大型水利水电工程高陡边坡全生命周期性能演化与安全控制bmpp.docx

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1、项目名称称：大型水利利水电工工程高陡陡边坡全全生命周周期性能能演化与与安全控控制首席科学学家：周创兵 武汉大大学起止年限限：20111.111-20016.8依托部门门：教育部 湖北北省科技技厅一、关键键科学问问题及研研究内容容（一）拟拟解决的的关键科科学问题题根据国家家水利水水电工程程建设重重大需求求、相关关学科国国际学术术前沿和和国内外外研究现现状，本本项目紧紧密围绕绕大型水水利水电电工程高高陡边坡坡全生命命周期性性能演化化与安全全控制理理论问题题，从河河谷演化化与边坡坡岩体工工程地质质特征、边边坡岩体体工程作作用、边边坡岩体体及结构构性能演演化等视视角，凝凝练出拟拟解决的的三个关关键科学

2、学问题。科学问题题一：高高地应力力区高陡陡边坡岩岩体工程程作用机机制与效效应西南高地地应力区区自然河河谷边坡坡经过长长期的地地质演化化，原岩岩应力强强烈卸荷荷，形成成了独特特的高陡陡边坡坡坡体结构构。深切切河谷演演化模式式、地应应力特征征和坡体体结构控控制自然然边坡稳稳定性，并并对高陡边边坡岩体体开挖、锚锚固支护护、渗流流控制等等工程作作用效应应、运行行期边坡坡性能演演化产生生重要影影响。边坡岩体体开挖过过程中，岩岩体应力力重分布布及储能能释放，导导致岩体体变形甚甚至局部部破坏，形形成开挖挖扰动区区（EDDZ）。边边坡岩体体结构特特征、地地应力水水平、开开挖方式式与程序序等对EEDZ的的孕育、

3、发发展和演演化起控控制作用用。对于于岩体爆爆破开挖挖，在爆爆炸荷载载与开挖挖卸荷耦耦合作用用下岩体体发生损损伤、裂裂纹扩展展，甚至至局部失失稳。因因此，需需要研究究爆破荷荷载与开开挖荷载载的耦合合作用机机制、爆爆破损伤伤与卸载载松动机机理、反反复扰动动的损伤伤累积效效应、边边坡岩体体EDZZ形成与与演化、边边坡开挖挖扰动区区岩体的的力学行行为、高高陡边坡坡开挖扰扰动效应应控制方方法等问问题。预应力锚锚索及抗抗剪洞、锚锚固洞等等加固措措施具有有复杂的的加固机机理。就就预应力力锚索加加固而言言，预应应力通过过锚索传传递至孔孔底，而而且不同同的锚固固方式具具有不同同的应力力传递模模式，锚锚索与砂砂浆

4、、砂砂浆与岩岩体之间间存在应应力传递递与变形形协调过过程。显显然，简简单地考考虑锚固固力或锚锚固件自自身刚度度的锚固固设计方方法尚不不足于揭揭示边坡坡岩体真真实的锚锚固效应应。因此此，需要要研究锚锚固件和和岩体的的相互作作用机制制、锚固固与联合合加固措措施的协协同作用用机制、锚固岩体的变形与结构强度特性以及锚固岩体力学行为等问题。水利水电电工程高高陡边坡坡渗流涉涉及天然然强降雨雨或泄洪洪雾化雨雨入渗机机理、饱饱和区与与非饱和和区演化化特征、边边坡岩体体饱和/非饱和和渗流及及其与应应力/变变形的耦耦合机理理、库水水位骤变变条件下下边坡岩岩体渗流流特性及及其对边边坡稳定定性的影影响等。因因此，需需

5、要研究究边坡岩岩体的地地质特征征对其渗渗透特性性及渗流流运动的的控制作作用，揭揭示边坡坡岩体渗渗流运动动规律，建建立排水水孔（幕幕）结构构的精细细化分析析方法以以及边坡坡渗流控控制的优优化设计计方法。本科学问问题旨在在揭示复复杂地质质条件下下高陡边边坡岩体体开挖、锚锚固、渗渗控的工工程作用用机制及及其力学学效应，为为工程边边坡岩体体变形与与稳定性性演化机机制研究究提供地地质基础础、力学学模型与与参数。科学问题题二：复复杂环境境下高陡陡边坡变变形与稳稳定性演演化机制制在全生命命周期中中高陡边边坡岩体体物理力力学性质质、锚固固体系以以及渗流流控制系系统的性性能演化化具有内内在的动动力学机机制与模模

6、式。高高陡边坡坡性能演演化的动动力主要要来自复复杂环境境因子，例例如库水水周期性性涨落形形成的循循环加卸卸载条件件、泄洪洪雾化形形成的干干湿循环环条件、库库水骤变变和地震震动力形形成的瞬瞬态荷载载条件。复杂环环境下高高陡边坡坡性能演演化始于于施工期期的强烈烈工程作作用，在在长期运运行过程程中表现现为边坡坡岩体与与锚固材材料性能能劣化、结结构老化化等时效效力学特特征。对对于超大大规模高高陡边坡坡，不同同部位由由于所处处的环境境不同往往往具有有不同的的演化特特征。边坡岩体体物理力力学性能能演化总总是从岩岩石材料料的细观观尺度开开始，逐逐步过渡渡到裂隙隙尺度和和岩体结结构尺度度。在细细观尺度度上，岩

