復(fù)雜巖基上拱壩樞紐整體地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)

試 體地質(zhì)力學(xué)模型 地基的模擬設(shè)計(jì)及制作 盧向東黃任常 (廣西大學(xué)水科水電研究所) 1概述 拱壩設(shè)計(jì)中，當(dāng)壩基地質(zhì)條件復(fù)雜時(shí)， 壩體和地基整體穩(wěn)定和安全度顯得特別重 要。實(shí)踐表明，地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)和有限元 數(shù)值分析是當(dāng)前分析拱壩整體穩(wěn)定和安全度 的主要手段。 對(duì)于地質(zhì)力學(xué)模型，關(guān)鍵技術(shù)是較準(zhǔn)確 地模擬壩基巖體的力學(xué)特征。除巖石的力學(xué) 性狀外，更重要的是模擬其結(jié)構(gòu)特性，如基 巖的斷層破碎帶、軟弱夾層，有時(shí)還包括主 要裂隙組，便體現(xiàn)出巖體的非均勻、非彈 性、非連續(xù)、多裂隙體等力學(xué)特征，保證模 型的相似性。進(jìn)行材料試驗(yàn)是準(zhǔn)確模擬的前 提，即通過(guò)調(diào)整組成材料的配比，使模型材 料與原型巖塊在容重、強(qiáng)度及變形特性等方 面達(dá)到相似要求，壓制出尺寸規(guī)貝8的各種不 同巖石的均質(zhì)模塊。不難想象，壩基三維狀 態(tài)巖體的結(jié)構(gòu)形式和力學(xué)性質(zhì)是很復(fù)

結(jié)合小灣高拱壩壩肩壩基的地形、地質(zhì)特征、軟弱結(jié)構(gòu)面分布狀況、淺層松弛卸荷現(xiàn)象以及加固處理方案,建立三維地質(zhì)力學(xué)模型,研制主要斷層的變溫相似材料,運(yùn)用超載與降強(qiáng)相結(jié)合的綜合法對(duì)整體模型進(jìn)行破壞試驗(yàn)。通過(guò)試驗(yàn)獲得小灣拱壩壩肩壩基的變形特征、失穩(wěn)的破壞過(guò)程、破壞形態(tài)及破壞機(jī)制,得到強(qiáng)度儲(chǔ)備系數(shù)為1.2,超載系數(shù)為3.3～3.5,確定拱壩壩肩壩基整體穩(wěn)定綜合法試驗(yàn)安全系數(shù)為3.96～4.20。對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的綜合分析得出,兩壩肩中上部高程部位由于對(duì)斷層和蝕變帶采用了混凝土洞塞置換,其變位相對(duì)較小,破壞形態(tài)和破壞范圍相對(duì)較輕,說(shuō)明混凝土加固洞塞置換起到較好的加固效果。根據(jù)試驗(yàn)顯示的破壞形態(tài)和破壞區(qū)域,建議對(duì)右壩肩下游1245m高程以上的斷層f11和f10做一定范圍的處理,對(duì)左壩肩推力墩以上部分巖體進(jìn)行適當(dāng)?shù)募庸烫幚怼?/p>

在保證大壩穩(wěn)定設(shè)計(jì)時(shí),除了數(shù)值模擬方法外,對(duì)高壩還應(yīng)當(dāng)進(jìn)行地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)。本文敘述了地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)的工程意義,列舉了多個(gè)地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)實(shí)例,并對(duì)試驗(yàn)方法及安全系數(shù)做了分析。

隨著試驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展,地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)已成為研究高拱壩整體穩(wěn)定性和安全度的重要方法。依據(jù)相似理論,按照1∶200比例建立楊房溝水電站整體三維地質(zhì)力學(xué)模型,模擬拱壩-基礎(chǔ)及兩岸主要的斷層、節(jié)理裂隙及風(fēng)化卸荷等地質(zhì)條件,采用水壓超載法進(jìn)行破壞試驗(yàn)研究,分析拱壩、基礎(chǔ)及兩岸壩肩抗力體的應(yīng)力、變形和穩(wěn)定安全度,研究拱壩-基礎(chǔ)整體穩(wěn)定性、失穩(wěn)破壞過(guò)程及超載能力,并與國(guó)內(nèi)同類(lèi)高拱壩研究成果進(jìn)行對(duì)比分析,綜合評(píng)價(jià)楊房溝拱壩-基礎(chǔ)整體穩(wěn)定安全度。研究結(jié)果表明,拱壩起裂安全度k1=2.5~3.0,非線性開(kāi)始安全度k2=4.0~6.0,整體穩(wěn)定極限安全度k3=11.0?？梢?jiàn),楊房溝水電站拱壩-基礎(chǔ)整體穩(wěn)定性較高。

