羅 晶, 張 林, 陳 媛, 董建華

(四川大學 水力學與山區(qū)河流開發(fā)保護國家重點實驗室、水利水電學院,四川成都 610065)

1 前 言

在地質(zhì)力學模型試驗中,如何合理模擬地質(zhì)構(gòu)造、選擇模型材料、非常關(guān)鍵。常規(guī)地質(zhì)力學模型材料通常由重晶石粉、石膏、機油、添加劑、水等組成,通常只能模擬材料的設(shè)計值,而無法實現(xiàn)力學參數(shù)的降低。變溫相似材料是在常規(guī)模型材料中添加可熔性高分子材料及多種添加劑,通過升溫的辦法使高分子材料熔解從而降低模型材料的強度參數(shù),達到模型試驗中降強的目的。

筆者結(jié)合某高拱壩,著重介紹了變溫相似材料在該工程地質(zhì)力學模型試驗中的應(yīng)用。依托變溫相似材料的強度儲備特性,利用將超載法和強度儲備法相結(jié)合的綜合法試驗,不僅考慮到工程上可能遇到的突發(fā)洪水(超載),還考慮到工程長期運行中巖體及軟弱結(jié)構(gòu)面力學參數(shù)逐步降低的可能(降強),更好地模擬了工程實際。通過綜合法試驗,獲得了結(jié)構(gòu)和地基的破壞過程和破壞形態(tài),了解了地基的變形分布特性,分析了地基的極限承載能力及破壞機理,從而得到模型的綜合穩(wěn)定安全度。

考慮到試驗逐級變溫過程可能會引起材料結(jié)構(gòu)內(nèi)部的變化并在模型中產(chǎn)生一定的溫度附加效應(yīng),可能會影響到試驗結(jié)果的可靠性,筆者還采用ANSYS有限元分析軟件對試驗變溫過程進行溫度影響行為分析,利用軟件的熱——結(jié)構(gòu)耦合了分析功能,研究應(yīng)用了變溫相似材料的某高拱壩壩肩地質(zhì)力學模型試驗結(jié)果的可靠性。

2 變溫相似材料的基本原理及物理參數(shù)的確定

2.1 變溫相似材料的基本原理

變溫相似材料的研制是交叉學科的滲透,它是在傳統(tǒng)的模型材料中加入適量的可熔性高分子材料及多種添加劑并配置升溫調(diào)控系統(tǒng)和溫度監(jiān)測系統(tǒng)、用于實現(xiàn)水工模型試驗強度儲備的一種新技術(shù)。可熔性高分子材料一是起到了補強的作用,二是形成了巖體及結(jié)構(gòu)面變溫相似材料,以便用于試驗中的強度儲備。升溫調(diào)控系統(tǒng)采用調(diào)壓變壓器調(diào)節(jié)電壓,提供熱能供應(yīng)源,調(diào)整電壓使電阻絲的溫度隨著電壓的高低不同而發(fā)生變化。溫度監(jiān)測系統(tǒng)采用溫度巡回檢測儀及熱電偶測試各部位的溫度值及溫度變化情況。

試驗中可通過升溫調(diào)控系統(tǒng)和溫度監(jiān)測系統(tǒng)逐級升溫,使高分子材料逐步熔解,通過熱效應(yīng)產(chǎn)生材料力學效應(yīng)的變化,從而達到模型材料的力學參數(shù)隨著溫度的升高而逐步降低的目的,且在一定的溫度變化范圍內(nèi),原型和模型材料的力學特性仍然保持相似。

2.2 物理參數(shù)的確定

2.2.1 力學參數(shù)的確定

在模型試驗之前,首先要進行大量的材料試驗,研究變溫相似材料的力學參數(shù)與溫度變化的關(guān)系。試驗在恒溫室進行,室溫與試驗穩(wěn)定溫度相同,分別測定試件的抗剪斷強度 τm、摩擦系數(shù)fm、粘聚力 cm與溫度 T的關(guān)系曲線,用以判定模型試驗中的強度儲備系數(shù) K2。

