董建華,張 林,陳建葉*,陳 媛,胡成秋

(1.四川大學(xué)水力學(xué)與山區(qū)河流開發(fā)保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)試驗(yàn)室,四川成都610065;2.四川大學(xué)水利水電學(xué)院,四川成都610065)

0 前 言

我國(guó)近期在建或擬建的高拱壩工程,大多位于西部地區(qū)河流上,其主要特點(diǎn)是山高谷深、地質(zhì)條件復(fù)雜、水庫(kù)庫(kù)容和工程規(guī)模大、地震烈度高[1]。上述特點(diǎn)導(dǎo)致壩肩穩(wěn)定問題十分突出,是直接影響工程安全的重要因素,因此需要深入開展復(fù)雜巖基上高拱壩壩肩穩(wěn)定問題研究,地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)是解決上述問題的一種重要方法[2-6]。

在地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)研究過程中,目前對(duì)壩體及兩壩肩的試驗(yàn)數(shù)據(jù)測(cè)試主要包括表面位移和應(yīng)變,而對(duì)于結(jié)構(gòu)面的內(nèi)部相對(duì)位移卻難以獲取,而結(jié)構(gòu)面在不同加載條件下的相對(duì)位移變化趨勢(shì)對(duì)于判斷壩肩失穩(wěn)狀態(tài)及分析整體穩(wěn)定安全度有著重要的參考依據(jù),因此掌握試驗(yàn)過程中結(jié)構(gòu)面的相對(duì)位移變化趨勢(shì)尤為重要,但目前與獲取結(jié)構(gòu)面相對(duì)位移相關(guān)的測(cè)試儀器研究較少[7-8]。

目前在工程上使用的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)儀器,主要測(cè)試巖石及混凝土的應(yīng)力及變形大小,此類儀器往往結(jié)構(gòu)復(fù)雜,體積較大,所用材料具有較高的強(qiáng)度和彈性模量,因此無法在模型試驗(yàn)上得到實(shí)際應(yīng)用[9-10]。針對(duì)模型試驗(yàn)中存在著的測(cè)試技術(shù)問題,開展了結(jié)構(gòu)面內(nèi)部相對(duì)位移測(cè)試技術(shù)研究,利用應(yīng)變測(cè)試技術(shù),研制了獲取結(jié)構(gòu)面相對(duì)位移的測(cè)試儀器,使用時(shí)將其預(yù)埋在結(jié)構(gòu)面內(nèi),通過引出線與應(yīng)變測(cè)試儀相連接,試驗(yàn)過程中通過應(yīng)變儀采集應(yīng)變數(shù)據(jù),并利用埋設(shè)之前標(biāo)定得到的位移與應(yīng)變關(guān)系即可換算出相應(yīng)的相對(duì)位移值。該測(cè)試儀器成功應(yīng)用在了小灣和大崗山拱壩整體穩(wěn)定三維地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)研究中,試驗(yàn)結(jié)果表明該儀器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制作和使用方便、測(cè)試準(zhǔn)確,可在結(jié)構(gòu)模型試驗(yàn)中推廣使用。

1 軟弱結(jié)構(gòu)面內(nèi)部相對(duì)位移測(cè)試技術(shù)

由于地質(zhì)力學(xué)模型中所模擬的各類結(jié)構(gòu)面均分布在巖體內(nèi)部,這為直接測(cè)試結(jié)構(gòu)面的相對(duì)位移值帶來較大困難,因此作者考慮利用應(yīng)變測(cè)試技術(shù),自行研制一種能夠進(jìn)行結(jié)構(gòu)面在不同加載條件下的相對(duì)位移測(cè)試的試驗(yàn)裝置。該試驗(yàn)裝置在埋設(shè)時(shí),能夠?qū)⒐潭ㄔ跍y(cè)試儀內(nèi)的應(yīng)變片預(yù)先產(chǎn)生一定變形,用應(yīng)變儀記錄此時(shí)的初始應(yīng)變值,在加載條件下,隨著結(jié)構(gòu)面在不同方向上的相對(duì)錯(cuò)動(dòng),應(yīng)變片會(huì)隨之發(fā)生變形響應(yīng),此時(shí)可以得到應(yīng)變變化全過程,再利用埋設(shè)之前標(biāo)定得到的位移與應(yīng)變對(duì)應(yīng)關(guān)系即可換算得到相對(duì)位移值。遵循以上研究思路,研制出了適用于地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)中獲取結(jié)構(gòu)面相對(duì)位移的測(cè)試儀器,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示[11]。該研究成果已獲得發(fā)明專利(專利號(hào):200910058238)。

