FAST开挖系统关键技术及安全性研究

本书对FAST开挖系统的设计、建造及安全性进行了系统研究。全书分为3篇10章，涉及FAST工程选址、开挖系统建造、台址开挖中心**化选择、溶塌巨石混合体稳定性分析及加固、拉应力作用下的大型球冠形边坡稳定性评价、岩溶洼地生态及防排水综合治理、岩溶洼地超高边坡稳定性及动力响应特征分析、开挖系统长期稳定性监测和预警系统的建立等问题。第一篇介绍FAST工程概况，选址阶段的研究成果和开挖系统建造过程中开展的相关工作；第二篇介绍FAST开挖系统建造过程中遇到的5个岩土工程技术难题及所采用的关键技术，该篇也是本书的核心内容；第三篇介绍FAST开挖系统长期稳定性分析研究成果，并提出建立开挖系统灾害预警系统的工作架构。

目录
序一
序二
前言
绪论 1
0.1 项目来源 1
0.2 关键技术问题 2
0.3 FAST与Arecibo 台址开挖技术难点比较 7
0.4 研究内容 8
0.5 技术路线 8
0.6 主要成果 9
第一篇 FAST工程基本概况及开挖系统建造
第1章 FAST工程概况 11
1.1 工程简介 11
1.2 选址研究 13
1.3 FAST开挖系统建造历程 15
1.4 大窝凼场地条件 17
第2章 FAST开挖系统建造多因素影响分析 29
2.1 开挖系统建造需求及多因素指标选取 29
2.2 开挖很优化原则分析 29
2.3 多因素影响分析 30
2.4 本章小结 31
第3章 FAST开挖系统建造 32
3.1 概述 32
3.2 球冠形开挖及曲面暗渗排水填方工程 34
3.3 高能量高冲击崩塌型破坏超高边坡优化设计及防护 37
3.4 复杂地质条件下的洼地地质灾害危险源的评估及治理 41
3.5 多干扰源下的检修道路很优化选线技术 48
3.6 利用微地形地貌单元切分小区分流地表水防排水系统 55
3.7 下拉索促动器基础定位技术 61
3.8 本章小结 64
第二篇 FAST开挖系统关键技术
第4章 多目标方法下的开挖中心很优化选择技术 65
4.1 概述 65
4.2 多目标方法的应用研究 66
4.3 球冠构筑物球心和索网节点连线与地面交点坐标解析技术 84
4.4 球冠形体岩土开挖剖面信息表达技术 85
4.5 本章小节 88
第5章 溶塌巨石混合体稳定性分析及加固技术 89
5.1 概述 89
5.2 溶塌巨石混合体主动土压力研究 89
5.3 溶塌巨石混合体整体补强加固结构 97
5.4 溶塌巨石混合体微型组合桩群支挡结构 101
5.5 本章小结 105
第6章 下拉索拉应力作用下的大型球冠形边坡稳定性评价 106
6.1 概述 106
6.2 外形对边坡稳定性的影响 106
6.3 下拉索拉应力对球冠形边坡稳定性影响研究 109
6.4 本章小结 112
第7章 岩溶洼地生态及防排水综合治理技术 113
7.1 概述 113
7.2 台址区周边生态环境保护技术 113
7.3 岩溶洼地防排水治理技术 118
7.4 综合治理效果评价 126
7.5 本章小结 126
第8章 超高边坡稳定性及动力响应特征分析 128
8.1 概述 128
8.2 超高边坡稳定性分析 128
8.3 地震作用下超高边坡动力响应特征 133
8.4 本章小结 137
第三篇 FAST开挖系统安全性研究专题篇
第9章 开挖系统长期稳定性分析研究 138
9.1 概述 138
9.2 监测方法 138
9.3 监测测点布设整体情况 142
9.4 长期监测结果分析 143
9.5 锚索应力计监测 152
9.6 本章小结 159
第10章 开挖系统灾害预警系统建立 161
10.1 概述 161
10.2 开挖系统安全控制因素分析 161
10.3 开挖系统预警系统建立 163
10.4 本章小结 169
参考文献 170
后记 173

    绪论
    0.1 项目来源
    1994年起，大射电望远镜的选址工作正式展开。2006年12月，中国科学院国家天文台正式选定大窝凼为500m口径球面射电望远镜（FAST）工程的台址。大窝凼位于贵州省黔南布依族苗族自治州平塘县克度镇金科村，北东距平塘县城约85km，西南距罗甸县城约45km，如图0.1所示。