7、岩石在复复杂荷载载作用下下微裂纹纹萌生、扩扩展、位位错，再再过渡到到裂隙尺尺度；当当新生裂裂隙与原原生节理理或裂隙隙汇聚、贯贯通后就就发展到到岩体结结构尺度度。这一一演化过过程与边边坡岩体体地质特特征密切切相关，同同时受控控于边坡坡岩体应应力场、渗渗流场以以及环境境因子的的多场耦耦合作用用。因此此，需要要研究复复杂荷载载条件下下岩体时时效特性性的宏细细观机制制、库水水变幅带带裂隙岩岩体水力力风化耦耦合机理理以及非非均匀岩岩体时效效力学特特性的多多尺度模模型等。高陡边坡坡锚固体体系与渗渗流控制制系统的的长期性性能演化化，一方方面有系系统自身身的演化化规律，另另一方面面受边坡坡岩体物物理力学学性能

8、演演化的影影响。例例如，锚锚索钢绞绞线在应应力、渗渗流、温温差变化化、化学学因子的的联合作作用下将将发生一一定程度度的腐蚀蚀，锚索索材料锈锈胀可能能引起砂砂浆包裹裹体和局局部岩体体开裂，如如果再经经受数次次极端工工况作用用，损伤伤就会不不断累积积，呈现现出渐进进破坏特特征，最最后导致致锚固体体系功能能失效。受受边坡岩岩体变形形和损伤伤累积的的影响，岩岩体渗透透性、渗渗透路径径将发生生变化，防防渗体系系可能丧丧失功能能，一些些排水孔孔幕也可可能因为为淤堵而而失效。因因此，需需要研究究复杂环环境下岩岩体及工工程措施施的耐久久性与功功能失效效机制以以及高陡陡边坡变变形与稳稳定性演演化规律律。本科学问

9、问题是大大型水利利水电工工程高陡陡边坡全全生命周周期性能能演化与与安全控控制理论论研究的的核心科科学问题题，旨在在揭示不不同环境境下高陡陡边坡性性能演化化机制，建建立高陡陡边坡全全生命周周期性能能演化的的时效力力学模型型。科学问题题三：高高陡边坡坡全生命命周期性性能评估估与安全全控制理理论复杂环境境下大型型水利水水电工程程高陡边边坡全生生命周期期性能演演化是不不可避免免的客观观现象。只只有揭示示性能演演化规律律，建立立演化模模型，才才能做到到科学设设计、准准确评估估、适时时控制。安全指标体系是进行高陡边坡性能评估和安全控制的依据。安全指标体系既要体现边坡变形与稳定性的本质特征，又要体现工程安全

10、的客观要求。鉴于现行的以边坡稳定性为基础的安全系数指标的不足，需要突破单一安全指标的局限，建立包含边坡变形和稳定性的综合安全指标体系。对于长服服役期的的高陡边边坡，需需要基于于性能演演化模型型，并结结合边坡坡监测反反馈分析析成果，评评估边坡坡演化阶阶段与稳稳定状态态，综合合评价边边坡安全全性及潜潜在风险险。这就就需要研研究基于于多源信信息融合合的高陡陡边坡性性能评估估方法。对对于在役役高陡边边坡，通通过性能能评估给给出健康康诊断与与安全预预警；对对于拟建建工程，重重要的是是基于全全生命周周期性能能演化规规律进行行边坡设设计。因因此，开开展基于于多源信信息融合合的高陡陡边坡性性能评估估方法研研究

11、是实实现边坡坡安全控制制的有效效手段。施工期安安全控制制主要是是根据边边坡岩体体工程作作用机制制与效应应，进行行岩体开开挖控制制、锚固固控制、渗渗流控制制等；运运行期主主要是基基于边坡坡性能演演化规律律，调控控库水位位变化速速率、泄泄洪量、边边坡排水水、锚固固体系工工作状态态等。因因此，需需要研究究高陡边边坡全生生命周期期安全控控制的策策略、方方法、途途径与时时机等。本科学问问题旨在在建立高高陡边坡坡全生命命周期性性能评估估方法，形形成一套套基于全全生命周周期性能能演化的的高陡边边坡设计计方法、安安全预警警与安全全控制理理论，为为大型水水利水电电工程建建设与运运行安全全、防灾灾减灾提提供科学学

12、依据。（二）主主要研究究内容围绕上述述关键科科学问题题，重点点研究高高陡边坡坡开挖、锚锚固与渗渗流控制制的工程程作用机机制；复复杂环境境下高陡陡边坡岩岩体的时时效力学学特征、锚固体体系与渗渗流控制制系统的的性能演演化机制制；高陡陡边坡全全生命周周期的变变形与稳稳定性演演化规律律；以及及高陡边边坡全生生命周期期性能评评估与安安全控制制等内容容。具体体开展以以下6个个方面的的研究。1、高地地应力区区河谷边边坡岩体体开挖扰扰动机制制(1) 深切河谷谷演化模模式及边边坡地应应力特征征(2) 高陡边坡坡深部裂裂缝地质质力学模模式(3) 边坡岩体体开挖扰扰动区的的形成与与演化机机制(4) 高陡边坡坡开挖扰

