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汇编.docx

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汇编.docx

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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汇编

项目名称：

大型水利水电工程高陡边坡全生命周期性能演化与安全控制

首席科学家：

周创兵武汉大学

起止年限：

2011.11-2016.8

依托部门：

教育部湖北省科技厅

一、关键科学问题及研究内容

（一）拟解决的关键科学问题

根据国家水利水电工程建设重大需求、相关学科国际学术前沿和国内外研究现状，本项目紧密围绕大型水利水电工程高陡边坡全生命周期性能演化与安全控制理论问题，从河谷演化与边坡岩体工程地质特征、边坡岩体工程作用、边坡岩体及结构性能演化等视角，凝练出拟解决的三个关键科学问题。

科学问题一：

高地应力区高陡边坡岩体工程作用机制与效应

西南高地应力区自然河谷边坡经过长期的地质演化，原岩应力强烈卸荷，形成了独特的高陡边坡坡体结构。

深切河谷演化模式、地应力特征和坡体结构控制自然边坡稳定性，并对高陡边坡岩体开挖、锚固支护、渗流控制等工程作用效应、运行期边坡性能演化产生重要影响。

边坡岩体开挖过程中，岩体应力重分布及储能释放，导致岩体变形甚至局部破坏，形成开挖扰动区（EDZ）。

边坡岩体结构特征、地应力水平、开挖方式与程序等对EDZ的孕育、发展和演化起控制作用。

对于岩体爆破开挖，在爆炸荷载与开挖卸荷耦合作用下岩体发生损伤、裂纹扩展，甚至局部失稳。

因此，需要研究爆破荷载与开挖荷载的耦合作用机制、爆破损伤与卸载松动机理、反复扰动的损伤累积效应、边坡岩体EDZ形成与演化、边坡开挖扰动区岩体的力学行为、高陡边坡开挖扰动效应控制方法等问题。

预应力锚索及抗剪洞、锚固洞等加固措施具有复杂的加固机理。

就预应力锚索加固而言，预应力通过锚索传递至孔底，而且不同的锚固方式具有不同的应力传递模式，锚索与砂浆、砂浆与岩体之间存在应力传递与变形协调过程。

显然，简单地考虑锚固力或锚固件自身刚度的锚固设计方法尚不足于揭示边坡岩体真实的锚固效应。

因此，需要研究锚固件和岩体的相互作用机制、锚固与联合加固措施的协同作用机制、锚固岩体的变形与结构强度特性以及锚固岩体力学行为等问题。

水利水电工程高陡边坡渗流涉及天然强降雨或泄洪雾化雨入渗机理、饱和区与非饱和区演化特征、边坡岩体饱和/非饱和渗流及其与应力/变形的耦合机理、库水位骤变条件下边坡岩体渗流特性及其对边坡稳定性的影响等。

