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        烏東德雙曲拱壩三維地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)研究

        2014-11-13 09:49:42蔣昱州姜小蘭王瑞紅朱杰兵
        長江科學(xué)院院報(bào) 2014年10期
        關(guān)鍵詞:變位拱壩模型試驗(yàn)

        蔣昱州,姜小蘭,王瑞紅,朱杰兵

        (1.長江科學(xué)院水利部巖土力學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,武漢 430010;2.三峽大學(xué)三峽庫區(qū)地質(zhì)災(zāi)害教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖北宜昌 443002)

        1 研究背景

        我國大型水電工程多建在地勢險(xiǎn)峻的山區(qū),其地基所處的地質(zhì)條件和地質(zhì)構(gòu)造都十分復(fù)雜,這樣大壩及壩基的穩(wěn)定問題是工程設(shè)計(jì)中最為關(guān)鍵和重要的。為適應(yīng)水電工程及其它大型土建工程建設(shè)的需要,分析復(fù)雜結(jié)構(gòu)的應(yīng)力應(yīng)變規(guī)律,可采用的研究手段有理論分析、數(shù)值仿真、物理模擬等。理論分析方法只能為結(jié)構(gòu)簡單的工程提供應(yīng)力場與位移場的理論解,復(fù)雜變截面結(jié)構(gòu)的理論界很難得到。數(shù)值仿真方法為水電工程中涉及巖土及結(jié)構(gòu)問題的分析與計(jì)算提供了有力的工具,但數(shù)值方法難以模擬并再現(xiàn)工程地基及結(jié)構(gòu)的破裂過程和破裂模式等物理現(xiàn)象[1-4]。地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)是研究建筑物及其基礎(chǔ)破壞失穩(wěn)全過程和破壞機(jī)理的直觀而有效的手段。它不僅能研究結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)的聯(lián)合作用問題,而且可以比較全面地模擬各種地質(zhì)結(jié)構(gòu),是研究建筑物及基礎(chǔ)在聯(lián)合受力條件下,破壞失穩(wěn)全過程的一種有效手段[5-7]。大壩及壩基的失穩(wěn)涉及到從彈性、到塑性、從連續(xù)到非連續(xù)性變形破壞過程,所以,工程設(shè)計(jì)不僅需要采用理論和數(shù)值計(jì)算,而且需要采用物理試驗(yàn)分析大壩及基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)應(yīng)力、變形、破壞過程,這就需要進(jìn)行地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)。

        金沙江流域是我國規(guī)劃的重要水電基地之一,烏東德水電站是金沙江下游河段4個(gè)水電梯級中的最上游梯級,預(yù)可行性研究階段初擬擋水大壩為混凝土雙曲拱壩,壩高265m,裝機(jī)容量8 700mW(12×725mW),保證出力3 213 MW,多年平均發(fā)電量387.1億kW·h,水庫總庫容74.05億m3,調(diào)節(jié)庫容26.15億m3,防洪庫容24.4億m3。

        由于拱壩優(yōu)良的力學(xué)性能和造價(jià)經(jīng)濟(jì)性,它已成為水利水電工程中的主要壩型。我國在建和即將修建的不少拱壩壩高均超過200m數(shù)量級,如錦屏一級、小灣、溪洛渡、白鶴灘及烏東德等,這些拱壩多位于我國西部。由于壩高庫容大,壩址所在地區(qū)地形地質(zhì)條件復(fù)雜,環(huán)境惡劣,地震烈度高,一旦失事,將產(chǎn)生災(zāi)難性的后果,運(yùn)行安全問題十分突出。然而,現(xiàn)行拱壩設(shè)計(jì)規(guī)范只適用于高度小于200m的拱壩。雖然針對拱壩的安全性已經(jīng)開展了一系列科技攻關(guān)研究工作,取得了部分進(jìn)展,但關(guān)于高拱壩失效模式、機(jī)理,安全度分析和評估方面的研究尚不夠成熟,缺乏基本理論和科學(xué)方法[8-12]。為此,需要針對這類高拱壩開展地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn),研究其破壞機(jī)理和失效模式,評價(jià)其安全穩(wěn)定性。