13、扰动效应应控制方方法2、高陡陡边坡岩岩体锚固固机理与与性能演演化特征征(1) 锚固体系系力学作作用机制制与结构构强度效效应(2) 边坡锚固固与联合合加固措措施的协协同作用用机制(3) 边坡锚固固体系性性能演化化机制及及其耐久久性(4) 边坡锚固固体系工工作性态态及健康康诊断方方法(5) 边坡锚固固体系安安全控制制标准与与评价方方法3、高陡陡边坡岩岩体渗透透特性与与渗流控控制机理理(1) 强卸荷边边坡岩体体渗透特特性及其其尺度效效应(2) 高渗压作作用下边边坡岩体体的渗流流运动规规律(3) 强雾化区区边坡岩岩体水气气两相流流运动特特性(4) 高陡边坡坡岩体非非线性渗渗流分析析与控制制4、复杂杂环

14、境下下工程边边坡岩体体时效力力学特性性(1) 复杂荷载载下岩体体时效特特性的宏宏细观机机制(2) 库水变幅幅带裂隙隙岩体水水力风化化耦合机机理(3) 锚固岩体体的时效效力学特特性及多多尺度模模型(4) 边坡岩体体损伤演演化宏细细观数值值分析方方法5、边坡坡与坝体体-库水水相互作作用及稳稳定性演演化机制制(1) 开挖与锚锚固过程程高陡边边坡变形形与稳定定性动态态特征(2) 大坝浇筑筑与蓄水水过程边边坡变形形与稳定定性动态态特征(3) 暴雨与库库水位骤骤变条件件下高陡陡边坡变变形破坏坏机制(4) 强震作用用下高陡陡边坡岩岩体动力力变形与与稳定性性特征(5) 高陡边坡坡变形与与稳定性性演化规规律与数

15、数值分析析方法6、高陡陡边坡全全生命周周期性能能评估与与安全控控制(1) 高陡边坡坡变形与与稳定性性综合评评价指标标体系(2) 高陡边坡坡性能多多源信息息融合与与评估方方法(3) 基于性能能演化的的高陡边边坡动态态设计方方法(4) 高陡边坡坡全生命命周期性性能监测测预警与与安全控控制本项目主主要研究究内容与与拟解决决的关键键科学问问题的关关系如图图1所示示。图1 项项目研究究内容与与科学问问题之间间的关系系二、预期期目标（一）总总体目标标围绕大型型水利水水电工程程高陡边边坡全生生命周期期安全控控制问题题，开展展高边坡坡岩体工工程作用用效应、时时效力学学特性、边边坡与坝坝体-库库水相互互作用以以

16、及性能能演化机机制的基基础研究究，阐明明高边坡坡岩体开开挖扰动动区的孕孕育演化化模式、大大型锚固固体系的的结构强强度特性性以及高高边坡岩岩体的渗渗流控制制机理，揭揭示复杂杂环境下下高陡边边坡全生生命周期期的性能能演化规规律，建建立基于于全生命命周期性性能演化化的大型型水利水水电工程程高陡边边坡变形形与稳定定性分析析方法，提提出边坡坡性能综综合评价价指标体体系与多多源信息息融合的的评估方方法，形形成一套套基于全全生命周周期性能能演化的的高陡边边坡设计计方法与与安全控控制理论论体系，为大型水利水电工程高陡边坡安全施工和运行提供理论支撑和技术平台，显著提升我国在高陡边坡研究领域的国际地位和学术影响力

17、。(1) 在国内内外高水水平学术术期刊发发表论文文2000篇（其其中SCCI、EEI、IISTPP收录论论文1550篇），出出版专著著6部；(2) 申请国国家发明明专利115220项，提出水水利水电电工程高高边坡国国家技术术标准建建议1项项；(3) 培养博博士生550名，硕硕士生880名，凝凝聚和培培育一批批从事水水利水电电高边坡坡工程研研究的高高水平队队伍，形形成本领领域优秀秀创新团团队；(4) 建立一一流的高高边坡安安全预警警与控制制综合研研究平台台，推进进大型水水利水电电工程建建设与运运行安全全基础研研究的原原始创新新和集成成创新。（二）阶阶段目标标1、项目目起步阶阶段全面启动动研究工工

18、作。研研制所需需的试验验系统，包包括岩石石动静荷荷载三轴轴试验系系统、大大尺寸结结构面剪剪切-渗渗流耦合合试验系系统、预预应力锚锚固机理理试验系系统、锚锚固体系系应力腐腐蚀试验验系统、大大型边坡坡变形破破坏的离离心模型型试验系系统与磁磁力模型型试验系系统等。通通过开展展系统的的室内试试验、现现场原位位试验和和时效性性能试验验，初步步揭示高高地应力力区高边边坡岩体体开挖扰扰动区的的形成机机制与演演化特征征、高边边坡岩体体的锚固固机理、强强卸荷边边坡岩体体的渗透透特性、渗渗控性能能演化规规律以及及高陡边边坡岩体体的时效效变形与与渐进破破坏特征征。建立我国国西南地地区深切切河谷地地质演化化模式及及河

