雙斜滑動(dòng)面地基對(duì)膠凝砂礫石壩破壞模式的影響研究

丁澤霖，薛江寒，2，王 婧

(1.華北水利水電大學(xué) 水利學(xué)院，河南 鄭州 450046；2.四川大學(xué) 水利水電學(xué)院，四川 成都 610065)

1 研究背景

近年來(lái)，我國(guó)先后在福建洪口、云南功果橋、四川飛仙關(guān)圍堰等臨時(shí)工程中應(yīng)用膠凝砂礫石(CSG)筑壩技術(shù)；國(guó)內(nèi)第一座高度超過(guò)50 m的永久膠凝砂礫石壩(CSG壩)——山西守口堡大壩建成運(yùn)行，標(biāo)志著我國(guó)CSG筑壩技術(shù)上升到了一個(gè)新的臺(tái)階和水平[1-2]。CSG壩是在面板堆石壩和碾壓混凝土重力壩的基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)的新壩型，其工程建材由膠凝材料、水、河床原狀砂礫石或開(kāi)挖廢棄料等通過(guò)專用設(shè)備拌合后得到，具有壩型斷面小、施工速度快、節(jié)省用料、便于施工導(dǎo)流、抗震性能好、適應(yīng)較軟弱地基等諸多優(yōu)點(diǎn)，是擁有發(fā)展前景的“綠色壩型”[3-6]。

CSG壩作為重力壩的一種特殊形式，許多學(xué)者在重力壩研究的基礎(chǔ)上，對(duì)CSG壩開(kāi)展了壩體結(jié)構(gòu)特性研究[7]。相較于重力壩，CSG壩的等腰梯形剖面形式，使其運(yùn)行中保持全斷面受壓狀態(tài)、抵抗變形能力強(qiáng)、壩體結(jié)構(gòu)受強(qiáng)度破壞影響??；同時(shí)，CSG壩對(duì)壩基的整體作用效果，也與重力壩有較大差距[8]。因此，CSG壩抗滑穩(wěn)定問(wèn)題仍需開(kāi)展大量研究。目前，重力壩抗滑穩(wěn)定研究已較為成熟，其失穩(wěn)形式包括：壩體沿建基面的表層滑動(dòng)、沿巖體表層軟弱結(jié)構(gòu)面的淺層滑動(dòng)以及沿壩基內(nèi)部緩傾角軟弱結(jié)構(gòu)面的深層滑動(dòng)。隨著近代筑壩技術(shù)和設(shè)計(jì)理論的發(fā)展，壩體一般很少發(fā)生表層滑動(dòng)和淺層滑動(dòng)失穩(wěn)的情況；但由于影響壩體的因素較多，沿壩基內(nèi)部緩傾角軟弱結(jié)構(gòu)面的深層抗滑穩(wěn)定問(wèn)題是導(dǎo)致結(jié)構(gòu)失穩(wěn)的主要原因之一[8-10]。重力壩深層抗滑穩(wěn)定分析方法有剛體極限平衡法、有限元法、地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)法、分項(xiàng)系數(shù)法及可靠度分析等，如周澤等[11]通過(guò)對(duì)重力壩深層抗滑穩(wěn)定的破壞類型和極限平衡分析法進(jìn)行探討，得到了剛體極限平衡的規(guī)范計(jì)算方法偏于危險(xiǎn)，并得到了深層滑動(dòng)破壞類型為沿滑裂面剪切破壞、抗力體擠壓破壞、抗力體隆起破壞三種。丁澤霖等[12]通過(guò)開(kāi)展地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)研究，得到了重力壩深層滑動(dòng)破壞模式為：滑裂面斷層內(nèi)部產(chǎn)生相互貫通的節(jié)理裂隙，壩體與地基呈現(xiàn)出向下游滑動(dòng)失穩(wěn)的趨勢(shì)。涂勁等[13]通過(guò)對(duì)重力壩開(kāi)展的非線性有限元深層抗滑穩(wěn)定研究，揭示了由于基巖內(nèi)部軟弱結(jié)構(gòu)面的存在和變形而使地基逐步破壞并導(dǎo)致壩體和地基最終失穩(wěn)的機(jī)理。陳祖煜等[14-15]通過(guò)將可靠度分析和單一安全系數(shù)方法互補(bǔ)的具體途徑應(yīng)用于分項(xiàng)系數(shù)的標(biāo)定中，用于解決后續(xù)重力壩的深層抗滑穩(wěn)定問(wèn)題。

