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地質力學論文:大型地下水電站廠房洞群三維地質力學模型試驗

摘要：本文對擬建的超大型水電站地下廠房洞室群三維地質力學模型試驗作了綜合介紹，包括采用離散化多主應力面加載和控制系統，解決了復雜三維初始應力場的模擬難題；采用機械臂和步進微型掘進機技術、微型高精度位移量測技術、聲波測試技術、光纖測量及內窺攝影技術等，解決了三維試驗中的隱蔽開挖模擬及內部量測等關鍵技術問題。試驗結果表明擬建水電站地下廠房洞室群的總體布置、洞型設計、洞室間距是合理的，推薦的支護方案對洞室整體性的加強有明顯的作用，對設計方案起到有力的支持和驗證作用。

關鍵詞：大型水電站 地下廠房洞室群 三維地質力學模型試驗

研究巖體穩定問題通常采用的方法有工程類比法、地質結構分析法、數值模擬仿真分析法和地質力學物理模型試驗法等[1，2]。對于中小型工程，一般只采用前幾種方法進行研究，但對于大型或超大型工程，地質力學物理模型試驗則是必要的。模型試驗尤其是三維模型試驗與數值方法相比有它的弱點，如尺寸效應、試驗難度大、費用高。然而，物理模型則由于是真實的物理實體，在基本滿足相似原理的條件下，則更能真實地反映地質構造和工程結構的空間關系，更準確地模擬施工過程和影響。試驗結果能給人以更直觀的感覺，使人更容易從全局上把握巖體工程整體力學特征、變形趨勢和穩定性特點，以及各洞室或結構之間的相互關系，從而做出相應的判斷。其次，也可以通過物理模型試驗，對各種數值分析結果進行一定程度上的驗證。與研究壩體、壩基和壩肩及邊坡穩定性的三維地質力學模型試驗[3～6]相比，地下洞室群的巖石力學物理模型試驗則有很大的差距。據文獻檢索，只有少數幾個平面模型試驗[7～11]和小型三維試驗[12]。這些試驗均未模擬洞室的施工過程。其原因主要是模擬地下洞室施工過程的三維模型試驗難度太大，如三維地應力場的模擬原理和技術、洞室群開挖尤其是內部洞室隱蔽開挖技術的實現、內部物理量測量等。本文作者提出并研制了離散化多主應力面加載和控制系統，成功解決了復雜三維初始應力場模擬的難題；采用機械臂和步進微型掘進機技術、微型高精度位移量測技術、聲波測試技術、光纖測量及內窺攝影技術等，解決了隱蔽開挖模擬及內部量測等關鍵問題，完成了水電站復雜洞室群模型試驗。這一試驗成果可應用于今后我國大西南地區的其它超大型地下水電站的研究。

1 工程簡介

溪洛渡水電站位于四川和云南視壤的金沙江峽谷中[13]。電站總裝機容量12600MW，共計18臺700MW的水輪發電機組。該工程地質條件復雜，地下洞室群布置復雜、縱橫交錯，尤其是左岸地下廠房軸線與最大主應力呈較大角度相交，對廠房洞室穩定不利，而且廠房又位于高地震烈度區(高達Ⅷ度)，如此超大規模的地下洞室群在施工期和運行過程長期安全穩定問題，都是前所未遇的。電站廠房采用全地下式，分左、右岸地下廠房，各布置9臺機組。左岸地下廠房布置在大壩上游山體內，總裝機容量為6300MW.廠房軸線為N24°W，三大洞室平行。

圖1 左岸地下廠房洞室群布置方案

主廠房尺寸為318.03m×31.9/28.40m×75.10m(長×寬×高)，廠房總長度426.0m.主變室長325.52m，寬19.8m，高26.5m.尾水調壓室長300.0m，寬26.5/25.0m，高95m，中間設兩條巖柱隔墻，厚18.0m。如圖1所示。

左岸廠房頂拱圍巖由P2β4、P2β5、P2β6層玄武巖組成。巖體新鮮較完整，無大的斷層切割，層間錯動帶一般不發育。層內錯動帶以P2β6下部及P2β4、P2β5層內相對較發育，錯動帶一般寬5～10cm，擠壓緊密，為巖塊巖屑型。裂隙以陡裂和緩裂為主，中傾角裂隙一般不發育。

2 模型相似條件設計

經過與設計單位協商，確定模型的幾何比尺為1/100，材料容重比尺為1.之所以這樣確定，主要是考慮到開挖模擬的可操作性，以及相似物理量之間換算關系的簡化。根據試驗相似理論和上述幾何比尺，進行了如下的模型相似條件設計：用下標p代表原型，下標m代表模型，K代表相似比尺，L為長度，u為位稱，E為彈性模量，G為剪切模量，γ為容重，σ為應力，σo為初始地應力，ε為應變，ν為泊松比，φ為摩擦角，C為粘聚力，Rc為抗壓強度，Rt為抗拉強度。如設實際巖體的容重為γp，模型材料的容重為γm，則容重相似比尺為：

與應力有相同量綱的物理量均有與應力相同的相似比尺，即材料彈性模量、剪切模量、抗壓強度、抗拉強度、粘聚力，初始地應力和面力荷載的相似比尺均為100.

3 試驗要點及關鍵技術

本試驗研究對象為左岸地下廠房洞室群，包括主廠房、主變室、尾水調壓室、母線道和尾水管。

3.1 模擬范圍 地下廠房順水流方向的上下游各取三大洞室最大開挖跨度的1～1.5倍長度，實際各約為1.27倍，總長度為620m；沿高程方向的下方取到洞室高度的1～1.5倍，實際取為1.45倍～1.85倍，達到海拔200m；上方取到地面，實際模型作到海拔670m，其上部作為荷載加在模型頂面；沿主廠房的縱軸線方向取3個機組段長度(自5號機組中心線至8號機組中心線)，為102m.因為模型幾何比尺為1/100，所以巖體模型尺寸為長×高×寬＝6.20m×4.70m×1.02m.

3.2 地形及地質條件模擬 對模型試驗范圍內的地形、地貌、地質材料和三維地質構造如層間和層內錯動帶進行了模擬，模型基本滿足幾何、物理、力學相似條件。

3.3 初始地應力場模擬 三維原始地應力的模擬是本試驗的關鍵和難點。經過研究、論證和試驗，本試驗中首次提出并研制了“離散化多主應力面加載及控制系統”，成功地模擬了三維地應力場，保證了試驗的初始條件。離散型三維多主應力面加載系統，是在地質力學模型仿真試驗中，首次提出使用的一種能近似模擬復雜三維空間地應力場的加載系統。

它的基本思路來源于有限元、邊界元、離散元等將研究域離散化進行數值分析的原理，把需要模擬的復雜變化地應力分布場，離散為有限多個微小的單元應力場，并認為此單元應力場為一個等效的均勻應力場。用一組垂直于該單元應力場主應力矢量的微小主應力面，代替原來的斜截面，并在這一組主應力面上按照等效主應力的大小施加法向力，就達到了模擬這一單元應力場的目的(如圖2).對各個離散的單元應力場均進行這樣的操作，就可以完成整個試驗域復雜變化的應力場的模擬。

圖2 離散化多主應力面加載原理示意

這一加載系統由高壓氣囊、反推力板、限位千斤頂、垂直立柱、封閉式鋼結構環梁、支撐鋼架和空氣壓縮機組成。此外還有壓力監測和報警輔助系統，以保證試驗期間的壓力穩定。

3.4 開挖過程模擬 按照數值計算優選的開挖步序(如圖3所示)，對試驗范圍內地下洞室群的隱蔽開挖進行了模擬。本試驗中隱蔽性開挖的洞室包括尾水管和母線廊道，尾水管的隱蔽開挖長度為125m，而且為漸變的城門洞形斷面，母線道斷面也為城門洞形，但是靠近主變室一側13m一段斷面加大，造成母線道斷面突變。這些都給開挖模擬帶來極大困難。隱蔽開挖無法采用一般的手工鉆進方法，需要設計專門的鉆鑿機具。經過反復研究試驗，開發出隱蔽開挖機器臂和微型步進式掘進機，以及與之配合使用的隱蔽洞室內窺系統，成功解決了這一技術難題。如圖4所示。

圖3 地下廠房洞室群開挖分期設計

3.5 支護方案模擬 按照數值計算優選的支護方案，對錨固支護(包括三大洞室的噴混凝土、錨索)進行了模擬。按照設計支護方案，錨索按實際位置模擬并施加預應力。系統錨桿與噴混凝土聯合模擬為掛金屬絲網涂漿。錨索模擬材料采用金屬鋁線或細銅絲束，用建筑膠漿固結，以螺旋加載方式施加預應力。

3.6 施工模擬過程中的多種方式洞室內部收斂變形及破壞形態量測 在主廠房、主變室、尾調室三個主要洞室中，采用預埋多點位移計方式進行了內部收斂以及洞周圍巖深度變形量測；采用光導纖維進行了內部變形的量測；采用超聲波測量方法進行了洞周圍巖屈服松動區的量測；采用內部攝影方式進行了內部破壞形態的觀測。

3.7 內部應力場分布量測 在主廠房、主變室、尾調室圍巖中的適當位置，預埋三向應變計、應變花，進行了應力場分布量測。在重要位置，預埋光纖傳感器，與應變片測量相比較，測量應力場分布。

圖4 隱蔽洞室開挖微型步進TBM示意

4 試驗過程和結果

試驗自2000年5月開始各項前期工作，包括場地準備、試驗臺設計和施工、模型材料設計和試驗、模型制作和傳感器埋設、地應力場生成和監控系統研制、隱蔽洞室開挖系統研制和試運行、測量儀器的研制和準備等。2001年7月15日正式實施洞室開挖模擬，量測系統進行同步量測，采集數據，至2001年8月18日完成洞室群開挖。試驗得出的洞群圍巖變形、應力應變、屈服區分布等情況如下。

4.1 位移 主廠房頂拱最大下沉為37.5mm，主變室頂拱下沉為23mm，尾水調壓室頂拱為34mm.各個洞室頂拱的變形隨開挖量的增加均以下沉為主，開挖后期伴隨有少量的上抬。這與同時進行的數值計算相比頂拱位移偏大一些，這是由于模型試驗中準確地模擬了層內錯動帶的影響，而計算中則有所簡化。尾水調壓室邊墻比主廠房邊墻高20多米，初估最大水平位移應該更大些，但尾水調壓室中間隔墻起到了限制變形的作用，從而減少了水平位移值。主變室與尾水調壓室之間巖柱的上下游方向水平尺寸有所增大。

圖5 地下廠房洞周圍巖位移分布

而主廠房與主變室之間的巖柱在上下游方向則有所壓縮，是由于母線道對這部分巖柱削弱較多引起的。試驗中所揭示的各個方向的位移量均不大，分布合理。除三大洞室頂拱位移比計算值略大之外，其它與計算值都很接近，洞周沒有發現明顯的開裂或位移突變。圖5給出了洞周圍巖位移分布。

4.2 應力 主廠房上游拱肩和拱腳處、尾水調壓室上游拱肩和拱腳處均有拉應力出現。尾水調壓室下游邊墻5m范圍內的巖體大部分存在拉應力，10m之外則呈現為壓應力。隨開挖的進行，洞室交叉部位產生應力集中，凡是壓應力的則壓應變值為原來的1.5～2.2倍。產生拉應力的部位則給出了很大的拉應變值，明顯不大合理，可能是粘貼應變片的塊體發生破裂造成的。但是可以從中判斷是出現了拉應力。拉、壓應力分布范圍與計算結果接近。光纖傳感器量測的結果比較有規律，隨尾水調壓室高邊墻的逐漸形成，邊墻表面巖體應力松馳，壓應力降低甚至產生拉應力，而壓應力分布有向深部巖體傳遞的趨勢。

4.3 超聲波測量 試驗中采用超聲波測速與位移沿巖體深度分布規律相結合的方法判斷屈服松動區。洞周巖體波速最低處為尾水調壓室的底部和頂拱，波速比未開挖前降低了40%～50%.三大洞室頂拱的巖體波速，主變室頂拱最高，達900～1000m/s，主廠房頂拱次之，為800～900m/s，尾調室頂拱最低，為400～500m/s.與地質剖面相比較可以看出，這一結果恰恰和這些洞室所在地層及地質構造相吻合。根據聲波測量和位移測量結果的綜合比較和分析，得到各洞室周圍屈服區的范圍(圖6).

圖6 地下廠房洞周屈服區分布

4.4 錨固支護系統 根據地下工程圍巖穩定性分析的經驗，洞室圍巖越穩定，圍巖的整體性越好(早期噴錨支護可以增加這種整體性)，則在后期開挖過程中，洞室上抬的趨勢越明顯。XA-22支護方案在主廠房頂拱埋設的兩排錨索，穿過了層內錯動帶，增加了頂拱的整體性，是很必要的。雖然本試驗中尚不能定量地比較這種錨固的作用，但定性上已經可以說明模擬的錨固系統對增加洞室圍巖的完整性和整體性，起了明顯的作用，這是數值計算中沒有反映出來的。通過對模型錨索應力的測量，反映出對目前的開挖方案，錨索應力有明顯增加。因為尾調室是上下先開挖然后中間再挖通，高邊墻有一個突然形成的過程。雖然這一情況因為中間隔墻的存在而減弱，但對離隔墻遠一些的部位仍有一定的沖擊作用。考慮到這一點，尾調室上下游邊墻錨索的預應力施加應有所控制，而隔墻的加固應適當提前。

5 結論

(1)本試驗是首次大規模三維仿真模擬地下洞室群的施工過程。它成功模擬了高容重巖體材料和巖體構造，容重比尺1比1；研制了離散化多主應力面加載系統，使模擬復雜三維初始地應力場得以實現；研制了用機械臂和步進微型掘進機，仿真模擬了施工過程；研制微型多點位移計，采用聲波測試、內窺技術等多種測量手段進行了內部物理量的測量。(2)試驗結果驗證了在廠區特有的地形地貌、地質構造和地應力條件下，該水電站地下廠房洞室群的總體布置、洞型設計、洞室間距是合理的。主變室滯后主廠房和尾水調壓室開挖一期的施工方案以及錨固支護方案，保證了洞室安全成洞。在試驗開挖過程中，洞室群保持了總體穩定，主要洞室周邊未出現明顯的開裂及變形突變。洞周圍巖屈服松動區分布，與廠區地質條件和洞室斷面情況及空間相對關系有較好的吻合。推薦的支護方案對洞室整體性的加強有明顯的作用，并有效地控制了松動區的發展。(3)試驗結果表明，對條件復雜的超大型地下洞室群進行三維地質力學模型試驗可以從全局上把握地下洞室工程整體力學特征、變形趨勢和穩定性特點，并對數值模擬結果進行驗證和校核。

地質力學論文:壩陵河懸索橋西岸隧道式錨碇及其邊坡的巖體工程地質力學研究建議

論文作者：曾錢幫 王思敬 彭運動 劉明虎 陳曉東 樊敬亮

摘要：針對施工圖設計階段，提出壩陵河懸索橋西岸隧道式錨碇及其邊坡的巖體工程地質力學研究建議，包括：錨碇圍巖工程地質條件研究、錨碇圍巖工程力學特性研究、錨碇圍巖滲透及抗溶蝕特性研究、錨碇及其圍巖相互作用三維數值模擬研究、錨碇隧道鉆爆開挖及支護的施工技術試驗、錨碇錨固系統試驗和大體積混凝土澆筑防裂的施工技術研究。