19、谷边边坡地应应力场地地质力学学模型，揭揭示高陡陡边坡岩岩体深部部卸荷带带孕育、形形成与演演化机制制。通过过试验和和理论研研究，揭揭示锚固固体系中中锚固件件与胶结结材料、胶胶结材料料与岩体体之间的的应力传传递机制制和变形形协调过过程，建建立大型型锚固体体系的结结构性强强度模型型。发表论文文20篇，申申请发明明专利334项项。2、主要要研究阶阶段开展高应应力区河河谷边坡坡开挖扰扰动区的的形成与与演化机机理研究究，建立立开挖扰扰动区岩岩体变形形特性、强强度特性性和渗透透特性的的时空演演化模型型，提出出高陡边边坡开挖挖扰动效效应的控控制理论论与方法法。研究究边坡锚锚固与抗抗剪洞、锚锚固洞等等联合加加固

20、措施施的荷载载分担和和协同作作用机制制，建立立边坡锚锚固体系系的性能能演化模模型，提提出边坡坡锚固体体系工作作状态与与健康诊诊断方法法，构建建边坡锚锚固体系系安全控控制标准准与评价价方法。提出强卸卸荷边坡坡岩体渗渗透特性性的建模模与分析析方法，揭揭示边坡坡岩体渗渗透特性性及渗流流运动的的各向异异性、尺尺度效应、非非饱和性性以及渗渗流与应应力/变变形的耦耦合特性性。研究究强雾化化区边坡坡岩体水水气两相相流运动动规律、库库水变幅幅带边坡坡岩体水水力风化化耦合机机理以及及大型排排水孔幕幕结构的的渗流控控制原理理，建立立高陡边边坡非线线性渗流流场模拟拟方法及及渗控优优化设计计方法。研究复杂杂荷载条条件

21、下边边坡岩体体时效特特性及其其宏细观观机制，建建立非均均质高陡陡边坡岩岩体时效效力学特特性的多多尺度模模型，揭揭示高陡陡边坡锚锚固岩体体的时效效力学特特性，建建立锚固固岩体时时效本构构模型，提提出边坡坡锚固岩岩体损伤伤演化的的宏细观观数值分分析方法法。建立高陡陡边坡全全生命周周期变形形与稳定定性分析析方法，研研究边坡坡在开挖挖、锚固固、大坝坝浇筑、水水库蓄水水及运行行过程中中的变形形与稳定定性动态态特征，阐阐明高陡陡边坡在在泄洪雾雾化雨、库库水位骤骤变以及及强震作作用下的的渐进破破坏机制制与稳定定性演化化规律。建建立综合合考虑变变形与稳稳定性的的高陡边边坡性能能评价指指标体系系，提出出基于多多

22、源信息息融合的的高陡边边坡性能能评估方方法。发表论文文130篇，申申请发明明专利99122项，培培养博士生生35名名，硕士士生555名，出出版专著著4部。3、研究究成果集集成与总总结验收收阶段提出基于于全生命命周期性性能演化化的高陡陡边坡动动态设计计理论与与方法，研研发高陡陡边坡稳稳定性监监测与安安全预警警平台，建建立高陡陡边坡全全生命周周期安全全控制理理论与方方法，形形成一套套基于全全生命周周期性能能演化的的高陡边边坡设计计、评价价与安全全控制理理论体系系。依托西南南地区典典型大型型水利水水电高陡陡边坡工工程开展展应用研研究，检检验和完完善上述述相关研研究成果果。发表论文文50篇，申申请发明

23、明专利334项项，培养养博士生生15名名，硕士士生255名，出出版专著著2部；提出水水利水电电工程高高边坡国国家技术术标准建建议1项项。编写项目目研究报报告、完完成结题题验收工工作。三、研究究方案（一）学学术思想想和总体体研究思思路本项目以以国家重重大需求求和相关关学科前前沿为导导向，从从高陡边边坡的地地质属性性、力学学行为和和工程性性能三个个基本视视角，围围绕大型型水利水水电工程程高陡边边坡岩体体性能演演化与安安全控制制问题开开展基础础研究。本本研究体体现如下下三个主主要学术术思想：(1) 河谷边边坡演化化、岩体工工程作用用与运行行环境共共同对高高陡边坡坡稳定性性起控制制作用的的思想。河谷边

24、边坡是不不断演化化的有其其自身生生命周期期的地质质体，其其所处的的演化阶阶段与特特征决定定了河谷谷边坡复复杂的工工程地质质条件；边坡施施工期大大规模开开挖、锚锚固与渗渗流控制制等工程程作用是是对河谷谷边坡自自然演化化进程的的人为干预预和强烈扰扰动；边边坡运行行期库水水涨落、泄泄洪雾化化及地震震等极端端环境影影响边坡坡稳定与与安全。河谷边坡自然演化、工程作用、运行环境组成了复杂的广义耦合系统（如图2所示），它们共同对高陡边坡的变形与稳定性起控制作用。因此，本项目研究以河谷边坡的自然演化模式、地应力分布特征以及坡体结构的形成机理研究为基础，以施工期边坡岩体开挖、锚固与渗流控制的工程作用效应和运行期