上述重力壩抗滑穩(wěn)定研究方法為解決CSG壩抗滑穩(wěn)定問(wèn)題提供了大量基礎(chǔ)。為了更好地將雙斜滑動(dòng)面地基對(duì)CSG壩破壞模式的影響直觀呈現(xiàn)出來(lái)[16]，本文分別建立典型均質(zhì)地基、斷裂雙斜滑動(dòng)面地基和發(fā)育完全雙斜滑動(dòng)面地基條件下的CSG壩模型，對(duì)其開(kāi)展三維地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)和有限元模擬研究[17-20]；通過(guò)對(duì)比壩體、壩基的變形特征，探討地基發(fā)生剪切破壞、沉降及形成滑移通道等造成的CSG壩深層抗滑穩(wěn)定問(wèn)題，獲得三種地基形式下模型的破壞超載安全系數(shù)，分析不同發(fā)育程度的雙斜滑動(dòng)面地基對(duì)CSG壩破壞模式的影響。試驗(yàn)結(jié)果有助于深入分析不同地基下CSG壩的工程特性差異，對(duì)CSG壩后續(xù)的發(fā)展有重要的理論意義。

2 試驗(yàn)方案

2.1 工程概況試驗(yàn)以位于山西省黑水河上游段的守口堡大壩為對(duì)象，其總庫(kù)容約為980 萬(wàn)m3，工程等級(jí)為Ⅳ，壩頂高程為1243.6 m，最大壩高61.6 m。壩址區(qū)河谷為U型河谷，地勢(shì)較為平坦，河谷覆蓋層為卵石混合土。同時(shí)，壩址區(qū)內(nèi)地質(zhì)結(jié)構(gòu)完好，主要為一些小型斷層及節(jié)理裂隙，無(wú)明顯斷距，無(wú)碎裂泥質(zhì)、巖土充填。壩基強(qiáng)風(fēng)化層厚度為0.90～5.00 m，弱風(fēng)化層厚度為4.30～8.75 m。壩基覆蓋層厚度較小，下伏巖基無(wú)軟弱夾層和明顯的斷裂發(fā)育，皆不存在深層滑動(dòng)和淺層滑動(dòng)問(wèn)題，可近似看作地質(zhì)條件較好的均質(zhì)地基[2]。

然而，地基內(nèi)常存在兩條或者多條互相交錯(cuò)的斷層或軟弱結(jié)構(gòu)夾層，構(gòu)成復(fù)雜的雙斜滑動(dòng)面。當(dāng)壩基內(nèi)部存在不利的緩傾角軟弱結(jié)構(gòu)面時(shí)，在水荷載持續(xù)作用下，壩體可能會(huì)連同巖基在軟弱結(jié)構(gòu)面產(chǎn)生滑移，這是影響大壩失事的主要因素之一。因此，需要分析雙斜滑動(dòng)面地基對(duì)CSG壩的破壞影響。但CSG壩永久工程建造尚少，目前在建造過(guò)程中還沒(méi)有遇到典型雙斜滑動(dòng)面的地質(zhì)條件。本文在假設(shè)的前提下，設(shè)計(jì)以山西守口堡大壩斷面為CSG壩、龍門(mén)山褶斷帶前山構(gòu)造帶的北段為地基條件，以此來(lái)模擬CSG壩遇到深層抗滑穩(wěn)定問(wèn)題時(shí)的超載破壞情況。選取的雙斜滑動(dòng)面地基位于四川省龍門(mén)山褶斷帶前山構(gòu)造帶的北段，處于F5與F7斷層之間，區(qū)內(nèi)主要構(gòu)造線呈NE—SW向展布。壩區(qū)內(nèi)斷裂構(gòu)造發(fā)育，褶皺發(fā)育次之，形成了以東北向?yàn)橹鞯臄嗔?。地基巖體中存在的地質(zhì)構(gòu)造缺陷及熔巖地質(zhì)缺陷是影響壩基抗滑穩(wěn)定、壩基滲漏與壩基巖體變形的主要工程地質(zhì)問(wèn)題。挑選18#、19#段地基，18#地基為發(fā)育完全的雙斜滑動(dòng)面地基；19#地基地質(zhì)條件相對(duì)18#地基稍好，為斷裂的雙斜滑動(dòng)面地基(后續(xù)均用18#壩段代替發(fā)育完全的雙斜滑動(dòng)面地基，19#壩段代替斷裂的雙斜滑動(dòng)面地基)。18#、19#地基內(nèi)部存在2條緩傾斷層f114、f115，3條陡傾斷層10f2、F31、F11，以及5條層間錯(cuò)動(dòng)帶JC6-B、JC7-B、JC60-B、JC2-C、JC21-C[12]。

2.2 相似指標(biāo)選取地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)是以相似理論為基礎(chǔ)，將發(fā)生在工程結(jié)構(gòu)和地質(zhì)環(huán)境上的表征現(xiàn)象，按相似比尺經(jīng)縮小(或放大)后在模型上模擬，并將模型中測(cè)到的物理量按照相似比尺換算為原型物理量，采用模型試驗(yàn)結(jié)果來(lái)研究原型的工作性態(tài)和穩(wěn)定安全度，并通過(guò)分析研究模型變形分布特性、破壞模式和破壞機(jī)理，研究原型發(fā)生破壞、失穩(wěn)的條件從而達(dá)到預(yù)測(cè)及加固的目的[17-18]。