    图0.1 FAST台址地理位置图
    2009 年7 月，贵州正业工程技术投资有限公司联合中国科学院国家天文台、清华大学土木工程系、中国科学院遥感与数字地球研究所和中国地质环境监测院组成FAST台址开挖系统技术团队，承担FAST开挖系统的设计研究工作；2014年9月，联合申报了贵州省科技计划项目“国家天文台500米口径球面射电望远镜台址岩土工程安全性研究”（黔科合SY字[2014]3086）。研究成果系统地解决了大型岩溶洼地，薄壳岩溶岩体精细开挖建设过程中，遇到的各种复杂岩土工程技术难题。通过台址开挖系统使用4年中的监测数据分析，论证了FAST工程使用的安全性。研究成果为FAST台址建设和正常运行提供了技术保障，项目团队将研究成果系统总结成专著《FAST开挖系统关键技术及安全性研究》。
    0.2 关键技术问题
    FAST是世界上利用大型岩溶洼地建设的优选工程，关键技术问题涉及望远镜开挖中心的多参数很优化比选与准确定位，大型岩溶洼地深切斜坡危岩体和溶塌巨石混合体的空间分布状况和对FAST的危害性，望远镜开挖形成的高陡边坡群的稳定性及工程加固，台址洪涝淹没灾害及生态保护。
    0.2.1 准确定位很优开挖中心
    FAST工程是在岩溶洼地内修建一个口径500m、张角约120°的球面射电望远镜。望远镜反射面系统包括以下几个组成部分：①内径为500m的圈梁；② 4355块边长为11m的背架及面板；③ 6670根主索构成的索网；④ 2225个索节点、下拉索、促动器及地锚。这些组成部分对FAST台址区岩土也有相应的要求。正确处理好相应的工程矛盾，才能保证FAST开挖系统的顺利进行。
    大射电望远镜主动反射面在洼地中的不同几何位置将反映不同的挖填工程量及不同的地质灾害治理面积，因此，如何很优化确定台址开挖中心是首要而又必须解决的关键技术难题。事实上，FAST台址岩土工程开挖问题与边坡稳定性、不良地质体治理甚至上部结构的建设和望远镜工作性能等问题都不是相互独立的，而是彼此密切相关的。台址的开挖要如何在设计标高下充分利用开挖线与地形的结合来控制挖填方量，如何按工程构筑物不同，分步、分别确定开挖形式，在开挖过程中如何确保溶塌巨石混合体、块石的稳定，以及合理设置开挖坡度保证开挖质量等都是需要考虑的一系列难题。在很优化定位开挖中心的基础上，需进一步解决以下几个相关的技术问题：①很优化定位50个支撑柱的平面位置；②很优化地定位6个馈源塔塔基的空间坐标；③准确求解球心和2225个索网节点连线与洼地地面的三维交点坐标；④平面表达球冠形体岩土开挖中的多要素、多维度信息。
    0.2.2 成层分布、厚度变化较大、形态各异的危岩及溶塌巨石混合体
    1）FAST危岩及溶塌巨石混合体特征
    （1）不稳定斜坡危岩。FAST台址区受北东、南东两组共轭节理切割破坏、卸荷裂隙的切割及树木根劈作用的影响，陡坡和石崖上常见松动危岩体分布。现场调查发现单体超过1000m3 的危岩块就有5处，其余多数为小于10m3的危岩块，不时出现松动岩块的塌落，对工程建设造成一定的不良影响。洼地内危岩总方量达到115764m3之多，其中处于不稳定状态的危岩就有63处。不稳定危岩多为近水平岩层面与近垂直结构面切割形成，未形成大规模滑移式危岩，其破坏类型为崩塌、倾倒、滑塌、滚落等一种方式或几种方式的组合，如图0.2所示。
    图0.2 FAST台址不稳定斜坡危岩体现场照片
