點荷載試驗下的大型水庫近場區構造穩定性數值模擬

蘇 珅，陳麗麗

(沈陽市勘察測繪研究院有限公司，遼寧 沈陽 110004)

水庫作為控制性工程能夠提高我國經濟效益，水庫近場區構造不穩定會直接降低防洪標準，導致設備老化嚴重。我國地理環境復雜，能源分布不均，尤其是水資源，需要通過修建大型水庫完成水資源的結構調節，但是在水庫的建設和維護過程中，常常因為復雜的地質環境引起一系列的地質問題，主要有巖體變形、崩塌和失穩破壞等現象。這些問題產生的主要根源是水庫近場區構造穩定性較差，在水庫使用的過程中不能進行穩定數值的模擬，導致大型水庫近場區的狀態難以被探測進而出現損壞。

文獻[1]使用MIDAS技術對水庫溢洪道基礎結構進行穩定性數值和配筋復核的分析，通過對水庫溢洪道內部的結構進行三維有限元建模分析，確定各個結構在泄洪槽底部水重力作用下的受力狀態，計算結構的位移距離和相關結構所能夠承受的最大應力，再根據最大應力值設計配筋規范參數，為結構的水下抗拉強度提供了參考，該技術能夠對水庫溢洪道的基礎結構進行拉應力參數的精準分析，但是缺少對其他因素的分析，整體方法考慮不全面。文獻[2]利用COMSOL Multiphysics數值軟件建立水庫均質壩體模型，研究水庫的滲流與穩定性，對水庫的水流分析，尋找水流對水庫各個結構的力學特征，并獲取精確數值來設定不同情況下的安全系數，驗證水庫結構是否在安全系數內，這種方法利用模型完成水庫的構造穩定性數值模擬，滿足了數值方面的需求，但是分析的數值內容較為單一，缺乏其他類型數據的驗證。

點荷載試驗可以有效檢測材料的抗壓強度和抗拉強度，點荷載試驗中還可以額外增加多種類其他參數的檢測算法，能夠實現較全面的數值獲取，本文便基于此對大型水庫近場區構造穩定性進行數值模擬。通過點荷載試驗測試巖石強度，分析巖石分類和巖石各向異性，對大型水庫近場區的抗壓強度和抗拉強度進行分析，根據分析結果確定構造穩定性。

1 點荷載試驗裝置與方案的制定

以巴基斯坦阿扎德帕坦水電站工程大型水庫為例，水電站位于吉拉姆河中游，該水庫與城市相距較近，若水庫結構發生損壞會對附近居民造成較大的安全隱患，直接經濟損失可達1.5億人民幣。該水庫水位時常發生變化，再加上該水庫近場區建設時間較長，基礎結構已經發生軟化現象，周邊的危巖體雖然沒有出現松動現象，但是危巖體的整體正在緩緩下沉，危巖體每年都會出現一些新的裂縫，尤其是在雨季時節，暴雨過后水庫水位上漲，水庫近場區周邊的危巖體縫隙遭到雨水浸泡，壓力增大，巖體崩塌隱患顯而易見，所以對該水庫近場區基礎構造的穩定性數值模擬非常急迫，本文應用點荷載試驗裝置設定數值模擬方案[3]。

將HMTS- 1200型號裂隙巖體水力耦合真三軸試驗系統放置水庫近場區周邊巖體樣品進行力學試驗，通過試驗得到的數據作為數值模擬基礎，點荷載實驗裝置如圖1所示。

圖1 點荷載實驗裝置圖示

(1)高水壓密封試驗艙。高水壓密封試驗艙內部有5個環形鋼構件，每個構件結構均為帶有凹槽的半圓圈，凹槽中間設有防水密封材料，密封材料可以與高水壓密封試驗艙的基礎平臺相連接，基礎平臺中有大量的試驗數據采集傳感器、通信裝置、線路接口和通氣管等結構。

(2)點荷載加載與反力系統。系統中有2臺剛性推頭油缸加載為點荷載試驗創造力學供應環境，分別布置在試驗艙內外部。內部的加壓油缸提供加載荷載，外部的加壓油缸提供試驗艙的推動力，為確保試驗艙整體的穩定性，外部加壓油缸還起到提供反向推動的效果。

(3)耐高水壓變形數據測量器。本文選用的耐高水壓變形數據測量器采用線性可變差動變壓器原理，可以精準檢測到3MPa以上的水壓數據，傳感器的分辨率為0.001mm，量程范圍為±5mm，測量器的數據傳輸通過防水數據線或在計算機之間建立無線通信協議，可以對實時采集的壓力數據短暫儲存[4- 5]。

