高壩穩定模型試驗中結構面相對位移測試研究及工程應用

董建華,張 林,陳建葉*,陳 媛,胡成秋

(1.四川大學水力學與山區河流開發保護國家重點試驗室,四川成都610065;2.四川大學水利水電學院,四川成都610065)

0 前 言

我國近期在建或擬建的高拱壩工程,大多位于西部地區河流上,其主要特點是山高谷深、地質條件復雜、水庫庫容和工程規模大、地震烈度高[1]。上述特點導致壩肩穩定問題十分突出,是直接影響工程安全的重要因素,因此需要深入開展復雜巖基上高拱壩壩肩穩定問題研究,地質力學模型試驗是解決上述問題的一種重要方法[2-6]。

在地質力學模型試驗研究過程中,目前對壩體及兩壩肩的試驗數據測試主要包括表面位移和應變,而對于結構面的內部相對位移卻難以獲取,而結構面在不同加載條件下的相對位移變化趨勢對于判斷壩肩失穩狀態及分析整體穩定安全度有著重要的參考依據,因此掌握試驗過程中結構面的相對位移變化趨勢尤為重要,但目前與獲取結構面相對位移相關的測試儀器研究較少[7-8]。

目前在工程上使用的現場監測儀器,主要測試巖石及混凝土的應力及變形大小,此類儀器往往結構復雜,體積較大,所用材料具有較高的強度和彈性模量,因此無法在模型試驗上得到實際應用[9-10]。針對模型試驗中存在著的測試技術問題,開展了結構面內部相對位移測試技術研究,利用應變測試技術,研制了獲取結構面相對位移的測試儀器,使用時將其預埋在結構面內,通過引出線與應變測試儀相連接,試驗過程中通過應變儀采集應變數據,并利用埋設之前標定得到的位移與應變關系即可換算出相應的相對位移值。該測試儀器成功應用在了小灣和大崗山拱壩整體穩定三維地質力學模型試驗研究中,試驗結果表明該儀器結構簡單、制作和使用方便、測試準確,可在結構模型試驗中推廣使用。

1 軟弱結構面內部相對位移測試技術

由于地質力學模型中所模擬的各類結構面均分布在巖體內部,這為直接測試結構面的相對位移值帶來較大困難,因此作者考慮利用應變測試技術,自行研制一種能夠進行結構面在不同加載條件下的相對位移測試的試驗裝置。該試驗裝置在埋設時,能夠將固定在測試儀內的應變片預先產生一定變形,用應變儀記錄此時的初始應變值,在加載條件下,隨著結構面在不同方向上的相對錯動,應變片會隨之發生變形響應,此時可以得到應變變化全過程,再利用埋設之前標定得到的位移與應變對應關系即可換算得到相對位移值。遵循以上研究思路,研制出了適用于地質力學模型試驗中獲取結構面相對位移的測試儀器,結構設計如圖1所示[11]。該研究成果已獲得發明專利(專利號:200910058238)。

上述應變式內部位移測試儀中的每個內部位移感應儀都是由底盒、彈簧片、電阻應變片、滑動蓋構成,底盒為一個兩側和上部均開放的矩形盒,盒內一側端部有一固定塊,彈簧片一端置于其上,并由一壓片和螺釘固定,使彈簧片位于盒中部,其另一端懸臂伸向底盒的另一側;電阻應變片為兩片,分別固定于彈簧片中段的上下兩面,將兩電阻應變片其中的兩腳連接作為公共腳B,而其余兩腳為工作腳A、C,并通過各自的感應引出線依次與應變儀副機、應變儀主機連接;滑動蓋為一個與底盒大小匹配的平蓋,蓋面上有一向上凸起的推動塊,而蓋下方有一位于底盒內并向彈簧片懸臂端下斜的滑動板,板端與彈簧片懸臂端滑動連接。

圖1 應變式內部相對位移測試儀結構圖

此測試儀器在埋設結構面內之前需先進行標定,標定過程為:開始標定時,使應變片產生一初始應變,此時記錄初始位移和應變,之后將滑動蓋朝運動方向運動一段距離后,用位移數顯儀測定位移大小,用應變儀記錄應變值,然后依次推動滑動蓋,記錄位移和應變大小,最后得到位移和應變的關系曲線,根據該曲線即可獲得此儀器的標定系數(即該曲線的斜率)。圖2所示為不同位移計標定曲線,斜率為標定系數。

