某地雙曲拱壩整體穩(wěn)定三維地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)研究

江蘇省有色金屬華東地質(zhì)勘查局地質(zhì)信息中心 210000

摘要：在本文中，將就某地雙曲拱壩整體穩(wěn)定三維地質(zhì)力學(xué)模型進(jìn)行一定的試驗(yàn)與研究。

關(guān)鍵詞：雙曲拱壩；整體穩(wěn)定；三維地質(zhì)力學(xué)模型；

1 引言

地質(zhì)力學(xué)模型又稱為巖石力學(xué)模型或者地力學(xué)模型試驗(yàn)，通過(guò)該模型的建立，能夠在對(duì)相關(guān)地區(qū)材料體積、容重進(jìn)行模擬的基礎(chǔ)上對(duì)其自重應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行反映。在模型實(shí)現(xiàn)方面，則通過(guò)模型塊體的應(yīng)用對(duì)模型進(jìn)行砌筑，而根據(jù)砌筑方式的不同，也能夠?qū)Σ煌愋偷牡刭|(zhì)構(gòu)造進(jìn)行模擬，并因這部分特征的存在使其能夠更好的對(duì)不同類型、具有復(fù)雜特征的地質(zhì)條件進(jìn)行反映。為了能夠更好的對(duì)該方式進(jìn)行闡述，在本文中，我們以某地區(qū)攔河壩為例對(duì)其模擬方式進(jìn)行一定的研究。

2 工程概況

某地區(qū)攔河壩為雙曲拱壩類型，其壩底高程為224m，壩頂高程為332m，最大壩高為117m。地理位置方面，該水壩位于我國(guó)南部某河谷，該河谷整體呈現(xiàn)V字形，兩岸具有著地形對(duì)稱的特點(diǎn)，且兩岸基巖的裸露現(xiàn)象較為嚴(yán)重。在該區(qū)域，第四系坡積物再搖在較為平緩的位置分布，且右側(cè)同左側(cè)相比較多，溝中常年具有流水現(xiàn)象。在本次模擬工作中，主要是對(duì)基礎(chǔ)巖體、斷層以及壩體等進(jìn)行模擬，并通過(guò)模型研究的方式對(duì)該水壩正常水位情況下壩肩以及拱壩所具有的破壞機(jī)理以及變形規(guī)律進(jìn)行了解，在此基礎(chǔ)上對(duì)基礎(chǔ)超載安全特征進(jìn)行更為準(zhǔn)確的評(píng)價(jià)。

3 模型設(shè)計(jì)

3.1 模擬比尺

在聯(lián)系實(shí)際情況以及模擬要求的基礎(chǔ)上，我們確定本次模型同水壩實(shí)際尺寸的比例為1：125。其中，我們將拱壩中心線同拱壩軸線兩者相交位置作為模型建設(shè)的原點(diǎn)，在將中心線作為基準(zhǔn)線的基礎(chǔ)上對(duì)其范圍進(jìn)行模擬：上游邊界方面，其同壩面間的距離為54m，下游邊界方面，其同壩面間的距離則為290m。而從壩肩開(kāi)始計(jì)算，該模型在左邊界方面模擬105m，在右邊界模擬了115m，而水壩兩岸的山體模擬高程為380m，整體模型參數(shù)為3*4*2.2m。

3.2 相似準(zhǔn)則

根據(jù)地質(zhì)力學(xué)相似理論，在對(duì)該模型建立時(shí)，需要其能夠?qū)σ韵玛P(guān)系式進(jìn)行良好的滿足：

而在上述相似關(guān)系的基礎(chǔ)上，我們則可以獲得該模型相似比尺為：

表1 模型相似比尺

3.3 模型制作

在該模型制作中，根據(jù)其基礎(chǔ)特征以及山體特征而按照22層進(jìn)行砌筑，保證模型的每一層都根據(jù)實(shí)際地址情況將該地區(qū)的河流以及斷層放置在模型水平線位置，以此對(duì)斷層的傾向角度以及走向進(jìn)行控制，更好的體現(xiàn)了模型模擬的準(zhǔn)確性。而在壩體方面，則按照4層大塊體進(jìn)行砌筑，并根據(jù)壩體計(jì)算參數(shù)的應(yīng)用對(duì)該模型的梁以及拱圈剖面圖進(jìn)行獲得，在按照實(shí)際圖紙的基礎(chǔ)上對(duì)模型進(jìn)行了非常準(zhǔn)確的雕刻以及加工。而在壩體同基巖間，則通過(guò)合成膠的使用對(duì)其進(jìn)行了粘結(jié)，以此保證強(qiáng)度能夠滿足應(yīng)用需求。斷層方面，則按照該地區(qū)的傾向以及走向情況進(jìn)行了準(zhǔn)確的模擬，其不同斷層所具有的空間結(jié)構(gòu)如下圖：

圖1 斷層空間結(jié)構(gòu)

4 測(cè)點(diǎn)布置與試驗(yàn)結(jié)果

在地質(zhì)模型試驗(yàn)工作中，位移可以說(shuō)是我們開(kāi)展實(shí)際量測(cè)工作的重要內(nèi)容。為了能夠?qū)渭纭误w以及該區(qū)域斷層露出位置內(nèi)部斷層滑動(dòng)情況以及外部變形特征進(jìn)行準(zhǔn)確的獲得，我們?cè)谠撃Ｐ蜕瞎矊?duì)158個(gè)位移測(cè)點(diǎn)進(jìn)行了布置。

