山地与洼地。可见，我国的山脉，都是由南北向水平挤压力和东西向水平挤压力作用的结果。

既然我国的山脉形成是与南北向和东西向的水平挤压力有关，那么这些力是怎样产生的呢?地质力学认为，这与地球自转速度的变更有关。

当地球自转时．除两极外．地壳任何一点都会受到离心力的作用。该离心力可以分解成两个分力，其一是垂直地面的垂直分力，这个力因受地心引力的抵消，对地面物质运动不起作用；其二是平行地面，指向赤道的水平分力。当地球自转速度加快时，正是这个水平分力使地壳物质沿着经线方向．从高纬向低纬推挤．引起某些大陆块的滑动．形成了东西向地质构造和与之相应的山脉与洼地。在地球自转速度发生变化时，便会产生东西向的纬向惯性力。特别是地球自转由慢变快时，纬向惯性力的方向由东指向西，减慢时相反，由西指向东。正是这个力造成地壳上层物质东西方向的运动．从而产生了南北向的地质构造和与之相应的山脉及洼地。在上述两种力的作用下，如果在地壳的某些地段发生不平衡，便导致了各种扭动构造体系的产生，我国北东向、西北向的地形就与之有关。

三、结论

我国地貌形态呈网络状分布的根本原因．就在于地球自转速度变更时产生的离心力的水平力(即南北向水平挤压力)和纬向惯性力(即东西向水平挤压力)共同作用的结果。

地质力学论文:浅析地质力学模型试验技术的研究与应用

摘要：当前，大型地下洞群所处的地质环境愈加复杂，尤其是在深埋、高地应力条件下，洞群围岩的稳定性状况、破坏形态和破坏机制等问题急需解决，而地质力学模型试验是解决这类问题的主要研究方法。该文主要分析了模拟材料、组合式模型试验装置、量测技术等问题，并介绍了模型试验的工程应用。

关键词：地质力学 模型试验技术 工程应用

引 言

地质力学模型试验是根据一定的相似原理对特定工程地质问题进行缩尺研究的一种方法，主要用来研究各种建筑物及其地基、高边坡及地下洞室等结构在外荷载作用下的变形形态、稳定安全度和破坏机理等。2l世纪是中国工程建设快速发展的世纪，水利、水电、能源、交通等大型工程的开发已成为我国经济建设的重点。对这些复杂的问题，一方面要借助理论分析、计算机数字模拟方法去研究；另一方面，更多地要借助地质力学模型试验手段来解决。大量的工程实践证明，地质力学模型试验方法是研究大型岩土工程问题，特别是地下工程问题的一种行之有效的方法。

1 模型材料

根据相似理论，模型的几何尺寸、边界条件、荷载及相似材料的容重、强度及变形特性等方面必须与原型相似。一般根据要研究问题的性质，寻找满足主要参数相似的材料。例如，对于沿夹层滑动的稳定问题，夹层材料的相似性必须严格满足，而岩体的某些材料参数的相似性可以适当放宽。

目前国内外最常用的是采用石膏、重晶石粉、石英砂等材料配合而成的，具有代表性的是韩伯鲤等研制的MSB材料和马芳平等研制的NIOS相似材料,这2种材料都具有较好的性能,但都具有不足的地方。酒精易于挥发，干燥时间短，可缩短试验周期；没有任何毒副作用，不会对人体造成伤害：压制成型的砌块易于切割，能满足模型拼装砌筑的工艺要求；容重高、抗压强度和弹性模量低；性能稳定，不生锈，有很高的绝缘性；由于各种材料拌和后未产生化学反应，因此试验后的材料可重复使用，提高了材料的利用率和使用寿命等优点。

2 组合式模型试验装置

2.1组合式试验台

张强勇等研制的组合式三维模型试验装置，采用分体式设计，其主要由底盘、箱体、加载系统组成(见图1)。其中，钢台架体由盒式铸钢构件通过高强度螺栓连接组合而成，而盒式铸钢构件采用25 Mn材料在铸造钢厂一次制模整体铸造而成。钢台架底盘由8块长250 cm、宽50cm、厚8 cm，其上带有螺栓槽的型钢钢板并列拼接而成。另外，在隧洞部位，采用具有隧洞尺寸形状的箱体拼装，可并且采用钢化玻璃覆盖，这种设计即保证了模型的侧向刚度，又可在试验过程中可以观察到隧洞的破坏部位和形状。