25、的环境作用效应为突破点，从而为研究高陡边坡全生命周期性能演化规律奠定基础。图2 河河谷演化化、工程作作用与运运行环境境对高陡陡边坡稳稳定性的的控制作作用(2) 复杂环环境下高高陡边坡坡全生命命周期性性能演化化具有宏宏细观动动力学机机制的思思想。边边坡岩体体结构特特征既表表现为细细观尺度度上微裂裂隙的空空间分布布与排列列方式，也也表现为为宏观尺尺度上断断裂构造造的发育育特征与与空间组组合关系系。边坡坡岩体开开挖、锚锚固支护护、渗流流控制以以及库水水与地下下水作用用所产生生的边坡坡岩体宏宏观力学学响应，首首先是从从细观尺尺度上微微裂纹的的萌生、扩扩展以及及细观结结构的演演化开始始的，当当岩体损损伤

26、积累累至一定定程度，宏宏观裂隙隙随之产产生，并并与原生生结构面面汇聚、贯贯通，从从而改变变岩体结结构特性性。锚固固体系的的老化也也是从锚锚索材料料的微细细观锈蚀蚀、锈胀胀、砂浆浆包裹体体微破裂裂开始的的，逐步步转化为为宏观应应力松弛弛，直至至功能失失效。在在边坡稳稳定性演演化过程程中，宏宏观变形形一般经经历初始始变形、等等速变形形、加速速变形和和失稳破破坏过程程。高陡陡边坡全全生命周周期性能能演化的的细观机机制是正正确建立立边坡变变形与稳稳定性宏宏观规律律的基础础。(3) 水利水水电工程程高陡边边坡安全全控制贯贯穿于工工程设计计、施工工和运行行全过程程的思想想。目前前，高陡陡边坡稳稳定性安安全

27、控制制大多只只强调施施工期的的安全控控制和运运行期的的监测反反馈，而而没有将将工程设设计纳入入安全控控制体系系，更没没有在安安全控制制中将边边坡性能能演化机机制考虑虑在内。这这种安全全控制在在本质上上属于“事事后”控控制范畴畴。由于于现行边边坡设计计规范和和技术标标准不能能适应超超大规模模高陡边边坡工程程需求，也也就难以以获得科科学合理理的边坡坡设计方方案。如如果对高高陡边坡坡性能演演化机制制缺乏本本质认识识，就难难以建立立合理的的评价指指标体系系。因此此，高陡陡工程边边坡的安安全控制制要以全全生命周周期性能能演化规规律为核核心，统统筹兼顾顾设计、施施工和运运行不同同阶段的的安全控控制。基于上

28、述述学术思思想，本本项目拟拟采用的的总体研研究思路路是：以以大型水水利水电电工程高高陡边坡坡全生命命周期性性能演化化规律为为核心，综综合运用用工程地地质学、岩岩石力学学、渗流流力学、损损伤力学学、水利利水电工工程、安安全工程程、系统统工程等等多学科科理论与与方法，采采用室内内外试验验、现场场监测与与反馈、理理论分析析与数值值模拟等等多种方方法，遵遵循“地地质概化化、理论论建模、试试验验证证、数值值模拟、工工程应用用”的研研究路线线，开展展大型水水利水电电工程高高陡边坡坡岩体开开挖、锚锚固与渗渗流控制制的工程程作用效效应与时时效力学学特性的的基础研研究，揭揭示高陡陡边坡在在开挖、锚锚固、水水库蓄

29、水水、运行行以及极极端环境境条件下下的变形形与稳定定性动态态演化特特征，建建立高陡陡边坡性性能综合合评价指指标体系系与评估估方法，提提出基于于全生命命周期性性能演化化的高陡陡边坡设设计、安安全预警警与安全全控制方方法，依依托我国国西南地地区典型型大型水水利水电电高陡边边坡工程程，开展展全生命命周期性性能演化化与安全全控制的的应用研研究。（二）技技术路线线基于上述述学术思思想和总总体研究究思路，本项目总体技术路线如图3所示：图3项目目总体技技术路线线示意本项目运运用工程程地质、力力学、水水利水电电工程及及安全工工程等学学科的基基本理论论、方法法和技术术，采用用室内外外试验、现现场监测测与反馈馈、

30、理论论分析及及数值模模拟等综综合手段段，围绕绕三个关关键科学学问题开开展研究究，研究究力求地地质分析析模型化化、稳定定分析定定量化、边边坡设计计动态化化及安全全控制精精细化，并并结合依依托工程程的高陡陡边坡进进行验证证与示范范。各课题研究究工作拟拟采取如如下技术术路线。1、高地地应力区区河谷边边坡岩体体开挖扰扰动机制制基于地质质调研和和工程地地质分析析，从河河谷地质质建造与与改造的的角度研研究深切切河谷演演化规律律及控制制条件，建建立典型型深切河河谷地区区的河谷谷演化模模式；运运用地球球内外动动力耦合合作用及及浅表生生改造理理论，研研究不同同河谷演演化阶段段河谷坡坡体结构构与地应应力场特特征；

31、通通过地质质力学模模型试验验，分析析不同河河谷演化化阶段的的坡体结结构与边边坡变形形破坏特特征，揭揭示深部部裂缝的的发育分分布规律律、变形形破坏特特征和力力学属性性，进而而分析岩岩体深部部裂缝孕孕育-形形成-演演化过程程，建立立深部裂裂缝地质质力学模模式，提提出深部部裂缝的的工程性性质评价价方法。运用时域域和空间间场叠加加原理，研研究边坡坡岩体开开挖应力力重分布布的动力力学过程程，揭示示边坡岩岩体的动动力损伤伤机理，基基于钻孔孔电视、CCT扫描描和开挖挖前后岩岩体声波波对比检检测，建建立岩体体动力损损伤安全全判据。开开展含节节理边坡坡开挖松松动室内内模型试试验，研研究并揭揭示开挖挖荷载瞬瞬态卸