關鍵詞：懸索橋 隧道式錨碇 施工圖設計階段 巖體工程地質力學 研究建議

1 前言

壩陵河大橋離擬建貴州省鎮寧至勝境關高速公路起點約21km，地處黔中山原地帶。高速公路在關嶺縣東北跨越壩陵河峽谷，峽谷兩岸地勢陡峭，地形變化急劇，高差起伏大，河谷深切達400～600m。橋址區屬構造剝蝕、溶蝕中低山河谷地貌。巖石建造類型以碳酸鹽巖與陸源碎屑巖互層，以碳酸鹽巖構成峽谷谷坡，以碎屑巖互層構成谷底及緩坡為基本特征。壩陵河流向與區域地質構造線方向(NW)基本一致。河谷西岸地形較陡，地形坡度40～70°，近河谷一帶為陡崖。橋位區西岸（關嶺岸）錨碇地段處于斜坡中部，出露的巖層有三疊系中統竹桿坡組第一段（T2z1）中厚層狀泥晶灰巖和楊柳井組（T2y）中厚層狀白云巖[1,2]。弱風化巖體直接出露于地表，微新巖體埋深30～50m。

壩陵河懸索橋主跨1068m，橋面總寬度24.5m，東岸錨碇采用重力式錨，西岸錨碇采用隧道式錨。西岸隧道式錨碇在技術設計中全長74.7m，最大埋深78m，主要由散索鞍支墩、錨室（34.7m）和錨塞體（40m）三部分組成，兩錨體相距18～6.36m。錨塞體和錨室為一傾斜、變截面結構，上緣為圓形，下緣為矩形，縱向呈楔形棱臺，矩形截面尺寸為10m×5.8m～21m×14.5m。西岸每根主纜纜力（P）約為270MN，水平夾角約26°。錨體中設預應力錨固系統，主纜索股通過索股錨固連接器與錨體中的預應力錨固系統連接。

懸索橋錨碇在承受來自主纜的豎向反力的同時，主要還承受主纜的水平拉力，是懸索橋的關鍵承載結構之一，其總體穩定性和受力狀態直接影響到大橋的安全和長期使用的可靠性。壩陵河懸索橋是鎮寧－勝境關高速公路的重要節點，針對該大橋施工圖設計階段，本文提出壩陵河懸索橋西岸隧道式錨碇及其邊坡的工程地質力學研究建議。鑒于錨碇型式受到地形、地質條件的限制，國內外采用隧道式錨碇的大跨懸索橋為數較少[3－7]，見諸文獻報道的更少，本研究建議有不適當之處，請專家批評指正。

2 巖體工程地質力學研究建議

2.1 錨碇圍巖工程地質條件研究

西岸隧道式錨碇坐落于邊坡淺表弱風化～微新巖體中，弱風化～微新巖體的工程地質條件關系到錨碇隧洞的成洞條件及錨碇體系在主纜拉力荷載作用下的整體穩定狀態。

邊坡淺表部中存在卸荷巖體。巖體卸荷帶是伴隨河谷下切過程或邊坡開挖過程中，由于應力釋放，巖體向臨空面方向發生卸荷回彈變形，能量的釋放導致斜坡淺表一定范圍巖體內應力的調整，淺表部位應力降低，而坡體更深部位產生更大程度的應力集中。由于表部應力降低導致巖體回彈膨脹、結構松弛，破壞巖體的完整性，并在集中應力和殘余應力作用下產生卸荷裂隙。巖體應力的降低最直觀的表現是導致巖體松弛和原有的裂隙發生各種變化，形成新環境下的裂隙網絡。這些裂隙一部分是遷就原有構造裂隙引張擴大經改造形成[8]，有一些是微裂隙擴展后的顯式裂隙，也有在新的應力環境和外動力環境下形成的裂隙。在巖體卸荷、應力降低的過程中，隨著新的裂隙系統的形成，也為外動力或風化營力提供了通道，加速巖體的風化和應力的進一步降低。風化巖體裂隙的增多，是巖體卸荷和風化共同造就的。

西岸錨碇邊坡巖體在淺部節理裂隙發育，巖體透水性較好，滲透系數高；隨著深度的增加，透水性逐漸減弱。深部的巖溶發育情況有待研究。

據初步設計階段工程勘察資料，西岸錨碇邊坡出露的灰巖和白云巖的產狀為：傾向50～80°，傾角48～87°。主要發育三組優勢節理：①155°∠57°；②220°∠34°；③333°∠46°。在巖層層面、不利結構面組合切割和深部巖溶發育情況下，在主纜巨大拉力下，不能夠排除存在深部拉裂滑移面威脅西岸錨碇邊坡整體穩定性的可能性。

錨碇圍巖工程地質條件研究內容包括：

（1）研究從邊坡表部至深部巖體中裂隙的分布密度及張開度變化，揭示巖體的卸荷程度，為錨碇施工期和運行期邊坡巖體質量評價以及巖體質量變化趨勢提供可靠基礎資料；

（2）在巖層層面和不利結構面組合切割下，由于錨碇工程荷載，研究巖體中形成的潛在不穩定塊體的安全度以及西岸錨碇邊坡的整體穩定性；

（3）采用地球物理勘探方法，研究邊坡深部溶蝕裂隙與溶蝕洞穴的分布規律及其發育特征。

2.2 錨碇圍巖工程力學特性研究

主懸索的巨大拉力通過索股、錨桿傳人隧道中填充的（預應力）混凝土，再通過（錨塞體）混凝土與隧道巖體的摩阻力和粘結力傳遞給周圍的巖體。隧道式錨碇在巨大主纜拉力荷載作用下，不僅要維持自身的抗拔穩定，同時還要將自身承受的主纜拉力傳遞到錨碇圍巖中，以充分利用圍巖的承載能力，使錨碇和圍巖共同作用形成一個整體的承載體系。

錨碇圍巖工程力學特性研究包括三個方面：

（1） 錨塞體與巖體之間的抗剪摩擦力學性能[9，10]和粘結特性試驗研究；

（2） 錨碇下部及兩錨體之間的巖體處于復雜的拉剪應力狀態，研究錨碇圍巖在拉剪應力下的變形及強度特性，尤其是弱風化～微新圍巖在拉剪復雜應力下的變形、強度及疲勞試驗研究，模擬其破壞現象和破壞過程，從而掌握其破壞機制；

（3） 巖體在中度～輕度工程爆破開挖擾動下的力學性能研究。

錨碇圍巖工程力學試驗目的是確定錨碇邊坡巖體力學參數建議值，供設計和三維數值仿真采用。建議在設計錨碇區域附近開挖一試驗斜硐，采取巖樣，并在硐壁打適量鉆孔，進行室內巖石力學試驗和原位巖石力學性質及配套的各項試驗研究工作。主要包括室內巖石力學三軸剪切試驗、節理（裂隙）測量、巖體變形特性（靜載）試驗、巖體抗剪（抗剪斷）試驗、巖體抗拉試驗、混凝土與基巖膠結面抗剪和摩擦等試驗和硐室聲波普測、硐室地球物理勘探、含水量測試、鉆孔聲波測試、鉆孔壓水試驗等試驗研究工作。錨碇系統的摩阻力由基巖與錨碇系統接觸面的正應力與摩擦系數來決定，摩擦系數一般由相似原理進行模型試驗或現場測試得到。硐室地球物理勘探是查明錨碇圍巖（主要是錨碇下部及兩錨體之間的巖體）中的巖溶發育情況。

試驗資料的整理應通過對現場和室內大量試驗數據的綜合分析，結合現行有關行業規范（規程）和工程經驗的類比，提出西岸隧道式錨碇邊坡區域巖體力學參數建議值，供設計采用。

2.3 錨碇圍巖滲透及抗溶蝕特性研究

壩陵河懸索橋西岸錨碇圍巖為弱風化～微新的灰巖和白云巖，屬于易溶蝕化巖體。錨碇邊坡地段地下水主要為（節理）裂隙水、巖溶裂隙水和巖溶孔（洞）穴水。西岸隧道式錨碇錨體混凝土澆筑后，在邊坡巖體中形成不透水體（阻滲體），從而改變錨碇邊坡的地下水滲流場。可以預見，地下水將從錨塞體混凝土邊緣繞滲，因此錨塞體與圍巖的交界部位巖體更易遭到溶蝕，削弱錨塞體混凝土與圍巖之間的摩阻力和粘結力。錨碇圍巖滲透特性的研究應著重錨塞體與圍巖的交界部位巖體的滲透性能與抵抗溶蝕的能力的試驗研究。

為防治錨塞體與圍巖交界部位巖體的溶蝕危害采取的工程措施，主要是加強錨碇邊坡坡面的排水工程。

2.4 錨碇及其圍巖相互作用三維數值模擬研究

由于懸索橋安全是依靠錨碇固定橋的體系，錨碇發生移動將嚴重影響橋梁體系，甚至導致橋體破壞，因此研究西岸隧道式錨碇的錨塊及其圍巖在主動拉力作用下的穩定性、瞬時變位與長期變位是相當重要的。應建立真實反映隧道式錨碇錨體和圍巖二者相互作用、考慮施工過程非線性、地質結構面影響等的三維數值仿真模型，對錨碇穩定性及變位進行預測[11]。

2.5 錨碇隧道鉆爆開挖及支護的施工技術試驗

根據西岸隧道式錨碇為傾斜、變截面的工程特點，需研究錨碇隧道的鉆爆開挖以及支護的施工技術[12－14]。在隧道式錨碇施工過程中，自始至終都要注意嚴格控制圍巖的完整性，盡量避免對圍巖產生過大的擾動。為保證主纜等硐內鋼結構的使用壽命，錨碇的防水按GB50108－2001二級標準進行控制，要求較高。施工開挖后應對圍巖中的塑性變形帶進行擠密壓漿處理，以使錨塞體混凝土與圍巖緊密結合。

2.6 錨碇錨固系統試驗

試驗目的是驗證用于壩陵河大橋錨碇錨固系統的各產品力學性能是否滿足設計要求。試驗內容包括錨拉桿組件靜載試驗、疲勞試驗及錨具組裝件靜載試驗和疲勞試驗[15]等。

2.7 大體積混凝土澆筑防裂的施工技術研究

壩陵河懸索橋西岸隧道式錨碇錨塞體混凝土澆筑量約2×12143.322m3。錨碇結構混凝土澆筑量大，強度高，對施工工藝及養護維修提出了更高的要求；而大體積混凝土澆注施工由于受多種因素影響，若措施不當，很容易出現裂縫，影響到錨塞體混凝土的整體性強度以及鋼筋的耐久性和實用性。西岸隧道式錨碇錨塞體大體積混凝土澆筑防裂技術從混凝土原材料選取和配合比的選擇、降低原材料溫度和控制混凝土拌和物溫度、合理選擇澆筑工藝和保證整體質量、有效控制混凝土內外溫差到對混凝土溫度進行監控及時掌握混凝土溫度變化動態等一系列技術措施[16－22]，都可借鑒汕頭海灣懸索橋、宜昌長江公路大橋和重慶鵝公巖大橋的做法。

3結語

針對施工圖設計階段，提出壩陵河懸索橋西岸隧道式錨碇及其邊坡的巖體工程地質力學研究建議，包括：錨碇圍巖工程地質條件研究、錨碇圍巖工程力學特性研究、錨碇圍巖滲透及抗溶蝕特性研究、錨碇及其圍巖相互作用數值模擬研究、錨碇隧道鉆爆開挖及支護的施工技術試驗、錨碇錨固系統試驗和大體積混凝土澆筑防裂的施工技術研究。

地質力學論文:巖體地質力學下水利水電勘察的應用

摘要：隨著經濟的發展和社會的進步，用電量、用水量的需求大幅增加，急需新建大量利水電工程，而水利水電工程場地及其周圍環境的巖體工程地質情況對水利水電工程的工程質量和工程安全影響很大，所以急需對巖體工程地質力學在水利水電工程勘察中的應用進行研究。本文將對巖體工程地質力學在水利水電工程勘察中的應用進行相關的闡述，并提出了一些相應的建議，希望對相關參與者與研究人員帶來一定幫助。

關鍵詞：巖體工程地質力學；水利水電工程勘察；巖體結構；高壩壩基；地質構造穩定性

1引言

經濟在發展，社會在進步，人民群眾的用電量、用水量急劇增加，從而導致了水利水電工程也隨之急劇增加，水利水電工程場地及其周圍環境的巖體工程地質情況，對水利水電工程的質量和安全影響很大，進行水利水電工程勘察時，要運用巖體工程地質力學知識，對水利水電工程場地及其周圍環境的巖體工程地質情況進行詳細勘察，所以急需對巖體工程地質力學在水利水電工程勘察中的應用進行研究。本文將對巖體工程地質力學在水利水電工程勘察中的應用進行相關的闡述，希望對相關參與者與研究人員帶來一定幫助。

2巖體工程地質力學基本知識

巖體工程地質力學的研究對象是工程場地附近的巖體結構。巖體，由一種或多種不同的巖石組合而成，受到形成環境以及后期構造影響后，巖體內會呈現各種各樣不同的結構面。在實際環境中，巖體會被各種各樣不同的結構面切分成為不同的結構體并出現破裂帶。進行巖體工程地質力學等地質研究時，必須先研究巖體結構。進行水利水電工程地質勘察時，依據相關規范并結合實際工程經驗對巖體結構類別進行量化和細化，巖體主要分為5類。Ⅰ類巖體，主要為厚層狀或整體塊狀結構；Ⅱ類巖體，主要為中厚層狀或塊狀結構；Ⅲ類巖體，主要為鑲嵌狀或互層狀結構；Ⅳ類巖體，主要為碎裂狀或薄層狀結構；V類巖體，主要為散體狀結構。在具體工程中，可以根據工程區域的具體地質條件以及影響巖體質量的因素，進行適當調整，從而結合工程區域巖體的具體特性，制定相應的巖體質量分類或巖體工程地質分類，以及結構面分類，用于實際工程情況下的邊坡、壩基、地下洞室圍巖等結構的巖體具體分類，賦予相應結構面巖土體以及巖類物理力學參數值。高地應力等因素會對巖體分類造成影響，其對巖體分類造成的影響，有待進一步研究。

3工程區域的地質構造穩定性以及地震研究

汶川大地震以后，國家相關部門十分重視地震對水利水電工程的影響，相關部門專門發文要求，進行大型水利水電工程設計時，必須要進行工程防震抗震設計，并必須專門接受審查。在地震研究中，活斷層的判別標志有：（1）地震斷裂帶中構造巖或者被錯動脈體是晚更新世；（2）錯斷晚更世以來的地層；（3）沿著斷層存在歷史地震，或者存在現代中、強震的震中分布，或者存在密集而頻繁的近期微震；（4）經現代化監測表明，沿著斷層存在地形變和地位移；（5）經地質構造上的證實，被發現的斷層與已知的活斷層有著共同或共生的關系。在工程地質勘察規范中，工程場地巖體中活動斷層的年齡被限定在十萬年以來存在過活動的斷層。水壩等主要水工建筑物應該盡量避免跨越活斷層或者與活斷層有構造活動聯系或相關聯的分支斷層，特別應該注意盡量避開晚更新世晚期以來有過地質活動的斷層。水壩選址不適宜選在地震等級為6級及以上的震中區或者地震的基本烈度為Ⅸ度及其以上的強震區。如果在上述兩種情況下建水壩，需要專門進行論證。汶川特大地震后，地震災區的大部分大中型水電水利工程，雖然有不同程度的損壞現象，但卻沒有一個水電水利工程在地震中發生重大次生災害，這有力說明工程地質勘察規范中所規定的區域構造穩定性的技術標準、工作方法、評價原則是正確的，能經受大地震考驗。