本研究考慮到水工結(jié)構(gòu)模型實(shí)驗(yàn)室的場(chǎng)地及模型觀測(cè)精確度的問(wèn)題，確定模型試驗(yàn)中的幾何比尺為CL=100；一般選取容重比尺為Cγ=1.0，其他物理力學(xué)參數(shù)的相似比就可根據(jù)相似關(guān)系式推導(dǎo)得出，地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)中物理量的相似常數(shù)比見(jiàn)表1。

表1 模型破壞試驗(yàn)中主要物理量相似比

2.3 模型材料模擬地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)不僅考慮材料線彈性期間的應(yīng)力、變形等情況相似，也要保證材料塑性階段的應(yīng)力、應(yīng)變曲線完全相似。此外，還要求模型的強(qiáng)度特性也應(yīng)與原型相似。在以往研究和預(yù)試驗(yàn)基礎(chǔ)上，確定了CSG壩體模型的原材料：選用模型砂(河砂)為粗骨料、重晶石粉作為細(xì)骨料，精鐵粉作為增重劑來(lái)保證模型和原型實(shí)現(xiàn)容重相似?？紤]到CSG材料的強(qiáng)度并不高，選用石膏作為主要膠結(jié)材料，水泥作為次要膠結(jié)材料。同時(shí)對(duì)CSG材料開(kāi)展三軸抗剪試驗(yàn)，在實(shí)現(xiàn)物理力學(xué)參數(shù)(容重、泊松比、彈性模量)相似的基礎(chǔ)上，增加了CSG材料的抗剪強(qiáng)度(黏聚力C、摩擦系數(shù)f)相似[10]。本次試驗(yàn)時(shí)降低了摩擦系數(shù)的目標(biāo)值，增大了模擬材料的黏聚力，最終得到了滿足原型壩體抗剪強(qiáng)度要求的相似材料，壩體原型與模型材料力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 CSG壩體物理力學(xué)參數(shù)對(duì)比

根據(jù)守口堡大壩的地質(zhì)條件，將其看作一個(gè)整體均質(zhì)地基。雙斜滑動(dòng)面地基破壞試驗(yàn)壩基材料模擬采用重晶石粉、機(jī)油及可熔性高分子材料等為主，制備成大量10 cm×10 cm×7 cm的塊體，按照巖體發(fā)展的傾角和走向進(jìn)行堆積。壩基巖體的裂隙以模型塊體間的間隔進(jìn)行模擬，沒(méi)有考慮裂隙間的連通率，裂隙和巖體間的力學(xué)參數(shù)采用塊體交錯(cuò)擺放實(shí)現(xiàn)。斷層間加入軟料和薄膜模擬相應(yīng)的力學(xué)參數(shù)，軟料以重晶石粉、機(jī)油及可熔性高分子材料等為主，按所要求的力學(xué)指標(biāo)配制相應(yīng)的混合料備用，再選用不同材質(zhì)的薄膜(蠟紙、聚四氟乙烯薄膜)配合使用，來(lái)模擬抗剪斷強(qiáng)度的相似性[19-20]。對(duì)厚度大的軟弱結(jié)構(gòu)面，采用鋪填壓實(shí)法制模；對(duì)厚度較小的軟弱結(jié)構(gòu)面，采用敷填法制模。巖體、結(jié)構(gòu)面材料的力學(xué)參數(shù)如表3所示。

表3 模型巖體、結(jié)構(gòu)面物理力學(xué)參數(shù)

2.4 試驗(yàn)裝置布置均質(zhì)地基模型試驗(yàn)量測(cè)系統(tǒng)分為壩體應(yīng)變、壩體位移量測(cè)系統(tǒng)。其中，在壩體表面靠近壩基和1/3壩高處分別布置5個(gè)和3個(gè)三花應(yīng)變片(每個(gè)可同時(shí)測(cè)得水平、豎直及45°斜角三組應(yīng)變數(shù)值)，共計(jì)24個(gè)測(cè)點(diǎn)；在下游側(cè)壩體表面1/3壩高、2/3壩高及壩頂處布置水平、豎直方向的位移監(jiān)測(cè)計(jì)，共6個(gè)位移測(cè)點(diǎn)。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的布置形式見(jiàn)下圖1。