上述應(yīng)變式內(nèi)部位移測(cè)試儀中的每個(gè)內(nèi)部位移感應(yīng)儀都是由底盒、彈簧片、電阻應(yīng)變片、滑動(dòng)蓋構(gòu)成,底盒為一個(gè)兩側(cè)和上部均開放的矩形盒,盒內(nèi)一側(cè)端部有一固定塊,彈簧片一端置于其上,并由一壓片和螺釘固定,使彈簧片位于盒中部,其另一端懸臂伸向底盒的另一側(cè);電阻應(yīng)變片為兩片,分別固定于彈簧片中段的上下兩面,將兩電阻應(yīng)變片其中的兩腳連接作為公共腳B,而其余兩腳為工作腳A、C,并通過各自的感應(yīng)引出線依次與應(yīng)變儀副機(jī)、應(yīng)變儀主機(jī)連接;滑動(dòng)蓋為一個(gè)與底盒大小匹配的平蓋,蓋面上有一向上凸起的推動(dòng)塊,而蓋下方有一位于底盒內(nèi)并向彈簧片懸臂端下斜的滑動(dòng)板,板端與彈簧片懸臂端滑動(dòng)連接。

圖1 應(yīng)變式內(nèi)部相對(duì)位移測(cè)試儀結(jié)構(gòu)圖

此測(cè)試儀器在埋設(shè)結(jié)構(gòu)面內(nèi)之前需先進(jìn)行標(biāo)定,標(biāo)定過程為:開始標(biāo)定時(shí),使應(yīng)變片產(chǎn)生一初始應(yīng)變,此時(shí)記錄初始位移和應(yīng)變,之后將滑動(dòng)蓋朝運(yùn)動(dòng)方向運(yùn)動(dòng)一段距離后,用位移數(shù)顯儀測(cè)定位移大小,用應(yīng)變儀記錄應(yīng)變值,然后依次推動(dòng)滑動(dòng)蓋,記錄位移和應(yīng)變大小,最后得到位移和應(yīng)變的關(guān)系曲線,根據(jù)該曲線即可獲得此儀器的標(biāo)定系數(shù)(即該曲線的斜率)。圖2所示為不同位移計(jì)標(biāo)定曲線,斜率為標(biāo)定系數(shù)。

圖2 不同編號(hào)的內(nèi)部位移計(jì)標(biāo)定曲線

將每個(gè)已注明編號(hào)的內(nèi)部位移感應(yīng)儀的系數(shù)標(biāo)定之后,即可將其埋設(shè)在設(shè)計(jì)的斷層、破碎帶及軟弱夾層等結(jié)構(gòu)面測(cè)點(diǎn)部位,在試驗(yàn)過程中,推動(dòng)塊隨著巖體內(nèi)結(jié)構(gòu)面的錯(cuò)動(dòng)而發(fā)生移動(dòng),與其滑動(dòng)連接的彈簧片隨即發(fā)生回復(fù)變形,致使固定其上的電阻應(yīng)變片發(fā)生變形,使用應(yīng)變儀主機(jī)記錄應(yīng)變變化全過程,再由標(biāo)定系數(shù)即可換算得到結(jié)構(gòu)面相對(duì)位移變化趨勢(shì)。本研究成果為研究并掌握巖體斷層、破碎帶及軟弱夾層等不連續(xù)結(jié)構(gòu)面隨超載倍數(shù)的變化而發(fā)生的相對(duì)位移變化過程提供幫助,進(jìn)而為評(píng)價(jià)相應(yīng)工程的整體穩(wěn)定安全度提供依據(jù)。

2 工程應(yīng)用實(shí)例

2.1 小灣拱壩壩肩穩(wěn)定三維地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)