因此，需要研究边坡岩体的地质特征对其渗透特性及渗流运动的控制作用，揭示边坡岩体渗流运动规律，建立排水孔（幕）结构的精细化分析方法以及边坡渗流控制的优化设计方法。

本科学问题旨在揭示复杂地质条件下高陡边坡岩体开挖、锚固、渗控的工程作用机制及其力学效应，为工程边坡岩体变形与稳定性演化机制研究提供地质基础、力学模型与参数。

科学问题二：

复杂环境下高陡边坡变形与稳定性演化机制

在全生命周期中高陡边坡岩体物理力学性质、锚固体系以及渗流控制系统的性能演化具有内在的动力学机制与模式。

高陡边坡性能演化的动力主要来自复杂环境因子，例如库水周期性涨落形成的循环加卸载条件、泄洪雾化形成的干湿循环条件、库水骤变和地震动力形成的瞬态荷载条件。

复杂环境下高陡边坡性能演化始于施工期的强烈工程作用，在长期运行过程中表现为边坡岩体与锚固材料性能劣化、结构老化等时效力学特征。

对于超大规模高陡边坡，不同部位由于所处的环境不同往往具有不同的演化特征。

边坡岩体物理力学性能演化总是从岩石材料的细观尺度开始，逐步过渡到裂隙尺度和岩体结构尺度。

在细观尺度上，岩石在复杂荷载作用下微裂纹萌生、扩展、位错，再过渡到裂隙尺度；当新生裂隙与原生节理或裂隙汇聚、贯通后就发展到岩体结构尺度。

这一演化过程与边坡岩体地质特征密切相关，同时受控于边坡岩体应力场、渗流场以及环境因子的多场耦合作用。

因此，需要研究复杂荷载条件下岩体时效特性的宏细观机制、库水变幅带裂隙岩体水力风化耦合机理以及非均匀岩体时效力学特性的多尺度模型等。

高陡边坡锚固体系与渗流控制系统的长期性能演化，一方面有系统自身的演化规律，另一方面受边坡岩体物理力学性能演化的影响。

例如，锚索钢绞线在应力、渗流、温差变化、化学因子的联合作用下将发生一定程度的腐蚀，锚索材料锈胀可能引起砂浆包裹体和局部岩体开裂，如果再经受数次极端工况作用，损伤就会不断累积，呈现出渐进破坏特征，最后导致锚固体系功能失效。

受边坡岩体变形和损伤累积的影响，岩体渗透性、渗透路径将发生变化，防渗体系可能丧失功能，一些排水孔幕也可能因为淤堵而失效。

因此，需要研究复杂环境下岩体及工程措施的耐久性与功能失效机制以及高陡边坡变形与稳定性演化规律。

本科学问题是大型水利水电工程高陡边坡全生命周期性能演化与安全控制理论研究的核心科学问题，旨在揭示不同环境下高陡边坡性能演化机制，建立高陡边坡全生命周期性能演化的时效力学模型。

科学问题三：

高陡边坡全生命周期性能评估与安全控制理论

复杂环境下大型水利水电工程高陡边坡全生命周期性能演化是不可避免的客观现象。

只有揭示性能演化规律，建立演化模型，才能做到科学设计、准确评估、适时控制。

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。

对于长服役期的高陡边坡，需要基于性能演化模型，并结合边坡监测反馈分析成果，评估边坡演化阶段与稳定状态，综合评价边坡安全性及潜在风险。

这就需要研究基于多源信息融合的高陡边坡性能评估方法。

对于在役高陡边坡，通过性能评估给出健康诊断与安全预警；对于拟建工程，重要的是基于全生命周期性能演化规律进行边坡设计。

因此，开展基于多源信息融合的高陡边坡性能评估方法研究是实现边坡安全控制的有效手段。

施工期安全控制主要是根据边坡岩体工程作用机制与效应，进行岩体开挖控制、锚固控制、渗流控制等；运行期主要是基于边坡性能演化规律，调控库水位变化速率、泄洪量、边坡排水、锚固体系工作状态等。

因此，需要研究高陡边坡全生命周期安全控制的策略、方法、途径与时机等。

本科学问题旨在建立高陡边坡全生命周期性能评估方法，形成一套基于全生命周期性能演化的高陡边坡设计方法、安全预警与安全控制理论，为大型水利水电工程建设与运行安全、防灾减灾提供科学依据。

（二）主要研究内容

围绕上述关键科学问题，重点研究高陡边坡开挖、锚固与渗流控制的工程作用机制；复杂环境下高陡边坡岩体的时效力学特征、锚固体系与渗流控制系统的性能演化机制；高陡边坡全生命周期的变形与稳定性演化规律；以及高陡边坡全生命周期性能评估与安全控制等内容。