針對(duì)大崗山雙曲拱壩的工程地質(zhì)問(wèn)題,采用三維地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)技術(shù),研究壩體和壩肩從加荷到破壞的整個(gè)過(guò)程和機(jī)制。試驗(yàn)過(guò)程模擬大壩基礎(chǔ)的不連續(xù)巖體條件、巖體力學(xué)特性和整體雙曲拱壩。試驗(yàn)考慮拱壩上游超載情況,同時(shí)還模擬兩壩肩巖體中軟弱結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度弱化的影響,為此研制適合該工程的變溫相似材料及試驗(yàn)?zāi)M新技術(shù),并在一個(gè)模型上進(jìn)行強(qiáng)度儲(chǔ)備與超載相結(jié)合的綜合法試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果給出拱壩在正常蓄水位和降強(qiáng)之后超載作用下的位移場(chǎng),獲得壩體和壩肩的變形及分布特征、內(nèi)部斷層典型測(cè)點(diǎn)的相對(duì)位移,揭示拱壩壩體和壩基失穩(wěn)前后裂縫發(fā)展的全過(guò)程及其破壞機(jī)制。得到強(qiáng)度儲(chǔ)備系數(shù)為1.25,超載系數(shù)為4.0～4.5,確定拱壩壩肩壩基整體穩(wěn)定安全度為5.0～5.6。對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的綜合分析,可以評(píng)價(jià)邊坡的穩(wěn)定性,并針對(duì)壩肩的薄弱環(huán)節(jié)提出加固處理措施建議。

介紹了牛頭山雙曲拱壩三維地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn),包括模型設(shè)計(jì)、模型制作、加荷和量測(cè)等。試驗(yàn)給出了拱壩在正常蓄水位荷載作用下的位移場(chǎng),測(cè)出了壩體、壩肩、斷層出露處以及壩基內(nèi)部斷層各部位的位移,揭示了拱壩壩體和基礎(chǔ)失穩(wěn)前位移和裂縫發(fā)展的全過(guò)程及其破壞機(jī)理。對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的綜合分析,可以評(píng)價(jià)邊坡的穩(wěn)定性,并得到拱壩的整體安全度。

江口雙曲拱壩整體穩(wěn)定地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)研究——為了對(duì)江口拱壩基礎(chǔ)處理方案進(jìn)行驗(yàn)證，弄清大壩在正常荷栽作用下的位移場(chǎng)，了解拱壩和拱座的整體穩(wěn)定，采用地質(zhì)力學(xué)模型進(jìn)行了試驗(yàn)研究，全面模擬了江口大壩基礎(chǔ)的不連續(xù)巖體條件、巖石力學(xué)性質(zhì)和基礎(chǔ)處理方案，揭...

針對(duì)江口壩區(qū)內(nèi)的多條軟弱夾層以及斷層、裂隙等地質(zhì)構(gòu)造不利條件對(duì)壩體穩(wěn)定的影響,設(shè)計(jì)采取了基礎(chǔ)處理措施.通過(guò)地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn),研究江口大壩在進(jìn)行基礎(chǔ)處理后,壩體在設(shè)計(jì)荷載及超載作用下的穩(wěn)定情況,為設(shè)計(jì)提供科學(xué)依據(jù).

針對(duì)萬(wàn)家口子雙曲拱壩的地質(zhì)問(wèn)題,采用三維地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)技術(shù),全面模擬了大壩基礎(chǔ)的不連續(xù)巖體條件、巖石力學(xué)性質(zhì)、基礎(chǔ)處理和整體雙曲拱壩,研究了基礎(chǔ)對(duì)大壩結(jié)構(gòu)變形和穩(wěn)定的影響,揭示拱壩壩體和壩肩從加荷開(kāi)始到破壞的整個(gè)進(jìn)程和機(jī)理,從而得出了拱壩的破壞機(jī)理及超載安全能力。

隨著經(jīng)濟(jì)的強(qiáng)盛,水利事業(yè)的發(fā)展,我國(guó)大壩、高拱壩數(shù)量大增,大壩老齡化現(xiàn)象也在增加,大壩的安全穩(wěn)定運(yùn)行是一不容忽視的問(wèn)題。因此,研究大壩的穩(wěn)定及內(nèi)在規(guī)律就具有很強(qiáng)的工程意義和現(xiàn)實(shí)意義。同時(shí)由于工程問(wèn)題的復(fù)雜性使高拱壩整體穩(wěn)定兼具了挑戰(zhàn)性和前沿性。本文從30年的模型試驗(yàn)出發(fā),對(duì)該問(wèn)題進(jìn)行了有意義的研究。