        2 相似材料研制

        地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn),相似材料的選配是關(guān)健,在模型試驗(yàn)研究中,選擇合適的模型材料及配比具有極其重要意義。在建立地質(zhì)概化模型以后,以概化模型出的地質(zhì)條件為依據(jù),精心研制模型材料,包括不連續(xù)面的模擬材料,這些模擬材料,必須滿足相似理論的關(guān)系式。

        確定幾何比例為1∶300,依據(jù)相似理論,烏東德拱壩三維整體地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)材料參數(shù)的相似系數(shù)見表1。

        表1 材料參數(shù)的相似系數(shù)Table 1 Similarity relation of material parameters

        為了使模型邊界約束條件不失真,模擬范圍選取為:選取上游邊界距壩踵232m(約為0.90倍壩高),下游邊界距壩踵785m(約為3倍壩高),橫河向由拱壩中心線向左右岸各延伸628.5m(約為2.4倍壩高)。整個(gè)地質(zhì)力學(xué)模型從基底高程600m一直模擬到1 180m高程,模擬總高度為580m(約為2.2倍壩高)。綜上所述,整個(gè)地質(zhì)力學(xué)模型模擬的范圍為1 017 m×1 257 m×580m(長×寬×高)。

        以重晶石粉、速凝石膏粉、膨潤土、立德粉、機(jī)油和純凈水為原材料配比,通過一系列的試驗(yàn),研制出的力學(xué)特性能達(dá)到烏東德模型試驗(yàn)所需要求的相似材料。滿足相似關(guān)系的地質(zhì)力學(xué)模型材料理論值及實(shí)測值見表2、表3所示。

        3 模型制作

        根據(jù)烏東德壩址區(qū)巖層分類,模型模擬了Ⅰ,Ⅱ1,Ⅱ2,Ⅲ1,Ⅲ2一共5類巖層,模擬內(nèi)容包括變形模量E、重度γ、泊松比μ、強(qiáng)度σs及巖層厚度與分布等。模型材料采用意大利進(jìn)口的高效壓模機(jī)壓制成塊,如圖1所示。壩址區(qū)斷層模擬了F14,F(xiàn)15,f40,f41,f42等主要結(jié)構(gòu)面,模擬內(nèi)容包括黏聚力與摩擦角、結(jié)構(gòu)面走向、傾角等。夾層材料摩擦系數(shù)由2層聚脂薄膜和電化鋁夾二硫化鉬來實(shí)現(xiàn)。黏聚力值在模型中按0考慮。同時(shí)還模擬制作了左右岸大型地下洞室群。

        表2 滿足相似關(guān)系的巖層材料參數(shù)實(shí)測值及理論值Table 2 Measured values and theoretical values(in parenthesis)of rock material parameters which conforms similarity relation

        表3 斷層材料參數(shù)實(shí)測值及理論值Table 3 Measured values and theoretical valuesof fault parameters

        圖1 全自動(dòng)材料壓模機(jī)與材料模塊Fig.1 Automatic material molding machine and material blocks

        模型的平面定位由上方板放樣圖定位,模型高程則由模型槽的標(biāo)高來控制,同時(shí)用水準(zhǔn)儀校驗(yàn)。地質(zhì)力學(xué)模型制作過程如圖2所示,制作完成的整體模型鳥瞰效果如圖3所示。物理模型上黃色標(biāo)識(shí)線為等高線,藍(lán)色標(biāo)識(shí)線為巖層分區(qū)線,紅色標(biāo)識(shí)線為主要斷層分布線。

        圖2 模型制作過程Fig.2 Process of modeling

        圖3 制作完成的整體模型Fig.3 Completed model

        4 模型試驗(yàn)加載與測試

        模型材料的自重與原型一致,上游水荷載水位按正常蓄水位975m設(shè)定,考慮高程為878 m淤沙荷載。采用重度超載法進(jìn)行水壓力荷載的施加。超載后的水壓力仍呈三角形分布。荷載采用氣壓實(shí)現(xiàn),大壩上游面自上而下共布置7層氣壓袋,同步通氣,按所需氣壓值加載,荷載施加模式如圖4所示。在取得正常設(shè)計(jì)水壓下的位移資料后,則逐級增大庫水壓力,直至超載到模型破壞。氣壓加載的誤差可以控制在0.5%以內(nèi),且整個(gè)加載系統(tǒng)的保壓穩(wěn)定性良好。