    （2）溶塌巨石混合体（岩堆）。在大窝凼洼地底部及缓斜坡地带还分布有溶塌巨石混合体，在陡斜坡区局部也分布有较大面积的溶塌巨石混合体及零星的崩落块石。斜坡区的这类溶塌巨石混合体大多未胶结，结构松散，厚度较小；洼地底部的溶塌巨石混合体大多已胶结、结构较为密实，厚度大，优选厚度超过60m。洼地内48处溶塌巨石混合体大部分处于整体稳定的状态，15处为不稳定状态，25处为基本稳定状态。FAST溶塌巨石混合体规模大、类型复杂、结构复杂。根据《岩土工程勘察规范》（GB50021—2001）（2009 年版）3.3条规定，粒径大于2mm 的颗粒质量超过总质量50%的土，应定名为碎石土，因此溶塌巨石混合体应归为碎石土一类。考虑到FAST台址溶塌巨石混合体中多含有大块石（图0.3），有的直径甚至超过1m，其局部物理力学性能和岩体密切相关，不能接近用岩石或者土体来解释，这就决定了溶塌巨石混合体的稳定性评价标准与碎石土有很大区别。在有关规范和相应的手册中尚未有涉及溶塌巨石混合体的规定用来评价、解决实际工程问题。
    图0.3 FAST台址溶塌巨石混合体现场照片
    2）溶塌巨石混合体稳定性分析
    目前在实际工程中的稳定性问题，一般采用极限平衡法计算安全系数，由于岩体介质的复杂性，分析边界和工况的多变，用经典力学求解已经很难，甚至不可能实现。随着计算机技术的发展，数值分析方法在岩土工程领域获得了迅速的发展，为研究岩体工程问题提供了强有力的手段。常用的数值分析方法包括有限差分法、有限元法和边界元法，但是这几种方法与极限平衡法一样都是以连续介质为出发点，当溶塌巨石混合体粒径足够小时，可假设溶塌巨石混合体为连续介质，其计算结果符合工程实际；但当溶塌巨石混合体粒径较大时，已经无法将溶塌巨石混合体视为连续介质，其所得结果往往与工程实际误差较大。而FAST台址的溶塌巨石混合体中多为大块石，有的直径在1m以上。相对于5～6m的堆积厚度，已经无法将溶塌巨石混合体视为连续介质，基于连续介质假定的极限平衡法和有限元数值分析方法均不适用。因此需要寻求更为合理的分析方法，用来分析台址内溶塌巨石混合体的稳定性。
    3）支护结构
    由于岩溶洼地内的溶塌巨石混合体治理问题通常伴随着复杂的地形，其支挡结构往往形式各异。FAST工程中就出现“特殊”的支挡结构用于治理溶塌巨石混合体，这些特殊结构由于传力路径不明确，结构形式复杂等，目前尚无相关规范用于设计指导，如何对这类特殊结构进行合理的受力分析并加以设计，是FAST工程中需要解决的难题。
    0.2.3 开挖形成的边坡群
    1）边坡总体分布
    FAST台址因工程建设的需要而开挖的土石方量达88万m3左右，最终在大窝凼内部形成了一个“边坡群”，即边坡类型多、分布广、破坏形式复杂。FAST边坡包括1H馈源塔边坡、3H馈源塔边坡、5H馈源塔边坡、7H馈源塔边坡、9H馈源塔边坡、挖方边坡1、反射面高边坡、螺旋道路边坡、环形道路边坡等，如图0.4所示。
    图0.4 FAST台址边坡分布图
    2）超高边坡稳定性
    边坡工程在工程建设方面已经占据越来越重要的作用，国内外学者及工程技术人员在边坡工程方面展开过大量的研究。然而对于高边坡甚至超高边坡的稳定性评价方法目前尚无规范用于工程设计，特别是岩溶洼地内超高边坡的研究尚未见文献报道。FAST台址位于岩溶洼地内，边坡自然坡度陡，无放坡条件，在大窝凼内部形成了两处高度100m以上的超高边坡，如图0.5所示，边坡裂隙极为发育，给FAST工程的边坡治理带来了技术难题。
    3）“球冠形”超大规模边坡稳定性
    由于拟合FAST主动反射面的需要，在岩溶洼地内，环状圈梁以下形成了一个上陡下缓的球冠形边坡。边坡坡顶直径达到700m，优选坡高达到135m。边坡呈现360°环状“凹坡”，其变形特征、破坏形式、稳定性评价与常见的长直边坡存在差异，其受力状态较为复杂。
    台址区表面要承担反射面下拉索拉应力的作用，同时表面岩土分布极为复杂，有黏（沙）土夹块石区1、黏土夹块石区2、断层影响胶结较好区3、断层影响胶结较差区4、基岩破碎区5、强风化基岩区6、岩溶崩塌体区7、董当断层区8、小窝凼回填区9、断层影响破碎基岩区10、断层影响强风化区11、断层影响溶蚀区12、残坡积溶塌巨石混合体区13、中风化较完整基岩区14 共14 个分区（图0.6），如此复杂的地质条件，给地锚下拉索的设计带来诸多影响。
    图0.5 FAST台址超高边坡现场照片图
    图0.6 FAST台址岩土工程分区平面图