基于三维地质力学模型试验的溪洛渡高拱坝坝肩稳定性研究

段龙海,张 林,杨宝全,丁泽霖

(四川大学 水利水电学院,四川 成都 610065)

1 前 言

近年来,在水电开发建设当中,拱坝因具有体型小、超载能力强、节省投资及抗震性能好[1]等优点而被广泛采用。随着一批特高拱坝的兴建,如小湾、锦屏一级、溪洛渡等,对拱坝稳定安全性的研究显得十分重要,而坝肩岩体的稳定是拱坝安全的根本保证。通过地质力学模型试验可以了解大坝、坝肩、坝基的变形及分布特征,揭示坝与坝肩及抗力体部的破坏过程、破坏形态及破坏机理,确定整体稳定安全度。其主要特点是,在模型中能较真实地模拟坝肩坝基岩体中的断层、破碎带及各种软弱结构面、主要节理裂隙等不良地质构造,充分反映岩体的非均匀性、非弹性、非连续性及多裂隙的力学特征,试验结果能给人以更直观的感觉[2]。地质力学模型试验因此被广泛应用于国内外高坝的整体稳定研究。

目前地质力学模型试验方法中超载法用得较多,如清华大学应用超载法开展了锦屏一级、大岗山、小湾、二滩等高拱坝地质力学模型试验,得出了在超载情况下的坝体稳定安全系数以及破坏过程。该方法是在假定岩体力学参数不变的前提下,采用逐渐增加超载倍数以研究坝与地基从局部到整体的破坏失稳过程,通过测量到临界失稳荷载与正常工作荷载之比推求安全系数。强度储备法是利用逐步降低岩体或结构面的抗剪断强度直至基础失稳,并得出基础失稳时抗剪断强度降低的倍数即强度储备系数,但在实际运用中,由于模型材料的限制,实现起来较困难,需要研制新型模型材料。地质力学模型综合法试验运用新型模型材料——变温相似材料,在同一模型上实现既考虑水压可能超载的因素,又考虑坝肩、坝基岩体力学参数可能降低的实际[3],将这两种因素综合起来进行试验,更能贴近工程实际。本文采用三维地质力学模型综合法试验对溪洛渡高拱坝坝肩、坝基稳定性进行研究,探讨大坝在水荷载逐步增大且岩体结构面强度适当降低的情况下,坝体及坝肩、坝基的变形分布特征,破坏过程、破坏形态及破坏机理,分析评价坝与地基的整体稳定性,以及综合稳定安全系数。

2 地质力学模型试验方法

2.1 综合法基本原理

地质力学模型试验方法主要有三种:超载法、强度储备法(降强法)、超载与强度储备相结合的综合法,三种方法所考虑的影响稳定安全的因素不一样。其中:超载法主要考虑坝基(坝肩)岩体等结构在其力学参数不变的条件下,超标洪水对工程安全度的影响。超载安全系数 Kp定义为超载破坏时的荷载P′m与设计荷载 Pm的比值,试验中一般采用超容重的方法,则 Kp又为模型破坏时加压液体的容重γ′m与模型加压液体的设计容重γm的比值,即 Kp=P′m/Pm=γ′m/γm。强度储备法主要基于坝基 (坝肩)岩体强度储备理论,考虑工程在长期运行中,由于库水的浸泡或渗漏使岩体及结构面力学参数逐步降低对工程安全度的影响。强度储备系数 Ks定义为设计抗剪断强度 τm和强降破坏时的抗剪断强度τ′m的比值,其表达式为:Ks=τm/τ′m。综合法是超载法和强度储备法的结合,即在一个模型上进行超载法和降强法试验。这种方法既考虑到工程上可能遇到的突发洪水,又考虑到工程长期运行中岩体及软弱结构面力学参数逐步降低的情况,能反映多种因素对工程稳定安全性的影响。经推导综合安全系数 Kc等于模型破坏时的强降倍数 K1与超载倍数K2的乘积,即 Kc=K1·。

由于地质力学模型试验属破坏试验[5],因此必须满足破坏试验相似律的要求。由地质力学模型相似理论,模型相似应满足下列关系:Cγ=1,Cε=1,Cf=1,Cμ=1,Cσ=CεCE,Cσ=CE=CL,CF=Cσ。其中,CE、Cγ、CL、Cσ及 CF分别为变模比 、容重比、几何比、应力比及集中力比;Cμ、Cε及 Cf分别为泊松比比、应变比及摩擦系数比。