具体开展以下6个方面的研究。

1、高地应力区河谷边坡岩体开挖扰动机制

（1）深切河谷演化模式及边坡地应力特征

（2）高陡边坡深部裂缝地质力学模式

（3）边坡岩体开挖扰动区的形成与演化机制

（4）高陡边坡开挖扰动效应控制方法

2、高陡边坡岩体锚固机理与性能演化特征

（1）锚固体系力学作用机制与结构强度效应

（2）边坡锚固与联合加固措施的协同作用机制

（3）边坡锚固体系性能演化机制及其耐久性

（4）边坡锚固体系工作性态及健康诊断方法

（5）边坡锚固体系安全控制标准与评价方法

3、高陡边坡岩体渗透特性与渗流控制机理

（1）强卸荷边坡岩体渗透特性及其尺度效应

（2）高渗压作用下边坡岩体的渗流运动规律

（3）强雾化区边坡岩体水气两相流运动特性

（4）高陡边坡岩体非线性渗流分析与控制

4、复杂环境下工程边坡岩体时效力学特性

（1）复杂荷载下岩体时效特性的宏细观机制

（2）库水变幅带裂隙岩体水力风化耦合机理

（3）锚固岩体的时效力学特性及多尺度模型

（4）边坡岩体损伤演化宏细观数值分析方法

5、边坡与坝体-库水相互作用及稳定性演化机制

（1）开挖与锚固过程高陡边坡变形与稳定性动态特征

（2）大坝浇筑与蓄水过程边坡变形与稳定性动态特征

（3）暴雨与库水位骤变条件下高陡边坡变形破坏机制

（4）强震作用下高陡边坡岩体动力变形与稳定性特征

（5）高陡边坡变形与稳定性演化规律与数值分析方法

6、高陡边坡全生命周期性能评估与安全控制

（1）高陡边坡变形与稳定性综合评价指标体系

（2）高陡边坡性能多源信息融合与评估方法

（3）基于性能演化的高陡边坡动态设计方法

（4）高陡边坡全生命周期性能监测预警与安全控制

本项目主要研究内容与拟解决的关键科学问题的关系如图1所示。

图1项目研究内容与科学问题之间的关系

二、预期目标

（一）总体目标

围绕大型水利水电工程高陡边坡全生命周期安全控制问题，开展高边坡岩体工程作用效应、时效力学特性、边坡与坝体-库水相互作用以及性能演化机制的基础研究，阐明高边坡岩体开挖扰动区的孕育演化模式、大型锚固体系的结构强度特性以及高边坡岩体的渗流控制机理，揭示复杂环境下高陡边坡全生命周期的性能演化规律，建立基于全生命周期性能演化的大型水利水电工程高陡边坡变形与稳定性分析方法，提出边坡性能综合评价指标体系与多源信息融合的评估方法，形成一套基于全生命周期性能演化的高陡边坡设计方法与安全控制理论体系，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。

（1）在国内外高水平学术期刊发表论文200篇（其中SCI、EI、ISTP收录论文150篇），出版专著6部；

（2）申请国家发明专利15~20项，提出水利水电工程高边坡国家技术标准建议1项；

（3）培养博士生50名，硕士生80名，凝聚和培育一批从事水利水电高边坡工程研究的高水平队伍，形成本领域优秀创新团队；

（4）建立一流的高边坡安全预警与控制综合研究平台，推进大型水利水电工程建设与运行安全基础研究的原始创新和集成创新。

（二）阶段目标

1、项目起步阶段

全面启动研究工作。

研制所需的试验系统，包括岩石动静荷载三轴试验系统、大尺寸结构面剪切-渗流耦合试验系统、预应力锚固机理试验系统、锚固体系应力腐蚀试验系统、大型边坡变形破坏的离心模型试验系统与磁力模型试验系统等。

通过开展系统的室内试验、现场原位试验和时效性能试验，初步揭示高地应力区高边坡岩体开挖扰动区的形成机制与演化特征、高边坡岩体的锚固机理、强卸荷边坡岩体的渗透特性、渗控性能演化规律以及高陡边坡岩体的时效变形与渐进破坏特征。

建立我国西南地区深切河谷地质演化模式及河谷边坡地应力场地质力学模型，揭示高陡边坡岩体深部卸荷带孕育、形成与演化机制。

通过试验和理论研究，揭示锚固体系中锚固件与胶结材料、胶结材料与岩体之间的应力传递机制和变形协调过程，建立大型锚固体系的结构性强度模型。

发表论文20篇，申请发明专利3~4项。

2、主要研究阶段

开展高应力区河谷边坡开挖扰动区的形成与演化机理研究，建立开挖扰动区岩体变形特性、强度特性和渗透特性的时空演化模型，提出高陡边坡开挖扰动效应的控制理论与方法。

研究边坡锚固与抗剪洞、锚固洞等联合加固措施的荷载分担和协同作用机制，建立边坡锚固体系的性能演化模型，提出边坡锚固体系工作状态与健康诊断方法，构建边坡锚固体系安全控制标准与评价方法。

提出强卸荷边坡岩体渗透特性的建模与分析方法，揭示边坡岩体渗透特性及渗流运动的各向异性、尺度效应、非饱和性以及渗流与应力/变形的耦合特性。

研究强雾化区边坡岩体水气两相流运动规律、库水变幅带边坡岩体水力风化耦合机理以及大型排水孔幕结构的渗流控制原理，建立高陡边坡非线性渗流场模拟方法及渗控优化设计方法。