32、荷荷、爆炸炸荷载及及其耦合合作用诱诱发边坡坡岩体松松动力学学机制，确确定不同同岩体应应力水平平、岩性性及卸载载速率下下边坡岩岩体开挖挖松动区区分布规规律。针对锦屏屏一级和和大岗山山水电站站高陡边边坡，研研究爆破破荷载和和开挖瞬瞬态卸荷荷反复扰扰动的动动力学过过程，通通过岩体体损伤声声波检测测和钻孔孔CT，揭揭示重复复扰动下下的岩体体累积损损伤效应应及演化化规律；通过室室内试验验研究开开挖扰动动区岩体体的时效效力学特特性，建建立考虑虑累积损损伤效应应的岩体体时效分分析模型型；通过过现场调调研和监监测反馈馈，研究究高陡边边坡开挖挖损伤、松松动及变变形渐进进发展过过程，揭揭示开挖挖扰动区区的时空空分

33、布特特征，最最终确定定开挖扰扰动区岩岩体力学学参数。通过现场场试验，建建立边坡坡岩体爆爆破损伤伤判据，提提出基于于边坡岩岩体开挖挖爆破损损伤控制制的设计计准则。基基于能量量守恒原原理，建建立边坡坡岩体卸卸荷松动动和爆破破松动的的应变能能密度判判据，结结合室内内物理模模拟试验验，提出出基于高高地应力力条件下下岩体松松动控制制的边坡坡开挖优优化设计计方法。2、高陡陡边坡岩岩体锚固固机理与与性能演演化特征征开展大尺尺度物理理模型试试验、现现场锚固固试验和和大规模模数值仿仿真模拟拟研究，对对预应力力锚固体体系的荷荷载传递递、应力力调整、压压密剪胀胀、加筋筋等力学学作用机机制进行行深入分分析，揭揭示预应

34、应力锚固固体系的的综合作作用效应应，建立立预应力力锚固的的结构性性强度模模型。进进行边坡坡岩体大大尺度物物理模型型试验、离心机机模型试试验和数数值模拟拟分析，研研究锚固固与其它它加固措措施（如如抗剪洞洞、锚固固洞等）组组成的联联合加固固体系的的荷载分分担与协协同作用用机制。通过拟环环境多因因素耦合合作用腐腐蚀试验验，研究究预应力力、酸性性离子、湿湿度、温温度和杂杂散电流流等因素素综合影影响下的的钢绞线线、砂浆浆包裹体体的腐蚀蚀特征，揭揭示钢绞绞线锈胀胀、砂浆浆包裹体体性质劣劣化、胶胶结性能能降低对对锚固性性能的影影响。基基于锚索索开挖试试验成果果，分析析锈蚀分分布规律律以及长长期影响响因素，提

35、提出锚固固体系健健康状况况辨识指指标，建建立预应应力锚索索损伤演演化模型型；通过过现场埋埋置试验验，运用用超导声声波、光光纤等先先进技术术，研发发复杂环环境下锚锚索腐蚀蚀破坏及及健康诊诊断检测测与监测测技术。采用定性性分析与与定量计计算相结结合的方方法，建建立边坡坡锚固体体系安全全控制标标准和评评价方法法体系。依依托锦屏屏一级和和大岗山山水电站站高边坡坡工程开开展应用用研究，建建立完善善的边坡坡岩体锚锚固优化化设计与与预应力力锚固体体系长期期性能评评价方法法体系。3、高陡陡边坡岩岩体渗透透特性与与渗流控控制机理理开展岩石石渗流-应力耦耦合三轴轴试验及及结构面面渗流-剪切耦耦合试验验，研究究岩石

36、及及结构面面在损伤伤积累和和渐进破破坏过程程中的渗渗流运动动规律，建建立岩石石和结构构面渗透透特性演演化模型型。通过过考虑裂裂隙岩体体的多尺尺度结构构特征，运运用确定定性与随随机性相相结合的的方法构构建裂隙隙网络模模型，采采用均匀匀化方法法建立边边坡岩体体渗透特特性张量量模型。结结合课题题1的研研究，通通过现场场交叉孔孔压水试试验和微微震监测测，研究究高陡边边坡强卸卸荷岩体体的渗透透特性演演化规律律。通过室内内模拟试试验，研研究结构构面的水水气两相相流运动动特性，建建立反映映结构面面几何形形态和持持水机制制的水气气两相流流模型。通通过现场场降雨入入渗试验验和钻孔孔压水试试验，研研究边坡坡岩体的

37、的降雨入入渗机制制以及饱饱和/非非饱和渗渗流运动动规律，建建立边坡坡岩体降降雨入渗渗率模型型、高渗渗压条件件下的渗渗流模型型等。通过物理理模型试试验，研研究边坡坡岩体排排水孔幕幕的渗流流控制效效应，提提出基于于过程、状状态、参参数和边边界控制制的渗控控效应评评价方法法。通过过现场调调查与实实例分析析，研究究复杂环环境下排排水孔幕幕等渗控控结构的的老化机机制、性性能演化化规律和和主要影影响因素素，建立立渗控结结构性能能评价指指标体系系，提出出考虑渗渗透性演演化与渗渗控结构构耐久性性的高陡陡边坡岩岩体渗流流控制系系统优化化设计方方法。针针对边坡坡岩体稳稳定/非非稳定、饱饱和/非非饱和渗渗流以及及水