2.2 工程概况及模型设计

溪洛渡水电站枢纽由混凝土双曲拱坝、泄洪建筑物、引水发电建筑物等组成。大坝最大坝高278m。该电站开发任务是以发电为主,兼有拦沙、防洪、漂木及改善下河航运等综合利用效能。坝区河床基岩及两岸谷坡主要由峨眉山玄武岩(P2β)组成。据对原型工程特点并结合实验场地和试验精度要求等综合分析,选定模型几何比尺 CL=300。通过对坝址区河谷地形特点、坝肩、坝基地质构造特性、拱坝枢纽布置特点及试验要求等因素综合考虑后,模型模拟范围为 400cm×400cm(纵向 ×横向),相当于原型工程 1200m×1200m范围。模型基底模拟高程为 100m,模型坝底模拟高程为 332m,则坝基模拟深度为 232m,大于三分之二坝高深度。两岸山体模拟至 720m高程,高出坝顶高程 110m。模拟范围满足破坏试验的要求,也能全面反映工程的实际情况。

拱坝坝肩及抗力体部岩体由 12层玄武岩流层组成。层间、层内错动带为发育于各岩流层内部的缓倾角构造错动带。针对溪洛渡拱坝坝肩、坝基的地质构造特点,在模型模拟中,重点是对稳定起控制作用的层间、层内错动带及可能形成侧滑面的陡倾角不连续节理组的模拟。在模型制作中,各层岩体采用重晶石粉浇注块模拟,重晶石粉容重与岩体容重相等,以实现岩体重力场的模拟。软弱结构面,层间、层内错动带材料采用两类变温相似材料模拟[6]。2号夹层变温相似材料模拟 P2βn页岩层,1号夹层变温相似材料模拟坝基、坝肩及抗力体内的14层层间、层内错动带,在坝基以下布置了 4层,即P2β4LC层内、P2β3～4层间、P2β3LC层内及 P2βn夹层带;两岸坝肩内布置了 10层 ,即 P2β4～5层间、P2β5～6层间 、P2β6LC下层 内、P2β6LC上层 内、P2β6～7层 间、P2β7～8层间、P2β8LC层内、P2β8～9层间 、P2β9～10层间和 P2β11～12层间。变温相似材料是为实现模型材料的抗剪断强度逐步降低而研制的,已成功应用于锦屏一级、小湾高拱坝等三维地质力学模型试验中[7]。模型坝体以重晶石粉为加重料、少量石膏粉为胶结料、水为稀释剂,并掺和一定添加剂,按一定配比浇制而成[8]。材料力学参数见表1。

3 试验成果及分析

3.1 试验过程

本次试验由变温试验阶段和超载试验阶段两部分组成。超载时用油压千斤顶加载,变温试验采用多台调压器调节电压高低,控制升温的快慢及高低。采用 XJ—100型巡回检测仪带 21支热电偶控制坝肩、坝基各层间、层内错动带及软弱夹层的温度变化。试验时首先对模型反复预压,然后加载至一倍正常荷载,在此基础上升温降低坝肩岩体层间、层内错动带力学参数。升温过程为八级,每级升高 5℃,最终升至 65℃,此时岩体结构面强度约下降 30%。在保持温度 65℃基础上逐级加载,直至坝肩破坏失稳,最终超载倍数达到 5.0。

3.2 坝体位移分布特征

在本次试验研究中,从坝体下游表面位移分布特征可以看出:拱冠位移大于拱端位移,拱冠上部径向位移大于下部位移。坝底高程的径向位移在两个试验阶段均较大,特别是在超载阶段坝底部位移急增,说明坝基岩体对坝底部的约束力不够。坝体切向变位远小于径向变位。在强降阶段,两拱端切向变位均为较小的正值,进入超载阶段后,由于拱推力逐渐增大,切向变位逐渐变为负值,即往两岸山体内变位,且右拱端切向变位大于左拱端切向变位。