小灣水電站位于云南西部大理州的瀾滄江中游河段,工程樞紐建筑物由攔河大壩、壩身泄洪孔、壩后水墊塘、左岸泄洪洞和右岸引水發(fā)電系統(tǒng)組成。其中攔河大壩為混凝土拋物線變厚度雙曲拱壩,最大壩高294.5 m,電站總裝機(jī)420萬kW[12]。樞紐區(qū)斷裂構(gòu)造比較發(fā)育,主要構(gòu)造形跡為不同規(guī)模的斷層、擠壓帶、節(jié)理(組)。其中,屬Ⅱ級(jí)結(jié)構(gòu)面的斷層有F7;屬 Ⅲ級(jí)結(jié)構(gòu)面的斷層有F11、F10、F5、F19等19條;屬 Ⅳ級(jí)結(jié)構(gòu)面的小斷層有f11、f10、f14、f17、f19、f12等。此外,兩岸壩肩抗力體中發(fā)育有5條規(guī)模較大的蝕變巖帶,其中右岸4條,從西向東依次為E5、E4、E1和E9;左岸1條,為E8。

以上這些復(fù)雜的地質(zhì)構(gòu)造對(duì)拱壩壩肩穩(wěn)定有著非常重要的影響,同時(shí)也是影響拱壩工程安全的關(guān)鍵因素。本文采用三維地質(zhì)力學(xué)模型綜合法試驗(yàn)對(duì)以上復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造及加固措施等進(jìn)行模擬,研究小灣拱壩與地基的整體穩(wěn)定安全性。根據(jù)小灣工程特點(diǎn),結(jié)合試驗(yàn)場(chǎng)地規(guī)模及試驗(yàn)精度要求等綜合分析:確定模型幾何比CL=300。

為獲取結(jié)構(gòu)面在不同荷載條件下的相對(duì)位移,在小灣拱壩結(jié)構(gòu)模型試驗(yàn)中,對(duì)壩肩穩(wěn)定影響較大的斷層及蝕變帶中布置了121個(gè)自制的應(yīng)變式內(nèi)部位移測(cè)試儀,圖3所示為斷層F5中典型測(cè)點(diǎn)的內(nèi)部相對(duì)位移布置展示圖。

圖3 斷層F5內(nèi)部相對(duì)位移測(cè)點(diǎn)布置展示圖

試驗(yàn)過程考慮了軟弱結(jié)構(gòu)面浸水后強(qiáng)度弱化的力學(xué)行為,采用超載和強(qiáng)度儲(chǔ)備相結(jié)合的綜合法進(jìn)行試驗(yàn)。在綜合法試驗(yàn)中,結(jié)構(gòu)面的弱化行為是通過對(duì)一種特制的模型材料——變溫相似材料采取升溫降強(qiáng)措施來實(shí)現(xiàn)的。模型破壞試驗(yàn)的程序是:首先對(duì)模型進(jìn)行預(yù)壓,然后加載至一倍正常荷載,在此基礎(chǔ)上進(jìn)行降強(qiáng),降低程度約為20%。在保持降強(qiáng)后強(qiáng)度參數(shù)不變的情況下,再進(jìn)行超載試驗(yàn),直到壩肩壩基破壞失穩(wěn)為止。整體地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)破壞形態(tài)如圖4所示。

圖4 整體地質(zhì)力學(xué)模型破壞形態(tài)

通過預(yù)埋在結(jié)構(gòu)面內(nèi)的內(nèi)部位移測(cè)試儀獲得了各測(cè)點(diǎn)相對(duì)位移隨超載系數(shù)變化關(guān)系,試驗(yàn)結(jié)果給出了兩壩肩內(nèi)結(jié)構(gòu)面的相對(duì)位移分布特征。圖5為斷層F5內(nèi)典型測(cè)點(diǎn)的相對(duì)位移隨超載倍數(shù)變化曲線,相對(duì)位移值為根據(jù)相似關(guān)系換算后得到的原型值。