38、气两两相流问问题，研研究边坡坡岩体三三维非线线性渗流流场的高高效数值值分析方方法。结结合锦屏屏一级、大大岗山水水电工程程高陡边边坡，开开展水库库蓄水、库库水位周周期性涨涨落以及及暴雨、泄泄洪雾化化条件下下的三维维渗流场场模拟与与验证。4、复杂杂环境下下工程边边坡岩体体的时效效力学特特性选取典型型水电工工程边坡坡的天然然岩样，进进行物性性试验、细细观力学学试验（SSEM、CCT、CCT中的的压缩试试验）与与结构分分析、静静动荷载载下的三三轴压缩缩试验、三三轴蠕变变试验等等，分别别从细观观和宏观观角度研研究短期期、长期期力学行行为。在在试验的的基础上上，研究究岩石细细观结构构特征及及其力学学性质与

39、与岩块、结结构面以以及岩体体结构等等多个层层次宏观观力学特特性的内内在联系系，采用用时间扩扩展法、非线性均匀化方法和多尺度分析理论，分别建立边坡岩体的短期、长期多尺度力学模型和短长期水-力耦合多尺度模型。根据细观结构分析结果，采用改进的离散元数值方法，模拟岩样的宏观短长期力学行为。进行不同同饱和度度条件下下岩样的的物性试试验及细细观结构构分析、细细观压痕痕试验、纳米压痕试验、三轴压缩试验和三轴蠕变试验，从细观角度研究水对岩样主要矿物成份及力学行为的影响。通过毛细压力和表面张力的细观分析，建立非饱和条件下岩体的短长期水-力耦合多尺度模型。通过拟环境试验，得到不同风化程度的试样，开展相关试验，揭示

40、岩体细观结构和力学特性与风化状态的关系，建立水力风化耦合时效力学模型。结合课题2的研究成果，采用均匀化方法，建立反映锚固机理及性能演化的锚固岩体时效力学模型。基于边坡坡岩体水水力风化化耦合模模型和锚锚固岩体体时效力力学模型型，采用用扩展有有限元方方法描述述裂隙的的扩展过过程，提提出边坡坡岩体吸吸水、脱脱水和风风化环境境下边坡坡岩体损损伤演化化数值分分析方法法，并采采用改进进的离散散元分析析方法，研研究接触触面力学学性能变变化与宏宏观损伤伤演化过过程的内内在联系系。结合合锦屏一一级、大大岗山水水电工程程高陡边坡坡开展研研究，对对边坡岩岩体的时时效力学学模型和和数值分分析方法法进行初初步验证证和应

41、用用。5、边坡坡与坝体体-库水水相互作作用及稳稳定性演演化机制制研究能考考虑边坡坡裂隙动动态扩展展的高阶阶流形元元法，改改善不连连续变形形分析方方法的数数值特性性，建立立基于关关键块体体理论的的三维严严格极限限平衡法法，发展展能考虑虑动力特特性的三三维矢量量和方法法。结合合课题114研研究成果果，进行行不同开开挖和锚锚固方式式下边坡坡岩体变变形计算算分析，研研究施工工期边坡坡岩体的的开挖方方式、顺顺序、速速度与锚锚固时机机、强度度、布局局等关键键因素对对边坡岩岩体变形形与稳定定性的影影响，分分析开挖挖扰动区区范围与与分布特特征、锚锚固体系系内力分分布及其其与围岩岩相互作作用机制制，揭示示施工过

42、过程中边边坡变形形和稳定定性的动动态演化化特性。依托锦屏屏一级和和大岗山山等大型型水电工工程高陡陡边坡，采用大型数值模拟技术，进行大坝不同浇筑时机和速度条件下边坡的变形和稳定性计算分析，揭示大坝浇筑过程中边坡应力与变形的变化规律，研究边坡变形对坝体应力场及变形场的影响；从岩体水-力耦合模型出发，研究不同蓄水速度对边坡渗流场、岩体应力及变形的影响，揭示蓄水过程中高边坡的变形与稳定性演化规律。根据岩体的饱和/非饱和渗流模型，进行高边坡在暴雨/泄洪雾化条件下的变形和稳定性计算分析；研究库水位骤升、骤降速度对边坡变形和稳定性的影响，提出满足边坡安全要求的库水位骤变临界条件，揭示全生命周期内边坡在暴雨/

43、泄洪雾化和库水位反复涨落条件下的稳定性演化机制。研究高边坡在不同地震动输入方式下的动力响应以及边坡动力放大效应，探讨强震对锚固体系累积损伤的影响；同时，进行边坡-坝体-库水三维动力特性模拟，研究边坡变形与稳定性的水库动水压力效应。6、高陡陡边坡全全生命周周期性能能评估与与安全控控制收集和整整理大型型水电工工程高陡陡边坡案案例资料料，建立立高陡边边坡数据据库。采采用实例例推理和和专家系系统，研研究高陡陡边坡全全生命周周期性能能演化过过程中的的不确定定性因素素及失事事后果，建建立高陡陡边坡变变形与稳稳定性评评价指标标体系。借鉴国外边坡风险接受准则，考虑国内风险接受水平及风险决策的倾向性，提出高陡边

