基于地質(zhì)力學(xué)模型的拱壩壩肩穩(wěn)定性分析

于淳蛟

(湖北志宏水利水電設(shè)計有限公司，湖北 武漢 430070)

0 引言

中國水旱災(zāi)害頻繁，相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，在1949年之前我國共發(fā)生了1092次洪災(zāi)。為確保廣大人民群眾的生命和財產(chǎn)安全，我國組織修建了眾多的水利水電工程，成為世界上大壩數(shù)量增長最快的國家。在諸多的水利大壩中，拱壩因具有性價比高、超載能力強等特點被廣泛應(yīng)用，尤其是地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、結(jié)構(gòu)面發(fā)育的地區(qū)[1-2]。在地質(zhì)條件不穩(wěn)定的區(qū)域修建大壩時，不僅要考慮卸載帶對拱壩的穩(wěn)定性的影響，還要在修建過程中對壩基和壩肩進行加固處理。

針對拱壩加固的問題，已經(jīng)有多位學(xué)者進行了研究。宋子享等[3]運用有限元法，模擬分析了擴大基礎(chǔ)對拱壩的加固效果，提出一種量化的評估方法。陳媛等[4]采用室內(nèi)模型試驗的方法研究了拱壩的變形特性和破壞機理，獲得了拱壩在不同階段的超載安全系數(shù)。結(jié)果表明：拱壩上部的巖體為整個工程的薄弱環(huán)節(jié)，需要采取加固措施。陳凸立等[5]建立了復(fù)雜條件下拱壩的三維有限元模型，研究了加固效果對壩肩巖體穩(wěn)定性的影響。結(jié)果表明：在對壩肩采取適當(dāng)?shù)募庸檀胧┖螅瑝渭绲某休d力有明顯提升，巖體的安全系數(shù)得到了提高。胡波等[6]則是以現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，通過理論推導(dǎo)的方法分析評價了拱壩回填的加固效果。結(jié)果表明：回填土能夠穩(wěn)定地與圍巖結(jié)合，較好地提升了拱壩和圍巖的穩(wěn)定性。另外，對于壩坡巖體的卸載性能及卸載帶的區(qū)分問題，國內(nèi)外學(xué)者也對此進行了大量的研究，但對壩體穩(wěn)定性受卸載帶影響的研究較少。

由于卸荷帶區(qū)域內(nèi)的巖體力學(xué)性質(zhì)較差、節(jié)理發(fā)育，容易對拱壩的安全建設(shè)和運營造成安全隱患。本文通過模擬拱壩邊坡的卸載帶、節(jié)理等結(jié)構(gòu)，討論了拱壩及其周圍巖體的穩(wěn)定性和變形特性，并分析了卸載帶對拱壩的穩(wěn)定性的影響。

1 概況

某水電站大壩為混凝土雙曲拱壩，拱壩高225m，頂部高程為2849m。拱壩所處河谷較窄、泄洪量大、卸荷帶深度較大。相關(guān)地質(zhì)勘查資料顯示，地區(qū)的地質(zhì)條件較差，主要有4條Ⅱ級結(jié)構(gòu)面，長度有數(shù)百米到數(shù)千米不等；Ⅲ級結(jié)構(gòu)面共有75條，大部分的長度達到數(shù)百米。大壩邊坡上的斷層主要由頁巖以及泥灰?guī)r組成，斷面上擦痕較多，側(cè)伏角均不超過20°。

由于長期受水流沖刷和風(fēng)力侵蝕作用，邊坡巖體卸荷現(xiàn)象較嚴重，將壩區(qū)巖體的卸荷帶分為強、微、弱3種。巖體的弱卸荷帶分布較多，其次為強卸荷帶。卸荷裂隙的寬度大多在0.2～2cm范圍內(nèi)，個別裂隙寬度達到了10cm，填充有大量的碎石，整體穩(wěn)定性較差。

2 材料與方法

2.1 試驗設(shè)計

試驗?zāi)M的范圍為拱壩中心向上游方向取0.75倍壩高，向下游方向取2.45倍壩高；河谷中線為基準(zhǔn)向左右兩側(cè)各延伸2倍壩高，模擬范圍的尺寸為790m×670m。綜合考慮現(xiàn)場地質(zhì)結(jié)構(gòu)的特性和分布情況，結(jié)合相關(guān)工程經(jīng)驗確定模型試驗的幾何相似比CL為200，確定容重、變形模量、位移、應(yīng)力、集中力的相似比分別為1、200、200、200、2000000。得出模型的尺寸為3.95m×3.35m，模型的高度設(shè)為10cm。