圖1 巖體模型材料 τm～T關(guān)系曲線圖

以抗剪斷強度 τm參數(shù)為例,圖 1為溪洛渡電站巖體模型材料 τm-T關(guān)系曲線。由關(guān)系曲線可以看出,變溫相似材料的 τm-T關(guān)系曲線呈現(xiàn)反比關(guān)系,說明隨著溫度的升高,τm有規(guī)律的降低。因此,應(yīng)用變溫相似材料可以實現(xiàn)材料的強度降低,并可獲得強度儲備系數(shù) K2。

2.2.2 熱物理參數(shù)的確定

利用 ANSYS有限元軟件進行熱分析時,需要確定材料的熱物理參數(shù):導(dǎo)熱系數(shù) K、比熱 C和線膨脹系數(shù) α,其中線膨脹系數(shù)對計算結(jié)果的影響尤為敏感,導(dǎo)熱系數(shù) K、比熱 C則可通過類比獲得。以下對變溫相似材料的線膨脹系數(shù)進行推導(dǎo)。

常溫下材料的線度隨溫度變化可用經(jīng)驗公式表示:

其中 α為固體的線膨脹系數(shù),其物理意義是溫度每升高 1℃時,物體的相對伸長量;L0為 t=0℃時的長度。

實際測量時,測得物體在室溫 t1℃時的長度及溫度升到 t2℃時其長度伸長量 δL,經(jīng)推導(dǎo),得:

當 t1、t2較小時,并因其與 δL相比甚小,故:

由式 3得到的 α是材料在溫度 t1-t2間的平均線膨脹系數(shù)。試驗中的關(guān)鍵是測出 δL。

材料試驗通過隨機取樣(三個試件一組)測得每個試件在兩相鄰溫度變化間的線膨脹系數(shù)和平均線膨脹系數(shù)(表 1)。

表1 變溫相似材料線膨脹系數(shù)表

為減小試驗的系統(tǒng)誤差,材料的線膨脹系統(tǒng)應(yīng)取用平均值?？紤]到組合試件間的微小裂隙對應(yīng)力有一定的釋放作用,且在模型試驗中,材料的最大線膨脹系數(shù)出現(xiàn)在溫度最高,試件變軟時,此時模型在外力的作用下已破壞,因此綜合分析,材料的線膨脹系數(shù)取用平均值范圍內(nèi)的較小值,為:2.07×10-8。

3 地質(zhì)力學模型試驗應(yīng)用實例

3.1 工程概況

溪洛渡水電站是位于金沙江上的重要梯級電站。該工程大壩為混凝土拋物線雙曲拱壩,最大壩高 278m。壩區(qū)河道順直,岸坡陡峻,呈對稱的“U”型,兩岸山體雄厚,地形完整,無溝谷切割。拱壩壩肩及抗力體部位巖體由 4～12層峨眉山玄武巖巖流層組成。同一巖流層厚度相對穩(wěn)定,起伏差一般小于 3～5m。層間層內(nèi)錯動帶發(fā)育,為壩區(qū)工程地質(zhì)條件相對較弱的部位,是影響壩肩穩(wěn)定的主要因素。

3.2 巖體、斷、夾層模擬新技術(shù)的應(yīng)用

針對溪洛渡水電站地質(zhì)構(gòu)造特點,根據(jù)相似原理建立了比例尺為 1∶300的地質(zhì)力學模型。模型模擬的重點是對穩(wěn)定起控制作用的層間、層內(nèi)錯動帶及可能形成側(cè)滑面的陡傾角不連續(xù)節(jié)理組的模擬,且要反映出巖流層的各向異性。為此,研制了適合該工程的系列變溫相似材料。

