淺談地質力學模型試驗理論與技術
——以水利工程為例

陳彥璋，彭方俊，李 亮，林楚翹

（四川大學 水利水電學院，四川 成都 610065）

淺談地質力學模型試驗理論與技術
——以水利工程為例

陳彥璋，彭方俊，李 亮，林楚翹

（四川大學 水利水電學院，四川 成都 610065）

文章以水利工程為例，梳理了地質力學模型試驗從20世紀60年代至今的發展過程，概括了地質力學模型試驗的研究特點，包括體現出巖體的基本力學特征，滿足相似理論。介紹了地質力學模型試驗的研究內容，包括壩與地基的相互作用、壩基的破壞機理、地質構造對壩的影響、對大壩加固措施的指導。用舉例的方式闡釋了水利工程中地質力學模型試驗的研究類型。最后，就地質力學模型試驗存在的問題與未來發展趨勢進行了探討。

地質力學；模型實驗；實驗技術；研究進展

1 地質力學模型試驗的發展概況及趨勢

從世界范圍來看，地質力學模型試驗的發展歷程主要經歷了兩個大的階段：第一階段是從20世紀六十年代末開始，地質力學模型試驗開始出現，意大利貝加莫結構模型試驗研究所（ISMES）成功的進行了多項地質力學模型試驗，主要研究彈塑性和破壞問題；第二階段是20世紀70年代后，世界上許多國家包括美國、德國、意大利等，都廣泛地開展大壩的模型試驗工作，地質力學模型試驗更是得到了深入的發展，除了用于研究重力壩的抗滑穩定、拱壩的壩肩穩定及壩體與壩基的聯合作用以外，也應用于地下洞室圍巖的穩定等問題。21世紀后，伴隨著這些國家建壩高峰的過去，地質力學模型試驗在水工結構方面的應用相應減少，但是其理論基礎和試驗技術仍然在不斷地發展中。

目前國外具有較大規模該類型實驗室有俄羅斯國家水工科學研究所、法國國家水工實驗室和印度中央水利水電研究所等。我國在20世紀50年代中后期，一些科研單位就開展了地質力學模型試驗研究，早期的如清華大學水利系等。從70年代中后期開始，一些科研單位及高等院校陸續開展了這方面的研究工作。目前，清華大學采用超載法進行大壩的超載能力與破壞機理及加固措施的研究，取得了很多研究成果。四川大學水工結構研究室在模型材料上有所突破，研制了新型的模型材料---變溫相似材料，在一個模型上實現了強度儲備與超載相結合的綜合法試驗，并采用該項技術對國內一些拱壩和高邊坡進行了穩定性分析，獲得了多項研究成果。長江水利水電科學研究院巖基所對構皮灘、江口雙曲拱壩及三峽高邊坡進行了試驗研究，取得了很多成果。成都理工大學也開展了相關工程地質力學模擬研究。

2 地質力學模型試驗的研究對象和特點

隨著我國水能資源的大力開發，越來越多的水工建筑物修建在地質條件復雜的地基上。地質力學模型試驗的研究對象是工程結構與周圍巖體為一體的聯合體，是從力學的觀點出發，采用試驗的手段，考慮地質構造條件對工程的影響，研究建筑物基礎在上部結構及外荷載作用下的變形破壞機理及其演變過程，以確定采取提高工程巖體穩定性的措施，或者對加固工程方案進行驗證與優選。它主要研究巖體及斷層、破碎帶、軟弱夾層結構面對結構的應力分布和變形狀態的影響及巖體穩定和工程安全問題，是解決水電、交通和礦山開采等大型巖體、結構工程的穩定安全問題的一種重要的研究方法。具有如下主要特點：