研究复杂荷载条件下边坡岩体时效特性及其宏细观机制，建立非均质高陡边坡岩体时效力学特性的多尺度模型，揭示高陡边坡锚固岩体的时效力学特性，建立锚固岩体时效本构模型，提出边坡锚固岩体损伤演化的宏细观数值分析方法。

建立高陡边坡全生命周期变形与稳定性分析方法，研究边坡在开挖、锚固、大坝浇筑、水库蓄水及运行过程中的变形与稳定性动态特征，阐明高陡边坡在泄洪雾化雨、库水位骤变以及强震作用下的渐进破坏机制与稳定性演化规律。

建立综合考虑变形与稳定性的高陡边坡性能评价指标体系，提出基于多源信息融合的高陡边坡性能评估方法。

发表论文130篇，申请发明专利9~12项，培养博士生35名，硕士生55名，出版专著4部。

3、研究成果集成与总结验收阶段

提出基于全生命周期性能演化的高陡边坡动态设计理论与方法，研发高陡边坡稳定性监测与安全预警平台，建立高陡边坡全生命周期安全控制理论与方法，形成一套基于全生命周期性能演化的高陡边坡设计、评价与安全控制理论体系。

依托西南地区典型大型水利水电高陡边坡工程开展应用研究，检验和完善上述相关研究成果。

发表论文50篇，申请发明专利3~4项，培养博士生15名，硕士生25名，出版专著2部；提出水利水电工程高边坡国家技术标准建议1项。

编写项目研究报告、完成结题验收工作。

三、研究方案

（一）学术思想和总体研究思路

本项目以国家重大需求和相关学科前沿为导向，从高陡边坡的地质属性、力学行为和工程性能三个基本视角，围绕大型水利水电工程高陡边坡岩体性能演化与安全控制问题开展基础研究。

本研究体现如下三个主要学术思想：

（1）河谷边坡演化、岩体工程作用与运行环境共同对高陡边坡稳定性起控制作用的思想。

河谷边坡是不断演化的有其自身生命周期的地质体，其所处的演化阶段与特征决定了河谷边坡复杂的工程地质条件；边坡施工期大规模开挖、锚固与渗流控制等工程作用是对河谷边坡自然演化进程的人为干预和强烈扰动；边坡运行期库水涨落、泄洪雾化及地震等极端环境影响边坡稳定与安全。

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河谷演化、工程作用与运行环境对高陡边坡稳定性的控制作用

（2）复杂环境下高陡边坡全生命周期性能演化具有宏细观动力学机制的思想。

边坡岩体结构特征既表现为细观尺度上微裂隙的空间分布与排列方式，也表现为宏观尺度上断裂构造的发育特征与空间组合关系。

边坡岩体开挖、锚固支护、渗流控制以及库水与地下水作用所产生的边坡岩体宏观力学响应，首先是从细观尺度上微裂纹的萌生、扩展以及细观结构的演化开始的，当岩体损伤积累至一定程度，宏观裂隙随之产生，并与原生结构面汇聚、贯通，从而改变岩体结构特性。