圖5 斷層F5中典型測(cè)點(diǎn)的相對(duì)位移與超載倍數(shù)關(guān)系曲線

結(jié)構(gòu)面內(nèi)各測(cè)點(diǎn)相對(duì)位移超載曲線分布特征表明:在正常工況下,各斷層內(nèi)部相對(duì)位移較小;在降強(qiáng)試驗(yàn)階段,降低f12、F11、f19、F10、F5、F20六條斷層的抗剪斷強(qiáng)度20%,即降強(qiáng)系數(shù)KT為1.20,由于受降強(qiáng)的影響,各斷層相對(duì)位移較為敏感,但相對(duì)位移增量較小,并伴隨小幅度調(diào)整,曲線無陡增現(xiàn)象,壩肩工作正常;超載試驗(yàn)階段,當(dāng)Kp＞1.8時(shí),斷層位移明顯增大;當(dāng)Kp=3.3～3.5時(shí),變形曲線出現(xiàn)明顯的拐點(diǎn)或轉(zhuǎn)折點(diǎn),曲線波動(dòng)較大,表明此時(shí)斷層已出現(xiàn)較大位移。試驗(yàn)結(jié)果得到了影響右壩肩穩(wěn)定的主要斷層和蝕變帶是F11、F10、f11、f12、E4、E5,影響左壩肩穩(wěn)定的主要斷層和蝕變帶是F11、f12、f19、F20(E8)。

本次試驗(yàn)得到強(qiáng)度儲(chǔ)備系數(shù)K1=1.2,超載系數(shù)K2=3.3～3.5,即:

即小灣拱壩與地基整體穩(wěn)定安全度KC值為3.96～4.2,可滿足設(shè)計(jì)要求。

2.2 大崗山拱壩壩肩穩(wěn)定三維地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)

大崗山水電站位于大渡河中游上段的四川省石棉縣境內(nèi),擋水建筑物為混凝土雙曲拱壩,壩頂高程1 135.00 m,正常蓄水位1 130.00 m,大壩最低建基面高程925.00 m,最大壩高210 m。壩址區(qū)地質(zhì)情況復(fù)雜,構(gòu)造以小斷層(Ⅳ級(jí)結(jié)構(gòu)面)和巖脈破碎帶為主,60°～80°的陡傾角裂隙和10°～25°的緩傾角裂隙較為發(fā)育[13]。考慮到巖脈和斷層的實(shí)際分布情況,影響右壩肩穩(wěn)定的主要因素包括:巖脈 β4(f5),β8(f7),β43(f6)和斷層f65,f85等。影響左壩肩穩(wěn)定的主要因素包括:巖脈 β21,β4(f5),β8(f7)和斷層f54,f99,f100等。該工程規(guī)模巨大,地質(zhì)條件復(fù)雜,壩肩巖體中存在著的多條斷層和巖脈對(duì)兩壩肩穩(wěn)定帶來了較大的不利影響,因此針對(duì)復(fù)雜地質(zhì)條件下高拱壩壩肩穩(wěn)定問題,開展了大崗山拱壩壩肩整體穩(wěn)定三維地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)研究,本次試驗(yàn)相似比為1∶300。

在大崗山拱壩結(jié)構(gòu)模型試驗(yàn)過程中,為獲取結(jié)構(gòu)面在不同荷載條件下的相對(duì)位移變化趨勢(shì),根據(jù)壩址區(qū)斷層及巖脈的特點(diǎn),每個(gè)測(cè)點(diǎn)按單向即沿?cái)鄬?、巖脈等構(gòu)造帶的走向布置相對(duì)位移計(jì)。圖6所示為左岸巖脈β21中典型測(cè)點(diǎn)的內(nèi)部相對(duì)位移布置展示圖。在模型制作過程中,當(dāng)砌筑到相應(yīng)的結(jié)構(gòu)面測(cè)點(diǎn)時(shí),此時(shí)將位移測(cè)試儀進(jìn)行埋入,埋入時(shí),將滑動(dòng)塊推動(dòng)一段距離以給予粘貼在銅片上的應(yīng)變片一定的變形,然后將應(yīng)變片通過引出線與外界的應(yīng)變數(shù)據(jù)采集儀相連接,應(yīng)變值的采集通過UCAM-70A型多點(diǎn)萬能數(shù)字測(cè)試裝置來完成。

圖6 左岸巖脈β21中典型測(cè)點(diǎn)的相對(duì)位移布置展示圖

該試驗(yàn)過程同樣采用超載和強(qiáng)度儲(chǔ)備相結(jié)合的綜合法進(jìn)行試驗(yàn)。模型破壞試驗(yàn)的程序是:首先對(duì)模型進(jìn)行預(yù)壓,然后加載至一倍正常荷載,在此基礎(chǔ)上進(jìn)行降強(qiáng),降低程度約為25%。在保持降強(qiáng)后強(qiáng)度參數(shù)不變的情況下,再進(jìn)行超載試驗(yàn),直到壩肩壩基破壞失穩(wěn)為止。整體地質(zhì)力學(xué)模型破壞形態(tài)如圖7所示。試驗(yàn)結(jié)果得到了兩壩肩內(nèi)斷層及巖脈的相對(duì)位移分布特征。圖8為典型測(cè)點(diǎn)的相對(duì)位移隨超載倍數(shù)變化曲線,相對(duì)位移值為根據(jù)相似關(guān)系換算后得到的原型值。