巖體變溫相似材料采用重晶石粉、機油、可熔性高分子材料等按一定的配比制成混合料,再壓制成預(yù)定的小塊體備用。在砌筑組合塊體時,塊體的走向及傾角要按照巖層的產(chǎn)狀鋪設(shè),忽略起伏差影響。組合塊體的每層之間采用錯縫砌塊,其作用一是為了體現(xiàn)區(qū)域內(nèi)的巖體均勻性,二是模擬巖體中的節(jié)理裂隙。模型砌筑過程中,需要在組合塊體層間埋設(shè)一定直徑的電阻絲作為加熱設(shè)備,埋設(shè)前需合理設(shè)計,既要保證各升溫層受熱均衡,又要注意避免產(chǎn)生加筑作用。此外,還需埋設(shè)熱電偶,用于溫度的監(jiān)測。

由于層間、層內(nèi)錯動帶每層的厚度小,故采用添加了高分子材料及輔助材料的細料鋪填壓實法制模。在鋪填的細料中每隔一定間距埋設(shè)電阻絲及熱電偶。

對穩(wěn)定起控制作用的陡傾角側(cè)滑面及規(guī)律性的節(jié)理裂隙組有時僅采用錯縫砌塊不能準確模擬,為此,選用高分子聚合物及若干種添加劑配制了不連續(xù)節(jié)理面粘接劑,依據(jù)連通率和抗剪斷參數(shù)進行了節(jié)理面粘接,通過布置在結(jié)構(gòu)面上的電阻絲進行升溫降強,配合使用巖體及斷層變溫相似材料便可反映不連續(xù)節(jié)理面中巖橋的抗剪斷強度指標變化過程,滿足相似性要求。

3.3 試驗過程及結(jié)果

通過強度儲備和超載相結(jié)合的綜合法,先在一倍正常荷載的基礎(chǔ)上,將壩肩巖體及層間、層內(nèi)錯動帶等強度降低至一定值,再進行超載階段試驗,直至破壞失穩(wěn)為止。

試驗成果表明:(1)溪洛渡水電站拱壩壩肩綜合穩(wěn)定安全度為 6.3,滿足壩肩壩基整體穩(wěn)定要求。(2)壩基以下各層間、層內(nèi)錯動帶的相對位移值△δ自上而下逐層減小,愈接近壩基面的錯動帶對穩(wěn)定影響愈大;受其影響,壩底部的變位較大,因此,建議加強對壩基的處理。(3)受層間、層內(nèi)錯動帶影響,兩壩肩及抗力體中下部區(qū)域破壞較重;壩體在向下游變位的同時,在水平面內(nèi)呈現(xiàn)明顯地順時針向轉(zhuǎn)動變位,從而導(dǎo)致左岸破壞重、右岸破壞相對較輕;因此,建議對壩肩及抗力體中下部進行處理,尤其是對左岸進行處理。

4 溫度影響行為分析

模型試驗升溫降強過程中產(chǎn)生的溫度附加效應(yīng)可能對試驗結(jié)果有一定影響,為此,應(yīng)用 ANSYS軟件非線性結(jié)構(gòu)分析原理和熱分析及熱——結(jié)構(gòu)耦合分析原理,針對本次模型試驗進行了溫度影響行為分析。

計算中,取溪洛渡水電站高拱壩 440m高程的平切面為研究對象,建立有限元模型(圖 2)。[8]數(shù)值分析采用兩個對比方案及一個補充方案,計算由于溫度升高引起的溫度附加效應(yīng)。

4.1 ANSYS計算方案

方案一 :一倍正常荷載作用下,降低材料強度,不計入溫度附加效應(yīng)的影響;

方案二 :一倍正常荷載作用下,降低材料強度,計入溫度附加效應(yīng)的影響;