（1）能模擬出巖體中的斷層、破碎帶及軟弱帶、一些主要節理裂隙組；

（2）能體現出巖體的非均勻等向、非彈性及非連續、多裂隙體等基本力學特征；

（3）模型的幾何尺寸、邊界條件及作用荷載；巖體模型材料的容重、強度及變形特性等方面，均需滿足相似理論的要求。

3 地質力學模型試驗的研究內容

在滿足相似原理的前提下，地質力學模型試驗能夠模擬地質構造較為復雜的巖石地基，較準確地反映出工程結構與地質構造的空間關系，通過試驗獲得巖體和上部結構的破壞全過程，使工程整體的力學特征、變形趨勢和穩定性等問題有效地得到解決；地質力學模型試驗是巖土、結構工程穩定分析的一種重要方法，目前在水電工程中主要用來解決以下問題：

（1）研究壩與地基的相互作用。通過地質力學模型試驗，可以得到壩體與地基的變形分布規律，監測大壩與壩基變形破壞過程，得到壩與地基的破壞形態，找到薄弱環節，為工程加固提供參考。

（2）探究壩基破壞機理，獲得壩與地基的穩定安全系數。通過地質力學模型試驗，可以分析破壞機理，得到模型的穩定安全系數，將此作為評價工程安全性的一個指標。

（3）研究地質構造對大壩穩定性的影響。建在復雜地基上的大壩，其地基中的復雜地質構造可能造成大壩、壩基變形過大、失穩，對工程的安全影響重大。通過地質力學模型試驗，在模型中模擬斷層、破碎帶、軟弱夾層、節理裂隙等不利地質構造，并在連續加載或降低材料力學參數的狀態下得到壩與地基的變形和破壞形態，從而分析地質構造對工程安全的影響。

（4）研究工程加固措施。通過地質力學模型試驗，可以針對應用不同加固處理措施的模型，進行加固處理措施的影響分析。通過分析其破壞機理、承載能力和安全系數，為獲得更有效的加固措施提供建議。

4 地質力學模型試驗的類型

4.1 按模型試驗的性質劃分

（1）三維模型試驗

三維模型試驗主要研究結構與地基整體在空間力系作用下的強度，以及大壩與壩肩、地基的破壞機制及整體穩定問題；明確大壩、巖體及主要結構面的應變和變形隨荷載增加而變化的情況；得出工程的薄弱環節，為工程處理措施提出參考依據。圖1所示為武都重力壩三維地質力學模試驗。

（2）平面模型試驗

平面模型試驗即從整體模型中取出單位長度或某一高程，研究特定區域在平面力系作用下的強度或穩定問題。在選擇切取平面時，切取平面應盡量與主要地質結構面相垂直，否則不能反映實際情況。如：為研究小灣中上部高程壩肩穩定和加固處理措施，針對小灣拱壩的1210m高程進行平面地質力學模型破壞試驗研究，對比分析了天然地基與加固地基的穩定性，評價了壩肩的加固效果。通過平面模型試驗能更直觀地看到壩肩內部的破壞過程和破壞形態。圖2所示為小灣拱壩1210m平面模型試驗。

圖1 武都重力壩三維模型試驗

圖2 小灣拱壩平面模型試驗

4.2 按照模型的制作方式分類

（1）現澆式模型

現澆式模型預先制作試驗模型槽，以地質結構面劃分不同的澆筑區，分期澆注。每澆筑一區后養護一段時間，再澆注其上一層。這種模型制作周期長，但可以保證層層接觸緊密。

（2）預制塊體砌筑模型

預制塊體砌筑模型是預先壓制模型材料塊體，加工成需要的塊體形狀，或者利用模具直接壓制所需尺寸的塊體，再按照地質構造分層砌筑成模型。此類模型所需的塊體數量巨大，工程量較大，但由于毛坯或塊體可預制，故其模型制作時間能縮短，目前國內地質力學模型試驗多采用這類制作方式。圖1及圖2均為該類模型。

4.3 按照作用荷載特性進行分類

（1）靜力模型試驗

靜力模型試驗是指研究建筑物在靜荷載（包括水沙壓力、自重和溫度等荷載）作用下的應變、變形及穩定問題的整體或者平面模型試驗。這類模型是建立在彈塑性力學的基本假定上，模型中需模擬一些特殊地質構造（如巖體內的斷層、軟弱夾層、節理和裂隙等），主要用于研究在一定范圍內受到建筑物影響的壩基巖體等，在承受靜力荷載后的變形、失穩過程、破壞機理以及巖基變形對其上部建筑物的影響等問題。