4高壩壩基工程地質研究

我國的水壩高度有些已達到了300米，成了俗稱的“高壩”，水荷載和壩基荷載對高壩壩基巖體質量的要求非常嚴格。主要有以下技術要求：（1）高壩壩基巖土體在長期被水滲透和作用的前提下，必須保持力學、化學及物理性質的穩定，并要確保壩基的滲透壓力和滲漏量維持在允許的范圍內，以免發生滲透破壞；（2）在各項不同荷載作用下，高壩壩基各個部位的變形和應力值應該確保在允許范圍內，以免出現不均勻變位或局部應力集中的現象而影響大壩安全運行；（3）高壩壩基巖土體在其所承受的荷載作用下確保不會產生滑移失穩。如果高壩采用混凝土壩基，需要先對壩基巖體工程地質進行分類以及對巖體質量進行分級，要重點對影響壩基抗滑穩定性的軟弱結構面的性狀以及它們的不利組合的邊界條件進行勘察，并需要根據巖體的軟弱結構面類型選定它們的強度參數和變形參數以適合工程建設的需要。要對影響高壩壩基不均勻變形與應變的弱化巖體進行詳細勘察以避免其對水利水電工程的工程質量帶來安全隱患。如果進行高壩建設時采用當地采挖來的工程材料將壩基建在深厚的覆蓋層上，必須對覆蓋層的結構和詳細分層、埋藏谷的范圍、河床深槽的范圍等相關地質資料進行詳細勘察，特別要對漂孤石層、架空層、粉細砂層、軟土層的物質組成、滲透特性、分布范圍進行詳細勘察，同時要詳細準確地評價地震作用下的地層不均勻沉陷可能性、地層滲透穩定性、砂層液化程度，這是為了給水利水電工程建設時采取合適的防地層滲透、抗砂層液化、防地層不均勻沉陷等措施提供科學的依據。

5結語

本文通過對巖體工程地質力學基本知識、工程區域的地質構造穩定性以及地震、高壩壩基工程地質進行闡述與分析，對巖體工程地質力學在水利水電工程勘察中的應用進行了初步探究，提出了一些相應的建議，對相關參與者與研究人員起到了一定幫助作用。

地質力學論文:巖體工程地質力學研究論文

摘要：針對施工圖設計階段，提出壩陵河懸索橋西岸隧道式錨碇及其邊坡的巖體工程地質力學研究建議，包括：錨碇圍巖工程地質條件研究、錨碇圍巖工程力學特性研究、錨碇圍巖滲透及抗溶蝕特性研究、錨碇及其圍巖相互作用三維數值模擬研究、錨碇隧道鉆爆開挖及支護的施工技術試驗、錨碇錨固系統試驗和大體積混凝土澆筑防裂的施工技術研究。

關鍵詞：懸索橋隧道式錨碇施工圖設計階段巖體工程地質力學研究建議

1前言

壩陵河大橋離擬建貴州省鎮寧至勝境關高速公路起點約21km，地處黔中山原地帶。高速公路在關嶺縣東北跨越壩陵河峽谷，峽谷兩岸地勢陡峭，地形變化急劇，高差起伏大，河谷深切達400～600m。橋址區屬構造剝蝕、溶蝕中低山河谷地貌。巖石建造類型以碳酸鹽巖與陸源碎屑巖互層，以碳酸鹽巖構成峽谷谷坡，以碎屑巖互層構成谷底及緩坡為基本特征。壩陵河流向與區域地質構造線方向(NW)基本一致。河谷西岸地形較陡，地形坡度40～70°，近河谷一帶為陡崖。橋位區西岸（關嶺岸）錨碇地段處于斜坡中部，出露的巖層有三疊系中統竹桿坡組第一段（T2z1）中厚層狀泥晶灰巖和楊柳井組（T2y）中厚層狀白云巖[1,2]。弱風化巖體直接出露于地表，微新巖體埋深30～50m。

壩陵河懸索橋主跨1068m，橋面總寬度24.5m，東岸錨碇采用重力式錨，西岸錨碇采用隧道式錨。西岸隧道式錨碇在技術設計中全長74.7m，最大埋深78m，主要由散索鞍支墩、錨室（34.7m）和錨塞體（40m）三部分組成，兩錨體相距18～6.36m。錨塞體和錨室為一傾斜、變截面結構，上緣為圓形，下緣為矩形，縱向呈楔形棱臺，矩形截面尺寸為10m×5.8m～21m×14.5m。西岸每根主纜纜力（P）約為270MN，水平夾角約26°。錨體中設預應力錨固系統，主纜索股通過索股錨固連接器與錨體中的預應力錨固系統連接。

懸索橋錨碇在承受來自主纜的豎向反力的同時，主要還承受主纜的水平拉力，是懸索橋的關鍵承載結構之一，其總體穩定性和受力狀態直接影響到大橋的安全和長期使用的可靠性。壩陵河懸索橋是鎮寧－勝境關高速公路的重要節點，針對該大橋施工圖設計階段，本文提出壩陵河懸索橋西岸隧道式錨碇及其邊坡的工程地質力學研究建議。鑒于錨碇型式受到地形、地質條件的限制，國內外采用隧道式錨碇的大跨懸索橋為數較少[3－7]，見諸文獻報道的更少，本研究建議有不適當之處，請專家批評指正。

2巖體工程地質力學研究建議

2.1錨碇圍巖工程地質條件研究

西岸隧道式錨碇坐落于邊坡淺表弱風化～微新巖體中，弱風化～微新巖體的工程地質條件關系到錨碇隧洞的成洞條件及錨碇體系在主纜拉力荷載作用下的整體穩定狀態。

邊坡淺表部中存在卸荷巖體。巖體卸荷帶是伴隨河谷下切過程或邊坡開挖過程中，由于應力釋放，巖體向臨空面方向發生卸荷回彈變形，能量的釋放導致斜坡淺表一定范圍巖體內應力的調整，淺表部位應力降低，而坡體更深部位產生更大程度的應力集中。由于表部應力降低導致巖體回彈膨脹、結構松弛，破壞巖體的完整性，并在集中應力和殘余應力作用下產生卸荷裂隙。巖體應力的降低最直觀的表現是導致巖體松弛和原有的裂隙發生各種變化，形成新環境下的裂隙網絡。這些裂隙一部分是遷就原有構造裂隙引張擴大經改造形成[8]，有一些是微裂隙擴展后的顯式裂隙，也有在新的應力環境和外動力環境下形成的裂隙。在巖體卸荷、應力降低的過程中，隨著新的裂隙系統的形成，也為外動力或風化營力提供了通道，加速巖體的風化和應力的進一步降低。風化巖體裂隙的增多，是巖體卸荷和風化共同造就的。

西岸錨碇邊坡巖體在淺部節理裂隙發育，巖體透水性較好，滲透系數高；隨著深度的增加，透水性逐漸減弱。深部的巖溶發育情況有待研究。

據初步設計階段工程勘察資料，西岸錨碇邊坡出露的灰巖和白云巖的產狀為：傾向50～80°，傾角48～87°。主要發育三組優勢節理：①155°∠57°；②220°∠34°；③333°∠46°。在巖層層面、不利結構面組合切割和深部巖溶發育情況下，在主纜巨大拉力下，不能夠排除存在深部拉裂滑移面威脅西岸錨碇邊坡整體穩定性的可能性。

錨碇圍巖工程地質條件研究內容包括：

（1）研究從邊坡表部至深部巖體中裂隙的分布密度及張開度變化，揭示巖體的卸荷程度，為錨碇施工期和運行期邊坡巖體質量評價以及巖體質量變化趨勢提供可靠基礎資料；

（2）在巖層層面和不利結構面組合切割下，由于錨碇工程荷載，研究巖體中形成的潛在不穩定塊體的安全度以及西岸錨碇邊坡的整體穩定性；

（3）采用地球物理勘探方法，研究邊坡深部溶蝕裂隙與溶蝕洞穴的分布規律及其發育特征。

2.2錨碇圍巖工程力學特性研究

主懸索的巨大拉力通過索股、錨桿傳人隧道中填充的（預應力）混凝土，再通過（錨塞體）混凝土與隧道巖體的摩阻力和粘結力傳遞給周圍的巖體。隧道式錨碇在巨大主纜拉力荷載作用下，不僅要維持自身的抗拔穩定，同時還要將自身承受的主纜拉力傳遞到錨碇圍巖中，以充分利用圍巖的承載能力，使錨碇和圍巖共同作用形成一個整體的承載體系。

錨碇圍巖工程力學特性研究包括三個方面：

（1）錨塞體與巖體之間的抗剪摩擦力學性能[9，10]和粘結特性試驗研究；

（2）錨碇下部及兩錨體之間的巖體處于復雜的拉剪應力狀態，研究錨碇圍巖在拉剪應力下的變形及強度特性，尤其是弱風化～微新圍巖在拉剪復雜應力下的變形、強度及疲勞試驗研究，模擬其破壞現象和破壞過程，從而掌握其破壞機制；

（3）巖體在中度～輕度工程爆破開挖擾動下的力學性能研究。

錨碇圍巖工程力學試驗目的是確定錨碇邊坡巖體力學參數建議值，供設計和三維數值仿真采用。建議在設計錨碇區域附近開挖一試驗斜硐，采取巖樣，并在硐壁打適量鉆孔，進行室內巖石力學試驗和原位巖石力學性質及配套的各項試驗研究工作。主要包括室內巖石力學三軸剪切試驗、節理（裂隙）測量、巖體變形特性（靜載）試驗、巖體抗剪（抗剪斷）試驗、巖體抗拉試驗、混凝土與基巖膠結面抗剪和摩擦等試驗和硐室聲波普測、硐室地球物理勘探、含水量測試、鉆孔聲波測試、鉆孔壓水試驗等試驗研究工作。錨碇系統的摩阻力由基巖與錨碇系統接觸面的正應力與摩擦系數來決定，摩擦系數一般由相似原理進行模型試驗或現場測試得到。硐室地球物理勘探是查明錨碇圍巖（主要是錨碇下部及兩錨體之間的巖體）中的巖溶發育情況。

試驗資料的整理應通過對現場和室內大量試驗數據的綜合分析，結合現行有關行業規范（規程）和工程經驗的類比，提出西岸隧道式錨碇邊坡區域巖體力學參數建議值，供設計采用。

2.3錨碇圍巖滲透及抗溶蝕特性研究

壩陵河懸索橋西岸錨碇圍巖為弱風化～微新的灰巖和白云巖，屬于易溶蝕化巖體。錨碇邊坡地段地下水主要為（節理）裂隙水、巖溶裂隙水和巖溶孔（洞）穴水。西岸隧道式錨碇錨體混凝土澆筑后，在邊坡巖體中形成不透水體（阻滲體），從而改變錨碇邊坡的地下水滲流場。可以預見，地下水將從錨塞體混凝土邊緣繞滲，因此錨塞體與圍巖的交界部位巖體更易遭到溶蝕，削弱錨塞體混凝土與圍巖之間的摩阻力和粘結力。錨碇圍巖滲透特性的研究應著重錨塞體與圍巖的交界部位巖體的滲透性能與抵抗溶蝕的能力的試驗研究。

為防治錨塞體與圍巖交界部位巖體的溶蝕危害采取的工程措施，主要是加強錨碇邊坡坡面的排水工程。

2.4錨碇及其圍巖相互作用三維數值模擬研究

由于懸索橋安全是依靠錨碇固定橋的體系，錨碇發生移動將嚴重影響橋梁體系，甚至導致橋體破壞，因此研究西岸隧道式錨碇的錨塊及其圍巖在主動拉力作用下的穩定性、瞬時變位與長期變位是相當重要的。應建立真實反映隧道式錨碇錨體和圍巖二者相互作用、考慮施工過程非線性、地質結構面影響等的三維數值仿真模型，對錨碇穩定性及變位進行預測[11]。

2.5錨碇隧道鉆爆開挖及支護的施工技術試驗

根據西岸隧道式錨碇為傾斜、變截面的工程特點，需研究錨碇隧道的鉆爆開挖以及支護的施工技術[12－14]。在隧道式錨碇施工過程中，自始至終都要注意嚴格控制圍巖的完整性，盡量避免對圍巖產生過大的擾動。為保證主纜等硐內鋼結構的使用壽命，錨碇的防水按GB50108－2001二級標準進行控制，要求較高。施工開挖后應對圍巖中的塑性變形帶進行擠密壓漿處理，以使錨塞體混凝土與圍巖緊密結合。

2.6錨碇錨固系統試驗

試驗目的是驗證用于壩陵河大橋錨碇錨固系統的各產品力學性能是否滿足設計要求。試驗內容包括錨拉桿組件靜載試驗、疲勞試驗及錨具組裝件靜載試驗和疲勞試驗[15]等。

2.7大體積混凝土澆筑防裂的施工技術研究

壩陵河懸索橋西岸隧道式錨碇錨塞體混凝土澆筑量約2×12143.322m3。錨碇結構混凝土澆筑量大，強度高，對施工工藝及養護維修提出了更高的要求；而大體積混凝土澆注施工由于受多種因素影響，若措施不當，很容易出現裂縫，影響到錨塞體混凝土的整體性強度以及鋼筋的耐久性和實用性。西岸隧道式錨碇錨塞體大體積混凝土澆筑防裂技術從混凝土原材料選取和配合比的選擇、降低原材料溫度和控制混凝土拌和物溫度、合理選擇澆筑工藝和保證整體質量、有效控制混凝土內外溫差到對混凝土溫度進行監控及時掌握混凝土溫度變化動態等一系列技術措施[16－22]，都可借鑒汕頭海灣懸索橋、宜昌長江公路大橋和重慶鵝公巖大橋的做法。

3結語

針對施工圖設計階段，提出壩陵河懸索橋西岸隧道式錨碇及其邊坡的巖體工程地質力學研究建議，包括：錨碇圍巖工程地質條件研究、錨碇圍巖工程力學特性研究、錨碇圍巖滲透及抗溶蝕特性研究、錨碇及其圍巖相互作用數值模擬研究、錨碇隧道鉆爆開挖及支護的施工技術試驗、錨碇錨固系統試驗和大體積混凝土澆筑防裂的施工技術研究。

地質力學論文:三維地質力學模型管理論文

研究巖體穩定問題通常采用的方法有工程類比法、地質結構分析法、數值模擬仿真分析法和地質力學物理模型試驗法等[1，2]。對于中小型工程，一般只采用前幾種方法進行研究，但對于大型或超大型工程，地質力學物理模型試驗則是必要的。模型試驗尤其是三維模型試驗與數值方法相比有它的弱點，如尺寸效應、試驗難度大、費用高。然而，物理模型則由于是真實的物理實體，在基本滿足相似原理的條件下，則更能真實地反映地質構造和工程結構的空間關系，更準確地模擬施工過程和影響。試驗結果能給人以更直觀的感覺，使人更容易從全局上把握巖體工程整體力學特征、變形趨勢和穩定性特點，以及各洞室或結構之間的相互關系，從而做出相應的判斷。其次，也可以通過物理模型試驗，對各種數值分析結果進行一定程度上的驗證。與研究壩體、壩基和壩肩及邊坡穩定性的三維地質力學模型試驗[3～6]相比，地下洞室群的巖石力學物理模型試驗則有很大的差距。據文獻檢索，只有少數幾個平面模型試驗[7～11]和小型三維試驗[12]。這些試驗均未模擬洞室的施工過程。其原因主要是模擬地下洞室施工過程的三維模型試驗難度太大，如三維地應力場的模擬原理和技術、洞室群開挖尤其是內部洞室隱蔽開挖技術的實現、內部物理量測量等。本文作者提出并研制了離散化多主應力面加載和控制系統，成功解決了復雜三維初始應力場模擬的難題；采用機械臂和步進微型掘進機技術、微型高精度位移量測技術、聲波測試技術、光纖測量及內窺攝影技術等，解決了隱蔽開挖模擬及內部量測等關鍵問題，完成了水電站復雜洞室群模型試驗。這一試驗成果可應用于今后我國大西南地區的其它超大型地下水電站的研究。

1工程簡介

溪洛渡水電站位于四川和云南視壤的金沙江峽谷中[13]。電站總裝機容量12600MW，共計18臺700MW的水輪發電機組。該工程地質條件復雜，地下洞室群布置復雜、縱橫交錯，尤其是左岸地下廠房軸線與最大主應力呈較大角度相交，對廠房洞室穩定不利，而且廠房又位于高地震烈度區(高達Ⅷ度)，如此超大規模的地下洞室群在施工期和運行過程長期安全穩定問題，都是前所未遇的。電站廠房采用全地下式，分左、右岸地下廠房，各布置9臺機組。左岸地下廠房布置在大壩上游山體內，總裝機容量為6300MW.廠房軸線為N24°W，三大洞室平行。

圖1左岸地下廠房洞室群布置方案

主廠房尺寸為318.03m×31.9/28.40m×75.10m(長×寬×高)，廠房總長度426.0m.主變室長325.52m，寬19.8m，高26.5m.尾水調壓室長300.0m，寬26.5/25.0m，高95m，中間設兩條巖柱隔墻，厚18.0m。如圖1所示。

左岸廠房頂拱圍巖由P2β4、P2β5、P2β6層玄武巖組成。巖體新鮮較完整，無大的斷層切割，層間錯動帶一般不發育。層內錯動帶以P2β6下部及P2β4、P2β5層內相對較發育，錯動帶一般寬5～10cm，擠壓緊密，為巖塊巖屑型。裂隙以陡裂和緩裂為主，中傾角裂隙一般不發育。

2模型相似條件設計

經過與設計單位協商，確定模型的幾何比尺為1/100，材料容重比尺為1.之所以這樣確定，主要是考慮到開挖模擬的可操作性，以及相似物理量之間換算關系的簡化。根據試驗相似理論和上述幾何比尺，進行了如下的模型相似條件設計：用下標p代表原型，下標m代表模型，K代表相似比尺，L為長度，u為位稱，E為彈性模量，G為剪切模量，γ為容重，σ為應力，σo為初始地應力，ε為應變，ν為泊松比，φ為摩擦角，C為粘聚力，Rc為抗壓強度，Rt為抗拉強度。如設實際巖體的容重為γp，模型材料的容重為γm，則容重相似比尺為：

與應力有相同量綱的物理量均有與應力相同的相似比尺，即材料彈性模量、剪切模量、抗壓強度、抗拉強度、粘聚力，初始地應力和面力荷載的相似比尺均為100.