圖2 ANSYS計算模型網(wǎng)格圖

方案三 :在無外荷載作用下,升高溫度,降低材料強度,分析產(chǎn)生的溫度附加效應(yīng)。

其中,方案一是在恒溫作用下的非線性結(jié)構(gòu)分析;方案二為熱-結(jié)構(gòu)耦合分析;方案三是單純分析溫度對該模型的影響。對方案一、二的計算結(jié)果進行對比分析,可得到強度儲備試驗降強過程中溫度附加效應(yīng)對試驗成果的影響程度。方案三單獨分析了溫度附加效應(yīng)。通過對三個方案計算結(jié)果進行處理分析,對模型試驗降強過程中產(chǎn)生溫度附加效應(yīng)進行了影響行為分析。

4.2 溫度附加效應(yīng)影響行為分析

利用自編程序處理 ANSYS計算結(jié)果,繪制溫度附加效應(yīng)的影響行為曲線,取具有代表性的點的變位、應(yīng)力過程線及方案一、二的比較圖(圖 3、4)。

經(jīng)比較得出:

(1)應(yīng)力變化:同種荷載變化情況下,左岸拉應(yīng)力在增加,壓應(yīng)力在減小,右岸拉、壓應(yīng)力均在減小,與地質(zhì)力學模型試驗結(jié)果在規(guī)律上一致。選取相應(yīng)節(jié)點比較,溫度附加效應(yīng)對應(yīng)力的影響約為 -6%～9%。

圖3 強度儲備過程中(方案二與方案一)壩肩各部分位移相對變化圖

圖4 強度儲備過程中(方案二與方案一)壩肩各部分應(yīng)力相對變化圖

(2)位移變化:同種載荷下,位移變化均隨著溫度的升高而增大,但變幅不大,與地質(zhì)力學模型試驗結(jié)果在規(guī)律上一致。同級溫度相比,不計入溫度影響(方案一)比計入溫度影響(方案二)橫河向和順河向的位移大,溫度附加效應(yīng)對位移的影響約為 6%。結(jié)合方案三,可以認為是由溫度引起巖體及拱圈的膨脹變位方向與結(jié)構(gòu)在水壓力和淤沙壓力等荷載作用所引起的變位相反造成的。

(3)計算成果顯示:溫度升高到 55℃前,變位、應(yīng)力變化較穩(wěn)定;溫度超過 80℃時,溫度附加效應(yīng)超出預(yù)期影響范圍。由材料的 τm～T曲線可以看出,升至 55℃～75℃,曲線變化趨于平緩,75℃后曲線的變化顯著增大,說明材料性質(zhì)(包括線膨脹系數(shù))變化速率增大,從而導(dǎo)致其承載能力顯著降低。

(4)ANSYS計算分析沒有考慮上下巖體對該平切面的作用,但拱圈和巖體的位移變化及變形形態(tài)與地質(zhì)力學模型試驗在規(guī)律上一致,由此說明 ANSYS計算分析的結(jié)果符合工程實際規(guī)律,值得工程參考。

5 結(jié)論及建議

(1)變溫相似材料應(yīng)用于地質(zhì)力學模型綜合法試驗中,通過升溫降強,模擬了長期運行中巖體強度降低的演化過程,又通過超載,模擬了超正常標準水位的出現(xiàn),故能較真實、直觀地反映實際工程情況。

(2)針對升溫降強過程中產(chǎn)生的溫度附加效應(yīng),利用 ANSYS軟件進行了影響行為分析,其結(jié)果表明:在設(shè)計溫度范圍內(nèi),溫度附加效應(yīng)對試驗結(jié)果中變位的影響約為 6%,對應(yīng)力的影響約為-6%～9%,且溫度越低,這種影響程度就越小。應(yīng)用變溫相似材料的模型試驗,升高溫度不宜超出 75℃。

(3)溪洛渡拱壩壩肩整體地質(zhì)力學綜合法模型試驗中采用了變溫相似材料,試驗結(jié)果表明,壩肩的綜合穩(wěn)定安全度 K為 6.3。

(4)受層間、層內(nèi)錯動帶的影響,超載后期,壩基面徑向變位較大,兩壩肩及抗力體中下部區(qū)域破壞較重,尤以左壩肩為甚,因此,采取相應(yīng)的加固處理措施是十分必要的。

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