44、坡风险接受准则。采用马尔尔可夫链链-贝叶叶斯法等等多维数数据动态态分析方方法，对对多源监监测信息息进行集集成和融融合分析析。通过过工程类类比、数数值分析析、信息息熵方法法，提出出基于多多源信息息融合的的高陡边边坡性能能的确定定性评估估方法。综合考虑影响高陡边坡性能演化的不确定性因素，建立高陡边坡失事概率演化模型，提出边坡失事的动态风险评估方法。将课题115所所研究的的岩体开开挖扰动动区形成成与时空空分布模模型、锚锚固体系系性能劣劣化模型型、渗流流控制系系统老化化模型、岩岩体时效效力学模模型等应应用于高高陡边坡坡设计。运运用边坡坡施工信信息、安安全监测测信息进进行边坡坡性能动动态反馈馈分析，将将

45、目前流流行的“信信息化施施工、动动态设计计方法”拓拓展为基基于全生生命周期期性能演演化的高高陡边坡坡设计方方法。以锦屏一一级和大大岗山水水电工程程高陡边边坡为典典型案例例，采用用岩体微微震监测测技术捕捕捉边坡坡岩体变变形与局局部破坏坏信息。通通过分析析高陡边边坡不同同演化阶阶段的稳稳定状态态与各监监测物理理量间的的相关关关系，建建立高陡陡边坡的的安全等等级和预预警指标标。基于于复杂环环境下边边坡性能能的评估估结果，提提出边坡坡的安全全预警等等级划分分方法。根根据高陡陡边坡变变形与稳稳定性演演化机理理，建立立一套包包含设计计调控、施施工与运运行控制制相协调调的、工工程与非非工程措措施相配配套的、

46、基基于高陡陡边坡全全生命周周期性能能演化的的安全控控制理论论。（三）创创新点与与特色1、创新新点创新点一一：高陡陡边坡岩岩体开挖挖、锚固固与渗流流控制的的工程作作用效应应及分析析模型反映由河河谷演化化模式、地地应力特特征和坡坡体结构构等多因因素协同同控制的的西南高高地应力力区高陡陡边坡深深部裂缝缝地质力力学模式式，从而而揭示深深切河谷谷赋存环环境与演演化历史史；考虑虑爆炸荷荷载与开开挖载荷荷瞬态卸卸荷联合合作用效效应的高高陡边坡坡岩体开开挖扰动动区分析析模型，以揭示示高地应应力区边边坡岩体体开挖扰扰动区特特有的形形成与演演化机制制；基于于高陡边边坡锚固固效应宏宏细观机机制所建建立的锚锚固体系系

47、结构性性强度模模型；考考虑边坡坡岩体渗渗透特性性以及渗渗流运动动的各向向异性、多多尺度效效应、非非饱和性性和多场场耦合特特性，基基于过程程、状态态、参数数和边界界控制的的渗流控控制原理理与优化化设计方方法。该该创新点点体现了了河谷边边坡演化化与岩体体工程作作用对高高陡边坡坡稳定性性起控制制作用的的学术思思想。创新点二二：复杂杂环境下下高陡边边坡岩体体的时效效特性、性性能演化化模型与与分析方方法基于宏细细观机制制的复杂杂环境下下边坡岩岩体时效效特性与与力学模模型；库库水变幅幅带边坡坡岩体的的水力风风化耦合合机理以以及考虑虑锚固体体系性能能劣化机机制的边边坡锚固固岩体多多尺度时时效力学学模型；充分

48、考考虑高陡陡边坡岩岩体工程程作用效效应以及及复杂运运行环境境作用效效应的边边坡岩体体、锚固固体系及及渗流控控制系统统全生命命周期性性能演化化模型；考虑工工程作用用效应和和时效力力学特性性的高陡陡边坡全全生命周周期变形形与稳定定性分析析方法。该该创新点点体现了了复杂环环境下高高陡边坡坡全生命命周期性性能演化化具有宏宏细观动动力学机机制的学学术思想想。创新点三三：基于于全生命命周期性性能演化化的水利利水电工工程高陡陡边坡安安全控制制理论综合考虑虑变形与与稳定性性演化特特征的高高陡边坡坡性能评评价指标标体系和和基于多多源信息息融合的的高陡边边坡性能能评估方方法，以以突破现现行的单单一边坡坡安全指指标的局局限；基基于全生生命周期期性能演演化的高高陡边坡坡设计、监监测预警警以及安安全控制制的理论论与方法法，填补补全生命命周期边边坡岩体体微破裂裂实时监监测与评评估技术术的空白白。该创创新点体体现了水水利水电电工程高高陡边坡坡安全控控制贯穿穿于工程程设计、施施工和运运行全过过程的学学术思想想。2、研究究特色本项目的的研究特特色主要要体现在在研究对对象的针针对性、科科学问题题的前瞻瞻性、研研究内容容的整体体性、研研究方法法的先进进性等四四个方面面。(1)研研究对象象的针对对性：本本项目以以重大国国家需求求和相关关学科发发展前沿沿为导向向，以西西南地