3試驗要點及關鍵技術

本試驗研究對象為左岸地下廠房洞室群，包括主廠房、主變室、尾水調壓室、母線道和尾水管。

3.1模擬范圍地下廠房順水流方向的上下游各取三大洞室最大開挖跨度的1～1.5倍長度，實際各約為1.27倍，總長度為620m；沿高程方向的下方取到洞室高度的1～1.5倍，實際取為1.45倍～1.85倍，達到海拔200m；上方取到地面，實際模型作到海拔670m，其上部作為荷載加在模型頂面；沿主廠房的縱軸線方向取3個機組段長度(自5號機組中心線至8號機組中心線)，為102m.因為模型幾何比尺為1/100，所以巖體模型尺寸為長×高×寬＝6.20m×4.70m×1.02m.

3.2地形及地質條件模擬對模型試驗范圍內的地形、地貌、地質材料和三維地質構造如層間和層內錯動帶進行了模擬，模型基本滿足幾何、物理、力學相似條件。

3.3初始地應力場模擬三維原始地應力的模擬是本試驗的關鍵和難點。經過研究、論證和試驗，本試驗中首次提出并研制了“離散化多主應力面加載及控制系統”，成功地模擬了三維地應力場，保證了試驗的初始條件。離散型三維多主應力面加載系統，是在地質力學模型仿真試驗中，首次提出使用的一種能近似模擬復雜三維空間地應力場的加載系統。

它的基本思路來源于有限元、邊界元、離散元等將研究域離散化進行數值分析的原理，把需要模擬的復雜變化地應力分布場，離散為有限多個微小的單元應力場，并認為此單元應力場為一個等效的均勻應力場。用一組垂直于該單元應力場主應力矢量的微小主應力面，代替原來的斜截面，并在這一組主應力面上按照等效主應力的大小施加法向力，就達到了模擬這一單元應力場的目的(如圖2).對各個離散的單元應力場均進行這樣的操作，就可以完成整個試驗域復雜變化的應力場的模擬。

圖2離散化多主應力面加載原理示意

這一加載系統由高壓氣囊、反推力板、限位千斤頂、垂直立柱、封閉式鋼結構環梁、支撐鋼架和空氣壓縮機組成。此外還有壓力監測和報警輔助系統，以保證試驗期間的壓力穩定。

3.4開挖過程模擬按照數值計算優選的開挖步序(如圖3所示)，對試驗范圍內地下洞室群的隱蔽開挖進行了模擬。本試驗中隱蔽性開挖的洞室包括尾水管和母線廊道，尾水管的隱蔽開挖長度為125m，而且為漸變的城門洞形斷面，母線道斷面也為城門洞形，但是靠近主變室一側13m一段斷面加大，造成母線道斷面突變。這些都給開挖模擬帶來極大困難。隱蔽開挖無法采用一般的手工鉆進方法，需要設計專門的鉆鑿機具。經過反復研究試驗，開發出隱蔽開挖機器臂和微型步進式掘進機，以及與之配合使用的隱蔽洞室內窺系統，成功解決了這一技術難題。如圖4所示。

圖3地下廠房洞室群開挖分期設計

3.5支護方案模擬按照數值計算優選的支護方案，對錨固支護(包括三大洞室的噴混凝土、錨索)進行了模擬。按照設計支護方案，錨索按實際位置模擬并施加預應力。系統錨桿與噴混凝土聯合模擬為掛金屬絲網涂漿。錨索模擬材料采用金屬鋁線或細銅絲束，用建筑膠漿固結，以螺旋加載方式施加預應力。

3.6施工模擬過程中的多種方式洞室內部收斂變形及破壞形態量測在主廠房、主變室、尾調室三個主要洞室中，采用預埋多點位移計方式進行了內部收斂以及洞周圍巖深度變形量測；采用光導纖維進行了內部變形的量測；采用超聲波測量方法進行了洞周圍巖屈服松動區的量測；采用內部攝影方式進行了內部破壞形態的觀測。

3.7內部應力場分布量測在主廠房、主變室、尾調室圍巖中的適當位置，預埋三向應變計、應變花，進行了應力場分布量測。在重要位置，預埋光纖傳感器，與應變片測量相比較，測量應力場分布。

圖4隱蔽洞室開挖微型步進TBM示意

4試驗過程和結果

試驗自2000年5月開始各項前期工作，包括場地準備、試驗臺設計和施工、模型材料設計和試驗、模型制作和傳感器埋設、地應力場生成和監控系統研制、隱蔽洞室開挖系統研制和試運行、測量儀器的研制和準備等。2001年7月15日正式實施洞室開挖模擬，量測系統進行同步量測，采集數據，至2001年8月18日完成洞室群開挖。試驗得出的洞群圍巖變形、應力應變、屈服區分布等情況如下。

4.1位移主廠房頂拱最大下沉為37.5mm，主變室頂拱下沉為23mm，尾水調壓室頂拱為34mm.各個洞室頂拱的變形隨開挖量的增加均以下沉為主，開挖后期伴隨有少量的上抬。這與同時進行的數值計算相比頂拱位移偏大一些，這是由于模型試驗中準確地模擬了層內錯動帶的影響，而計算中則有所簡化。尾水調壓室邊墻比主廠房邊墻高20多米，初估最大水平位移應該更大些，但尾水調壓室中間隔墻起到了限制變形的作用，從而減少了水平位移值。主變室與尾水調壓室之間巖柱的上下游方向水平尺寸有所增大。

圖5地下廠房洞周圍巖位移分布

而主廠房與主變室之間的巖柱在上下游方向則有所壓縮，是由于母線道對這部分巖柱削弱較多引起的。試驗中所揭示的各個方向的位移量均不大，分布合理。除三大洞室頂拱位移比計算值略大之外，其它與計算值都很接近，洞周沒有發現明顯的開裂或位移突變。圖5給出了洞周圍巖位移分布。

4.2應力主廠房上游拱肩和拱腳處、尾水調壓室上游拱肩和拱腳處均有拉應力出現。尾水調壓室下游邊墻5m范圍內的巖體大部分存在拉應力，10m之外則呈現為壓應力。隨開挖的進行，洞室交叉部位產生應力集中，凡是壓應力的則壓應變值為原來的1.5～2.2倍。產生拉應力的部位則給出了很大的拉應變值，明顯不大合理，可能是粘貼應變片的塊體發生破裂造成的。但是可以從中判斷是出現了拉應力。拉、壓應力分布范圍與計算結果接近。光纖傳感器量測的結果比較有規律，隨尾水調壓室高邊墻的逐漸形成，邊墻表面巖體應力松馳，壓應力降低甚至產生拉應力，而壓應力分布有向深部巖體傳遞的趨勢。

4.3超聲波測量試驗中采用超聲波測速與位移沿巖體深度分布規律相結合的方法判斷屈服松動區。洞周巖體波速最低處為尾水調壓室的底部和頂拱，波速比未開挖前降低了40%～50%.三大洞室頂拱的巖體波速，主變室頂拱最高，達900～1000m/s，主廠房頂拱次之，為800～900m/s，尾調室頂拱最低，為400～500m/s.與地質剖面相比較可以看出，這一結果恰恰和這些洞室所在地層及地質構造相吻合。根據聲波測量和位移測量結果的綜合比較和分析，得到各洞室周圍屈服區的范圍(圖6).

圖6地下廠房洞周屈服區分布

4.4錨固支護系統根據地下工程圍巖穩定性分析的經驗，洞室圍巖越穩定，圍巖的整體性越好(早期噴錨支護可以增加這種整體性)，則在后期開挖過程中，洞室上抬的趨勢越明顯。XA-22支護方案在主廠房頂拱埋設的兩排錨索，穿過了層內錯動帶，增加了頂拱的整體性，是很必要的。雖然本試驗中尚不能定量地比較這種錨固的作用，但定性上已經可以說明模擬的錨固系統對增加洞室圍巖的完整性和整體性，起了明顯的作用，這是數值計算中沒有反映出來的。通過對模型錨索應力的測量，反映出對目前的開挖方案，錨索應力有明顯增加。因為尾調室是上下先開挖然后中間再挖通，高邊墻有一個突然形成的過程。雖然這一情況因為中間隔墻的存在而減弱，但對離隔墻遠一些的部位仍有一定的沖擊作用。考慮到這一點，尾調室上下游邊墻錨索的預應力施加應有所控制，而隔墻的加固應適當提前。

5結論

(1)本試驗是首次大規模三維仿真模擬地下洞室群的施工過程。它成功模擬了高容重巖體材料和巖體構造，容重比尺1比1；研制了離散化多主應力面加載系統，使模擬復雜三維初始地應力場得以實現；研制了用機械臂和步進微型掘進機，仿真模擬了施工過程；研制微型多點位移計，采用聲波測試、內窺技術等多種測量手段進行了內部物理量的測量。(2)試驗結果驗證了在廠區特有的地形地貌、地質構造和地應力條件下，該水電站地下廠房洞室群的總體布置、洞型設計、洞室間距是合理的。主變室滯后主廠房和尾水調壓室開挖一期的施工方案以及錨固支護方案，保證了洞室安全成洞。在試驗開挖過程中，洞室群保持了總體穩定，主要洞室周邊未出現明顯的開裂及變形突變。洞周圍巖屈服松動區分布，與廠區地質條件和洞室斷面情況及空間相對關系有較好的吻合。推薦的支護方案對洞室整體性的加強有明顯的作用，并有效地控制了松動區的發展。(3)試驗結果表明，對條件復雜的超大型地下洞室群進行三維地質力學模型試驗可以從全局上把握地下洞室工程整體力學特征、變形趨勢和穩定性特點，并對數值模擬結果進行驗證和校核。

地質力學論文:關于工程地質力學應用過程中常見問題的分析

摘 要：社會經濟的進步，極大促進了工程地質力學的發展，工程地質力學是研究地質體變形狀況的科學，地質體具備多形態的特征，為了滿足工程地質的實際要求，進行地質體存在狀態、力學特性、地質體演化過程的分析是必要的。

關鍵詞：工程地質學；地質體；演化過程；力學特性

1 地質體的力學特性

（1）地質體產生于一定的地質環境，地質體是由地質環境中按照某些結構排列的巖石、水等構成的，其具備非均勻性、非連續性的地理特征，無論是初始狀態特性，還是流-固耦合特性都充分體現了地質體的獨特性，區別于傳統力學的研究對象。

地質力學界對地質體特性的研究并沒形成一個統一的描述方法，其中依舊存在很多的問題需要深入研究，這需要做好相關的室內試驗，進行精細性的分析，獲得豐富多樣的本構關系，掌握地質力學的特殊規律。地質體是一個比較復雜的系統，僅僅通過局部的巖石試樣，并不能代表其整體的特性，巖石試樣缺乏典型代表性，巖體試樣不能脫離地質體本身，否則其會喪失處于母體中的作用。在某些狀況下，獲取試樣，會導致其內在特性的改變。為了更為深入地研究地質體的整體特征，需要深入了解地質體的局部特性，在此基礎上，進行地質體整體特性的描述及探測，從而滿足實際工作的要求。

（2）地質體的特性與地質構造運動、地質環境密切相關，從而影響到地質體的一系列的力學行為。通過對力學分析方法的應用，不能取得定量化的結果，為了獲得地質體的初始狀態，需要應用工程地質力學的應用方法，從而解決實際工程問題，地質體的特性具備多樣性，比如非線性特性、非彈性，這些特性與巖體結構面的特性密切相關，溫度效應、時間效應是固體材料的常見特性，地質體的特征與溫度、天氣等密切相關，其中外界因素的變化，導致其出現更為復雜的力學過程。

2 工程地質力學所面臨的常見問題

（1）地質工程主要分為兩類問題，地下工程問題，比如水電工程的地下隧道、地下核肥料、地下礦藏等區域的采空區，地質體的活動斷幼純觥⑷硌易純觥⑼桿狀況等，對于工程的穩定運作產生一系列的影響，與工程建設、工程造價密切有關，這類問題主要涉及到高地應力前提下的地質體的變化狀況。第二類問題是地面工程，涉及到一系列的基礎工程建設，鐵路公路邊坡、礦石開采，主要引發的問題為滑坡、泥石流等，我國的邊坡工程規模日益龐大，其也引發了一系列的自然災害，存在的主要力學問題是水、地震等作用下的破壞狀況。

一項合格的工程建設必然要經歷選址、勘察、設計等幾個模塊，在不同的工作模塊中，由于其工程階段的不同，工作目的的差異性，其工作的側重點也不一樣。地質工程是一個整體性的工程，其內部各個階段間互有聯系，密切相關，為了解決實際工作需要，工程地質力學的應用要因地制宜，靈活應用，切實解決地質工程中的問題。

（2）在地質工作中，避讓是非常重要的原則，避開危險區域，是地質工程工作的重點。為了達到這一目的，必須首先明確哪些區域存在著危險狀況，獲得相關的地質資料后，再針對山體的穩定性進行判定，這種可靠性關系的判斷與地質工程的順利開展密切相關。建筑工程的順利開展，需要建立在良好的地質條件基礎上，如果將良好的地質條件誤判為不穩定，將會造成地質工程工作資源的巨大浪費。

在地質工程實踐中，有些地質問題依賴于工程師的工作經驗，比如利用邊坡穩定判斷方法進行滑面參數的分析，這些參數的確定依賴于豐富的工作經驗，在這個過程中，有些工作步驟需要利用有限元進行計算，這些可靠的地質工程分析方法都離不開大量的工程實踐工作。

3 地質體力學特性探測的一般方法

（1）在地質工作中，選址是一門重要的工作，在選址過程中，地質人員需要依據地質條件、環境等，進行工程建設可行性的判斷，這需要進行工程建設地點、線路等的綜合性分析，需要做好一系列的地質勘察工作，進行地質條件的深入了解，從而判斷出工程建設狀況。通過各種工程手段獲得工作資料將作為下續工作的依據，一般來說，勘察過程中獲得越多的資料，其工程設計的可靠性也就越大。在實際工作中，地質勘察的手段諸多，受到實際工程狀況的影響，地質資料的獲取比較困難，工程設計往往要進行多次設計。