2.2 模型材料

在壩區(qū)進行取樣，對材料的物理參數(shù)進行測定，按照相似比算出模型材料所需的物理參數(shù)，通過材料的配合比試驗確定所需的模型材料。材料參數(shù)見表1。

表1 原型材料和模型材料的主要參數(shù)

試驗中以重晶石粉和石膏粉為主要材料，根據(jù)不同的配合比制定出多個拱壩模型，如圖1所示，然后進行一系列的材料試驗，從而選出符合表1要求的壩體材料配合比。

圖1 拱壩位移測點布置示意圖

根據(jù)相似比和材料試驗確定模型試驗的材料參數(shù)見表2。巖體的主要材料為重晶石粉，膠結(jié)材料選擇硅酸鹽水泥，加入少量的石蠟和機油來控制摩擦系數(shù)和粘聚力。為了便于模擬節(jié)理，采用壓模機將巖體的模型材料壓制成邊長為9cm，厚度為5cm菱形塊體。根據(jù)節(jié)理分布情況用菱形塊體砌筑成相應(yīng)的巖體。

表2 巖體模型材料力學(xué)參數(shù)表

2.3 加載和測量系統(tǒng)

由于試驗?zāi)Ｐ蜑槠矫娴刭|(zhì)力學(xué)模型，正常工況下只考慮上游靜水壓力和拱壩自重。試驗過程中采用千斤頂進行加載。

拱壩下游位置設(shè)置了5個位移測點，監(jiān)測試驗過程中拱壩的位移。位移計采用SP-10A型電感位移計，測量精度為0.01mm。布置情況如圖1所示。在拱壩兩岸邊坡設(shè)置68個移位測點，監(jiān)測巖體順河道方向和垂直河道方向的位移。選定模型材料主要為非彈性材料，不能通過拱壩的應(yīng)變值來計算壩體的應(yīng)力，因此根據(jù)壩體的應(yīng)變曲線來判斷拱壩和巖體的穩(wěn)定性及變形。拱壩應(yīng)變測點的布置情況如圖2所示。

圖2 拱壩應(yīng)變片布置示意圖

試驗步驟為：①對試驗?zāi)Ｐ瓦M行預(yù)加載，然后加載到正常工況下的荷載P0，即荷載值為上游水壓力和拱壩自重之和；②進行超載試驗，加載采用分級加載的方式，以0.2P0為一級，每加一級荷載后記錄下位移計和應(yīng)變片的讀數(shù)；③結(jié)束條件是整個模型出現(xiàn)明顯的大變形，導(dǎo)致模型整體發(fā)生破壞。

3 試驗結(jié)果分析

3.1 拱壩位移變化特征

拱壩壩體徑向位移與超載系數(shù)間的關(guān)系曲線如圖3所示。從圖中可以看出，拱壩位移隨著超載系數(shù)的增加而逐漸增加，僅有水壓力和壩體自重荷載作用時，拱壩的位移較小。當(dāng)超載系數(shù)達到1.6～1.8時，拱壩的位移曲線產(chǎn)生了輕微的波動，此時拱壩位移的變化速率也有所增加；當(dāng)超載系數(shù)達到2.5左右時，拱壩位移曲線開始出現(xiàn)拐點，位移變化速率進一步增加，拱壩左邊的位移開始超過拱壩右邊的位移；當(dāng)超載系數(shù)達到3.8以上時，位移變化曲線再次出現(xiàn)波動，拱壩位移較大，拱壩逐漸出現(xiàn)變形失穩(wěn)的現(xiàn)象。

