大型水電站壩基含夾層軟弱巖體工程力學參數估計研究

聶軍洲

(金中天水利建設有限公司，廣州 510700)

0 引 言

隨著大型水電站壩建設項目的不斷推進，對大型水電站壩的基質力學可靠性和力學性能的可靠性提出了更高的要求。根據對大型水電站壩基含夾層軟弱巖體工程力學參數特征分析，結合顆粒強度、顆粒形狀等方面的特征分布，采用量化表征參數分析的方法，進行大型水電站壩基含夾層軟弱巖體工程力學參數估計，結合試樣臨界狀態分析，根據極限平衡概念，通過無腹筋梁設計，進行工程力學參數估計，對試驗數據進行擬合，實現軟弱巖體工程力學參數估計，提高大型水電站壩施工的質量[1]。

對大型水電站壩基含夾層軟弱巖體工程力學參數估計，是建立在對試驗數據參數擬合和特征分析基礎上，通過數值模擬和模型實驗的方法進行大型水電站壩基含夾層軟弱巖體工程的施工優化。目前，對大型水電站壩基含夾層軟弱巖體工程的參數估計方法主要有復位耗能支撐控制方法、荷載加載控制方法等。采用砂輕混凝土和次輕混凝土進行梁抗剪計算，實現對巖體的力學參數估計[2]。文獻[3]中提出了基于集中荷載作用下輕骨料的大型水電站壩基含夾層軟弱巖體工程力學參數估計方法，確定各影響因素對 LAC 的影響，采用桁架模型建立參數估計的計算模型，實現抗壓強度和屈服應力參數估計，通過引入折減系數，對混凝土項進行折減，實現參數估計，但該方法進行巖體工程力學參數估計的可靠性和精度不高。文獻[4]中進行了降雨誘發山區公路邊坡危巖崩塌機理研究，實現了對巖體工程的剪跨比、配箍率、混凝土強度參數估計，但該方法在復雜地質環境下的工程力學參數估計性能不好。針對上述問題，本文提出基于屈服顆粒幾何尺寸的量化表征的巖體工程力學參數估計模型，通過建立形狀參量檢測模型，結合試樣工程力學特征分析，建立三維離散元模擬分析分析模型，通過建立基含夾層軟弱巖體粒間摩擦角及粗糙度的關系分析模型，采用采用線性接觸模型實現大型水電站壩基含夾層軟弱巖體工程力學參數估計。最后通過進行實驗測試分析，得出有效性結論。

1 試件和力學模型

1.1 試件結構

構建大型水電站壩基含夾層軟弱巖體結構的沖擊動力響應分析模型，試件采用SLCS6-80受力全過程的抗力函數模型，根據《水利水電工程地質勘察規范》(GB 50287-1999)，在不同的構件連接模式下，進行內管、外管、巖體構件摩擦裝置的力學參數分析[4]，基含夾層軟弱巖體的構件見圖1。

圖1 基含夾層軟弱巖體的構件

水電站壩基含夾層軟弱巖體內外管剛度為Ki與Ko，預應力筋和摩擦裝置的屈服響應分別為Ai與Ao，基于損傷的循環退化參數分析[5]，得到大型水電站壩基含夾層軟弱巖體的試件設計參數，見表1。

表1 大型水電站壩基含夾層軟弱巖體的試件設計參數

根據試件參數設定，采用建研式加載裝置的方法，進行電站壩基含夾層軟弱巖體的結構非線性和彈性階段的骨架曲線分析，采用理論推導與經驗法結合的方法，建立形狀參量檢測模型，結合試樣工程力學特征分析[6]，計算屈服荷載與屈服位移的比值，依據水電站壩基含夾層顆粒形狀建立不同形狀影響機理下的線性接觸模型。采用單顆粒、復合顆粒和顆粒簇分析的方法進行基含夾層軟弱巖體的結構力學參數分析。基含夾層軟弱巖體顆粒結構力學分布見圖2。

圖2 基含夾層軟弱巖體顆粒結構力學分布

1.2 力學模型參數

在建立了水電站壩基含夾層軟弱巖體的顆粒簇結構模型參數分析的基礎上，進行水電站壩基含夾層軟弱巖體的數值試樣參數分析，并分析其細觀機制[7]，通過顆粒簇單元來構建基含夾層軟弱巖體的工程力學解析模型。在顆粒流模擬試驗中，相對密實度為 0.75，圍壓增加量設定為800 kPa，以接觸模量、接觸切向與法向剛度之比、水電站壩基剛度為自變量，通過應力-應變曲線分析，得到力學參數分布，見表2。