為了實現地質工程造價的優化，必須最大程度地降低工程成本，而又獲得最大的工程效益，在最優成本的前提下，獲得豐富的地質材料。地質力學研究不僅僅需要獲得給定條件的結果，也要最大程度創造地質工作的良好條件，這通常需要進行表面位移監測、波動等方法的應用，進行地質體力學特性的探測。這些方法具備良好的工程合理性。

上述方法運用得當，可以進行某工作區域某點特征的獲取，而又不破壞地質體的原本形態，它的探測成本也是比較低的，目前來說，我國的地質勘察體系并不健全，缺乏豐富的理論體系支撐，計算機應用技術體系尚不健全。

（2）相比于工程結構，地質體的可容許變形更大，工程結構與地質體之間的相互作用比較復雜，遠甚于單純結構的變形分析，在這個過程中，為了給出合理性的工程設計，必須進行地質體初始狀態、地應力場狀況的深入分析，從而給出恰當的工程設計方法，進行工程涉及到優化。在地下工程工作中，巖體分類技術是常見的工程設計方法。

目前來說，我國的巖體分類技術理論體系尚不健全，通過對這種巖體分類問題的論證，能夠滿足我國復雜環境區域工作的要求，進行復雜性地質工程可行性的判斷。工程巖體分類是比較籠統的，它主要適應于工程的初步設計階段、工程預算階段、招投標階段，這種方法與一般工程的力學計算方法存在較大差異性，有些精密、復雜、大型的地質工程，需要精細化的巖體分類技術方法，這需要具體問題具體分析，提出適宜的工程方案，滿足實際地質工作的需要。

（3）在地質工程工作中，力學、地學是密不可分的，這兩者的結合都是為了創造更大的工程建設效益，這與力學基本理論體系的發展密切相關，需要滿足工程建設工作的需求。通過對力學研究工程的應用，模擬復雜性的地質結構狀況，通過科學性的建模，滿足復雜的工程需要，這也需要工作人員的綜合性判斷，實現工作經驗與計算機數值計算結果的結合，確保力學及地質學的相互滲透、相互結合，從而進一步解決工程常見問題。

（4）在實際工作中，地質工程師憑借豐富的工作經驗，能夠進行某地區地層的直接判斷，從而有利于地質調查工作的開展，進一步節省工程成本，如果不能確保地質判斷的準確性，將會導致工程實踐的失敗，也不能獲得正確的力學分析結果。為了滿足實際地質調查工作的要求，需要進行力學分析手段的補充，進行地質體力學參數的獲取。

通過對力學手段定量化的分析，可以實現地質體的準確判斷，再通過一系列的力學理論方法，做好工程的定量分析工作，為工程設計提供豐富的信息依據。這就需要進行地質環境定量化的分析，進行地層的辨認、定性地分析，進行地層幾何特性的分析，這都離不開地質勘查工作的開展，需要做好相關的現場監測工作。

4 結束語

工程地質力學與地質工程密切相關，其實現了工程學科、力學、地學的結合，地學是地質工程的基礎，力學是重要的工作研究手段，以此為標準，實現工程工作的高效化，通過對不同學科的結合、研究、分析，實現工程地質力學的長遠發展，解決實際工作問題，滿足工程的實際需要。

地質力學論文:超大斷面隧道軟弱破碎圍巖漸進破壞過程三維地質力學模型試驗分析

【摘要】超大斷面隧道在軟弱破碎圍巖的施工中具有很大的難度，軟弱破碎圍巖的不良地質條件，加上隧道斷面的擴大，極大的影響了隧道的穩定性。軟弱破碎圍巖的漸進破壞過程，由最初的開挖改變圍巖應力重分布的情況，可以發展到應變弱化過程中逐漸發生破壞。本文采用三維地質力學模型，從模擬試驗的建立、相似材料的選擇等方面著手，對超大斷面隧道軟弱破碎圍巖的漸進破壞過程進行了試驗分析。

【關鍵詞】隧道；破碎圍巖；漸進破壞過程；三維地質力學模型

一、三維地質力學模型試驗內容

（一） 實驗參數

本文選取某隧道工程為試驗背景，該隧道的主要特征是，穿過極破碎地層，薄片狀巖層在節理表現上呈碎塊狀，并伴有少量裂隙出水現象，隧道開挖后，巖層粉末化。同時，圍巖巖體破碎完整性較差，還會在與水接觸時松散軟化，穩定性較差，容易發生坍塌。本研究將所選取的隧道工程相關工程數值與相關規范進行對比，統計了該隧道軟弱破碎圍巖的基本物理力學參數：

（二）模型初設

選取尺寸為 2.0 m長×2.4 m寬×2.4 m高的三維三維地質力學模型，其應力相似比、幾何相似比為 1∶50。使模型邊界滿足相關條件，在模型的中間位置進行開挖，其實際的開挖面積為 110m2 ，為超大斷面鐵路隧道。模擬試驗的開挖長度為2米，由臺階法支護試驗、全斷面支護試驗、全斷面無支護試驗以及掌子面保留超載段四個階段組成。四個階段中按順序依次開挖，有效進行超載破壞試驗。

二、三維地質力學模型模擬材料選擇

模擬材料應該與實際的修筑情況較為相似，模擬材料包括錨桿、初噴混凝土等支護結構以及軟弱破碎圍巖所采用的材料。

（1）支護體系相似模擬材料

盡可能通過相似材料的選用，避免出現混凝土與圍巖間不良特殊效應，保障模擬試驗與實際的隧道施工中混凝土初噴的原料情況相近。因為實際的隧道施工混凝土的來源是爆破圍巖碎石，可以選取C 2 5初噴混凝土，其抗拉強度、抗壓強度以及彈性模量較為相似。根據隧道剛度與面積要求，首先讓聚四氟乙烯滿足錨桿的基本物理條件要求，其次將膠結劑涂抹在聚四氟乙烯材料的表面，最終與黏結石、英砂共同完成圍巖的模擬，這一過程有效實現錨桿模擬材料。以初噴混凝土相似材料舉例來說，其力學參數對比表如下：

（2） 軟弱破碎圍巖相似模擬材料

本次三維試驗的隧道，其主要的巖層構成為炭質千枚巖、上統千枚巖，整體巖質都較容易破碎，而且具有一定程度的流變性，即其巖層的狀態容易受到外力的作用而改變。根據這種情況，模擬試驗可以采用重晶石粉、精鐵粉、石英砂，結合以松香溶液膠結劑進行相似材料的配偶。并通過相應的流變裝置對其力學參數進行有效的測驗，測試結果表明，當情況為過載時，慢速蠕變、穩定蠕變和加速蠕變是相似材料的三個變形過程，最終會出現破壞現象；當情況為小額載荷時，也就是受低應力影響下，相似材料有慢速蠕變和穩定蠕變兩個變形過程。與此同時，針對千枚巖，相似材料在蠕變測試中，壓縮應力增大，其蠕變性隨之增強，這一測試表明，千枚巖軟弱破碎圍巖同樣具有蠕變性。

三、三維地質力學模型試驗

三維地質力學模型試驗中隧道的修筑方法為夯實填筑法，首先依照科學的等比進行材料配置，并保證材料能充分滿足試驗需要，攪拌均勻后在模型框架內從下往上進行分層鋪設，在設計方案的標高部位預設測量儀器，之后繼續填鋪，到模型頂部后停止鋪設。隧道模擬試驗的埋深為200米左右，模型開挖步驟為：先從隧道口開始每隔0.5米連續進行臺階法支護開挖、全斷面支護開挖、全斷面無支護開挖，之后在掌子面的前0.5米處進行超載破壞試驗，對不同圍巖段的漸進破壞現象進行觀察分析。4階段的深挖中圍巖都受到有規律的破壞：當埋深增加至400米時，局部的拱頂圍巖有拉剪破壞，且最早出現裂縫甚至掉塊現象的是掌子面鄰近的全斷面無支護開挖段，一般是在隧道拱頂集中表現；當埋深增加至700米時，拱頂、邊墻都有大量的材料脫落與破壞現象；當埋深增加至800米時，臺階法支護開挖方法下，局部拱頂支護材料出現開裂與破壞；當埋深增加至1000米時，支護與圍巖均出現大面積破壞現象，隧道面臨整體坍塌。

四、分析結果

超載情況下，圍巖的破壞區域會隨著開挖深度的增加漸進擴大，最早發生破壞的是全斷面無支護段周邊圍巖，然后是全斷面支護段與臺階法支護段的初噴混凝土。拱頂上方區域是主要的破壞集中區，既是襯砌結構出現破壞的主要源頭，也是造成圍巖坍塌的主要原因；隧道側部的邊墻也有局部的破壞，破壞程度從邊墻的上部到邊墻的拱腳逐漸加劇。同時，隨著埋深的增加，無支護段圍巖位移增長情況多于支護段圍巖位移增長情況，說明支護結構具有明顯的承載力，這一過程中荷載與應力的增長呈反向；隨著圍巖破壞深度的增加，拱部出現變化性的壓力拱現象，這說明在頂部進行加固有一定可行性，是改善超大斷面隧道軟弱破碎圍巖漸進破壞現象的有效探索方向。

結束語

采用三維地質力學模型試驗對在隧道逐漸深挖過程中軟弱破碎圍巖的漸進破壞情況進行試驗，所展現的超大斷面隧道軟弱破碎圍巖漸進破壞全過程與實際情況極為貼近，有利于掌握超大斷面施工過程中可能出現的問題，為提高隧道穩定性的方法探究提供有效的參考依據。

地質力學論文:地貌地質力學及其最新進展

第一部分 中國地貌的基本特征及其形成機理

一、中國地貌的形態特征

我們偉大祖國群山縱橫，高原雄偉壯麗，江河源遠流長，平原一望無際。青藏高原在大西南屹立，喜馬拉雅山高聳成為“世界屋脊”。大西北地區巨大的山脈環繞著巨型盆地。中國東部平原遼闊和丘陵起伏。主要河流自西向東注入海洋，反映了我國地勢西高東低的特點。隨著地勢向東逐級遞減，大致沿青藏高原東北部邊緣，大興安嶺―太行山―雪峰山東緣和洋陸邊界三條巨大界線，出現四個地形階梯。這就是人們所熟悉的西高東低、梯級分布、形態多樣和山區廣大等我國地貌的四個顯著特點。然而，這只不過是中國地貌外在的形態特征，還沒有揭示中國地貌的展布規律和形成機理。

二、中國地貌的展布特征

經研究發現，定向縱橫的群山、巨大而規則的洼地和受山脈控制的江河，是我國地貌重要的展布特征。具體而言：

1）三道緯向“長城”：由橫亙于北緯40o―42o的陰山和天山山系、北緯32o30―34o30的秦嶺和昆侖山系，以及北緯24o―26o的南嶺山系等5條山系組成的三帶巨大山嶺。它們每個帶各自大約占2個緯度，彼此之間大致間隔7―8個緯度，其展布特征十分引人注目（圖1）。

2）三帶瀕洋山嶺：在東亞河我國東部瀕太平洋地區，大致平行海岸線出現有三條巨大的北北東向山系（圖1）。第一帶是“島弧山系”，由千島群島、日本列島、琉球群島和我國的臺灣列島等所組成。第二帶是“沿海丘陵山地”，包括長白山、膠遼丘陵和東南沿海丘陵。第三帶是“內陸山脈”，由大興安嶺、太行山和大巫山組成。這三帶山系也有一定的等間距性。

3）東西對稱山岳：我國西北地區，存在這一系列北西向山系，如阿爾泰山和祁連山等。它們和東部地區展布的北東向山系有遙相對應之勢，顯示了鏡向對稱的特征。

4）巨大弧形山川：我國西南部，由青藏高原及其周緣山脈，組成一個向東北突出的巨大弧形。喜馬拉雅山、岡底斯山、喀拉昆侖山等大致東西延伸，向東迅速轉折為近南北走向，在那里出現了橫斷山脈。再向南延出國境，經中南半島到印度尼西亞后又轉為東西向，形成一個異常龐大的反S形山系（圖1）。在國境內，瀾滄江、怒江和金沙江徑流于其高山峽谷之中，形成一個“巨大弧形山川”。

5）大型橫向水系：由于緯向山系的持續橫亙，我國的大江大河，如黃河、長江和珠江等，盡管其局部流向反復多變，但大都在其間廣闊的東西向洼地中徑流。因此，緯向山系就成為我國主要水系的分水嶺。東西方向的陰山，分隔了東北水系和華北水系。陰山與秦嶺之間為黃河流域，黃河流向幾經反復大角度轉折，但一般不跨越陰山和秦嶺山系。昆侖一秦嶺山系和南嶺山系之間則是長江流域，長江在兩帶山系之間洶涌奔騰。南嶺山系以南還有珠江水系。這些山系總的流向和山系的走向基本一致，由西向東徑流，明顯受到中國地形西高東低和緯向山系的控制。

6）縱橫行列洼地：“洼地”一詞是各種“負向地形”（即是下降而形成的各種地形）的統稱，包括平原、草原、沙漠，以及由下降堆積而形成的“黃土高原”等。負向地形和正向地形是相輔相承、彼此伴生、又相間出現的，它們沿一定走向規律地展布在山系兩側。在我國有一系列“縱向洼地帶”和“橫向洼地地帶”：

縱向洼地帶：在東亞瀕太平洋地區，平行三帶瀕洋山嶺相應出現三個大型洼地帶，向東而西：第一帶是由鄂霍次克海盆、日本海盆和東海海貧組成的“淺海洼地帶”；這些近海海域不過是被海水淹沒了的洼地，從地質結構來看，它們基本還是大陸型的地殼。第二帶是由松遼平原、華北平原、長江中下游平原和北部灣盆地組成的“平原洼地帶”。第三帶是呼倫貝爾草原，陜北盆地和四川盆地組成的“盆地洼地帶”。

橫向洼地帶：自北而南，第一帶為天山一陰山緯向山系以北的準噶爾盆地、蒙古―呼倫貝爾草原、松遼平原和鄂霍次克海盆。第二帶為天山一陰山和昆侖一秦嶺兩個緯向山系之間的塔里木盆地、柴達木盆地，河西走廊、阿拉善沙漠、陜北盆地、華北平原和日本海盆。以及第三帶的四川盆地、長江中下游平原和東海盆地等。

這些洼地規律地分布著，形成“橫成行，豎為列”排列十分有序的地貌格局。

歸納起來，①三道緯向“長城”；②三帶瀕洋山嶺；③東西對稱山岳；④巨大弧形山川；⑤大型橫向水系；⑥縱橫行列洼地，是中國地貌的六個展布特征。

三、中國地貌的展布規律

事實表明，我國地形復雜而又有規律地分布著。經認真研究，可以將中國地貌展布規律概括為：1）成群地帶出現（群帶性）：無論山脈、盆地或平原都成群、成帶展布；2）山川定向縱橫（定向性）：表現為定向縱橫的群山，以及受山脈控制的水系；3）保持一定間隔（等距性）：無論山脈和洼地，都以一定間距重復出現；4）東西鏡向對稱（對稱性）：中國東部北北東向的山脈和洼地與西部北西西向的山脈和洼地，有遙相對應之勢；5）正負地形相向（伴生性）：上升的正地形總是和下降的負地形相間、相伴出現；6）重疊形成網絡（交織性）：不同方向的正地形帶和負地帶相互交織，彼此阻割與干擾，形成我國獨具特色、豐富多彩的地貌景觀。

四、幾個有趣地貌景觀的解析

1）問：既然我國東部瀕太平洋地區有北北東向的“三帶瀕洋山嶺”，為什么不形成三條連續的山脈，卻被一一分隔？而中國的洼地帶，又為什么“橫成行、豎為列”規則而有序地分布呢？