1――底盘；2――盒式台架；3――引线透气孔；4――连接螺栓；

5――高强拉杆；6――刚肋；7――隧洞模型；8――钢化玻璃

图1 新型模型试验装置

该模型试验台具有刚度大、整体稳定性好、组装灵活方便、尺寸可任意调整的特点，箱体根据不同的试验要求组合成不同的形状和尺寸。液压加载系统的油管和测试导线易于引出，材料容易干燥。

2.2液压加载系统

采用的液压加载控制系统可实现自动控制液压，并能长时间的(至少15d)保持设定的压力值。该系统主要由液压控制台、41个吨位为300 kN的液压千斤项、高压油泵、油箱、液压排气系统、液压传感器等组成。模型项面模拟垂向重力荷载、左右两个水平方向模拟梯级加载，各设5个千斤顶；底座与模型之间设有10个液压千斤项；洞室轴线方向的4个梯级荷载在背面共设有16个千斤顶。此项模型试验系统已申报国家发明专利。（见图2）

图2 加载装置系统

3 量测技术

模型试验一般测量的数据为应变和位移。模型变形测量方法大体可归纳为3类：机械法、电测法和光测法。计算机技术和自动化技术的应用保证了试验结果测量的自动化和可靠性。

实验力学发展最快的领域是量测和数据采集技术，每一项新的量测技术的诞生都会推动实验水平的提高，地质力学试验技术同样如此。模型观测的主要内容为应力、应变、位移、裂缝和破坏形态，测量的主要方法有电阻应变片和应变仪、 位移传感器、激光散斑、云纹、摄象录象等。在三维模型中，地质构造（如断层或夹层）内部相对位移的测量十分重要，而内部位移传感器并没有现成的产品。长江科学院研制出一种高精度位移计，采用等强度梁的结构形式，用厚的磷铜片制成，在梁上、下部共贴 片电阻片，组成全桥电路，使用时将其埋设在构造面的下盘，其上埋一个固定桩，这样就可以测量结构面上、下盘的相对位移。在数据采集技术上，目前已实现自动采集、实时监测和自动绘图等全自动化流程。

4 模型试验的工程应用

4.1大坝坝基抗滑稳定问题

对于大坝基岩抗滑稳定，尤其是深层抗滑稳定问题，地质力学模型可以比较全面地模拟地质构造及其组合，在加载过程中可以直接观测到地质构造的变形及对大坝的影响、坝基破坏的路径和超载安全度，尤其对于地质构造沿坝轴线方向有视倾角的三维问题，用模型试验更有优势。例如，葛洲坝二江泄水闸抗滑稳定、 三峡左厂房坝段整体稳定和铜街子厂房坝段稳定等问题都通过地质力学模型进行过大量的研究。

4.2拱坝坝肩抗滑稳定问题

拱坝坝肩稳定问题是典型的三维问题，尤其是存在复杂的地质构造和地形形态时，模型试验有着不可替代的优点，它可以直观地展现出坝肩岩体在拱推力作用下的变形和破坏过程以及大坝超载安全度。国内大多数大中型拱坝都采用模型试验方法研究坝肩稳定问题，象龙羊峡、清江隔河岩、二滩、小湾、东风和李家峡等工程的拱坝。

4.3边坡开挖和稳定问题

用试验方法可以比较方便地研究边坡在原始地应力作用下开挖卸荷作用， 也可以通过改变边坡坡角的方法研究边坡抗滑稳定安全储备问题。例如在三峡永久船闸开挖边坡、 清江隔河岩厂房高边坡和三峡库区链子崖危岩体边坡等进行过这方面的试验研究。

4.4 地下洞室开挖及围岩稳定问题

地下洞室分级开挖、围岩稳定性、洞室群之间的相互关系及喷锚支护等加固措施的研究是地质力学模型试验的重要研究领域， 国内许多地下厂房或地下防护工程都采用过模型试验研究围岩稳定问题。

5结论

在模型材料方面，结构面相似材料大部分已解决，但结构体相似材料方面还有大量工作要做，还要寻找在保证重度和变形模量相似情况下，同时满足各项强度指标和应力应变关系的相似材料，只有这样才能模拟断裂、流变和强度破坏等材料非线性特性。对于大变形模型要发展非接触的测量装置并自动转换成数值信号。