圖1 均質(zhì)地基壩段量測(cè)布置

雙斜滑動(dòng)面地基地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)量測(cè)系統(tǒng)分為壩體應(yīng)變、壩體位移及壩基應(yīng)變量測(cè)系統(tǒng)。其中，18#壩段、19#壩段壩體下游面1/3壩高、2/3壩高及壩頂處布置安裝12支位移監(jiān)測(cè)計(jì)，在下游易破壞的f114和f115斷層的出露處布置4個(gè)位移監(jiān)測(cè)計(jì)。在18#壩段和19#壩段外側(cè)建基面各布置20個(gè)三花應(yīng)變片，共計(jì)40個(gè)應(yīng)變測(cè)點(diǎn)。18#、19#壩基內(nèi)的斷層F31、10f2、f114、f115等控制壩基穩(wěn)定的主要斷層結(jié)構(gòu)面上布置有內(nèi)部應(yīng)變測(cè)點(diǎn)，重點(diǎn)監(jiān)控其沿結(jié)構(gòu)面傾向的相對(duì)變位分布和變化特征。18#、19#壩段模型具體監(jiān)測(cè)布置及地質(zhì)斷面見(jiàn)圖2、圖3。

圖2 18#壩段量測(cè)布置

圖3 19#壩段量測(cè)布置

三種壩段工況皆為滿庫(kù)時(shí)的“自重+水壓力+淤沙壓力”，水壓力和淤沙壓力用油壓千斤頂加載來(lái)模擬，實(shí)現(xiàn)在上游壩面施加呈線性變化的單位面力，并且采用荷載分布板消除應(yīng)力集中現(xiàn)象[11]。壩體自重通過(guò)與原型材料容重相等來(lái)實(shí)現(xiàn)。試驗(yàn)采用超載法對(duì)壩體進(jìn)行加載，在加載前先進(jìn)行簡(jiǎn)單的預(yù)加載，以0.5P0(P0為正常蓄水位下的水荷載+淤沙荷載)加載到千斤頂與壩上游面接觸；后利用分級(jí)加載的方式以每級(jí)0.2P0繼續(xù)加載，直到壩基與壩體出現(xiàn)失穩(wěn)的狀態(tài)或有傾覆趨勢(shì)產(chǎn)生，停止加載后試驗(yàn)結(jié)束。在試驗(yàn)中觀測(cè)各級(jí)荷載下壩體、壩基巖體及各軟弱結(jié)構(gòu)面的變形甚至破壞過(guò)程。模型監(jiān)測(cè)流程圖見(jiàn)圖4。

圖4 模型監(jiān)測(cè)流程

3 試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析

3.1 壩體應(yīng)變分析模型最終破壞結(jié)果如圖5所示。由于篇幅限制，僅挑選壩體薄弱部位(壩踵、壩趾)進(jìn)行分析，分別對(duì)均質(zhì)地基、19#壩段、18#壩段上的CSG壩壩體應(yīng)變展開(kāi)對(duì)比。規(guī)定壩體受拉為正、受壓為負(fù)。由圖6、圖7可知：

圖5 三壩段模型破壞照片

圖6 壩踵應(yīng)變曲線

圖7 壩趾應(yīng)變曲線

(1)均質(zhì)地基上CSG壩的壩踵、壩趾處全部受壓，且壓應(yīng)變基本處于相對(duì)較小的狀態(tài)。隨著超載倍數(shù)持續(xù)升高，壩踵在Kp=2.2處先發(fā)生了一個(gè)突變；隨后加快了應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)的速率，應(yīng)變均保持線性增長(zhǎng)。當(dāng)Kp=6.8時(shí)，壩踵處應(yīng)變?cè)俅伟l(fā)生了轉(zhuǎn)折；此刻，數(shù)值基本不隨超載倍數(shù)增長(zhǎng)而變化。壩趾處應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)基本保持同一速率，僅在Kp=6.8處發(fā)生了小的轉(zhuǎn)折便不再發(fā)生大的變化。表明在超載倍數(shù)Kp為2.2和6.8時(shí)，壩體的結(jié)構(gòu)狀態(tài)發(fā)生了變化，是判斷均質(zhì)地基下CSG壩破壞的重要突變點(diǎn)。

(2)19#壩段上CSG壩的壩踵、壩趾處產(chǎn)生壓應(yīng)變，應(yīng)變明顯大于均質(zhì)地基上的CSG壩，說(shuō)明地基對(duì)CSG壩自身結(jié)構(gòu)有很大的影響。當(dāng)Kp=1.0時(shí)，壩踵、壩趾應(yīng)變開(kāi)始迅速增大。達(dá)到Kp=2.2時(shí)，應(yīng)變出現(xiàn)了跨越式的跳動(dòng)；隨后，壩踵處應(yīng)變便開(kāi)始緩慢減小，并在Kp=6.4時(shí)發(fā)生轉(zhuǎn)折，持續(xù)減小至零甚至有受拉趨勢(shì)；壩趾處增長(zhǎng)速度逐漸變緩，當(dāng)Kp=6.4時(shí)，壓應(yīng)變突然減小后恢復(fù)，繼續(xù)加載后應(yīng)變不發(fā)生改變。