答：地貌地質力學揭示，正是由于“三道緯向長城”的頑強橫亙，陰山山系和秦嶺山系，不僅把“三帶瀕洋山嶺”，也將與其伴生的“三條洼地帶”一一分隔，致使北北東向的山脈和洼地被分割成為不同段落，并分別冠以不同的地理單元名稱。

2）問：為什么在東亞出現獨特而美麗的花彩列島，它們又為什么形成大小相若的一系列弧形，而不是一個巨大的弧形呢？

答：地貌地質力學指出：東亞花彩列島中的每兩個相鄰弧形交接處的“結”，都正處于中國大陸緯向山脈向東的延長線上；也正是由于頑強橫亙的緯向山系控制了花彩列島的“結”，才形成了一系列美麗的島弧。關于東亞島弧形成的假說眾多，沒有哪一個比這一說法更具雄辯力了。

3）問：為何在東亞出現兩類不同形態的“弧形山脈”？即瀕太平洋地區出現一系列向東南突出的“不對稱單突弧形”？而在中國大陸內部卻呈現一系列S形（即“對稱的雙突弧形）山脈呢？

答：地貌地質力學認為：大陸內部，兩側均為大陸型地殼，巖石性質彼此均一的條件下，在南北向相對扭動作用時，左側向南推擠而出現向東南突出的弧形時，右側必然相對向北推擠而產生向西北突出的弧形，所以形成“S”形（即“對稱的雙突弧形”）山脈。而在瀕太平洋地帶，一側為大陸型地殼（由古老的多層地殼組成的很厚的大陸型地殼），另一側為大洋型地殼（由年輕的單層地殼組成很薄的大洋型地殼），在南北向相對扭動作用時，大陸一側向南扭動而出現向東南突出的弧形時，大洋一側因為缺失巨厚的上層物質，就不能形成向西北突出的弧形，結果導致“不對稱單突弧形”的形成。

五、中國地貌的形成機理

1）揭示了地貌規律性，還不能明了它們的成因。毫無疑問，一個正確的地貌假說必定能夠完滿地解釋中國地貌的展布特征和展布規律。地貌的形成和演化起因于地球內營力的地殼運動，而地球外營力導致的地表風化、剝蝕、搬運、堆積作用，以及崩（塌）、滑（坡）、（泥石）流等，也時刻改變著地表地貌景觀。簡言之，地球內營力是一種“造形作用”，使地表地形出現起伏；地球外營力則是一種“毀形作用”，使地形差異趨于消失，起填平補齊的作用。可見，地貌形態是地球內、外營力共同作用結果；地殼運動則是其矛盾的主要方面，正是地殼運動鑄就了地貌形態的基本格架。

2）因此，探討地貌的成因離不開地殼運動，研究地殼運動又離不開力的作用，力是一切地貌形成的源頭。研究形成地貌過程和方式，就要根據地質構造的力學性質和位移方向，反演形成它們的構造應力場及其動力來源。深入研究揭示，我國東部和西部都經歷了兩個發展階段：第一階段，中國大陸整個向南推擠，在“緯向協和函數”控制下，形成等距分布的緯向構造帶；繼之，由于分別受到太平洋和印度地塊的頑強阻抗，中國大陸中部相對向南移動，致使中國東部發生反時針扭動；中國西部則為順時針扭動，從而分別形成了深及地幔的巨型擠壓性的北北東向和北西西向構造帶，鑄成了中國大地構造格架”，成為中國現代地貌的基礎。在第二階段，由于構造運動大大減弱，在“彈性回返”（由于第一階段和第二階段構造的強度和幅度顯著由強變弱，所以用“彈性回返”比整個區域外力改變來解釋，更為合理）作用下，構造運動動力讓位于重力作用，在重力均衡作用主導下，深及地幔的構造帶產生明顯差異升降，在地幔坳陷帶（即“山根”）強烈上升成為山脈，在地幔隆起帶持續沉降形成盆地（或平原），由此形成了中國現代地貌格架。

第二部分 有關幾個重要地貌問題的新理論

一、造山―成盆統一形成新機制

1）造山帶與盆地是經久不衰的兩個研究熱點，但其形成機理至今仍然沒有一致的看法。地質學家一向強調造山作用是構造運動結果，板塊構造說更直接視為兩個板塊碰撞使然；地理學家則根據“山根”的普遍存在，更多地認為重力均衡作用是山脈不斷隆升的主要原因。直至目前尚未見到一個能夠統一說明構造運動和重力均衡作用在造山過程中各起著何種作用的理論或假說。從事盆地研究的學者，向來認為盆地主要是強烈拉伸作用的結果；專注山脈研究的學者，則強調山岳主要是強烈擠壓作用的產物。其實，山脈不是在單一的擠壓作用下形成的：其一，根據“平衡剖面法則”，造山過程中平面上的縮短，遠遠不足以使山脈上升到如此高度；其二，更不可能使山脈持續上升至今，擠壓只能造丘（陵），而不能造山。實際上，一切地貌現象都不是孤立存在的，盆地和山脈、正地形和負地形、隆起和沉降是對立的統一，彼此相輔相成、相依存在和相伴而生，共同組成有成生聯系的“地貌體系”。它們的形成是在一個復雜的地殼運動過程中，由不同構造運動體制（而不限于一個“擠壓體制”或一個“伸展體制”）相繼作用的結果。

2）根據我國主要造山帶和青藏高原典型地區的深入研究揭示，它們具有共同的五個顯著特征，即①中生代經歷強烈擠壓并未上升為高山或高原；②山脈與盆地同步形成，新生代以來升降幅度已近萬米；③山前和高原邊緣都發育新生代巨型交角度正斷層，確切表明山脈隆升與盆地沉降是在新生代以來拉張作用下以“斷塊”完成的；④中生代擠壓構造上，普遍疊加了新生代張性構造；⑤秦嶺上升和渭河盆地同步下降以及青藏高原隆生的過程中，都受到強烈的拉張作用。

3）任何正確的造山一成盆理論，必須能夠說明我國的地質實際。我們提出的“擠壓后效―拉張、斷塊、均衡造山一成盆統一新機制”可以給予完滿解釋：①中生代歷經強烈構造運動擠壓，波及地下深部，形成巨型“幔隆帶”和“幔坳帶”（即“山根”）；②構造運動擠壓作用大大減弱，在重力均衡作用主導下，導致幔坳帶隆升成山和幔隆帶沉降成盆；③新生代造山作用和成盆作用，在拉張作用下以“斷塊”形式表現出來。同時，這新機理還可以合理說明“后造山作用”形成的一系列伸展構造現象（諸如：山前平緩正斷層、變質核雜巖、造山帶塌陷作用和造山侵蝕作用等）。

4）擠壓后效一拉張、斷塊、均衡造山一成盆統一形成新機制有三個顯著特征：①把多元造成山一成盆作用因素（擠壓作用、拉張作用等構造運動，以及重力均衡作用等）納入統一模式；②用諸多因素主導作用有序轉化，來解釋造山一成盆的演化過程及其形成機制；③將造山（帶狀山脈）造高原（面狀山脈）和成盆作用的形成，有機地聯系起來。

5）兩個推論：①“擠壓與伸展”、“開與合”互相轉換，是地殼運動的普遍現象。中國大陸“中生代擠壓”的“燕山運動”和“新生代伸展”的“喜馬拉雅運動”，并非如目前被公認的是兩個獨立的“構造運動施回”，它們實際是同一個構造旋回的兩個階段。因此建議更命為“燕山一喜馬拉雅運動旋回”。進言之，更古老地質年代的“加里東運動”、“海西運動”、“印支運動”等等，都被視為強烈的擠壓運動旋回。其實不然，它們都是由“早期擠壓”和“晚期伸展”兩個階段所構成；人們對第二階段的“伸展運動”知之甚少，是因為張性構造形跡疊加在強烈擠壓構造之上，很難把它們一一辯認出來的緣故罷了！

②根據山脈不斷強烈隆升、盆地持續沉降，以及強震、活火山不斷發生等一系烈地質現象，許多學者斷言：當今處于地殼運動強烈的時期。否！這種結論過于武斷了！

按照我們的觀點，第一，如前所述，當今處于地殼構造運動相對微弱、重力均衡作用居于主導地位的地質時期，山脈的隆升和盆地的沉降并非構造運動所致，乃是重力均衡作用的結果；第二，地震和火山的活躍期和寧靜期的短周期，與地殼運動的超長周期是無可相比擬的。因此可以認定：當今正處于地殼運動相對的和緩時期，而不是地殼運動強烈的階段。

二、中國大陸構造帶的“向洋遷移”和對板塊學說的置疑

1）關于形成中國大陸構造的動力來由，至今存在著重大爭論，集中體現在動力是來自印度板塊和太平洋板塊向歐亞板塊（中國大陸）的碰撞推擠？還是源于中國大陸中部向南―南東的擠壓？

2）地質學家所公認的地質事實是：無論是中國東部還是中國西部，至少中生代以來地殼運動存在“定向遷移”的規律：①中國東部北北東向的三個沉降帶，自西而東，它們形成的時代分別是三疊紀的印支運動、侏羅―白堊紀的燕山運動和新生代的喜馬拉雅運動；構造帶的形成時代也與此相一致；②中國西南部則更為明顯：從華力西運動的昆侖帶開始，向南依次出現甘孜印支折皺帶、藏北早燕山折皺帶，藏中晚燕山折皺帶和藏南喜馬拉雅折皺帶；與此同時，巖漿巖帶、變質帶以及海水退出的方向，也清楚地顯示這種規律。

中國大陸東部和西部兩個方向“定向遷移”，有一個共同特征，就是“向洋遷移”規律。板塊說斷言：這是裂解于“古陸”的板塊，在地質歷史時期，自北向南依次碰撞而形成的；令人不解的是：在漫長的地質歷史時期，若干板塊依次向北漂移，第一，只有在后一板塊恒比前一板塊速度更快時，才能依次逐一碰撞。試問，有什么動力可以使后一板塊比前一板塊速度更快呢？第二，在每一板塊經歷了不同距離的漂移和不同角度的轉動之后（這已由古地磁所證實）而逐一碰撞拼合，其碰撞縫合線卻“嚴絲合縫”，平滑而光潔，既沒有“棱棱角角”，也不見“碎裂地體”？第三，所有碰撞縫合線分布彼此平行、協調，就像同一個時期形成的一套弧形一樣？難道這不有點近似于“天方夜壇”嗎？顯然，這種向洋遷移規律不能用板塊構造向北―北東向碰撞推擠，或俯沖給出理論說明。

3）合理的解釋是：依據力學上的“近極強原理”，動力來自北方，在接近動力源的部位，首先受力變形并促發構造運動、巖漿活動和變質作用。板塊構造學說立足于海洋，令人信服地解決許多重大地質問題，取得了驕人的成就。但它在大陸地質中遇到到了許多難題，這正是它之所以不能順利“登陸”的重大難題之一。

三、重要的“三新理論”

現代地貌、地表構造帶和各種地球物理界面的現在形態等三類現象，都是很新地質時代形成的。

1）新地貌：地質學家認為，中生代燕山運動（205―137百萬年）奠定了我國大地構造格架，中國盆地格架也隨之形成。但是不要因此就認為我國現代地貌（盆山格架）就是中生代鑄就的。實事上，中生代形成的盆地格架已久經變遷，當時的山脈也幾經夷平。深入研究表明：①青藏高原是新生代上新世（5.3百萬年）以來強烈隆升的；②全國的現代地貌也主要是上新世以來，也就是“新構造運動”時期才形成的。

2）新構造帶：地質學家一貫強調構造繼承性是中國地質構造的基本特征，認為現在地表出露的大型構造帶，都是久遠地質年代，甚至是呂梁運動（18億年前）所形成，并持續活動至今的。其實這是一個很大的誤解。深入研究揭示：“構造新生性”是主導的，“構造繼承性”是次要的。中國的地質實際地說明，僅僅在燕山運動（205百萬年）以來，存在著顯著的構造繼承性，而不會跨越“構造運動旋回”恒久地繼承活動下去。這不僅因為古老構造已相繼老化固結；更重要的是徹底的活動論告訴我們，各大陸不僅逐漸改變著自己的位置，也改變著自己的方向，作用于它的構造運動也會因而改變，無論從理論上和地質實際看，上述看法都是沒有道理的。恰恰相反，現在持續延伸的構造帶都是很新的，都有很明顯的現代活動性。對此，我們可以多方面加以論證，僅就一點而言：因為沒有新的活動它們就會被不同方向構造切載，因一段隆起、一段沉降而不連續。可見，一切現代地表持續延伸的構造帶都是“新構造運動”時期以來正在活動著的，一般不會老于燕山運動的構造帶。

3）新地球的物理界面：地球內部存在許多地球物理界面，例如古登堡面、莫霍面、康拉德面等，使地球成為具有層狀構造的球體。它們形成于不同的地質年代，有的很為古老。有人認為這些形成時代久遠地質年代的地球物理界面，其現在空間分布的形態也是古老的。這顯然是不對的。因為這些古老界面受到各種動力作用，在整個地質演化過程中，不斷改變著自己的位置和形態。例如，在強烈構造運動作用下，會形成新的上地幔隆起（幔隆，即山根）和上地幔坳陷（幔坳），即使地殼和上地幔分界莫霍面形成隆起和坳陷。這些古老的界面和它新的形態的關系，正如“老磚蓋新房”。

這就是有關現代地貌、地表構造帶和地球物理界面形態的“三新理論”。

第三部分 結語

一、在傳統的中國地貌形態特征的基礎上，通過展布特征、展布規律和形成機理三個層次跨越式的深入研究和總結，地貌地質力學把中國地貌研究從形態歸納分析，提高到論理的新階段。

二、掌握了中國地貌展布特征，人們不僅可以直接掌握我國地貌格局和主要地貌單元的分布，容易地把它們繪畫成圖并銘記在心；更重要的是，可以由此進一步揭示中國地貌的展布規律。

三、懂得了中國地貌展布規律，不僅為我們理解紛繁而多樣的地貌現象之間的內在聯系和依存關系，鋪平了道路；還為深入探討中國地貌形成機理打下基礎。

四、中國地貌形成的新機理告訴我們：和其他許多事物一樣，各種宏觀地貌格架的形成不是一蹴而就的。中國地貌的演化經歷了兩個發展階段。第一階段在構造運動主導下，形成了“中國大地構造格架”；第二階段在重力均衡作用下，在大地構造格架的基礎上，構建了“中國地貌格架”。

五、造山一成盆統一新機制把造山、造高原和成盆作用、構造運動和重力均衡作用，以及擠壓和伸展作用巧妙地結合起來，納入統一發展演化模式；創造性地運用不同地質階段主導作用有序轉化，合理地解釋了盆山構造的形成機理。這一理論具有普通適用意義。

北京地質學會副理事長、中國科學院地質力學研究所研究員。大地構造學家、石油地質學家和地震地質學家。政府特殊津貼獲得者。歷任地球科學大辭典副主編、中國地質大學客座教授、地質力學專業委員會秘書長、國家地震局基金委評委、長期代表地礦部參加全國地震趨勢會商會，中國地質科學院高級職稱評委等職。主要學術成就：（1）提出《造山一成盆統一形成新機理》；有“半隱伏構造帶”等諸多新發現；對中國大地的構造特征做出全新理論概括。（2）發現冷湖工業油田；以“隱伏東西亞帶”雙重控油新理論，指導發現陜北大氣田。（3）大三線選址中，糾正了攀枝花基地的否定理論，肯定了二灘水電站，否定了牛郎壩基地等。（4）最早填制第一張三峽沿江1/萬地質詳圖，首次填出斷裂帶，解決了“谷底深槽成因”等三個關鍵工程地質難題，充分肯定了建壩地質條件。（5）總結出一套中國活動構造特征及其控制地震分區的創新理論；最早編制“填圖規范”，開創了“區域地震地質填圖”新途徑。（6）擔任常務副主編，二十多年合作編就《地球科學大辭典》等一系列重要專著。