建在復(fù)雜地質(zhì)條件上的重力壩,壩基中往往存在多種軟弱結(jié)構(gòu)面。為了在物理模型試驗(yàn)中考慮軟弱結(jié)構(gòu)面的強(qiáng)度弱化對(duì)壩基穩(wěn)定的影響,采用地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)方法對(duì)武都碾壓混凝土重力壩壩基穩(wěn)定性進(jìn)行研究。試驗(yàn)中采用變溫相似材料模擬壩基中軟弱結(jié)構(gòu)面的力學(xué)參數(shù)及弱化行為,在同一模型上進(jìn)行超載和降強(qiáng)相結(jié)合的綜合試驗(yàn),獲得了壩基失穩(wěn)的破壞過(guò)程、變形分布特點(diǎn)及破壞形態(tài),并得到評(píng)價(jià)工程安全性的綜合安全系數(shù),為工程的設(shè)計(jì)與施工提供了科學(xué)依據(jù)。

結(jié)合四川寶興河銅頭水電站混凝土拱壩,對(duì)壩肩穩(wěn)定進(jìn)行了三維地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)研究,試驗(yàn)中采用變溫相似材料模擬壩肩壩基巖體中的軟弱結(jié)構(gòu)面,運(yùn)用超載與強(qiáng)降相結(jié)合的方法進(jìn)行破壞試驗(yàn)。主要探討了該拱壩壩肩失穩(wěn)的破壞過(guò)程、破壞形態(tài)和破壞機(jī)理,獲得了壩肩整體穩(wěn)定安全度。試驗(yàn)表明:采用超載與強(qiáng)降相結(jié)合的破壞試驗(yàn)方法得到的安全度為3.12～3.51。同時(shí)表明在正常運(yùn)行情況下,壩肩是穩(wěn)定的,在強(qiáng)降階段,壩肩出現(xiàn)開(kāi)裂,尤以左壩肩為甚,因此對(duì)兩壩肩特別是左壩肩上部進(jìn)行加固處理是十分必要的。

小灣水電站是瀾滄江中下游河段梯級(jí)開(kāi)發(fā)的“龍頭”水庫(kù),大壩為292m高的雙曲拱壩,壩址具備修建高拱壩的優(yōu)越地形條件,但地質(zhì)條件較為復(fù)雜。針對(duì)小灣拱壩1210m高程壩肩的地形地質(zhì)條件,對(duì)壩肩未進(jìn)行加固處理方案,采用地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)方法,抓住影響壩肩穩(wěn)定的主要因素,利用超載法進(jìn)行破壞試驗(yàn)研究,分析壩體及壩肩變形分布特征,探討壩肩失穩(wěn)的破壞過(guò)程、破壞形態(tài)和破壞機(jī)理,確定壩肩超載穩(wěn)定安全度。

北溪水電站混凝土雙曲拱壩由于特殊的地形地質(zhì)條件，壩體應(yīng)力和壩肩穩(wěn)定是關(guān)系工程成敗的關(guān)鍵。為此設(shè)計(jì)在進(jìn)行拱梁分截計(jì)算的同時(shí)，進(jìn)行了三維有限元非線性分析和地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)。試驗(yàn)表明，大壩和壩肩的運(yùn)行狀態(tài)能夠滿(mǎn)足安全運(yùn)行的要求。

本壩壩肩地基中有傾向上游軟弱不連續(xù)面,通過(guò)1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)和4號(hào)模型試驗(yàn),分別從正、反兩方面說(shuō)明模型拱壩發(fā)生了上滑(抬)破壞現(xiàn)象。從1號(hào)到4號(hào)模型,由于不斷地增加了垂直向的阻控上抬措施,致模型中大壩超載破壞安全度由低于1.5p0～1.7p0,增加到了可以接受的3.5p0～5.4p0或3.5p0～4.5p0。上抬主因是f上盤(pán)巖石基礎(chǔ)沿該面發(fā)生逆向滑移。不同于沿壩基接觸面,它是另一種沿地基內(nèi)軟弱不連續(xù)面發(fā)生的上滑。

采用三維地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)技術(shù),研究某雙曲拱壩壩基內(nèi)的軟弱夾層和裂隙對(duì)壩體整體穩(wěn)定性的影響,以及在超載情況下的壩體的破壞形式和破壞發(fā)展過(guò)程,從而對(duì)大壩的安全性作出了科學(xué)評(píng)價(jià)。