3.3 坝肩及抗力体表面位移分布规律

从两坝肩及抗力体表面位移总体分布看,变位存在不对称现象,左岸位移大于右岸位移,下部位移大于上部位移。从两岸垂直于陡倾节理面的位移看,左岸位移大于右岸位移。从两岸平行于陡倾节理面的位移看,右岸抗力体中下部变位最大,左岸抗力体前部破坏较重。从平行于与垂直于陡倾节理各测点变位发展总体分布还可看出,右岸横河向变位小于左岸横河向变位,横河向变位指向河槽;右岸顺河向变位也小于左岸顺河向变位,变位值均不大。从左、右两岸抗力体变位对比看出,垂直于陡倾节理面的变位,左岸远大于右岸。从两岸抗力体部变位立面分布看,中、下部变位相对较大,在右岸高程510m以下、左岸高程 520m以下,各层变位 δP值普遍较大,系破坏最重区。模型最终破坏形态见图1。

表1 原型、模型主要力学参数

3.4 坝肩及抗力体层间层内错动带变位分布特征

两坝肩层间层内错动带变位也存在不对称现象。在两个试验阶段,左坝肩及抗力体部层间层内错动带相对位移大于右岸;左岸层间层内错动带垂直于陡倾节理面的相对位移大于平行于陡倾节理面的相对位移;右岸在两个试验阶段均为平行于陡倾节理面方向的相对变位大于垂直向的变位,与左岸恰好相反。右岸中、下部层间层内错动带的相对变位较大,左岸中、下部及中偏上部相对变位较大。

图1 溪洛渡高拱坝模型最终破坏形态

3.5 模型破坏形态

右岸破坏范围及程度小于左岸,破坏区自坝顶往下至谷底,在立面上大致呈不完整的三角形分布形态,主要反映出抗力体中下部破坏较重、上部破坏范围小。裂缝断续延伸最大长度约 120cm,位于P2β6～7层层间面附近;次长为 102cm,位于 P2β6LC层间错动带。P2β5层破坏范围主要在上游部,下游部未坏,主要是受河底约束的结果。模型右岸破坏形态见图2。左岸破坏区范围及破坏程度较右岸大,不仅抗力体部破坏严重,而且拱端上游面拉裂缝明显。抗力体部破坏层自坝顶往下至谷底呈明显的三角形分布,各部裂缝连通性较右岸好,从下游看去,裂缝走向与陡倾节理 N25°W走向近乎一致,特别是在破坏区中下部更为明显。破坏区以中下部及中偏上部破坏较重。裂缝最大延伸长度为 132cm,出现在 P2β7层,左岸以 P2β5～7层及 P2β8层下部破坏较重,对稳定影响较大。左岸破坏形态见图3。

3.6 综合稳定安全系数

对溪洛渡高拱坝坝肩稳定而言,对稳定起主导作用的是玄武岩中存在的多层层间、层内错动带。因此,它的力学参数变化对稳定影响最大[9]。根据Kc=K1·K2(K1为强度储备系数;K2为超载系数;Kc为坝肩综合稳定安全度[10]),最后得出溪洛渡高拱坝坝肩综合稳定安全度 Kc为 6.34,其中强度储备系数 K1为 3.17,超载安全系数 K2为 2.0,满足设计要求。但对坝肩中下部及坝基的处理十分必要。

图2 溪洛渡高拱坝模型右坝肩破坏形态

图3 溪洛渡高拱坝模型左坝肩破坏形态

4 主要结论

(1)本文采用三维地质力学模型试验探讨溪洛渡高拱坝坝肩稳定安全度,在未计入渗压及地震荷载的作用情况下,溪洛渡拱坝的综合稳定安全度为6.3,表明溪洛渡拱坝坝肩总体上是稳定的,但层间、层内错动带对坝基、坝肩稳定影响较大。

(2)试验成果表明,两坝肩及抗力体内各层间、层内错动带对稳定性的影响程度不一。从各高程外侧位移 δP分析,右岸中下部各层及左岸中下部与中偏上部变位值相对较大。两岸主要在 P2β5～P2β8各层的变位值较大,两坝肩及抗力体破坏最重的区域也主要分布在这几层内。

(3)在超载过程中,坝体在向下游变位的同时,在水平面内呈现明显的顺时针向转动变位,从而形成左岸破坏较重、右岸破坏相对较轻的形态。由坝体拱冠梁变位发展过程看出,坝基面径向变位较大,表明基础约束较弱稳定性较差,这主要是受坝基以下及其邻近的层间、层内错动带的影响,导致坝底部变位增大。

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