地質力學論文:滑坡變形規律的地質力學模型試驗研究

摘 要 本試驗主要研究畢威高速公K86+800截面分別沒有支護和有支護的情況下在開挖路塹后降雨的工況下邊坡的穩定性，坡體可能的破壞模式等，利用試驗結果驗證對比驗證邊坡支護結構對坡體穩定性起到的作用大小，以及相同支護條件下開挖路塹與降雨作用分別對邊坡位移影響大小比較。

關鍵詞 滑坡變形；地質力學模型；相似原理

1 試驗內容

1.1 開挖路塹與降雨工況對邊坡變形及滑動影響作用對比

通過對相同條件下的邊坡（有支護或者無支護）在開挖路塹與降雨兩種工況作用下邊坡坡面位移與坡體內部位移的監測，對比位移在開挖路塹期間坡面與坡體內部位移變化速率與累計變化量的大小來比較兩種不同工況對邊坡位移與滑坡規律的影響大小。

1.2 邊坡支護與否在開挖路塹與降雨工況下的變形滑動規律對比

分別對支護與沒有支護的邊坡在相同工況作用下（開挖路塹+降雨）表面位移、內部位移監測，通過對比兩者相同位置測點的位移變化趨勢，對邊坡支護結構作用作出定性的評價。

1.3 試驗特色及創新

1）利用相似性原理模擬試驗模型及試驗參數，選用的模型經過不斷重復的對比性試驗，選用了與實際相似度較高的試驗材料及配合比，有利于試驗現象進行觀察，為得到一個較為準確的結論做好鋪墊。

2）對坡體表面及內部位移分別采用電阻應變式傳感器和全站儀經行測量，達到試驗數據有科學性、正確性、準確性的目的。

3）正確選用試驗模擬工具和方法。霧化噴頭及坡體錨固結構，相對尺寸與實際相似度較高有較強的相似性、說服性。

4）合理運用控制變量法、夾逼法進行試驗，有效評估了有、無支擋結構的不同破壞程度，對得出試驗結論提供了重要的依據。

2 試驗原理

2.1 模型相似原理

模型相似原理是指在模型上重現的物理現象應與原型相似，即要求模型材料、模型形狀和荷載等均須遵循一定的規律。它們的幾何特征和各物理量之間必然互相保持一定的比例關系。

根據彈性理論，可以寫出原型和模型之間的平衡方程、相容方程、物理方程、幾何方程、邊界條件。由此可得到模型的相似判據。

2.2 相似常數的確定

本試驗中主要考慮幾個控制性相似常數。分別為：幾何相似常數CL，應力相似常數 ，材料容重相似常數 。根據以上相似常數可以計算出相應的相似常數。

2.3 相似材料

相似材料除應滿足相似關系外，還應做到成本低、性能穩定；受環境變化的影響小；便于加工等。考慮以上因素，本試驗用到的相似材料分別有：石英砂、膨脹土、木條、塑料網、鐵絲等。用以上材料，按照相似關系制作模型試驗中的邊坡材料和抗滑樁鋼筋網等。

3 試驗參數確定

3.1 試驗截面的選取

在實驗中選擇坡體高度最大，危險性相對較大的截面作為研究對象，進行模擬試驗。

3.2 相似比及模型尺寸的確定

綜合考慮實驗的可操作性與實驗結果的準確性，確定本試驗選擇幾何相似比CL=90，能滿足試驗要求。主要考慮重力場的影響，由此確定材料容重相似比為 =1，其余物理量力學指標的相似比按照相似理論導出。

3.3 相似材料的配置

鑒于巖土性質的離散太大，且模型尺寸較小，因此尺寸效應對實驗影響較大，單純采用相似原理反算土體材料參數（C、Φ）并不容易達到理想效果。為了達到試驗目的，采用夾逼法進行實驗材料的配置。坡體材料采用石英砂與膨脹土兩種材料進行配置。

依次采用五組不同的重量配比進行試驗。試驗條件為對制作好的無支護邊坡模型進行路塹開挖和降雨作用，對邊坡表面與內部進行位移監測。

通過實驗我們選用材料配比為“石英砂：膨脹土=300：75”作為后續試驗所采用的材料配比。

4 對比試驗

4.1 試驗條件模擬方法

1）開挖路塹模擬，路塹開挖階段模擬采用小規格鏟子由上至下的順序對路塹進行開挖，開挖過程盡量不對坡體產生擾動，分層、有序開挖。

2）降雨作用的模擬，降雨的模擬采用霧化噴頭對坡體進行降雨，分次進行降雨，降雨過程流量控制在60 L/h，每次降雨時間控制在10 min～15 min。并且保證無支擋與有支擋情況下對邊坡降雨的總時間是一樣的。從而使兩者降雨總量是一致的。

4.2 試驗測試內容及測點布置

試驗測試內容包括坡體表面位移，坡體內部位移。坡體內部位移測點有三個，坡體表面位移測點在有支擋時有10個，無支擋時有12個。

4.3 量測系統及原理

表面測點位移測量采用全站儀進行測量，通過全站儀觀測預先安裝在坡面的鐵皮測點來確定實驗過程中相應測點位移變化量的大小。

內部位移的測量主要是借助于電阻應變式傳感器進行數據采集，并通過北京波普公司生產的數據采集箱進行信號轉換。

5 結論

1）在降雨時間控制在一定范圍內時，不管是邊坡位移變化速率，還是位移變化累計量，路塹開挖所造成的影響都遠小于降雨作用的影響，因此開挖路塹對邊坡產生滑坡并不是其主要作用。

2）通過邊坡加設支擋與不架設支擋進行比較可以發現，加設支擋之后的邊坡穩定性得到了明顯的提高，內部位移與表面位移變化量都大大降低，坡體幾乎不發生滑動，坡體支護起到了良好的效果。

地質力學論文:五里堠煤業地質力學測試及其特征分析

摘 要：煤巖體地質力學參數是一切工程研究、設計及施工的基礎，采用小孔徑多參數耦合地質力學快速測試系統對五里堠煤業進行了測試。測試表明測試區域應力場類型為σH>σh>σv型，即水平應力控制型，量級上屬于中等偏低應力區；頂板巖層結構及強度存在差異，第一測點頂板較為堅硬，第二測點相對軟弱；頂板結構相對穩定，部分層位存在破碎段及裂隙。

關鍵詞：地質力學參數；小孔徑多參數耦合快速測試；五里堠煤業；水平應力控制型

1 前言

煤巖體地質力學參數可分為應力參數、變形與強度參數及結構參數，是一切與巖體力學有關的理論研究、工程設計及施工的基礎，準確了解煤巖體地質力學參數是巖體力學最基本的一項工作，是認識研究對象必不可少的環節，具有不可替代的重要作用。

煤巖體地質力學參數測試可分為實驗室試驗和現場測試。實驗室試驗的巖塊已經脫離巖體，在進行試驗時很難比較準確地模擬和反映煤巖體在井下的實際狀態，如應力環境、結構面分布及其他井下環境因素。因此實驗室巖石力學數據往往與井下煤巖體的實際情況出入很大。現場測試在井下煤巖體中進行，在實際的井下環境中測試，測試數據更接近實際。

五里堠煤業為潞安集團整合礦井，之前未進行過系統的地質力學測試，各種基礎力學數據缺乏，工程設計隨意性較大，不利于礦井的高產高效。為解決這一問題，五里堠煤業采用新開發的小孔徑多參數耦合地質力學快速測試系統進行了系統的地質力學測試。

2 測試方法與測試系統

2.1 地應力測試

相比較應力解除法、應力恢復法等測試方法，水壓致裂法有以下優點：（1）能測量較深處的絕對應力狀態；（2）它是最直接的測量方法，無需了解和測定巖石的彈性模量，甚至連巖石的抗張強度也可以用水壓曲線求出；（3）水壓致裂測量應力的空間范圍較大，受局部因素的影響較小；（4）不需要套芯工序，可利用其它工程的勘探孔進行壓裂；（5）井下測量速度快，成功率較高。

鑒于水壓致裂法的上述優點，選擇水壓致裂法為地質力學快速測試系統的地應力測量方法。水壓致裂法地應力測量在現場巷道圍巖鉆孔中進行。在打好的鉆孔中用一對橡膠封隔器封閉選定的鉆孔段，然后對封隔器之間的巖孔進行高壓注水，直到將圍巖壓裂。根據壓裂曲線和裂紋方向確定最大水平主應力、最小水平主應力及最大水平主應力的方向。垂直主應力由上覆巖層重量求得。

2.2 巷道圍巖強度測試

巖體強度原位測量方法有大尺寸壓剪試驗、沖擊錘法、聲波探測法、鉆孔鉆進法及鉆孔觸探法等。鉆孔觸探法是一種比較適合煤礦井下巷道圍巖強度的測量方法。它具有以下優點：（1）測定結果比較接近巖體；（2）能夠測出井下不能取樣的軟弱破碎煤巖體的強度；（3）能夠測出鉆孔不同深度、不同層位煤巖體的強度及分布；（4）儀器操作比較簡單，可實現快速測量；（5）與現場原位大尺寸壓剪試驗相比經濟得多。

通過比較分析，確定鉆孔觸探法為地質力學快速測試系統的圍巖強度測量方法。鉆孔觸探法測量鉆孔內表面巖壁的強度。在需要測試的煤巖體中打鉆孔，利用鉆孔觸探儀對鉆孔孔壁加壓進行測試。鉆孔觸探儀的一個最重要部件是探頭，在液壓系統液體壓力作用下，從探頭殼體伸出一個平頭探針，壓緊鉆孔孔壁。繼續加壓，直到孔壁被壓裂，同時記錄臨界壓力值。通過簡單的換算，即可得到煤巖體的單軸抗壓強度。大量的現場實測表明，該方法可快速、準確地測定煤巖體的單軸抗壓強度。

2.3 巷道圍巖結構測量

巖體結構觀察與測量的方法有很多。在巖體被揭露的地方，巖體的結構暴露出來，可以通過肉眼直接進行觀察和描述。對于沒有被工程揭露的巖體，要想了解巖體結構，就必須在巖體中打鉆孔。

鉆孔法有鉆孔裂縫壓印法、完整巖芯采取法、鉆孔壁觀察法等。其中，鉆孔壁觀察法利用鉆孔窺視儀觀測鉆孔壁上的不連續面分布情況。采用鉆孔窺視儀，可借助錨桿、錨索孔進行觀察，方便、快速、成本低，適用于煤礦井下巷道圍巖結構大面積、快速觀察。因此，確定鉆孔窺視儀孔壁觀察法為地質力學快速測試系統的圍巖結構測量方法。

3 測試結果及分析

3.1 地應力

共布置兩個測點，第一測站位于030210回采面的運輸巷中，距離老切眼28m，埋深約為247m。第二測站位于集中回風下山巷道，距2#軌回聯巷70m，埋深約為229m。

孔壁巖石的壓裂曲線如圖1和2所示，測量結果如表1所示。

結果表明，兩測站地應力場形式為σHh，即σH>σh>σv。在二個測站中，第一測站σH較大，為14.03MPa；第二測站σH較小，為11.18MPa。二個測站側壓系數σH/σV分別為2.84、2.44。二個測站最大水平主應力方向分別為N41.34°W和N22.11°W。最大水平主應力方向大致為北偏西方向，兩個測站一致性較好。

根據理論和數值模擬研究，水平主應力對巷道頂、底板的影響作用大于對兩幫的影響，垂直應力主要影響巷道的兩幫。σH>σh>σv應力場情況下，巷道最佳的布置方向為巷道軸線沿最大水平主應力方向，該結論可以作為現場設計和施工的參考。五里堠煤業舊系統3#煤工作面巷道布置方向大部分為N75°E和N80°E之間，這與最大水平主應力之間的夾角為45-60°之間，對巷道頂底板的穩定性極為不利，現場設計應考慮加強頂板的支護。

3.2 圍巖強度

（1）頂板巖層。頂板巖層強度（頂板以上10m范圍）如圖3和4 所示。

圖3 第一測站頂板巖層強度第一測站頂板鉆孔圍巖強度測試結果見圖5，該測點頂板10m范圍內巖體平均單軸抗壓強度為52.63MPa，但強度分布不均，在2.2~6.4m范圍內，圍巖單軸抗壓強度較大，平均為75.36MPa，而在0~2.2m及6.4~10.0m范圍內圍巖強度相對較小，僅為32.42MPa。這是因為在2.2~6.4m范圍內，巷道頂板主要以砂巖為主，圍巖強度較大，而在0~2.2m及6.4~10.0m范圍內，巖層是由泥巖、砂質泥巖組成的，巖層強度較小。

圖4 第二測站頂板巖層強度第二測站頂板鉆孔圍巖強度測試結果見圖6，該測點頂板圍巖單軸抗壓強度整體分布較均勻，鉆孔10m范圍內平均單軸抗壓強度為35.12MPa，只在局部段有圍巖強度出現極值，如1.0m處圍巖單軸抗壓強度較小，為23.61MPa。

（2）煤體。兩幫煤體10m范圍內的強度如圖5和6所示。

圖5 第一測站煤體強度第一測站煤幫鉆孔圍巖強度測試結果中，鉆孔10m范圍內巖體平均單軸抗壓強度為7.18MPa，但由圖可知煤體強度整體分布較均勻，只在局部段圍巖強度相對較大，如34m處，圍巖單軸抗壓強度較大，為9.4MPa。

圖6 第二測站煤體強度第二測站煤幫鉆孔圍巖強度測試結果中，鉆孔10m范圍內巖體平均單軸抗壓強度為7.09MPa；因此，在76~88m段煤體單軸抗壓強度相對較小，平均值為5.16MPa，其余各測站都落在7.09MPa線附近。

綜合分析兩個測點數據，頂板結構有一定差異，第一測點有一層厚度約2m堅硬層，強度達到100MPa，堅硬層上下并有厚度4.5m左右的中硬巖層，強度范圍為50-80 MPa；第二測點頂板強度相對較弱，但也相對分布均勻，平均為35MPa，最大為50MPa。兩個測點的媒體強度相當，平均略超過7MPa，為軟弱煤層。

3.3 圍巖結構

對頂板測試孔圍巖結構進行鉆孔窺視，選取第一測點0-10.8m范圍內窺視為例，如圖7所示。

第一測點頂板測孔圍巖窺視結果中，結合礦區綜合柱狀圖分析可知：該測孔大部分較完整，但局部段有明顯的破碎帶，孔壁粗糙疏松，圍巖空洞破碎，如7.5~7.8m、985~10.35m等處，此外還伴有裂隙、離層、夾層等結構，如065m、5.9m、6.4m、6.6m、6.8m等處。

因此，該測點附近頂板巖層相對結構簡單，頂板5.8m范圍內基本沒有結構弱面，但5.9-6.8m范圍內發育多條橫向裂隙，以及7.5~7.8m、9.85~10.35m兩處較大的破碎段等都大大影響圍巖的長期穩定性。

圖7 第一測點頂板0-10.8m圍巖結構展開圖4 結論

（1）巷道圍巖地質力學測試是與巖石力學工程的一項最基本的工作，進行巷道布置、支護設計之前，應進行全面、詳細的地質力學參數測試，為巷道布置優化和支護設計提供準確、可靠的基礎參數。

（2）小孔徑單孔多參數快速測試方法，僅采用一個鉆孔，就可完成地應力、圍巖強度、圍巖結構的測量工作，測量速度大幅度提高。

（3）地應力測量結果表明，五里堠煤業兩測站地應力場形式為σHh，即σH>σh>σv。σH 分別為14.03MPa和 1118MPa；側壓系數σH/σV分別為2.84、2.44；最大水平主應力方向分別為N41.34°W和N22.11°W，一致性較好。從量級上劃分五里堠煤業測試區域地應力水平屬于中等偏低應力區。