        圖4 模型試驗(yàn)加載示意圖Fig.4 Diagram of loading in model test

        模型試驗(yàn)主要有3大量測系統(tǒng),即拱壩與壩肩表面位移δm量測(SP-10A位移自動(dòng)測量系統(tǒng))、斷層內(nèi)部相對位移Δδm量測與壩體應(yīng)變量測(TDS-530高速靜態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)),測量設(shè)備如圖5所示。壩體下游面共布置有31個(gè)位移測點(diǎn),其中21個(gè)徑向測點(diǎn),4個(gè)切向測點(diǎn)和6個(gè)鉛直方向的測點(diǎn)。壩體上游面共布置有29個(gè)應(yīng)變測點(diǎn),主要是沿建基面和拱冠梁處布置了測點(diǎn)。兩岸山體布置有45個(gè)表面位移測點(diǎn)和7個(gè)內(nèi)部相對位移測點(diǎn)。

        圖5 模型試驗(yàn)主要測試系統(tǒng)Fig.5 Main systems for model test

        5 試驗(yàn)成果與分析

        模型試驗(yàn)大致過程如下:首先對模型進(jìn)行預(yù)壓至0.1 P0,然后加載至0.5 P0,再加載至設(shè)計(jì)荷載1.0 P0,在此基礎(chǔ)上進(jìn)行逐級超載階段試驗(yàn)。當(dāng)超載至6.0 P0時(shí),壩體及壩肩出現(xiàn)了開裂,但壩體仍能進(jìn)一步承載,此時(shí)壩體變位較大,已接近位移傳感器的允許值,故先拆除位移傳感器設(shè)備。然后繼續(xù)加荷超載至9.0 P0時(shí),壩體及壩肩破壞嚴(yán)重,停止加載。

        5.1 壩體設(shè)計(jì)荷載下的位移規(guī)律

        沿壩體下游面拱向和梁向布置了位移測點(diǎn),在拱頂還布置了切向和豎向位移測點(diǎn)。壩體位移方向規(guī)定:水平位移指向下游為正,指向上游為負(fù);切向位移由河谷指向兩岸山體為正,反之為負(fù);豎向位移上抬為正。位移值均已轉(zhuǎn)換為原型位移。壩體在設(shè)計(jì)荷載作用下位移分布規(guī)律如圖6所示。

        圖6 設(shè)計(jì)荷載作用下的壩體下游面徑向位移Fig.6 Radial displacement of dam’s downstream face under design load

        在設(shè)計(jì)荷載作用下壩體位移總體上來說基本對稱。在設(shè)計(jì)荷載作用下壩體最大徑向位移發(fā)生在拱冠梁中上部,高程875m,數(shù)值為42mm,壩趾上部高程755m拱冠徑向位移為11mm。壩體下游面右岸位移大于左岸位移,說明烏東德拱壩右岸剛度小于左岸剛度。875m高程右岸拱端徑向位移18mm,同一高程左岸拱端徑向位移9mm,壩體左岸變位較小。壩體拱冠梁斷面的徑向變位大于其他斷面,同一斷面最大徑向位移出現(xiàn)在斷面中上部。冠梁斷面的最大徑向變位值出現(xiàn)在位于壩體的中上部的875m高程,大小為42mm;同一高程拱冠位移大于拱端位移。

        5.2 壩體超載過程中的位移規(guī)律

        由設(shè)在壩體下游面5個(gè)典型高程的位移測點(diǎn),分別量測壩體不同方向的變位,并獲得各測點(diǎn)的超載與變位關(guān)系曲線,典型的壩體位移超載變化過程如圖7、圖8所示。

        圖7 拱冠梁徑向位移超載變化過程Fig.7 Curves of the radial displacement of crown cantilever vs.overloading factor