(3)18#壩段上CSG壩的壩踵、壩趾先發(fā)生很小的壓應(yīng)變，逐漸增大超載倍數(shù)Kp后，在Kp=2.0后開(kāi)始受拉并逐漸增大，根據(jù)CSG材料的特性，說(shuō)明壩踵、壩趾處極易發(fā)生受拉破壞。Kp=6.0時(shí)，壩體應(yīng)變出現(xiàn)了拐點(diǎn)，隨后壩踵的應(yīng)變值開(kāi)始在區(qū)間內(nèi)上下浮動(dòng)，表現(xiàn)出震蕩的趨勢(shì)；壩趾處的拉應(yīng)變值逐漸增大，并一直持續(xù)到超載過(guò)程結(jié)束。

結(jié)合上述描述分析，不同壩段上壩體應(yīng)變首次發(fā)生突變的超載倍數(shù)相同，說(shuō)明此時(shí)地基還未發(fā)生破壞、滑動(dòng)，并未對(duì)壩體的結(jié)構(gòu)狀態(tài)造成影響。隨著超載倍數(shù)增加，根據(jù)雙斜滑動(dòng)面地基的發(fā)育程度的不同，18#壩段上的壩體應(yīng)變最先發(fā)生突變，均質(zhì)地基上的壩體應(yīng)變最后發(fā)生突變。位于18#壩段上的CSG壩，由于受到水壓力順時(shí)針力矩的影響，壩踵發(fā)生拉應(yīng)變；壩體同時(shí)受到了10f2和f114斷層形成滑移通道的影響，導(dǎo)致地基不均勻沉降及壩趾處產(chǎn)生拉應(yīng)變；由于CSG材料的抗拉強(qiáng)度不高，壩踵、壩趾極易發(fā)生拉裂破壞，壩體甚至可能有塊體脫離的風(fēng)險(xiǎn)。19#壩段由于雙斜滑動(dòng)面斷層發(fā)育不完全，地質(zhì)條件相對(duì)較好；壩趾處巖體有較強(qiáng)的整體性，其受到水壓力持續(xù)發(fā)生壓應(yīng)變；壩踵處受到10f2和f115斷層的擠壓破壞影響也發(fā)生壓應(yīng)變；壓應(yīng)力均不會(huì)導(dǎo)致壩體結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞。

3.2 壩體位移分析分別對(duì)三種壩段形式上CSG壩的水平向、豎直向位移進(jìn)行分析，規(guī)定順河向位移為正，豎直向上位移為正，位移計(jì)標(biāo)號(hào)對(duì)應(yīng)監(jiān)測(cè)設(shè)施布置圖。由圖8、圖9可知：

圖8 壩體水平向位移

圖9 壩體豎直向位移

(1)均質(zhì)地基、19#地基、18#地基上的CSG壩總體均向下游滑動(dòng)，均質(zhì)地基模型隨壩體高程的增加，壩體水平向位移逐漸增大；18#、19#壩段模型隨壩體高程的增加，壩體水平向位移逐漸減小。在Kp=0～1.6期間，位移值基本不發(fā)生變化。在Kp=1.8時(shí)，水平向、豎直向位移幅度明顯增大。

(2)在均質(zhì)地基上，CSG壩的位移值均較19#、18#壩段??；在Kp=6.8時(shí)，豎直、水平向的位移曲線均出現(xiàn)了明顯拐點(diǎn)，位移值增長(zhǎng)趨勢(shì)開(kāi)始顯著變緩。豎直向壩中和壩底兩側(cè)點(diǎn)與壩頂測(cè)點(diǎn)的位移方向相反，表明壩體除了發(fā)生水平向的滑動(dòng)，還受到了向下游的傾覆力矩作用，壩體有以壩趾為基點(diǎn)發(fā)生順時(shí)針?lè)D(zhuǎn)傾覆的趨勢(shì)。

(3)在18#地基上，當(dāng)Kp=6.0時(shí)，f114斷層露出面處(1#、2#)測(cè)點(diǎn)的豎直、水平向的位移曲線均出現(xiàn)突變點(diǎn)；其2#測(cè)點(diǎn)的豎直向位移趨勢(shì)較小，表明結(jié)構(gòu)面f114和f115的相互滑移錯(cuò)動(dòng)主要集中于f115結(jié)構(gòu)面。壩體的豎直、水平向位移均沒(méi)有明顯拐點(diǎn)，增長(zhǎng)速率在Kp=6.0時(shí)發(fā)生了輕微改變。完整發(fā)育的雙斜滑動(dòng)面地基形成的滑移通道造成CSG壩在18#壩段的豎向位移大于19#壩段，導(dǎo)致壩體斜向下游傾覆；壩頂?shù)乃较蛭灰戚^壩中、壩底小，形成壩踵沉降、壩趾抬升的逆向翻轉(zhuǎn)趨勢(shì)。