锚固体系的老化也是从锚索材料的微细观锈蚀、锈胀、砂浆包裹体微破裂开始的，逐步转化为宏观应力松弛，直至功能失效。

在边坡稳定性演化过程中，宏观变形一般经历初始变形、等速变形、加速变形和失稳破坏过程。

高陡边坡全生命周期性能演化的细观机制是正确建立边坡变形与稳定性宏观规律的基础。

（3）水利水电工程高陡边坡安全控制贯穿于工程设计、施工和运行全过程的思想。

目前，高陡边坡稳定性安全控制大多只强调施工期的安全控制和运行期的监测反馈，而没有将工程设计纳入安全控制体系，更没有在安全控制中将边坡性能演化机制考虑在内。

这种安全控制在本质上属于“事后”控制范畴。

由于现行边坡设计规范和技术标准不能适应超大规模高陡边坡工程需求，也就难以获得科学合理的边坡设计方案。

如果对高陡边坡性能演化机制缺乏本质认识，就难以建立合理的评价指标体系。

因此，高陡工程边坡的安全控制要以全生命周期性能演化规律为核心，统筹兼顾设计、施工和运行不同阶段的安全控制。

基于上述学术思想，本项目拟采用的总体研究思路是：

以大型水利水电工程高陡边坡全生命周期性能演化规律为核心，综合运用工程地质学、岩石力学、渗流力学、损伤力学、水利水电工程、安全工程、系统工程等多学科理论与方法，采用室内外试验、现场监测与反馈、理论分析与数值模拟等多种方法，遵循“地质概化、理论建模、试验验证、数值模拟、工程应用”的研究路线，开展大型水利水电工程高陡边坡岩体开挖、锚固与渗流控制的工程作用效应与时效力学特性的基础研究，揭示高陡边坡在开挖、锚固、水库蓄水、运行以及极端环境条件下的变形与稳定性动态演化特征，建立高陡边坡性能综合评价指标体系与评估方法，提出基于全生命周期性能演化的高陡边坡设计、安全预警与安全控制方法，依托我国西南地区典型大型水利水电高陡边坡工程，开展全生命周期性能演化与安全控制的应用研究。

（二）技术路线

基于上述学术思想和总体研究思路，本项目总体技术路线如图3所示：

图3项目总体技术路线示意

本项目运用工程地质、力学、水利水电工程及安全工程等学科的基本理论、方法和技术，采用室内外试验、现场监测与反馈、理论分析及数值模拟等综合手段，围绕三个关键科学问题开展研究，研究力求地质分析模型化、稳定分析定量化、边坡设计动态化及安全控制精细化，并结合依托工程的高陡边坡进行验证与示范。

各课题研究工作拟采取如下技术路线。

1、高地应力区河谷边坡岩体开挖扰动机制

基于地质调研和工程地质分析，从河谷地质建造与改造的角度研究深切河谷演化规律及控制条件，建立典型深切河谷地区的河谷演化模式；运用地球内外动力耦合作用及浅表生改造理论，研究不同河谷演化阶段河谷坡体结构与地应力场特征；通过地质力学模型试验，分析不同河谷演化阶段的坡体结构与边坡变形破坏特征，揭示深部裂缝的发育分布规律、变形破坏特征和力学属性，进而分析岩体深部裂缝孕育-形成-演化过程，建立深部裂缝地质力学模式，提出深部裂缝的工程性质评价方法。

运用时域和空间场叠加原理，研究边坡岩体开挖应力重分布的动力学过程，揭示边坡岩体的动力损伤机理，基于钻孔电视、CT扫描和开挖前后岩体声波对比检测，建立岩体动力损伤安全判据。

开展含节理边坡开挖松动室内模型试验，研究并揭示开挖荷载瞬态卸荷、爆炸荷载及其耦合作用诱发边坡岩体松动力学机制，确定不同岩体应力水平、岩性及卸载速率下边坡岩体开挖松动区分布规律。

针对锦屏一级和大岗山水电站高陡边坡，研究爆破荷载和开挖瞬态卸荷反复扰动的动力学过程，通过岩体损伤声波检测和钻孔CT，揭示重复扰动下的岩体累积损伤效应及演化规律；通过室内试验研究开挖扰动区岩体的时效力学特性，建立考虑累积损伤效应的岩体时效分析模型；通过现场调研和监测反馈，研究高陡边坡开挖损伤、松动及变形渐进发展过程，揭示开挖扰动区的时空分布特征，最终确定开挖扰动区岩体力学参数。

通过现场试验，建立边坡岩体爆破损伤判据，提出基于边坡岩体开挖爆破损伤控制的设计准则。

基于能量守恒原理，建立边坡岩体卸荷松动和爆破松动的应变能密度判据，结合室内物理模拟试验，提出基于高地应力条件下岩体松动控制的边坡开挖优化设计方法。

2、高陡边坡岩体锚固机理与性能演化特征

开展大尺度物理模型试验、现场锚固试验和大规模数值仿真模拟研究，对预应力锚固体系的荷载传递、应力调整、压密剪胀、加筋等力学作用机制进行深入分析，揭示预应力锚固体系的综合作用效应，建立预应力锚固的结构性强度模型。

进行边坡岩体大尺度物理模型试验、离心机模型试验和数值模拟分析，研究锚固与其它加固措施（如抗剪洞、锚固洞等）组成的联合加固体系的荷载分担与协同作用机制。

通过拟环境多因素耦合作用腐蚀试验，研究预应力、酸性离子、湿度、温度和杂散电流等因素综合影响下的钢绞线、砂浆包裹体的腐蚀特征，揭示钢绞线锈胀、砂浆包裹体性质劣化、胶结性能降低对锚固性能的影响。

