地震作用下顺层岩体边坡的永久位移及基于临界位移的安全评价方法

Seismically induced failure of layered rock slopes are common geological disasters in mountainous regions of the western China. How to ensure the slope stability in hydropower engineering projects in western China is one of the most difficult problems. Due to the shear strength degradation of joints in rock slopes caused by earthquake shaking, seismically induced slip of slopes along joints is the main reason of the occurrence of permanent displacement as well as the failure of layered rock slopes. Based on this knowledgement, the nonlinear slip dependent friction law of joints will be established based on theoretical studies and laboratory tests for specimens. Furthermore, the characteristics of permanent displacements and critical displacements of layered rock slopes under earthquakes are analyzed based on the analysis of shaking table tests, numerical modeling and theoretical studies. Moreover, a displacement evaluation method and its displacement thresholds as well as a safety factor evaluation method for layered rock slopes subjected to seismic loads are proposed based on the analysis of critical displacements. The research results of this project will be of great theoretical significance and of practical values for the prevention of secondary geological disasters and for the requirements for seismic resistance of hydropower engineering slopes in regions of the western China.

地震诱发顺层岩体边坡的失稳破坏是我国西部山区常见的地质灾害，如何保证地震作用下边坡安全是西部水电工程建设中需要解决的关键技术难题之一。基于地震波作用引起节理（结构面）抗剪强度劣化（滑动弱化）是地震作用下顺层岩体边坡沿节理面产生一定量值永久位移乃至失稳破坏主要原因之一的认识，本项目通过系统的室内实验和理论分析研究地震作用下节理滑动弱化过程与劣化机制，建立节理非线性滑动弱化分析模型；在此基础上，通过振动台模拟、数值模拟和理论分析研究节理力学参数、边坡几何特征和地震荷载等因素对边坡永久位移的影响机制及其量化表征，提出考虑节理劣化效应的边坡地震永久位移预测模型；建立边坡临界位移随节理力学参数和边坡几何特征等因素的量化表征模型，分别提出基于临界位移的边坡地震位移评价方法、位移阈值判据以及边坡地震安全系数评价方法，为西部强震区地震次生地质灾害的防护治理以及水电工程边坡的抗震设计提供理论依据与技术支持。

地震诱发顺层岩体边坡的失稳破坏是我国西部山区常见的地质灾害，如何科学评价地震作用下边坡安全是西部水电工程建设中需要解决的关键技术难题。围绕上述关键技术难题，本项目开展了不同法向压力、不同剪切位移条件下节理试件的直剪试验，系统研究了节理试件的剪切力学行为及破坏特征，分析了节理表面形貌随剪切位移和法向应力劣化规律，建立了考虑节理劣化非线性力学行为的全量剪切模型和增量剪切模型，并编制了相应的计算程序模拟节理剪切过程中的切向和法向力学行为。设计并完成了比例为1:100的顺层岩体边坡大型振动台试验，研究了地震荷载作用下模型边坡的动力响应、放大效应和变形破坏机制。根据建立的节理非线性滑动弱化分析模型，编写了离散单元程序可嵌套调用的程序，开展了地震荷载作用下顺层岩体边坡永久位移的数值模拟分析。基于模型实验、数值模拟与理论分析，研究了节理力学参数和地震荷载特征等因素对边坡永久位移的影响机制，建立了综合考虑节理力学参数劣化效应、地震荷载特征等因素的边坡地震永久位移预测模型；研究了边坡临界位移随节理力学参数和边坡几何特征的变化规律，提出了临界位移随节理力学参数和边坡几何特征等因素的量化表达式以及边坡稳定性分析位移评价方法；根据建立的边坡地震永久位移预测模型确定地震荷载作用下边坡的永久位移，并分析其与边坡临界位移的量化关系，提出了基于临界位移与永久位移比值的边坡安全系数评价方法。研究成果可为我国西部强震区地震次生地质灾害的防护治理以及大型水电工程边坡的抗震设计提供理论依据与技术支持。