        在超載階段,超載系數(shù)K<3.5以內(nèi),壩體徑向變位基本對稱,壩體右側(cè)拱端徑向變位較左側(cè)大,在K>3.5以后,右拱端變位逐步增大,尤其是在K>4.0以后,右拱端變位明顯增大,最終壩體徑向變位呈現(xiàn)出不對稱,說明壩體在向下游變位的同時(shí),在水平面內(nèi)出現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)變位。

        右拱端變位比左拱端明顯主要是因?yàn)樽蟀渡襟w比右岸山體地質(zhì)條件好,距離斷層等主要不利結(jié)構(gòu)較遠(yuǎn)。隨著荷載不斷加大,位移愈來愈大,當(dāng)超載系數(shù)K>3.5,部分測點(diǎn)變位速率發(fā)生了變化,呈現(xiàn)非線性特征;而當(dāng)K>5.0以后,壩體徑向位移出現(xiàn)了顯著的變化。壩體切向變位遠(yuǎn)小于徑向變位,拱冠切向位移大于拱端切向位移,且測點(diǎn)切向變位均為正值,即切向位移由河谷指向山體內(nèi)部。壩體豎向變位小于徑向變位和切向變位,壩頂靠近上游面測點(diǎn)豎向位移上抬。拱冠豎向位移大于拱端豎向位移,壩頂豎向變位大于壩趾豎向變位,豎向位移左右岸接近。與徑向位移類似,由于拱冠受到的約束較小,但超載系數(shù)K=6.0時(shí),位于壩頂拱冠處測點(diǎn)豎向位移最大,最大值約120mm。

        根據(jù)典型山體內(nèi)部測點(diǎn)相對位移超載變化過程成果可知:右岸斷層的錯(cuò)動(dòng)變形大于左岸斷層錯(cuò)動(dòng)變形。當(dāng)K=6.0時(shí),右岸斷層最大錯(cuò)動(dòng)變形為51mm,而左岸斷層最大錯(cuò)動(dòng)變形為11mm,右岸斷層變形在K>5.0之前變化較為平緩,在K>5.0以后過程曲線出現(xiàn)一定的轉(zhuǎn)折。左岸山體斷層的變形呈現(xiàn)一定的波動(dòng)現(xiàn)象,錯(cuò)動(dòng)變形較小。通過對斷層相對位移分析可以看出,右岸f41,f42斷層對拱壩的整體穩(wěn)定性影響較大。

        圖8 壩頂?shù)湫蛷较蛭灰瞥d趨勢Fig.8 Typical curves of the relation between radial displacement and overloading factor at different points in dam crest

        5.3 壩體超載破壞模式分析

        壩體上游面在1 P0正常荷載作用下,測試曲線線性特征較好,大壩及兩壩肩無開裂。通過基于測試成果,判斷在1.7~2.0 P0時(shí)上游壩踵部位出現(xiàn)裂紋;加載至5.0~6.0 P0時(shí)沿中心拱冠梁偏左部位出現(xiàn)拱向裂縫,▽755m、▽900m及▽950m附近相繼出現(xiàn)橫向裂縫與斜裂縫;加載至7.0 P0以上結(jié)構(gòu)迅速大變形,多條梁向和橫向相互貫通,至9.0 P0壩體喪失承載能力。

        下游面在1 P0荷載作用下,測試曲線線性特征較好,大壩工作正常,無異常情況出現(xiàn);判斷在3.0~4.0 P0時(shí)下游面壩踵中心出現(xiàn)裂紋;加載至5.0~6.0 P0時(shí)兩岸壩肩接觸部位出現(xiàn)裂縫,建基面附件產(chǎn)生許多豎直向次生裂縫;加載至7.0 P0以上時(shí),結(jié)構(gòu)加速大變形,大壩多條梁向和橫向相互貫通,兩岸壩肩接觸部位裂縫延伸至建基面,形成上下游貫通的裂縫,至9.0 P0時(shí)大壩喪失承載能力。拱壩上、下游面裂縫分布如圖9所示。

        圖9 拱壩的上、下游面裂縫分布Fig.9 Crack distribution on the upstream and downstream faces of arch dam