4.1 壩體位移

4.1.1 正常蓄水位

當(dāng)該水壩蓄水位處于正常情況下，壩體所具有的位移情況如下圖所示：

圖2 正常蓄水位壩體位移

從上圖中我們可以看到：第一，對(duì)于該壩體來(lái)說(shuō)，其在徑向方面具有的位移值并不大，在拱冠梁315m位置出現(xiàn)了最大的位移，且方向指向下游。而考慮到整個(gè)水壩所具有的位移規(guī)律，在徑向方面，壩體左側(cè)位同右側(cè)壩體相比的位移情況相對(duì)較大；第二，在切向位移方面，整個(gè)壩體所具有的位移情況較小，且左拱端所具有的位移同其右拱端位置相比稍大，在左側(cè)所具有的最大位移為2mm，而在右拱端位置，在切向方面則基本沒(méi)有位移；第三，經(jīng)過(guò)整體分析比對(duì)，整個(gè)壩體在豎向方面也沒(méi)有產(chǎn)生明顯的位移情況。

4.1.2 超荷載情況

當(dāng)整個(gè)水壩處于超載狀態(tài)時(shí)，在自身荷載情況不斷增加的情況下，整個(gè)壩體在位移方面越來(lái)越大，其所具有的拱冠梁位移曲線如下圖：

圖3 超載作用位移

從上圖我們可以看到：第一，在壩體超載到2P0前，整個(gè)壩體處在一個(gè)彈性的變形階段，在到該階段之后，整個(gè)位移曲線在斜率方面則發(fā)生了較大的變化，這種特征即說(shuō)明該壩體進(jìn)入到了非線性變形階段。而當(dāng)其超載量的不斷增加，當(dāng)荷載處于3P0時(shí)，壩體則具有了更大的位移速率，并在到6P0時(shí)整個(gè)壩體出現(xiàn)了徑向位移情況，此時(shí)，在模型上的測(cè)點(diǎn)有很多都因?yàn)榱砍坛隽朔秶荒軐?duì)讀數(shù)進(jìn)行顯示。而在試驗(yàn)前，我們也在水壩的底部以及頂部位置對(duì)數(shù)量位移J、R兩個(gè)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行了設(shè)置。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，J點(diǎn)所出現(xiàn)的最大位移為12.2mm，而R點(diǎn)所出現(xiàn)的最大位移則為11.24mm。同時(shí)，在基面上游測(cè)點(diǎn)，我們通過(guò)過(guò)程曲線則可以看到在4P0強(qiáng)度前，該位置沒(méi)有發(fā)生變形情況。而當(dāng)荷載不斷加大的過(guò)程中，壩底則出現(xiàn)了2mm的上移，從該種情況我們則可以了解到，在壩基面以及壩體間在下游位置出現(xiàn)了一定的擠壓情況。

4.2 壩肩穩(wěn)定分析

在對(duì)測(cè)量點(diǎn)進(jìn)行設(shè)置時(shí)，通過(guò)內(nèi)斷層測(cè)量點(diǎn)的設(shè)置則能夠?qū)鄬由舷卤P(pán)所具有的位移情況進(jìn)行了解。在相對(duì)位移方面，主要包括有壩體上下盤(pán)在垂直方向所具有的相對(duì)位移以及沿?cái)鄬幼呦蚧騼A向的相對(duì)位移。而在山體邊坡位置，也對(duì)監(jiān)測(cè)邊坡的絕對(duì)位移以及移測(cè)點(diǎn)進(jìn)行了設(shè)置。在水壩蓄水位正常時(shí)，水壩斷層、內(nèi)部以及壩肩位置都沒(méi)有出現(xiàn)較為明顯的變形。而當(dāng)水壩處于超載狀態(tài)時(shí)，水壩左岸所具有的變形情況同右岸相比則稍大，并在5.5P0時(shí)，右岸所具有的最大位移同正常水位情況下相比則具有較大的增加。而在3P0情況下，壩體不同斷層在張合度方面則沒(méi)有發(fā)生較大的改變。通過(guò)對(duì)觀測(cè)布置在沿?cái)鄬禹槍臃较虻臏y(cè)點(diǎn)的荷載—位移關(guān)系，則能夠?qū)ζ鋬?nèi)部斷層間所具有的相對(duì)滑動(dòng)情況進(jìn)行獲得，經(jīng)結(jié)果表明，當(dāng)荷載在6P0時(shí)，水壩兩岸山體出現(xiàn)了非常明顯的位移。

5 結(jié)束語(yǔ)

在上文中，我們對(duì)某地雙曲拱壩整體穩(wěn)定三維地質(zhì)力學(xué)模型進(jìn)行了一定的試驗(yàn)與研究，所獲得的結(jié)果具有較強(qiáng)的應(yīng)用意義。

參考文獻(xiàn)

[1]張林，楊寶全，丁澤霖，胡成秋.復(fù)雜巖基上重力壩壩基穩(wěn)定地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)研究[J].水力發(fā)電.2009（05）：55-57.

[2]姜小蘭，陳進(jìn)，孫紹文，李寧，劉桂生.高拱壩整體穩(wěn)定問(wèn)題的試驗(yàn)研究[J].長(zhǎng)江科學(xué)院院報(bào).2008（05）：122-125.