(4)在19#地基上，CSG壩的水平向位移大于均質(zhì)地基和18#地基；當(dāng)Kp=6.2～6.4時(shí)，水平向位移出現(xiàn)了較微弱的拐點(diǎn)，這是受到軟弱結(jié)構(gòu)面的影響，斷層材料有較好的延展性。19#地基壩體的豎直向位移曲線也在Kp=6.2～6.4出現(xiàn)了突變，隨后便以較大的速率持續(xù)增長(zhǎng)，直至超載過(guò)程結(jié)束；豎向位移值介于18#地基和均質(zhì)地基之間，位移曲線的變化趨勢(shì)與18#地基相似，說(shuō)明壩體豎向位移受雙斜滑動(dòng)面地基影響較大。

圖10 18#壩段壩基應(yīng)變

從圖11可以看出：19#地基中的應(yīng)變變化趨勢(shì)與18#地基相似，但都相較18#地基略小。在Kp=6.4時(shí)，斷層的應(yīng)變值達(dá)到最大后開(kāi)始突變減小，破壞超載安全系數(shù)較18#地基略有增大。19#地基中f114、f115斷層的應(yīng)變要明顯大于其他斷層，說(shuō)明其發(fā)生了嚴(yán)重的剪切破壞。僅從應(yīng)變數(shù)據(jù)分析，當(dāng)雙斜滑動(dòng)面地基未發(fā)育完全時(shí)，f114斷層是地基中最易發(fā)生破壞的斷層，f115次之。由于10f2斷層與加載方向相同且未構(gòu)成大的滑移通道，10f2斷層產(chǎn)生的應(yīng)變最小。

圖11 19#壩段壩基應(yīng)變

3.4 模型破壞過(guò)程及表征分析模型破壞過(guò)程及表征主要通過(guò)內(nèi)外部測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)和現(xiàn)場(chǎng)模型觀測(cè)記錄綜合確定，均質(zhì)地基壩段、19#壩段、18#壩段模型破壞過(guò)程圖如圖12(圖中紅色線段代表裂縫)。

圖12 模型破壞過(guò)程

三壩段模型破壞過(guò)程對(duì)比歸納見(jiàn)表4。

表4 CSG壩模型超載破壞過(guò)程

3.5 模型破壞模式分析與重力壩深層滑動(dòng)破壞相比，重力壩可類似看作懸臂梁，由于其三角形剖面受到水平向的水推力，重力壩與壩基呈現(xiàn)出向下游滑動(dòng)；同時(shí)，壩體受到順時(shí)針彎矩的影響，壩踵、壩趾處極易出現(xiàn)拉剪、壓剪破壞，壩體產(chǎn)生順時(shí)針?lè)D(zhuǎn)的趨勢(shì)[10]。CSG壩體由于受到自身較大的重力和指向地基的水壓力，對(duì)地基的擠壓破壞嚴(yán)重，隨著雙斜滑動(dòng)面地基形成的滑移通道會(huì)產(chǎn)生壩踵下沉、壩趾抬升的逆時(shí)針?lè)D(zhuǎn)破壞；CSG壩較大的斷面形式能抵御彎矩的作用，導(dǎo)致其結(jié)構(gòu)破壞受拉應(yīng)力的影響較小，更多受滑動(dòng)破壞的影響；并且由于水壓力作用在梯形斷面上，其豎直向分力引起壩體抗滑力增大，使CSG壩的破壞超載安全度較重力壩顯著增加，壩體的穩(wěn)定性有很大的提升。

均質(zhì)地基CSG壩的破壞模式為壩體沿壩基面產(chǎn)生貫通裂縫，并伴有以壩趾為基點(diǎn)的向上游翻轉(zhuǎn)式傾覆破壞趨勢(shì)。對(duì)于19#、18#壩段雙斜滑動(dòng)面地基模型，壩體沿建基面貫通裂縫的滑動(dòng)并不成為其主要的破壞模式，壩基中結(jié)構(gòu)面受到的擠壓破壞嚴(yán)重影響著CSG壩的試驗(yàn)結(jié)果。由于19#壩段地基未發(fā)育完全，f114和f115斷層未連接到地基表面，巖體整體性依然起到結(jié)構(gòu)支撐的作用，地基條件相對(duì)較好，其僅形成F31和10f2的滑裂面，斷層f115的擠壓破壞較為嚴(yán)重，壩體主要形成向下游剪切滑動(dòng)破壞的趨勢(shì)，壩踵沉降、壩趾抬升趨勢(shì)較18#壩段小。18#壩段地基在超載的過(guò)程中被壓壞，形成以斷層F31和10f2的滑裂面、斷層f114和f115的滑裂面為基礎(chǔ)的滑移通道，導(dǎo)致CSG壩體跟隨滑移通道滑動(dòng)，產(chǎn)生明顯的壩踵下沉、壩趾上抬的傾覆破壞。CSG壩的地基適應(yīng)能力相對(duì)較強(qiáng)，壩體超載破壞后的整體性較好，結(jié)構(gòu)自身沒(méi)有發(fā)生大的剪切破壞。