圖7 整體地質(zhì)力學(xué)模型破壞形態(tài)

圖8 巖脈β21典型測(cè)點(diǎn)的相對(duì)位移與超載倍數(shù)關(guān)系曲線

結(jié)構(gòu)面內(nèi)各測(cè)點(diǎn)相對(duì)位移超載曲線分布特征表明:在正常工況下,各巖脈與斷層內(nèi)部相對(duì)位移較小;在強(qiáng)降試驗(yàn)階段,降低巖脈及斷層的抗剪斷強(qiáng)度參數(shù)25%,即強(qiáng)降系數(shù)KT為1.25,由于受強(qiáng)降的影響,各巖脈及斷層相對(duì)位移較為敏感,但相對(duì)位移增量不大,伴隨小幅度調(diào)整,曲線無陡增現(xiàn)象,壩肩工作正常;超載試驗(yàn)階段,當(dāng)Kp為1.5～2.0時(shí),巖脈及斷層相對(duì)位移明顯增大;當(dāng)Kp為4.0左右時(shí),變形曲線出現(xiàn)明顯的拐點(diǎn)或轉(zhuǎn)折點(diǎn),曲線波動(dòng)較大,表明此時(shí)巖脈與斷層已出現(xiàn)大變形。

本次試驗(yàn)根據(jù)大崗山拱壩工程地質(zhì)特點(diǎn),采用以超載為主、強(qiáng)降為輔的方法進(jìn)行破壞試驗(yàn),并采取正常工況下先強(qiáng)降后超載的試驗(yàn)程序,根據(jù)本次試驗(yàn)成果綜合分析,得到強(qiáng)度儲(chǔ)備系數(shù)K1=1.25,超載系數(shù)K2=4.0～4.5,即:

壩肩綜合穩(wěn)定安全系數(shù)KC=K1×K2=1.25×(4.0～4.5)=5.0～5.6。

與部分工程壩肩壩基綜合穩(wěn)定安全度對(duì)比分析,大崗山拱壩壩肩綜合穩(wěn)定安全度KC值為5.0～5.6,可滿足設(shè)計(jì)要求。

3 結(jié) 語

針對(duì)地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)過程中存在著的結(jié)構(gòu)面內(nèi)部相對(duì)位移測(cè)試問題,采用應(yīng)變測(cè)試技術(shù),研制了用于測(cè)試地質(zhì)力學(xué)模型軟弱結(jié)構(gòu)面相對(duì)位移的應(yīng)變式內(nèi)部位移測(cè)試儀。使用時(shí),將每個(gè)已注明編號(hào)的內(nèi)部位移感應(yīng)儀的系數(shù)標(biāo)定之后,即可埋設(shè)在根據(jù)地質(zhì)資料做成的地質(zhì)力學(xué)模型內(nèi)設(shè)計(jì)的巖體斷層、破碎帶及軟弱夾層等結(jié)構(gòu)面部位,在不同加載條件下,用應(yīng)變儀主機(jī)記錄應(yīng)變變化過程,再由標(biāo)定系數(shù)即可得出位移變化過程。

利用結(jié)構(gòu)面相對(duì)位移測(cè)試技術(shù)研究成果,結(jié)合復(fù)雜地質(zhì)下高拱壩壩肩穩(wěn)定問題,開展了小灣和大崗山高拱壩壩肩穩(wěn)定三維地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)研究,試驗(yàn)結(jié)果得到了結(jié)構(gòu)面內(nèi)典型測(cè)點(diǎn)的相對(duì)位移在不同加載條件下的發(fā)展過程,通過對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的綜合分析,確定了拱壩壩肩壩基整體穩(wěn)定安全度。該測(cè)試儀器在多個(gè)模型試驗(yàn)中的成功運(yùn)用,表明該儀器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理,制作和使用方便,測(cè)試準(zhǔn)確,可在今后的模型試驗(yàn)中推廣使用。

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