某地雙曲拱壩整體穩(wěn)定三維地質力學模型試驗研究

江蘇省有色金屬華東地質勘查局地質信息中心 210000

摘要：在本文中，將就某地雙曲拱壩整體穩(wěn)定三維地質力學模型進行一定的試驗與研究。

關鍵詞：雙曲拱壩；整體穩(wěn)定；三維地質力學模型；

1 引言

地質力學模型又稱為巖石力學模型或者地力學模型試驗，通過該模型的建立，能夠在對相關地區(qū)材料體積、容重進行模擬的基礎上對其自重應力場進行反映。在模型實現方面，則通過模型塊體的應用對模型進行砌筑，而根據砌筑方式的不同，也能夠對不同類型的地質構造進行模擬，并因這部分特征的存在使其能夠更好的對不同類型、具有復雜特征的地質條件進行反映。為了能夠更好的對該方式進行闡述，在本文中，我們以某地區(qū)攔河壩為例對其模擬方式進行一定的研究。

2 工程概況

某地區(qū)攔河壩為雙曲拱壩類型，其壩底高程為224m，壩頂高程為332m，最大壩高為117m。地理位置方面，該水壩位于我國南部某河谷，該河谷整體呈現V字形，兩岸具有著地形對稱的特點，且兩岸基巖的裸露現象較為嚴重。在該區(qū)域，第四系坡積物再搖在較為平緩的位置分布，且右側同左側相比較多，溝中常年具有流水現象。在本次模擬工作中，主要是對基礎巖體、斷層以及壩體等進行模擬，并通過模型研究的方式對該水壩正常水位情況下壩肩以及拱壩所具有的破壞機理以及變形規(guī)律進行了解，在此基礎上對基礎超載安全特征進行更為準確的評價。

3 模型設計

3.1 模擬比尺

在聯系實際情況以及模擬要求的基礎上，我們確定本次模型同水壩實際尺寸的比例為1：125。其中，我們將拱壩中心線同拱壩軸線兩者相交位置作為模型建設的原點，在將中心線作為基準線的基礎上對其范圍進行模擬：上游邊界方面，其同壩面間的距離為54m，下游邊界方面，其同壩面間的距離則為290m。而從壩肩開始計算，該模型在左邊界方面模擬105m，在右邊界模擬了115m，而水壩兩岸的山體模擬高程為380m，整體模型參數為3*4*2.2m。

3.2 相似準則

根據地質力學相似理論，在對該模型建立時，需要其能夠對以下關系式進行良好的滿足：

而在上述相似關系的基礎上，我們則可以獲得該模型相似比尺為：

表1 模型相似比尺

3.3 模型制作

在該模型制作中，根據其基礎特征以及山體特征而按照22層進行砌筑，保證模型的每一層都根據實際地址情況將該地區(qū)的河流以及斷層放置在模型水平線位置，以此對斷層的傾向角度以及走向進行控制，更好的體現了模型模擬的準確性。而在壩體方面，則按照4層大塊體進行砌筑，并根據壩體計算參數的應用對該模型的梁以及拱圈剖面圖進行獲得，在按照實際圖紙的基礎上對模型進行了非常準確的雕刻以及加工。而在壩體同基巖間，則通過合成膠的使用對其進行了粘結，以此保證強度能夠滿足應用需求。斷層方面，則按照該地區(qū)的傾向以及走向情況進行了準確的模擬，其不同斷層所具有的空間結構如下圖：

圖1 斷層空間結構

4 測點布置與試驗結果

在地質模型試驗工作中，位移可以說是我們開展實際量測工作的重要內容。為了能夠對壩肩、壩體以及該區(qū)域斷層露出位置內部斷層滑動情況以及外部變形特征進行準確的獲得，我們在該模型上共對158個位移測點進行了布置。

4.1 壩體位移

4.1.1 正常蓄水位

當該水壩蓄水位處于正常情況下，壩體所具有的位移情況如下圖所示：

圖2 正常蓄水位壩體位移

從上圖中我們可以看到：第一，對于該壩體來說，其在徑向方面具有的位移值并不大，在拱冠梁315m位置出現了最大的位移，且方向指向下游。而考慮到整個水壩所具有的位移規(guī)律，在徑向方面，壩體左側位同右側壩體相比的位移情況相對較大；第二，在切向位移方面，整個壩體所具有的位移情況較小，且左拱端所具有的位移同其右拱端位置相比稍大，在左側所具有的最大位移為2mm，而在右拱端位置，在切向方面則基本沒有位移；第三，經過整體分析比對，整個壩體在豎向方面也沒有產生明顯的位移情況。

4.1.2 超荷載情況

當整個水壩處于超載狀態(tài)時，在自身荷載情況不斷增加的情況下，整個壩體在位移方面越來越大，其所具有的拱冠梁位移曲線如下圖：

圖3 超載作用位移

從上圖我們可以看到：第一，在壩體超載到2P0前，整個壩體處在一個彈性的變形階段，在到該階段之后，整個位移曲線在斜率方面則發(fā)生了較大的變化，這種特征即說明該壩體進入到了非線性變形階段。而當其超載量的不斷增加，當荷載處于3P0時，壩體則具有了更大的位移速率，并在到6P0時整個壩體出現了徑向位移情況，此時，在模型上的測點有很多都因為量程超出了范圍而不能對讀數進行顯示。而在試驗前，我們也在水壩的底部以及頂部位置對數量位移J、R兩個測點進行了設置。經過試驗發(fā)現，J點所出現的最大位移為12.2mm，而R點所出現的最大位移則為11.24mm。同時，在基面上游測點，我們通過過程曲線則可以看到在4P0強度前，該位置沒有發(fā)生變形情況。而當荷載不斷加大的過程中，壩底則出現了2mm的上移，從該種情況我們則可以了解到，在壩基面以及壩體間在下游位置出現了一定的擠壓情況。

4.2 壩肩穩(wěn)定分析

在對測量點進行設置時，通過內斷層測量點的設置則能夠對斷層上下盤所具有的位移情況進行了解。在相對位移方面，主要包括有壩體上下盤在垂直方向所具有的相對位移以及沿斷層走向或傾向的相對位移。而在山體邊坡位置，也對監(jiān)測邊坡的絕對位移以及移測點進行了設置。在水壩蓄水位正常時，水壩斷層、內部以及壩肩位置都沒有出現較為明顯的變形。而當水壩處于超載狀態(tài)時，水壩左岸所具有的變形情況同右岸相比則稍大，并在5.5P0時，右岸所具有的最大位移同正常水位情況下相比則具有較大的增加。而在3P0情況下，壩體不同斷層在張合度方面則沒有發(fā)生較大的改變。通過對觀測布置在沿斷層順層方向的測點的荷載—位移關系，則能夠對其內部斷層間所具有的相對滑動情況進行獲得，經結果表明，當荷載在6P0時，水壩兩岸山體出現了非常明顯的位移。

5 結束語

在上文中，我們對某地雙曲拱壩整體穩(wěn)定三維地質力學模型進行了一定的試驗與研究，所獲得的結果具有較強的應用意義。

參考文獻

[1]張林，楊寶全，丁澤霖，胡成秋.復雜巖基上重力壩壩基穩(wěn)定地質力學模型試驗研究[J].水力發(fā)電.2009（05）：55-57.

[2]姜小蘭，陳進，孫紹文，李寧，劉桂生.高拱壩整體穩(wěn)定問題的試驗研究[J].長江科學院院報.2008（05）：122-125.