(4)高精度伺服控制設備。點荷載試驗裝置內部擁有多個子系統，通過協調運作實現點荷載試驗正常運行，分別對每個子系統額外加裝伺服控制設備，可以更高效率和精度地識別點荷載試驗相關數據。

點荷載試驗中的各項技術參數見表1。

表1 點荷載試驗技術參數

點荷載試驗通過以上設備和技術參數可以實現以下功能：①點荷載試驗環境下可以在巖石樣本的3個方向施加模擬壓力，可以真實反映巖體的應力環境和應力變化狀態。②精準模擬了水壓環境，按照300m級別水庫設定3MPa高壓水環境，試驗過程中實時觀測巖體樣品在該環境下產生的變化狀態[6- 7]。③點荷載試驗設備中設有多個終端接口和測量檢測系統，滿足了對巖石樣本形變程度、應力、水壓力等多項力學參數的檢測，還可以通過參數檢測歷史做出預測。

點荷載試驗的具體實施方案如圖2所示。

圖2 試驗實施方案

(1)試樣制備。在水庫近場區周邊選取較為完整的玄武巖，巖體質量為Ⅲ1類，對采集的巖石依次進行切割、打磨和拋光，制定成400mm×400mm×550mm尺寸的長方體，為了區分點荷載試驗后不同角度下的變化狀態，分別在巖石式樣的各個面進行標號處理。

(2)試樣安裝。將安裝在點荷載試驗艙內，分別向艙內的儲存空間加壓，營造試驗巖石的常態環境，然后在試樣的標號位置安裝傳感器，方便獲取數據。試樣固定完畢后，完全封閉點荷載試驗艙，向試驗艙內加入水庫水、排出氣體，然后啟動高精度伺服控制系統，使水壓達到并保持到0.8MPa。

(3)進行點荷載試驗。測試點荷載試驗艙密封性，測試合格后開始進行點荷載試驗，完成試驗后排出試驗艙內水庫水，提取并記錄傳感器中所采集的數據。

(4)對采集到的數據進行穩定性分析，先后分析形變程度、應力和水壓等參數在點荷載試驗中的反應程度[8- 9]。

2 點荷載試驗下的構造穩定性分析

在點荷載試驗艙內首先確定巖石樣品的非飽和滲流狀態，運用非飽和滲流微方程可以計算數值：

(1)

地震也是影響水庫近場區構造穩定性的重要原因，所以本文也對地震動力進行分析。地震會對水庫近場區構造內的土體造成軟化現象，而具體的軟化情況不能夠通過圖像顯示出來，軟化面積如圖3所示。

利用G/Gmax來表達地震對構造穩定性的影響：

G/Gmax=K(γ,P1)(σm)m(γ,P1)-ma

(2)

K(γ,P1)=0.5{1+tanh
[ln((0.000102+n(P1))/γ]}

(3)

(4)

式中，G—在地震狀態下，土體產生的剪切模量；Gmax—0應變時土地的變化；γ—土體自身的重量；P1—土體受到的塑形變化；σm—巖石在模擬過程的有效應力；n(P1)—塑形過程產生的指數函數。確定以上2種參數計算理論后，即可建立計算模型對點荷載試驗環境中巖石樣品穩定性進行計算[10- 11]。

本文所建立的模型對象為壩高45m，壩基厚度10m，壩基寬度350m，壩頂寬15m，水庫近場區基礎材料為花崗巖，正常水位為30m。不同材料下的非飽和滲流參數也不同，所以在點荷載試驗環境中也不能用一個參數完成穩定性分析，需要在模型中設定多種類參數來實現穩定性分析[12- 13]。本文選用具有計算方便、精準度較高的一次二階矩法對點荷載試驗中的巖石樣品進行穩定性分析。

建立穩定狀態函數為：

圖3 軟化面積圖示

(5)

式中，Fs—巖石樣品穩定性；N—荷載；R—巖石樣品抗力。

當Z值大于0則證明巖石樣品在點荷載試驗后處于穩定狀態；當Z值小于0則證明巖石樣品在點荷載試驗后處于失穩狀態；當Z值等于0則證明巖石樣品在點荷載試驗后處于極限平衡狀態。直接影響Z值的因素為巖石樣品的荷載和抗力，荷載和抗力的大小又決定著巖石樣品的形變和位移等數值，所以對大型水庫近場區構造穩定性數值分析可以使用點荷載試驗方法，對形變參數、力學參數和位移參數進行數值模擬表達[14]。