圖2 不同編號的內部位移計標定曲線

將每個已注明編號的內部位移感應儀的系數標定之后,即可將其埋設在設計的斷層、破碎帶及軟弱夾層等結構面測點部位,在試驗過程中,推動塊隨著巖體內結構面的錯動而發生移動,與其滑動連接的彈簧片隨即發生回復變形,致使固定其上的電阻應變片發生變形,使用應變儀主機記錄應變變化全過程,再由標定系數即可換算得到結構面相對位移變化趨勢。本研究成果為研究并掌握巖體斷層、破碎帶及軟弱夾層等不連續結構面隨超載倍數的變化而發生的相對位移變化過程提供幫助,進而為評價相應工程的整體穩定安全度提供依據。

2 工程應用實例

2.1 小灣拱壩壩肩穩定三維地質力學模型試驗

小灣水電站位于云南西部大理州的瀾滄江中游河段,工程樞紐建筑物由攔河大壩、壩身泄洪孔、壩后水墊塘、左岸泄洪洞和右岸引水發電系統組成。其中攔河大壩為混凝土拋物線變厚度雙曲拱壩,最大壩高294.5 m,電站總裝機420萬kW[12]。樞紐區斷裂構造比較發育,主要構造形跡為不同規模的斷層、擠壓帶、節理(組)。其中,屬Ⅱ級結構面的斷層有F7;屬 Ⅲ級結構面的斷層有F11、F10、F5、F19等19條;屬 Ⅳ級結構面的小斷層有f11、f10、f14、f17、f19、f12等。此外,兩岸壩肩抗力體中發育有5條規模較大的蝕變巖帶,其中右岸4條,從西向東依次為E5、E4、E1和E9;左岸1條,為E8。

以上這些復雜的地質構造對拱壩壩肩穩定有著非常重要的影響,同時也是影響拱壩工程安全的關鍵因素。本文采用三維地質力學模型綜合法試驗對以上復雜地質構造及加固措施等進行模擬,研究小灣拱壩與地基的整體穩定安全性。根據小灣工程特點,結合試驗場地規模及試驗精度要求等綜合分析:確定模型幾何比CL=300。

為獲取結構面在不同荷載條件下的相對位移,在小灣拱壩結構模型試驗中,對壩肩穩定影響較大的斷層及蝕變帶中布置了121個自制的應變式內部位移測試儀,圖3所示為斷層F5中典型測點的內部相對位移布置展示圖。

圖3 斷層F5內部相對位移測點布置展示圖

試驗過程考慮了軟弱結構面浸水后強度弱化的力學行為,采用超載和強度儲備相結合的綜合法進行試驗。在綜合法試驗中,結構面的弱化行為是通過對一種特制的模型材料——變溫相似材料采取升溫降強措施來實現的。模型破壞試驗的程序是:首先對模型進行預壓,然后加載至一倍正常荷載,在此基礎上進行降強,降低程度約為20%。在保持降強后強度參數不變的情況下,再進行超載試驗,直到壩肩壩基破壞失穩為止。整體地質力學模型試驗破壞形態如圖4所示。

圖4 整體地質力學模型破壞形態

通過預埋在結構面內的內部位移測試儀獲得了各測點相對位移隨超載系數變化關系,試驗結果給出了兩壩肩內結構面的相對位移分布特征。圖5為斷層F5內典型測點的相對位移隨超載倍數變化曲線,相對位移值為根據相似關系換算后得到的原型值。

圖5 斷層F5中典型測點的相對位移與超載倍數關系曲線

結構面內各測點相對位移超載曲線分布特征表明:在正常工況下,各斷層內部相對位移較小;在降強試驗階段,降低f12、F11、f19、F10、F5、F20六條斷層的抗剪斷強度20%,即降強系數KT為1.20,由于受降強的影響,各斷層相對位移較為敏感,但相對位移增量較小,并伴隨小幅度調整,曲線無陡增現象,壩肩工作正常;超載試驗階段,當Kp＞1.8時,斷層位移明顯增大;當Kp=3.3～3.5時,變形曲線出現明顯的拐點或轉折點,曲線波動較大,表明此時斷層已出現較大位移。試驗結果得到了影響右壩肩穩定的主要斷層和蝕變帶是F11、F10、f11、f12、E4、E5,影響左壩肩穩定的主要斷層和蝕變帶是F11、f12、f19、F20(E8)。

本次試驗得到強度儲備系數K1=1.2,超載系數K2=3.3～3.5,即:

即小灣拱壩與地基整體穩定安全度KC值為3.96～4.2,可滿足設計要求。

2.2 大崗山拱壩壩肩穩定三維地質力學模型試驗

大崗山水電站位于大渡河中游上段的四川省石棉縣境內,擋水建筑物為混凝土雙曲拱壩,壩頂高程1 135.00 m,正常蓄水位1 130.00 m,大壩最低建基面高程925.00 m,最大壩高210 m。壩址區地質情況復雜,構造以小斷層(Ⅳ級結構面)和巖脈破碎帶為主,60°～80°的陡傾角裂隙和10°～25°的緩傾角裂隙較為發育[13]。考慮到巖脈和斷層的實際分布情況,影響右壩肩穩定的主要因素包括:巖脈 β4(f5),β8(f7),β43(f6)和斷層f65,f85等。影響左壩肩穩定的主要因素包括:巖脈 β21,β4(f5),β8(f7)和斷層f54,f99,f100等。該工程規模巨大,地質條件復雜,壩肩巖體中存在著的多條斷層和巖脈對兩壩肩穩定帶來了較大的不利影響,因此針對復雜地質條件下高拱壩壩肩穩定問題,開展了大崗山拱壩壩肩整體穩定三維地質力學模型試驗研究,本次試驗相似比為1∶300。

在大崗山拱壩結構模型試驗過程中,為獲取結構面在不同荷載條件下的相對位移變化趨勢,根據壩址區斷層及巖脈的特點,每個測點按單向即沿斷層、巖脈等構造帶的走向布置相對位移計。圖6所示為左岸巖脈β21中典型測點的內部相對位移布置展示圖。在模型制作過程中,當砌筑到相應的結構面測點時,此時將位移測試儀進行埋入,埋入時,將滑動塊推動一段距離以給予粘貼在銅片上的應變片一定的變形,然后將應變片通過引出線與外界的應變數據采集儀相連接,應變值的采集通過UCAM-70A型多點萬能數字測試裝置來完成。

圖6 左岸巖脈β21中典型測點的相對位移布置展示圖

該試驗過程同樣采用超載和強度儲備相結合的綜合法進行試驗。模型破壞試驗的程序是:首先對模型進行預壓,然后加載至一倍正常荷載,在此基礎上進行降強,降低程度約為25%。在保持降強后強度參數不變的情況下,再進行超載試驗,直到壩肩壩基破壞失穩為止。整體地質力學模型破壞形態如圖7所示。試驗結果得到了兩壩肩內斷層及巖脈的相對位移分布特征。圖8為典型測點的相對位移隨超載倍數變化曲線,相對位移值為根據相似關系換算后得到的原型值。

圖7 整體地質力學模型破壞形態

圖8 巖脈β21典型測點的相對位移與超載倍數關系曲線

結構面內各測點相對位移超載曲線分布特征表明:在正常工況下,各巖脈與斷層內部相對位移較小;在強降試驗階段,降低巖脈及斷層的抗剪斷強度參數25%,即強降系數KT為1.25,由于受強降的影響,各巖脈及斷層相對位移較為敏感,但相對位移增量不大,伴隨小幅度調整,曲線無陡增現象,壩肩工作正常;超載試驗階段,當Kp為1.5～2.0時,巖脈及斷層相對位移明顯增大;當Kp為4.0左右時,變形曲線出現明顯的拐點或轉折點,曲線波動較大,表明此時巖脈與斷層已出現大變形。

本次試驗根據大崗山拱壩工程地質特點,采用以超載為主、強降為輔的方法進行破壞試驗,并采取正常工況下先強降后超載的試驗程序,根據本次試驗成果綜合分析,得到強度儲備系數K1=1.25,超載系數K2=4.0～4.5,即:

壩肩綜合穩定安全系數KC=K1×K2=1.25×(4.0～4.5)=5.0～5.6。

與部分工程壩肩壩基綜合穩定安全度對比分析,大崗山拱壩壩肩綜合穩定安全度KC值為5.0～5.6,可滿足設計要求。

3 結 語

針對地質力學模型試驗過程中存在著的結構面內部相對位移測試問題,采用應變測試技術,研制了用于測試地質力學模型軟弱結構面相對位移的應變式內部位移測試儀。使用時,將每個已注明編號的內部位移感應儀的系數標定之后,即可埋設在根據地質資料做成的地質力學模型內設計的巖體斷層、破碎帶及軟弱夾層等結構面部位,在不同加載條件下,用應變儀主機記錄應變變化過程,再由標定系數即可得出位移變化過程。

利用結構面相對位移測試技術研究成果,結合復雜地質下高拱壩壩肩穩定問題,開展了小灣和大崗山高拱壩壩肩穩定三維地質力學模型試驗研究,試驗結果得到了結構面內典型測點的相對位移在不同加載條件下的發展過程,通過對試驗數據的綜合分析,確定了拱壩壩肩壩基整體穩定安全度。該測試儀器在多個模型試驗中的成功運用,表明該儀器結構設計合理,制作和使用方便,測試準確,可在今后的模型試驗中推廣使用。

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