（2）動力模型試驗

考慮到地震作用對工程的影響，可以采用動力模型試驗，動力模型試驗除了滿足空間條件相似、物理條件相似和邊界條件相似以外，還要滿足運動條件相似。這類試驗常以抗震模型試驗為主，研究建筑物在不同地震烈度影響下，空庫或滿庫時的自振特性（包括頻率、振型和阻尼等）、地震荷載、地震應力及抗震穩定性等。

4.4 按照模型模擬的詳細程度分類

（1）大塊體地質力學模型試驗。模型地基中只模擬斷層破碎帶等主要的地質構造。

（2）小塊體地質力學模型試驗。模型地基中除了模擬以上提及的主要的地質構造外，還要模擬主要的節理裂隙組。

5 地質力學模式試驗存在的問題

從目前國內外地質力學模型試驗發展和現狀來看，存在以下一些問題：

（1）目前模型材料的研制較為緩慢，要實現溫度和滲流對工程結構及基礎的強度降低的精確模擬還具有一定的難度。

（2）加載方式單一，很難考慮復雜地應力和基礎多維受力狀態。采用千斤頂剛性加載，未能具體模擬受力情況。

（3）只能針對主要因素進行模擬，受試驗條件的限制，一些影響因素無法模擬，如模型中無法考慮滲流等因素對工程結構的作用。

（4）對大壩的破壞過程很難跟蹤監測。應力應變、位移量測方法上還需要不斷改進。

（5）很難對拱壩運行及其開挖全過程進行模擬。具體部位的內部破壞情況無法詳細了解。

6 地質力學模式試驗未來的發展趨勢

伴隨著電子計算機的普及，以及跨學科的創新研究，地質力學模型試驗由定性分析轉向定量分析，新的試驗方法與技術不斷發展。

（1）新型模型材料的研制，使得模型材料的適用范圍擴寬。如變溫相似材料模擬新技術，已先后成功應用于大中型水電工程的試驗研究中，如普定碾壓混凝土拱壩試驗研究，四川銅頭拱壩、沙牌高碾壓混凝土拱壩、廣西百色重力壩、金沙江溪洛渡高拱壩、雅礱江錦屏一級高拱壩等壩肩壩基的穩定性研究。這種新材料及新技術，可以在一個模型上實現降強法和超載法試驗，有廣闊的發展前景。

（2）試驗的加載方式也應朝多維方向發展，尤其對于地下洞室工程，通過研究使得試驗的加載方式能夠滿足模擬實際工程中巖體結構的多維受力特性的要求。此外，加載系統將會逐漸采用伺服控制系統，這樣在加載過程中可以進行實時控制。

（3）電子計算機的發展和普及，給模型試驗的數據采集、量測技術和數據分析處理帶來了更加廣闊的前景。模型跟蹤監測采用現代化、可視化、智能化的技術，如采用聲發射技術監控開裂前兆，微型攝像系統監控上游壩踵開裂等等。試驗量測技術方面，伴隨著光纖技術的發展，將逐漸實現光纖技術監控壩肩內部的變形狀態、外部布控光纖網絡量測等等。

（4）伴隨計算力學的不斷發展，地質力學模型試驗與有限元計算相互配合，進行工程結構與其有關巖體共同作用下穩定性分析，研究工程在復雜地質條件下穩定性問題，不僅能進行整體穩定性分析，還可以研究工程某些部位的具體破壞情況及加固措施。模型試驗與數值計算二者相輔相成、相互驗證、互為補充、共同發展。

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TV32+1

A

1672-2469（2017）10-0118-03

10.3969/j.issn.1672-2469.2017.10.033

2017-03-14

陳彥璋（1996年-），男，本科生在讀。