        5.4 壩肩巖體超載破壞模式分析

        左右岸壩肩巖體破壞模式如圖10所示。正常荷載1 P0作用下,兩岸壩肩山體變位正常;當(dāng)超載至3.5 P0時(shí),右壩肩巖體近區(qū)出現(xiàn)微裂紋。當(dāng)超載至4.0 P0時(shí),右岸壩肩中下部▽770~▽800m附近巖體出現(xiàn)開裂,▽988~▽1 030m產(chǎn)生2條裂紋分別以與順河向成30°和60°角向斷層f41與f42延伸,左岸壩肩▽950~▽1 030m靠下游部位出現(xiàn)2條微裂紋。當(dāng)超載至5.5 P0時(shí),右岸壩肩下游上部裂縫繼續(xù)擴(kuò)展,開度增大較為明顯,左壩肩上游裂縫上下延伸擴(kuò)展,左壩肩中部上游出現(xiàn)新的裂縫;當(dāng)超載至6.0 P0時(shí),右岸拱肩槽上部與左岸拱肩槽中下部上游位置出現(xiàn)裂縫,原有裂縫繼續(xù)擴(kuò)展,開度繼續(xù)增大,壩頂附近巖體出現(xiàn)多條裂縫,中下部裂縫增多,破壞區(qū)域擴(kuò)大;當(dāng)超載至7.0 P0時(shí),左岸拱端上部有沿層面的裂縫與巖體陡傾裂隙連通,右岸原有裂縫延伸至▽1 120m并與上游裂縫相互貫通,拱肩槽壩頂上部巖體出現(xiàn)多條次生裂縫,開度增大,拱端裂縫延至壩底;當(dāng)超載至8.0~9.0 P0時(shí),右岸壩肩上部裂縫長度與開度迅速增大,右岸壩肩中下部▽770~▽800m附近破裂區(qū)向下游擴(kuò)張,左岸裂縫上下貫通并向下游延伸擴(kuò)展,兩壩肩喪失承載能力,右岸壩肩比左岸破壞程度更為嚴(yán)重。

        圖10 左、右壩肩巖體破裂形式Fig.10 Failure pattern of the left and the right abutments

        6 結(jié)語

        (1)在正常工況下,即超載系數(shù)K=1時(shí),壩體位移基本對稱,大壩及壩肩的變位為線性變化,斷層也未出現(xiàn)相對位移,壩體處于正常工作狀態(tài),大壩及兩壩肩無開裂跡象,最大位移為42mm,發(fā)生在拱冠梁中上部。

        (2)當(dāng)超載系數(shù)K在3.5~4.0時(shí),下游面壩踵中心出現(xiàn)裂紋,壩體上部未見有明顯裂縫,壩肩附近的山體出現(xiàn)微裂紋,呈現(xiàn)非線性特征。當(dāng)K>5.5時(shí),壩體下游面許多測點(diǎn)的位移速率有所增大。壩肩山體和斷層測點(diǎn)位移變化速率也有所增大。且當(dāng)K 繼續(xù)增加到6.0~7.0,壩體、壩肩附近巖體上都出現(xiàn)了明顯裂縫與位錯(cuò),壩體位移以及各斷層相對位移此時(shí)也比較大,已出現(xiàn)較大變形,至K=9.0時(shí),整個(gè)拱壩系統(tǒng)喪失承載力。

        (3)超載作用下,左岸壩肩比右岸穩(wěn)定性好,右岸f41,f42斷層等不利地質(zhì)條件對右岸壩肩穩(wěn)定性影響較大。

        (4)綜合分析壩體與壩肩巖體的位移、應(yīng)變并結(jié)合破裂模式描述后認(rèn)為:壩體壩踵起裂安全系數(shù)K1大致范圍為1.7~2.0。K=3.5~4.0時(shí)壩體從線彈性階段進(jìn)入非線性階段,變形速率加大,推算非線性安全度 K2為3.5~4.0。當(dāng)K>6.0~7.0時(shí)拱肩及下游壩體可觀察到多條貫穿裂縫,綜合判斷拱壩與壩肩壩基整體穩(wěn)定安全度K3為6.0~7.0。

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