基于地質力學模型的拱壩壩肩穩定性分析

于淳蛟

(湖北志宏水利水電設計有限公司，湖北 武漢 430070)

0 引言

中國水旱災害頻繁，相關數據顯示，在1949年之前我國共發生了1092次洪災。為確保廣大人民群眾的生命和財產安全，我國組織修建了眾多的水利水電工程，成為世界上大壩數量增長最快的國家。在諸多的水利大壩中，拱壩因具有性價比高、超載能力強等特點被廣泛應用，尤其是地質結構復雜、結構面發育的地區[1-2]。在地質條件不穩定的區域修建大壩時，不僅要考慮卸載帶對拱壩的穩定性的影響，還要在修建過程中對壩基和壩肩進行加固處理。

針對拱壩加固的問題，已經有多位學者進行了研究。宋子享等[3]運用有限元法，模擬分析了擴大基礎對拱壩的加固效果，提出一種量化的評估方法。陳媛等[4]采用室內模型試驗的方法研究了拱壩的變形特性和破壞機理，獲得了拱壩在不同階段的超載安全系數。結果表明：拱壩上部的巖體為整個工程的薄弱環節，需要采取加固措施。陳凸立等[5]建立了復雜條件下拱壩的三維有限元模型，研究了加固效果對壩肩巖體穩定性的影響。結果表明：在對壩肩采取適當的加固措施后，壩肩的承載力有明顯提升，巖體的安全系數得到了提高。胡波等[6]則是以現場實測數據為基礎，通過理論推導的方法分析評價了拱壩回填的加固效果。結果表明：回填土能夠穩定地與圍巖結合，較好地提升了拱壩和圍巖的穩定性。另外，對于壩坡巖體的卸載性能及卸載帶的區分問題，國內外學者也對此進行了大量的研究，但對壩體穩定性受卸載帶影響的研究較少。

由于卸荷帶區域內的巖體力學性質較差、節理發育，容易對拱壩的安全建設和運營造成安全隱患。本文通過模擬拱壩邊坡的卸載帶、節理等結構，討論了拱壩及其周圍巖體的穩定性和變形特性，并分析了卸載帶對拱壩的穩定性的影響。

1 概況

某水電站大壩為混凝土雙曲拱壩，拱壩高225m，頂部高程為2849m。拱壩所處河谷較窄、泄洪量大、卸荷帶深度較大。相關地質勘查資料顯示，地區的地質條件較差，主要有4條Ⅱ級結構面，長度有數百米到數千米不等；Ⅲ級結構面共有75條，大部分的長度達到數百米。大壩邊坡上的斷層主要由頁巖以及泥灰巖組成，斷面上擦痕較多，側伏角均不超過20°。

由于長期受水流沖刷和風力侵蝕作用，邊坡巖體卸荷現象較嚴重，將壩區巖體的卸荷帶分為強、微、弱3種。巖體的弱卸荷帶分布較多，其次為強卸荷帶。卸荷裂隙的寬度大多在0.2～2cm范圍內，個別裂隙寬度達到了10cm，填充有大量的碎石，整體穩定性較差。

2 材料與方法

2.1 試驗設計

試驗模擬的范圍為拱壩中心向上游方向取0.75倍壩高，向下游方向取2.45倍壩高；河谷中線為基準向左右兩側各延伸2倍壩高，模擬范圍的尺寸為790m×670m。綜合考慮現場地質結構的特性和分布情況，結合相關工程經驗確定模型試驗的幾何相似比CL為200，確定容重、變形模量、位移、應力、集中力的相似比分別為1、200、200、200、2000000。得出模型的尺寸為3.95m×3.35m，模型的高度設為10cm。

2.2 模型材料

在壩區進行取樣，對材料的物理參數進行測定，按照相似比算出模型材料所需的物理參數，通過材料的配合比試驗確定所需的模型材料。材料參數見表1。

表1 原型材料和模型材料的主要參數

試驗中以重晶石粉和石膏粉為主要材料，根據不同的配合比制定出多個拱壩模型，如圖1所示，然后進行一系列的材料試驗，從而選出符合表1要求的壩體材料配合比。

圖1 拱壩位移測點布置示意圖

根據相似比和材料試驗確定模型試驗的材料參數見表2。巖體的主要材料為重晶石粉，膠結材料選擇硅酸鹽水泥，加入少量的石蠟和機油來控制摩擦系數和粘聚力。為了便于模擬節理，采用壓模機將巖體的模型材料壓制成邊長為9cm，厚度為5cm菱形塊體。根據節理分布情況用菱形塊體砌筑成相應的巖體。

表2 巖體模型材料力學參數表

2.3 加載和測量系統

由于試驗模型為平面地質力學模型，正常工況下只考慮上游靜水壓力和拱壩自重。試驗過程中采用千斤頂進行加載。

拱壩下游位置設置了5個位移測點，監測試驗過程中拱壩的位移。位移計采用SP-10A型電感位移計，測量精度為0.01mm。布置情況如圖1所示。在拱壩兩岸邊坡設置68個移位測點，監測巖體順河道方向和垂直河道方向的位移。選定模型材料主要為非彈性材料，不能通過拱壩的應變值來計算壩體的應力，因此根據壩體的應變曲線來判斷拱壩和巖體的穩定性及變形。拱壩應變測點的布置情況如圖2所示。