（4）從兩個測站的圍巖強度測試結果來看，五里堠煤礦巷道圍巖的平均單軸抗壓強度分布不均，由于裂隙和破碎帶的存在，不同位置圍巖體的強度差異較大。從巷道頂板來看，頂板以砂巖、砂質泥巖和泥巖為主。砂巖巖層圍巖單軸抗壓強度較大，如第一測站頂孔中部的砂巖巖層，強度達到100MPa；而砂質泥巖或泥巖巖層，裂隙和破碎帶較發育，加之巖層本身的特性，圍巖單軸抗壓強度相對較小，平均為35MPa；兩測站幫孔煤巖單軸抗壓強度總的分布較均勻，平均值在7.1MPa左右。

（5）從兩個測站鉆孔窺視的結果來看，五里堠煤礦巷道頂板圍巖整體較為穩定，但有一定的破碎，有的破碎帶挺嚴重，孔壁伴有一定的裂隙、離層、夾層等結構，兩測站中巷道圍巖主要為灰色、灰黑色的砂巖、砂質泥巖、泥巖，局部處有煤線、巖石夾層、斜交裂隙等。

地質力學論文:對我國地形分布規律及成因的地質力學分析

摘要：祖國大地上，巍峨聳立的高山，連綿起伏的峻嶺，縱橫交織的江河，星羅棋布的湖海，塑造了多姿多彩的壯麗河山，構成了我國特有的地形分布特點。作者嘗試以地質力學的觀點剖析我國網格狀地形分布的規律及成因。

關鍵詞：地形；分布規律；地質力學；分析

我們偉大的祖國，山脈縱橫，河流交錯；丘陵起伏，高遠遼闊；平原坦蕩，盆地巨碩。它們縱橫交織，形成了我國地形的網格狀分布特點。

本文試從地質力學的角度．剖析我國網格狀地形分布的規律及其成因。

一、我國網格狀地形分布的概況

所謂網格狀分布的地形。是指構成地形骨架的山脈．互相交織，把大地刻劃成一個“棋盤”，在“棋盤”的網格中間分布著高原、平原、盆地和海洋的大陸架等相對低洼地。

當打開中國地形圖時．乍一看去．映人眼簾的全國大大小小的山脈和相對低洼，縱橫交織，似乎難以找到規律。但仔細觀察，就會發現山脈與洼地，在排列上具有方向性展布的規律。歸納起來主要有：東西向、北東――南西向、北西――南東向和南北向；同時，山脈與洼地都是相問分布的，具體情況如下：

東西向山系和低洼地我國東西向山系主要有三條．自北至南依次有：橫亙于北緯40-43度之間的天山――陰山山系：展布于北緯32-34度之間的昆侖一秦嶺山系：坐落在北緯24-26度左右的南嶺山系。這三條山系，彼此之間都是相隔7-8度，而山系兩側都分布著規模巨大的相對洼地。例如，在天山――陰山山系北側有準葛爾盆地、內蒙古高原；南側有塔里木盆地、河西走廊、黃土高原。在秦嶺與南嶺之間，有四川盆地、長江中下游平原。在南嶺以南也有大片低洼地存在。這種山系與洼地相問的分布的現象，雖然各具特色，但它們分布的規律總是隆、凹相問，平行排列，具有明顯的方向性特點。

北東向山系和低洼地主要展布在我國東半部和東亞島弧地區，其延伸方向大致與海岸平行，具體也有三條巨大的山系，自東向西：第一條為島弧山系，由千山島群島、日本群島、琉球群島和我國臺灣島所組成：第二條是沿海山系．包括長白山地和東南沿海低山丘陵；第三條是大興安嶺、太行山、巫山和雪峰山等。這些山系彼此之間，也保持著一定的距離，山系的兩側為相對低洼地。例如。在第一條山系東側有一系列海溝。這里有世界最深的馬里亞納海溝；在第一、二條山系之間，分布著一系列淺海盆，自北而南有鄂霍次克海、日本海、黃海、東海和南海等；在第二、三條山系之間，由松遼平原、渤海盆地、華北平原和江漢平原分布；在第三條山系西側，是由呼倫貝爾巴音和碩盆地、陜甘寧盆地和四川盆地所組成的沉降區。可見，北東向的山系與洼地，也是相問分布，其中，洼地長期持續地沉降，地形較為開闊并具有封閉性特點，接受了大量的沉積物，成為我國石油生成盆地和油田的分布區。這些北東向山系與洼地和東西向山系相交．是我國東半部的地形呈現出明顯的網格狀展布的特點。

北西向山系和低洼地展布于我國西北地區的主要山系有阿爾泰山和祁連山，它們和我國東半部的北東向山系遙相對應，顯示出來鏡像對稱的特點。北西向山系之間，也有相對低洼地，不過這些低洼地因受東西向山系的聯合擠壓作用．多呈近東西向的長條菱形洼地。

南北向山系和低洼地主要山系有賀蘭山、六盤山、大涼山及橫斷山脈等。它們已成為我國中部的一條重要地理分界線。在這些山脈之間也有低洼地分布．特別是橫斷山脈出現了明顯的高山與峽谷相問分布的形勢。

上述的山系和低洼地相問排列。構成了網格狀分布的地形．這在我國東半部表現的尤為明顯．東西向和北東――南西向山系互相疊加，形成了比較規則的格子狀山系，致使我國東部的洼地形狀多呈南北長得菱形。而西部由于受東西向山系的制約，其洼地形狀往往多呈東西長得菱形。東部和西部之間，貫以南北向的山系．這就是我國網格狀分布的地形格局

二、我國網格狀地形分布的成因

我國網格狀分布的地形。其成因有多種解釋．現以地質力學觀點來加以闡述。

地殼運動的基本形式有兩種：一種是水平運動；另一種是垂直運動。所謂水平運動即地殼物質在力的作用下沿著地球表面作切線方向運動。所謂垂直運動，即地殼物質在力的作用下沿著地球半徑方向作升降運動。這兩種運動形式在地殼中雖然共存，但地質力學認為地殼運動是以水平運動為主。在水平運動影響下引起垂直運動。我國的主要山脈，就是在地殼水平運動中，受到水平擠壓力而不斷隆起形成的。

我國東西向的山脈，都是在南北向水平擠壓力的作用下，伴生隆起而形成的；南北向的山脈，是在東西向水平擠壓力的作用下，伴生隆起而形成的；北東向的山脈和北西向的山脈，則是南北向水平擠壓力發生不均衡時，產生扭動而造成的。地殼不是一個均質體．所以對作用到地殼上的力的阻抗也就不同．從而引起剛柔性不同的地塊．其運動速度也不同．這樣的地塊之間便產生了力偶，也就是方向相反，但不在一條直線上的兩個力，導致快慢兩個地塊發生扭動，形成北東向或北西向的斜列山地與洼地。例如，我國東半部就是在這種力偶作用下形成了北東向的三列隆起與洼地。這主要是由于亞洲大陸地殼上部主要由硅鋁層組成，具有柔性；而太平洋洋底上部地殼主要是由硅鎂層組成，具有剛性，所以運動速度不同。當亞洲大陸向南運動時，太平洋洋殼起阻擋作用，引起北向的力，便產生了反時針方向的扭動，形成了北東向的三隆三凹。同樣道理，在我國西半部，由于亞洲大陸在向南滑動中受到了印度板塊的阻抗．這樣使地殼中又產生了不均衡的力偶作用．出現了順時針方向的扭動．形成了一系列北西向的山地與洼地。可見，我國的山脈，都是由南北向水平擠壓力和東西向水平擠壓力作用的結果。

既然我國的山脈形成是與南北向和東西向的水平擠壓力有關，那么這些力是怎樣產生的呢?地質力學認為，這與地球自轉速度的變更有關。

當地球自轉時．除兩極外．地殼任何一點都會受到離心力的作用。該離心力可以分解成兩個分力，其一是垂直地面的垂直分力，這個力因受地心引力的抵消，對地面物質運動不起作用；其二是平行地面，指向赤道的水平分力。當地球自轉速度加快時，正是這個水平分力使地殼物質沿著經線方向．從高緯向低緯推擠．引起某些大陸塊的滑動．形成了東西向地質構造和與之相應的山脈與洼地。在地球自轉速度發生變化時，便會產生東西向的緯向慣性力。特別是地球自轉由慢變快時，緯向慣性力的方向由東指向西，減慢時相反，由西指向東。正是這個力造成地殼上層物質東西方向的運動．從而產生了南北向的地質構造和與之相應的山脈及洼地。在上述兩種力的作用下，如果在地殼的某些地段發生不平衡，便導致了各種扭動構造體系的產生，我國北東向、西北向的地形就與之有關。

三、結論

我國地貌形態呈網絡狀分布的根本原因．就在于地球自轉速度變更時產生的離心力的水平力(即南北向水平擠壓力)和緯向慣性力(即東西向水平擠壓力)共同作用的結果。

地質力學論文:淺析地質力學模型試驗技術的研究與應用

摘要：當前，大型地下洞群所處的地質環境愈加復雜，尤其是在深埋、高地應力條件下，洞群圍巖的穩定性狀況、破壞形態和破壞機制等問題急需解決，而地質力學模型試驗是解決這類問題的主要研究方法。該文主要分析了模擬材料、組合式模型試驗裝置、量測技術等問題，并介紹了模型試驗的工程應用。

關鍵詞：地質力學 模型試驗技術 工程應用

引 言

地質力學模型試驗是根據一定的相似原理對特定工程地質問題進行縮尺研究的一種方法，主要用來研究各種建筑物及其地基、高邊坡及地下洞室等結構在外荷載作用下的變形形態、穩定安全度和破壞機理等。2l世紀是中國工程建設快速發展的世紀，水利、水電、能源、交通等大型工程的開發已成為我國經濟建設的重點。對這些復雜的問題，一方面要借助理論分析、計算機數字模擬方法去研究；另一方面，更多地要借助地質力學模型試驗手段來解決。大量的工程實踐證明，地質力學模型試驗方法是研究大型巖土工程問題，特別是地下工程問題的一種行之有效的方法。

1 模型材料

根據相似理論，模型的幾何尺寸、邊界條件、荷載及相似材料的容重、強度及變形特性等方面必須與原型相似。一般根據要研究問題的性質，尋找滿足主要參數相似的材料。例如，對于沿夾層滑動的穩定問題，夾層材料的相似性必須嚴格滿足，而巖體的某些材料參數的相似性可以適當放寬。

目前國內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，具有代表性的是韓伯鯉等研制的MSB材料和馬芳平等研制的NIOS相似材料,這2種材料都具有較好的性能,但都具有不足的地方。酒精易于揮發，干燥時間短，可縮短試驗周期；沒有任何毒副作用，不會對人體造成傷害：壓制成型的砌塊易于切割，能滿足模型拼裝砌筑的工藝要求；容重高、抗壓強度和彈性模量低；性能穩定，不生銹，有很高的絕緣性；由于各種材料拌和后未產生化學反應，因此試驗后的材料可重復使用，提高了材料的利用率和使用壽命等優點。

2 組合式模型試驗裝置

2.1組合式試驗臺

張強勇等研制的組合式三維模型試驗裝置，采用分體式設計，其主要由底盤、箱體、加載系統組成(見圖1)。其中，鋼臺架體由盒式鑄鋼構件通過高強度螺栓連接組合而成，而盒式鑄鋼構件采用25 Mn材料在鑄造鋼廠一次制模整體鑄造而成。鋼臺架底盤由8塊長250 cm、寬50cm、厚8 cm，其上帶有螺栓槽的型鋼鋼板并列拼接而成。另外，在隧洞部位，采用具有隧洞尺寸形狀的箱體拼裝，可并且采用鋼化玻璃覆蓋，這種設計即保證了模型的側向剛度，又可在試驗過程中可以觀察到隧洞的破壞部位和形狀。

1――底盤；2――盒式臺架；3――引線透氣孔；4――連接螺栓；

5――高強拉桿；6――剛肋；7――隧洞模型；8――鋼化玻璃

圖1 新型模型試驗裝置

該模型試驗臺具有剛度大、整體穩定性好、組裝靈活方便、尺寸可任意調整的特點，箱體根據不同的試驗要求組合成不同的形狀和尺寸。液壓加載系統的油管和測試導線易于引出，材料容易干燥。

2.2液壓加載系統

采用的液壓加載控制系統可實現自動控制液壓，并能長時間的(至少15d)保持設定的壓力值。該系統主要由液壓控制臺、41個噸位為300 kN的液壓千斤項、高壓油泵、油箱、液壓排氣系統、液壓傳感器等組成。模型項面模擬垂向重力荷載、左右兩個水平方向模擬梯級加載，各設5個千斤頂；底座與模型之間設有10個液壓千斤項；洞室軸線方向的4個梯級荷載在背面共設有16個千斤頂。此項模型試驗系統已申報國家發明專利。（見圖2）

圖2 加載裝置系統

3 量測技術

模型試驗一般測量的數據為應變和位移。模型變形測量方法大體可歸納為3類：機械法、電測法和光測法。計算機技術和自動化技術的應用保證了試驗結果測量的自動化和可靠性。

實驗力學發展最快的領域是量測和數據采集技術，每一項新的量測技術的誕生都會推動實驗水平的提高，地質力學試驗技術同樣如此。模型觀測的主要內容為應力、應變、位移、裂縫和破壞形態，測量的主要方法有電阻應變片和應變儀、 位移傳感器、激光散斑、云紋、攝象錄象等。在三維模型中，地質構造（如斷層或夾層）內部相對位移的測量十分重要，而內部位移傳感器并沒有現成的產品。長江科學院研制出一種高精度位移計，采用等強度梁的結構形式，用厚的磷銅片制成，在梁上、下部共貼 片電阻片，組成全橋電路，使用時將其埋設在構造面的下盤，其上埋一個固定樁，這樣就可以測量結構面上、下盤的相對位移。在數據采集技術上，目前已實現自動采集、實時監測和自動繪圖等全自動化流程。

4 模型試驗的工程應用

4.1大壩壩基抗滑穩定問題

對于大壩基巖抗滑穩定，尤其是深層抗滑穩定問題，地質力學模型可以比較全面地模擬地質構造及其組合，在加載過程中可以直接觀測到地質構造的變形及對大壩的影響、壩基破壞的路徑和超載安全度，尤其對于地質構造沿壩軸線方向有視傾角的三維問題，用模型試驗更有優勢。例如，葛洲壩二江泄水閘抗滑穩定、 三峽左廠房壩段整體穩定和銅街子廠房壩段穩定等問題都通過地質力學模型進行過大量的研究。

4.2拱壩壩肩抗滑穩定問題

拱壩壩肩穩定問題是典型的三維問題，尤其是存在復雜的地質構造和地形形態時，模型試驗有著不可替代的優點，它可以直觀地展現出壩肩巖體在拱推力作用下的變形和破壞過程以及大壩超載安全度。國內大多數大中型拱壩都采用模型試驗方法研究壩肩穩定問題，象龍羊峽、清江隔河巖、二灘、小灣、東風和李家峽等工程的拱壩。

4.3邊坡開挖和穩定問題

用試驗方法可以比較方便地研究邊坡在原始地應力作用下開挖卸荷作用， 也可以通過改變邊坡坡角的方法研究邊坡抗滑穩定安全儲備問題。例如在三峽永久船閘開挖邊坡、 清江隔河巖廠房高邊坡和三峽庫區鏈子崖危巖體邊坡等進行過這方面的試驗研究。

4.4 地下洞室開挖及圍巖穩定問題

地下洞室分級開挖、圍巖穩定性、洞室群之間的相互關系及噴錨支護等加固措施的研究是地質力學模型試驗的重要研究領域， 國內許多地下廠房或地下防護工程都采用過模型試驗研究圍巖穩定問題。

5結論

在模型材料方面，結構面相似材料大部分已解決，但結構體相似材料方面還有大量工作要做，還要尋找在保證重度和變形模量相似情況下，同時滿足各項強度指標和應力應變關系的相似材料，只有這樣才能模擬斷裂、流變和強度破壞等材料非線性特性。對于大變形模型要發展非接觸的測量裝置并自動轉換成數值信號。