基于锚索开挖试验成果，分析锈蚀分布规律以及长期影响因素，提出锚固体系健康状况辨识指标，建立预应力锚索损伤演化模型；通过现场埋置试验，运用超导声波、光纤等先进技术，研发复杂环境下锚索腐蚀破坏及健康诊断检测与监测技术。

采用定性分析与定量计算相结合的方法，建立边坡锚固体系安全控制标准和评价方法体系。

依托锦屏一级和大岗山水电站高边坡工程开展应用研究，建立完善的边坡岩体锚固优化设计与预应力锚固体系长期性能评价方法体系。

3、高陡边坡岩体渗透特性与渗流控制机理

开展岩石渗流-应力耦合三轴试验及结构面渗流-剪切耦合试验，研究岩石及结构面在损伤积累和渐进破坏过程中的渗流运动规律，建立岩石和结构面渗透特性演化模型。

通过考虑裂隙岩体的多尺度结构特征，运用确定性与随机性相结合的方法构建裂隙网络模型，采用均匀化方法建立边坡岩体渗透特性张量模型。

结合课题1的研究，通过现场交叉孔压水试验和微震监测，研究高陡边坡强卸荷岩体的渗透特性演化规律。

通过室内模拟试验，研究结构面的水气两相流运动特性，建立反映结构面几何形态和持水机制的水气两相流模型。

通过现场降雨入渗试验和钻孔压水试验，研究边坡岩体的降雨入渗机制以及饱和/非饱和渗流运动规律，建立边坡岩体降雨入渗率模型、高渗压条件下的渗流模型等。

通过物理模型试验，研究边坡岩体排水孔幕的渗流控制效应，提出基于过程、状态、参数和边界控制的渗控效应评价方法。

通过现场调查与实例分析，研究复杂环境下排水孔幕等渗控结构的老化机制、性能演化规律和主要影响因素，建立渗控结构性能评价指标体系，提出考虑渗透性演化与渗控结构耐久性的高陡边坡岩体渗流控制系统优化设计方法。

针对边坡岩体稳定/非稳定、饱和/非饱和渗流以及水气两相流问题，研究边坡岩体三维非线性渗流场的高效数值分析方法。

结合锦屏一级、大岗山水电工程高陡边坡，开展水库蓄水、库水位周期性涨落以及暴雨、泄洪雾化条件下的三维渗流场模拟与验证。

4、复杂环境下工程边坡岩体的时效力学特性

选取典型水电工程边坡的天然岩样，进行物性试验、细观力学试验（SEM、CT、CT中的压缩试验）与结构分析、静动荷载下的三轴压缩试验、三轴蠕变试验等，分别从细观和宏观角度研究短期、长期力学行为。

在试验的基础上，研究岩石细观结构特征及其力学性质与岩块、结构面以及岩体结构等多个层次宏观力学特性的内在联系，采用时间扩展法、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。

进行不同饱和度条件下岩样的物性试验及细观结构分析、细观压痕试验、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。

基于边坡岩体水力风化耦合模型和锚固岩体时效力学模型，采用扩展有限元方法描述裂隙的扩展过程，提出边坡岩体吸水、脱水和风化环境下边坡岩体损伤演化数值分析方法，并采用改进的离散元分析方法，研究接触面力学性能变化与宏观损伤演化过程的内在联系。

结合锦屏一级、大岗山水电工程高陡边坡开展研究，对边坡岩体的时效力学模型和数值分析方法进行初步验证和应用。

5、边坡与坝体-库水相互作用及稳定性演化机制

研究能考虑边坡裂隙动态扩展的高阶流形元法，改善不连续变形分析方法的数值特性，建立基于关键块体理论的三维严格极限平衡法，发展能考虑动力特性的三维矢量和方法。

结合课题1～4研究成果，进行不同开挖和锚固方式下边坡岩体变形计算分析，研究施工期边坡岩体的开挖方式、顺序、速度与锚固时机、强度、布局等关键因素对边坡岩体变形与稳定性的影响，分析开挖扰动区范围与分布特征、锚固体系内力分布及其与围岩相互作用机制，揭示施工过程中边坡变形和稳定性的动态演化特性。

依托锦屏一级和大岗山等大型水电工程高陡边坡，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