圖3 拱壩徑向位移與超載系數(shù)間的關(guān)系

3.2 拱壩應(yīng)變變化特征

拱壩的徑向應(yīng)變變化曲線如圖4所示。從圖中可以看出，在沒有施加超載時，壩體的整體應(yīng)變都比較小，且均為壓應(yīng)變。在超載系數(shù)為1.6時，壩體的應(yīng)變曲線開始出現(xiàn)拐點，拱壩左端開始出現(xiàn)裂縫，整個拱壩仍處于穩(wěn)定狀態(tài)；當(dāng)超載系數(shù)大于2.6時，多數(shù)測點的應(yīng)變波動較大，部分測點由壓應(yīng)變轉(zhuǎn)變?yōu)槔瓚?yīng)變，這是因為拱壩本身存在的應(yīng)力釋放現(xiàn)象；當(dāng)超載系數(shù)達到3.8以上時，應(yīng)變曲線再次出現(xiàn)波動，拱壩左端的裂縫數(shù)量增加，向拱壩中心處擴展，拱壩的穩(wěn)定性正在逐漸下降，與拱壩的位移變化趨勢相吻合。

圖4 拱壩徑向應(yīng)變與超載系數(shù)間的關(guān)系

3.3 壩肩位移變化特征

拱壩壩肩位移與超載系數(shù)間的關(guān)系曲線如圖5所示，位移與河流流向一致為正。從圖中可以看出，在未施加超載的情況下，拱壩的壩肩處于穩(wěn)定狀態(tài)，位移變化很?。辉诔d試驗階段，壩肩的位移變化明顯，當(dāng)超載系數(shù)為1.8時，多數(shù)的位移測點處的位移變化曲線出現(xiàn)拐點，部分測點處的位移開始朝著反方向變化，且變化的速率較快；當(dāng)超載系數(shù)處于2.4～2.6之間時，拱壩兩端和巖體斷層處的位移變化速率開始增加，靠近卸荷帶的壩端部位變化最為明顯；當(dāng)超載系數(shù)超過3.8后，位移變化曲線同樣再次產(chǎn)生明顯的波動，拱壩左右兩端的位移變化不在呈對稱趨勢，部分測點的位移較大，壩肩的承載力逐步喪失。

圖5 壩肩順河向位移與超載系數(shù)間的關(guān)系

3.4 卸荷帶巖體的位移變化特征

拱壩兩岸卸荷帶巖體的位移變化情況如圖6所示。從圖中可以看出，無論是否施加超載，兩岸卸荷帶巖體位移變化區(qū)域基本一致，右岸巖體位移明顯的區(qū)域主要分布在斷層與拱端之間，左岸巖體位移的顯著部位是處于強卸荷帶的Ⅳs類巖體與弱卸荷帶的Ⅲ2s巖體；通過對比發(fā)現(xiàn)，左岸巖體與拱壩本身的位移變化相符，位移顯著高于右岸巖體，說明左岸卸載帶在超載條件下，左岸卸載帶對拱壩產(chǎn)生較大的影響[7]。

圖6 卸荷帶巖體順河向位移與超載系數(shù)間的關(guān)系

從順河流方向上的相對位移變化情況上來看，兩岸巖體的相對位移都是正值，表明卸荷帶內(nèi)的巖體在順河流方向上的位移存在錯動現(xiàn)象。兩岸巖體在垂直河流方向上的相對位移基本為正值，表明左岸卸荷帶與右岸卸荷帶相比，能夠顯著地削弱位移的傳遞。

4 結(jié)論

采用室內(nèi)模型試驗的方法對拱壩邊坡的卸荷帶、節(jié)理等構(gòu)造進行模擬，分析卸荷帶對拱壩穩(wěn)定性和變形特性的影響，得出以下結(jié)論。

(1)超載系數(shù)達到1.7時，拱壩左端開始出現(xiàn)細微裂縫，位移、應(yīng)變與超載系數(shù)的關(guān)系曲線開始出現(xiàn)拐點。

(2)超載系數(shù)為2.4～2.6時，拱壩左右兩端下游位置發(fā)生壓剪破壞、裂縫增多，與拱壩較近的斷層發(fā)生開裂，位移的增長速率明顯上升，應(yīng)變朝反方向發(fā)展。

(3)超載系數(shù)達到3.8～4.2后，周圍巖體有明顯的破碎，裂縫延伸到卸荷帶區(qū)域內(nèi)，拱壩和巖體的位移增長速率加快，拱壩的承載力下降，整個模型逐漸失穩(wěn)。

(4)通過對比位移、應(yīng)變與超載系數(shù)間的關(guān)系，表明卸荷帶的存在不利于拱壩穩(wěn)定，特別是左岸卸荷帶影響較為明顯。