3 大型水庫近場區構造穩定性數值模擬試驗

對巴基斯坦阿扎德帕坦水電站工程大型水庫的巖石樣品進行試驗，巖石飽和率是評價巖石抗凍性的重要指標，因此本文選取飽和樣和天然樣作為實驗對比，選用的天然樣和飽和樣如圖4所示。

圖4 試驗巖樣圖示

根據試驗巖樣分析點荷載試驗下的巖樣飽和樣和天然樣對比情況。

單軸抗壓強度指的是巖石在遭受破壞條件下的極限抗壓值，在天然狀態下，水庫內部的巖樣具有很低的單軸抗壓強度，受到的強度標準值為7.2MPa，容易產生破碎，當達到飽和狀態下基本不會產生強度，抗壓強度標準值為1。

3.1 形變參數模擬試驗

使巖石樣品在點荷載試驗狀態下承受單軸受壓狀態，圍壓為0MPa，軸壓為10MPa，受到外部的水壓逐漸遞增，從0MPa增長至3MPa，記錄壓力逐漸增長過程中巖石樣品對外表現的形變特征。形變參數變化特點如圖5所示。

圖5 形變參數變化特點

由圖5可知，軸壓不變的情況下，隨著時間的變化，巖石樣品天然樣在360min時產生大約3×10-4微應變，巖石樣品飽和樣大約產生2.9×10-4微應變，外部水壓逐漸升高的過程中巖石樣品沒有表現明顯的形變，水壓大約在開始加壓后的200min達到3MPa，此后的巖石樣品開始出現一定的形變量，大約在300min出現了1.5×10-4微應變。

3.2 力學參數模擬試驗

巖石樣品在點荷載試驗環境中共承受左、右、下3個方向的靜水壓力，分別表示為P1、P2、P3，計算3個方向力的公式為：

(6)

(7)

(8)

式中，h1—巖石樣品裂隙中充水高度，mm；h2—巖石樣品斜面高度,mm；h3—巖石樣品臨水面的水壓高度,mm；γw—巖石樣品周邊的水重量,kN/m3；α—裂隙傾角,(°)；β—斜面傾角,(°)。

根據以上公式所獲取的靜水壓力即可得知水庫近場區構造的受力情況，數值的大小是否達到了巖石穩定性閾值。

力學參數模擬結果如圖6所示。

圖6 力學參數模擬結果

測量得h1、h2分別為40、200mm；γw為9.8kN/m3；α、β分別為85°和12°；h3為1000mm。經過數值代入計算得到P1、P2、進行正態分布得到巖石樣品的穩定系數為1.06，在遇有暴雨或地震等超出力學閾值的環境下，巖石樣品天然樣失穩率為24.88%，巖石樣品飽和樣失穩率為25.96%。

3.3 位移參數模擬試驗

選擇巖石樣品的某個點位進行位移數值監測，在點荷載試驗環境下模擬地震效果。位移參數模擬試驗結果見表2。

表2 位移參數模擬試驗結果

地震效果進行過程中監測點高程與巖石樣品位移程度成正比關系，地震效果持續時間為3.6s時，巖石樣品的水平位移達到最大值，位移量為1.2mm，巖石樣品的豎直位移量隨著地震效果時間的變化而變化，最終在5.0s時出現了最大值，分別在0.5、1.0、2.0、3.0和5.0s天然樣出現了0.002、0.009、0.038、0.043和0.065mm的位移量，飽和樣出現了0.003、0.011、0.040、0.046和0.070mm的位移量。由此可見地震效果下的水庫近場區構造在地震效果下，同等時間內水平方向的構造失穩率更高。

4 結論

(1)通過模擬水庫近場區真實環境，使巖石樣品能夠反映出水庫近場區構造的實際狀態。試驗中的設備針對不同參數分別制定，通過計算非飽和滲流數值來分析外部因素對構造穩定性的影響程度，為模擬試驗的進行創造了基礎條件和數據條件。

(2)設定點荷載試驗，進行巖樣飽和樣和天然樣的對比，在試驗階段劃分為形變參數模擬、力學參數模擬和位移參數模擬試驗，通過3個試驗得到水庫近場區構造的穩定性情況，模擬結果具有全面、有效和真實的特點。

點荷載試驗對于水體穩定性的數值分析提供了重要依據，然而該方法試驗步驟繁復，效率不高，后續將進一步加強該方面的研究。