綜合上述分析，CSG壩受到雙斜滑動(dòng)面地基發(fā)育完整程度的影響后，破壞模式由壩體沿壩基面產(chǎn)生的貫通滑動(dòng)裂縫破壞，逐漸發(fā)展為跟隨地基中雙斜滑動(dòng)面形成的滑移通道滑動(dòng)，形成壩踵下降、壩趾抬升的滑動(dòng)翻轉(zhuǎn)破壞；各模型的破壞超載安全系數(shù)隨著地基的發(fā)育降低，其破壞模式與地基的整體性有很大的關(guān)系；壩基結(jié)構(gòu)面的抗滑穩(wěn)定性決定著CSG壩的穩(wěn)定性，嚴(yán)重影響著工程安全性。

3.6 有限元破壞對(duì)比分析為多方面驗(yàn)證壩體的雙斜面滑移通道對(duì)CSG壩破壞模式的影響及模型的超載安全度，采用三維非線性有限元法[21-23]對(duì)模型進(jìn)行補(bǔ)充計(jì)算。計(jì)算采用Ansys Workbench 19.0軟件進(jìn)行，并根據(jù)守口堡CSG壩各項(xiàng)尺寸參數(shù)，對(duì)18#、19#地基適當(dāng)簡(jiǎn)化后進(jìn)行有限元建模。計(jì)算采用的是彈塑性材料模型[24]，屈服準(zhǔn)則采用D-P準(zhǔn)則[25]。有限元計(jì)算參數(shù)與原型參數(shù)相同，壩體、壩基及結(jié)構(gòu)面參數(shù)見(jiàn)表2和表3，結(jié)構(gòu)面與巖體的摩擦系數(shù)為0.37。計(jì)算采用與模型相同的超載法，計(jì)算工況為正常運(yùn)行工況，上游水頭同樣取正常蓄水位水頭為57 m，下游水頭按0 m計(jì)算，根據(jù)地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)得出模型的超載破壞安全系數(shù)進(jìn)行超載計(jì)算。有限元計(jì)算結(jié)果塑性分布見(jiàn)圖13。

圖13 模型塑性區(qū)分布

由圖13可以看到：在Kp=6.8時(shí)，均質(zhì)地基上CSG壩已經(jīng)與地基產(chǎn)生貫通裂縫，整體結(jié)構(gòu)處于即將發(fā)生滑動(dòng)破壞的狀態(tài)。19#壩段在Kp=6.4時(shí)，壩基破壞的滑移通道主要是10f2與f114斷層形成的，在f115斷層形成的滑裂面對(duì)壩體影響較小。但由于兩結(jié)構(gòu)面沒(méi)有出露，壩趾與該區(qū)域的地基受到嚴(yán)重的拉剪破壞。18#壩段在Kp=6.0時(shí)，18#壩段的F31、10f2斷層形成斜向下游的滑裂面，f114、f115斷層形成斜向上游的滑裂面，10f2、f114和f115斷層形成明顯的滑移通道；在10f2斷層末端也有明顯的擠壓破壞情況，并逐漸與f114、f115連通形成大范圍塑性區(qū)，說(shuō)明該范圍內(nèi)的巖體遭到了嚴(yán)重破壞；壩體結(jié)構(gòu)并沒(méi)有發(fā)生塑性破壞。

有限元模擬選取了影響模型破壞的主要斷層，整體裂縫的發(fā)展、破壞的趨勢(shì)和地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)基本相同，相互驗(yàn)證了雙斜滑動(dòng)面地基對(duì)CSG壩破壞模式影響的結(jié)果。

3.7 模型加固方案及驗(yàn)證為了反向驗(yàn)證地基各斷面對(duì)其破壞程度的影響，采用混凝土加固的方式對(duì)模型地基進(jìn)行處理。在3.4節(jié)中，下游面的滑移通道主要集中于f115斷層，分別將18#壩段中的危險(xiǎn)斷層F31、10f2、f115加固，有限元模型通過(guò)Ansys有限元軟件改變斷層中的材料特性及接觸屬性。三種加固方案模型的最終破壞圖見(jiàn)圖14。

圖14 加固模型破壞

(1)方案一：僅加固F31斷層后，如圖14(a)。壩體受到超載水壓力后仍呈現(xiàn)出隨滑移區(qū)的滑動(dòng)破壞；f115和f114斷層產(chǎn)生較大的塑性破壞區(qū)，10f2斷層末端有明顯的擠壓破壞，模型由于滑動(dòng)破壞已經(jīng)失去了承載能力。