(簡(jiǎn)明土木工程系列專(zhuān)集)建筑科學(xué)類(lèi)著者:周維恒林鵬等出版時(shí)間:2008年1月開(kāi)本:大32k頁(yè)數(shù):269裝幀:平裝標(biāo)準(zhǔn)書(shū)號(hào):isbn978-7-5084-5225-8定價(jià):$16.00元

分岔式隧道是一種新型隧道結(jié)構(gòu)型式,目前尚無(wú)相應(yīng)的設(shè)計(jì)、施工技術(shù)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)可循,為了解這種新型隧道結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和變形狀況,采用三維地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)方法對(duì)目前在建的滬蓉西高速公路大型分岔隧道進(jìn)行研究。試驗(yàn)成果有效地揭示分岔隧道洞周的應(yīng)力、位移變化規(guī)律和分岔隧道圍巖的破壞機(jī)制,獲得分岔隧道的設(shè)計(jì)和極限承載安全度,為分岔隧道的優(yōu)化設(shè)計(jì)和施工提供了有工程指導(dǎo)意義的建議和結(jié)論。

拱壩壩肩巖體在斷層、裂隙、層間剪切帶等地質(zhì)缺陷的作用下形成了不同規(guī)模的滑動(dòng)塊體,從而削弱了壩肩巖體的完整性,降低了壩肩巖體的承載能力,影響壩肩的穩(wěn)定安全。為了分析壩肩滑動(dòng)塊體穩(wěn)定性,以立洲拱壩工程為例,采用地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn),分析兩壩肩的地質(zhì)構(gòu)造及主要軟弱結(jié)構(gòu)面的產(chǎn)狀發(fā)現(xiàn),兩壩肩存在四種潛在的滑動(dòng)塊體。在此基礎(chǔ)上,通過(guò)地質(zhì)力學(xué)模型超載法對(duì)壩肩巖體進(jìn)行破壞試驗(yàn),得到了滑動(dòng)塊體的失穩(wěn)破壞機(jī)理、破壞形態(tài)及影響滑動(dòng)塊體穩(wěn)定的控制因素,為解決類(lèi)似工程問(wèn)題提供了參考。

本文的試驗(yàn)研究以相似原理為依據(jù),以幾何和力學(xué)條件相似為必要條件,獲得滿(mǎn)足模擬要求的模型材料配合比。通過(guò)試配比制塊,采用單向壓縮試驗(yàn)測(cè)得試件變形模量再核算調(diào)整配合比,經(jīng)進(jìn)行多次調(diào)整后得到滿(mǎn)足相似要求的模型巖體材料的變形模量,從而達(dá)到解決地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)巖體材料相似模擬研究目的,實(shí)現(xiàn)工程不同地段巖體材料的模擬,為地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)研究提供基礎(chǔ)資料和試驗(yàn)依據(jù)。

高邊坡節(jié)埋巖體地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)研究——按彈塑性體相似判據(jù)和破壞階段相似判據(jù)確立相似常數(shù)、模擬山體形態(tài)、結(jié)構(gòu)面和巖石物理力學(xué)性質(zhì)、地應(yīng)力、邊界條件和埋設(shè)地點(diǎn)、建立三維模型、模擬開(kāi)挖卸荷過(guò)程，監(jiān)測(cè)邊坡形態(tài)、地應(yīng)力釋放和山體應(yīng)變，認(rèn)識(shí)到邊坡變形的主...

介紹地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)的研究進(jìn)展,包括新型相似材料、組合式模型試驗(yàn)裝置及應(yīng)變、位移量測(cè)新技術(shù)。新型相似材料能更好地模擬工程巖體,且價(jià)格低、易干燥、可重復(fù)利用。研制的新型組合式模型試驗(yàn)臺(tái)可自由組裝、剛度大、整體穩(wěn)定性好,液壓加載系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)伺服控制和梯度加載。應(yīng)變測(cè)試采用先進(jìn)的高速靜態(tài)應(yīng)變采集分析系統(tǒng)和光纖測(cè)試技術(shù),模型內(nèi)部位移采用研制的光柵式微型多點(diǎn)位移計(jì)測(cè)量,隧洞表面位移采用內(nèi)卡規(guī)、攝影測(cè)量和ccd激光位移傳感器測(cè)量。上述測(cè)量手段具有自動(dòng)化、高精度、受干擾小的特點(diǎn),可得到更精確的試驗(yàn)結(jié)果。最后,以工程為例說(shuō)明地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)在分岔隧道研究中的應(yīng)用。