圖2 拱壩應變片布置示意圖

試驗步驟為：①對試驗模型進行預加載，然后加載到正常工況下的荷載P0，即荷載值為上游水壓力和拱壩自重之和；②進行超載試驗，加載采用分級加載的方式，以0.2P0為一級，每加一級荷載后記錄下位移計和應變片的讀數；③結束條件是整個模型出現明顯的大變形，導致模型整體發生破壞。

3 試驗結果分析

3.1 拱壩位移變化特征

拱壩壩體徑向位移與超載系數間的關系曲線如圖3所示。從圖中可以看出，拱壩位移隨著超載系數的增加而逐漸增加，僅有水壓力和壩體自重荷載作用時，拱壩的位移較小。當超載系數達到1.6～1.8時，拱壩的位移曲線產生了輕微的波動，此時拱壩位移的變化速率也有所增加；當超載系數達到2.5左右時，拱壩位移曲線開始出現拐點，位移變化速率進一步增加，拱壩左邊的位移開始超過拱壩右邊的位移；當超載系數達到3.8以上時，位移變化曲線再次出現波動，拱壩位移較大，拱壩逐漸出現變形失穩的現象。

圖3 拱壩徑向位移與超載系數間的關系

3.2 拱壩應變變化特征

拱壩的徑向應變變化曲線如圖4所示。從圖中可以看出，在沒有施加超載時，壩體的整體應變都比較小，且均為壓應變。在超載系數為1.6時，壩體的應變曲線開始出現拐點，拱壩左端開始出現裂縫，整個拱壩仍處于穩定狀態；當超載系數大于2.6時，多數測點的應變波動較大，部分測點由壓應變轉變為拉應變，這是因為拱壩本身存在的應力釋放現象；當超載系數達到3.8以上時，應變曲線再次出現波動，拱壩左端的裂縫數量增加，向拱壩中心處擴展，拱壩的穩定性正在逐漸下降，與拱壩的位移變化趨勢相吻合。

圖4 拱壩徑向應變與超載系數間的關系

3.3 壩肩位移變化特征

拱壩壩肩位移與超載系數間的關系曲線如圖5所示，位移與河流流向一致為正。從圖中可以看出，在未施加超載的情況下，拱壩的壩肩處于穩定狀態，位移變化很小；在超載試驗階段，壩肩的位移變化明顯，當超載系數為1.8時，多數的位移測點處的位移變化曲線出現拐點，部分測點處的位移開始朝著反方向變化，且變化的速率較快；當超載系數處于2.4～2.6之間時，拱壩兩端和巖體斷層處的位移變化速率開始增加，靠近卸荷帶的壩端部位變化最為明顯；當超載系數超過3.8后，位移變化曲線同樣再次產生明顯的波動，拱壩左右兩端的位移變化不在呈對稱趨勢，部分測點的位移較大，壩肩的承載力逐步喪失。

圖5 壩肩順河向位移與超載系數間的關系

3.4 卸荷帶巖體的位移變化特征

拱壩兩岸卸荷帶巖體的位移變化情況如圖6所示。從圖中可以看出，無論是否施加超載，兩岸卸荷帶巖體位移變化區域基本一致，右岸巖體位移明顯的區域主要分布在斷層與拱端之間，左岸巖體位移的顯著部位是處于強卸荷帶的Ⅳs類巖體與弱卸荷帶的Ⅲ2s巖體；通過對比發現，左岸巖體與拱壩本身的位移變化相符，位移顯著高于右岸巖體，說明左岸卸載帶在超載條件下，左岸卸載帶對拱壩產生較大的影響[7]。

圖6 卸荷帶巖體順河向位移與超載系數間的關系

從順河流方向上的相對位移變化情況上來看，兩岸巖體的相對位移都是正值，表明卸荷帶內的巖體在順河流方向上的位移存在錯動現象。兩岸巖體在垂直河流方向上的相對位移基本為正值，表明左岸卸荷帶與右岸卸荷帶相比，能夠顯著地削弱位移的傳遞。

4 結論

采用室內模型試驗的方法對拱壩邊坡的卸荷帶、節理等構造進行模擬，分析卸荷帶對拱壩穩定性和變形特性的影響，得出以下結論。

(1)超載系數達到1.7時，拱壩左端開始出現細微裂縫，位移、應變與超載系數的關系曲線開始出現拐點。

(2)超載系數為2.4～2.6時，拱壩左右兩端下游位置發生壓剪破壞、裂縫增多，與拱壩較近的斷層發生開裂，位移的增長速率明顯上升，應變朝反方向發展。

(3)超載系數達到3.8～4.2后，周圍巖體有明顯的破碎，裂縫延伸到卸荷帶區域內，拱壩和巖體的位移增長速率加快，拱壩的承載力下降，整個模型逐漸失穩。

(4)通過對比位移、應變與超載系數間的關系，表明卸荷帶的存在不利于拱壩穩定，特別是左岸卸荷帶影響較為明顯。