(2)方案二：加固10f2和f115斷層后，如圖14(b)。雙斜滑動(dòng)面地基形成的滑移通道已經(jīng)完全固結(jié)，地基完整性有了大幅度增加。但是，由于F31斷層未開(kāi)展加固工作，模型的極端破壞情況導(dǎo)致地基F31斷層受拉開(kāi)裂，其嚴(yán)重影響著工程運(yùn)行。模型的沉降和壩趾抬升已經(jīng)有了明顯的好轉(zhuǎn)，f114斷層和f115斷層僅受到嚴(yán)重?cái)D壓破壞，未形成滑移通道；壩體結(jié)構(gòu)的受力條件得到了極大改善，塑性破壞區(qū)明顯減小。

(3)方案三：加固F31、10f2、f115斷層，如圖14(c)。壩體的破壞模式受到雙斜滑動(dòng)面地基影響較小，在壩踵和上游面地基出現(xiàn)的拉剪塑性變形區(qū)明顯減??；壩體結(jié)構(gòu)出現(xiàn)壩趾下沉、壩踵抬升的旋轉(zhuǎn)趨勢(shì)，f114、f115斷層僅在壩趾處受到擠壓破壞，且與10f2斷層連接處的塑性區(qū)強(qiáng)度也相對(duì)降低，地基的整體性得到很大提升，均不對(duì)工程運(yùn)行造成重大影響。持續(xù)進(jìn)行水壓力超載，在Kp=6.8～7.0時(shí)有限元計(jì)算結(jié)果不收斂，到達(dá)了模型整體的超載破壞安全系數(shù)，相比之前有了明顯的提升。

綜上分析，在加固10f2、f115斷層后，壩體、壩基的塑性區(qū)及變形強(qiáng)度明顯減小，壩體滑移、沉降得到了很大的改善，表明10f2和f115斷層形成的滑移通道是造成CSG壩破壞的主要影響因素；但由于F31斷層位于接近壩踵的位置，在水壓力的作用下模型有了明顯的拉裂破壞，雖壩體沒(méi)有較大的變位及塑性區(qū)，但仍影響著工程運(yùn)行。因此，10f2和f115斷層為工程破壞的主要影響因素，F(xiàn)31為次要影響因素；在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中，壩址選取首先應(yīng)盡量避免可能形成滑動(dòng)面的危險(xiǎn)斷層，未形成滑移通道的斷層對(duì)壩體結(jié)構(gòu)的影響相對(duì)較小。

4 結(jié)論

本文對(duì)均質(zhì)地基、斷裂的雙斜滑動(dòng)面地基、發(fā)育完全的雙斜滑動(dòng)面地基開(kāi)展CSG壩地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)，綜合壩體、壩基及斷層的破壞特征探究雙斜滑動(dòng)面地基對(duì)CSG壩破壞模式的影響，并采用有限元法對(duì)模型試驗(yàn)結(jié)果、模型加固進(jìn)行驗(yàn)證，可以得到以下結(jié)論：

(1)三壩段模型的破壞模式為：①均質(zhì)地基模型以發(fā)生壩體與壩基面貫通裂縫為主要破壞模式，并產(chǎn)生以壩趾為基點(diǎn)出現(xiàn)順時(shí)針?lè)D(zhuǎn)趨勢(shì)。②19#壩段CSG壩主要發(fā)生向下游的剪切滑動(dòng)破壞，地基形成F31和10f2的滑裂面，斷層f115的擠壓破壞較為嚴(yán)重。③18#壩段地基產(chǎn)生F31和10f2斷層的滑裂面、f114和f115斷層的滑裂面，并形成較大的深層滑移通道，壩體跟隨滑移通道滑動(dòng)情況明顯；f114和f115斷層在壩踵出露處剪切破壞情況嚴(yán)重，CSG壩壩踵下沉、壩趾上抬的旋轉(zhuǎn)破壞趨勢(shì)較明顯。

(2)CSG壩受到雙斜滑動(dòng)面地基影響后，破壞模式由壩體沿壩基面產(chǎn)生的貫通滑動(dòng)裂縫破壞，逐漸發(fā)展為跟隨地基中雙斜滑動(dòng)面形成的滑移通道滑動(dòng)，形成壩踵下降、壩趾抬升的滑動(dòng)翻轉(zhuǎn)破壞；各模型的破壞超載安全系數(shù)隨著地基的發(fā)育改變，其破壞模式與地基的整體性有很大的關(guān)系；壩基結(jié)構(gòu)面的抗滑穩(wěn)定性決定著CSG壩的穩(wěn)定性，嚴(yán)重影響著工程的安全性；在后續(xù)工程設(shè)計(jì)中，壩址選取首先應(yīng)盡量避免可能形成滑動(dòng)面的危險(xiǎn)斷層。