表2 力學參數分布

在力學參數分析的基礎上，建立三維塊體離散元估計模型，根據材料力學特性分析，進行體應變-軸向應變分析，建立大型水電站壩基含夾層軟弱巖體的工程力學評估模型[8]，得到力學參數的估計實現技術圖，見圖3。

圖3 參數估計模型實現技術圖

2 工程力學參數估計

通過建立水電站基含夾層軟弱巖體粒間摩擦角及粗糙度的關系分析模型，采用線性接觸模型分析的方法，基于破壞形態與靜力加載的方法[9]，考慮單顆粒模型的精細度，建立水電站基含夾層軟弱巖體的表面粗糙度分布矩陣為：

(1)

其中：ai為應力水平范圍參數；X1，X2,……Xn為力學行為和破壞行為參數；Y1,Y2,……Yn為材料強度和連接件布置參數。

在不同變形模式下，構建試件的承載力檢測模型，表示為：

(2)

其中：h為試件的承載力特征值；Ga為剩余承載力；a為抗壓強度分布系數；L為鋼板的貢獻；X為試件的核心混凝土材料參數；Y為連接件的拉力抵抗荷的相對值。

用φ(a,t,s,b)表示大型水電站壩基含夾層的非線性力學行為，根據彎曲變形模式下的縱向強度，得到水電站基含夾層軟弱巖體粒間的應變力學參數：

(3)

其中：a為鋼板的正應力；t為水電站基含夾層軟弱巖體的屈服彎矩；b為面外集中荷載；φx為混凝土破壞面的連接件數；P為連接件拉力。

沖切開裂抗力參數估計值：

(4)

其中：ξ為水電站基含夾層連接件和鋼板的破壞參數；L為連接件拉力，根據水電站基含夾層軟弱巖體復合材料板構件剛度，水電站基含夾層軟弱巖體的工程力學特性測試擬合函數式為：

(5)

式中：x為連接件提供的剪力模量；y為車用單側鋼板上連接件變形值；wi為軸向荷載；u為偏應力-軸向應變；α2為可破碎試樣平衡參數；d(ωi,k)為t時刻切線本構矩陣。

由此，建立三維離散元模擬分析模型，通過建立基含夾層軟弱巖體粒間摩擦角及粗糙度的關系分析模型，實現對大型水電站壩基含夾層軟弱巖體工程力學參數估計。

3 實驗測試

采用數值分析和參數模擬的方法，驗證本文方法在實現大型水電站壩基含夾層軟弱巖體工程力學參數估計中的應用性能。實驗采用CAD/CAM仿真測試平臺進行，結合Matlab數值分析工具，設定水電站壩基含夾層軟弱巖體的接觸模量取值為60、200和400 kPa，C2ε=1.92，支撐屈服前后剛度比、水平荷載和位移之間的相關性系數為Cμ=0.09，切向應力σk=1.0，構件在峰值點后的強度σε=1.3 MPa。巖體的工程力學參數分布值見表3。

表3 車用復合材料板簧力學特性參數

根據上述參數估計結果，計算屈服荷載與屈服位移的比值，得到工程力學參數的計算值和試驗值，見圖4。

圖4 工程力學參數估計

分析圖4可知，采用本文方法進行大型水電站壩基含夾層軟弱巖體工程力學參數估計值與試驗值相當。測試估計精度，得到測試結果，見圖5。分析圖5可知，本文方法的估計精度較高。

圖5 力學參數估計精度對比

4 結 語

根據對大型水電站壩基含夾層軟弱巖體工程力學參數特征分析，采用量化表征參數分析的方法，進行大型水電站壩基含夾層軟弱巖體工程力學參數估計，建立形狀參量檢測模型，結合試樣工程力學特征分析，計算屈服荷載與屈服位移的比值，依據水電站壩基含夾層顆粒形狀建立不同形狀影響機理下的線性接觸模型。通過體應變-軸向應變分析，建立大型水電站壩基含夾層軟弱巖體的工程力學評估模型。測試結果表明，采用本文方法進行工程力學參數估計的精度較高，試驗值和估計值相當。