（水利水电工程专业论文）坝基下残留强风化岩层的处理研究.pdf

四大学硕士学位论文 y ，9 9 5 1 3 0 坝基下残留强风化岩层的处理研究 水利水电工程专业 硕士研究生张镭漓指导教师舒仲荚 水利水电建设中大坝工程的安全至关重要。国内外经验表明，坝工建设成 败在很大程度上取决于基础的稳定性。由于基础地质条件不良酿成大坝失事， 在国内外有很多实例和教训。为了保证大坝的正常运行，我们应该处理好坝基 所存在的各种缺陷和问题。 天然地基存在的问题有很多种，如强风化带、软弱夹层带、断层破碎带以 及深砂砾石覆盖层等。强风化带即受风化作用严重使得基础弹性模量和稳定性 降低是一种比较常见的情况。本文就建基在强风化岩层之上的刚性坝的地基研 究处理展开讨论。残留在刚性坝基础之上的强风化岩层最严重的问题就是承载 能力不足及变形过大，不能满足要求，给大坝的运行留下了安全隐患。本文以 下涧口水库拱坝坝基下面的强风化岩层未完全挖除，对之提出措施来进行处理 为例，采用三维非线性弹塑性有限元模型，对坝基处理前和处理后几种工况分 别进行了分析。 本文主要是采用三维非线性有限元法，用a n s y s 大型通用计算软件模拟出 下涧口工程具体情况，通过其强大的后处理功能，得出坝基的变位、应力以及 应变等值线图，用d r u k e r - - p r a g e r 强度准则来判断坝基在处理前后塑性破坏 区范围、区域以及大小的变化。通过处理前后地基变位、应力应变以及塑性区 的大小对比分析和研究，得出处理后强风化岩层地基承载力增强，变形减小， 其稳定性得到提高的结论，证明处理措施是科学合理的，是可供有关工程借鉴 利用的。通过下涧口工程地基的处理研究，不仅可为该工程的加固整治措施提 供科学论证，而且还提供了在强风化岩层上修建刚性坝的参考措施，可以为其 他在类似的地基上已建工程补强或者修建新工程作为借鉴， 关键词：基础稳定性，强风化，弹塑性，有限元，应力，应变，强度准则， 坝基处理。 m f 己e c 四川大学硕士学位论文 d i s p o s i t i o na n d r e s e a r c ho fr e m n a n t s t r o n g - - m a n t l e r o c ku n d e r t h ef o u n d a f i o no fd a m h y d r a u l i ca n dh y d r o p o w e re n g i n e 脚 i n g p o s t g r a d u a t e ：z h a n gl e i l is u p e r v i s o r ：s h uz h o n g y i n g t h es e c u r i t yo fd a mp r o g r a mi sv e r yi m p o r t a n ti nh y d r a u l i ca n dh y d r o p o w e r c o n s t r u c t i o n t h ei n t e r n a t i o n a le x p e r i e n c e si n d i c a t et h a tt h ed a mc o n s t r u c t i o n d e p e n d so nt h ef o u n d a t i o ns t a b i l i t yt oal a r g ed e g r e e t h e r ea r em a n yi n s t a r l c c s a n dl e s s o n st h a td a mw r e c k i n gh a p p e n e db e c a u s eo f b a dg e o l o g i c a lc o n d i t i o n s o ff o u n d a t i o n t oe n s u l et h ew e l l - b a l a n c e dr u no ft h ed a m w es h o u l dd e a lw i t h d i f f e r e n tk i n d so f p r o b l e m so f t h ed a mb a s e t h e r ea r em a n yk i n d so fp r o b l e m so fn a t u r a lf o u n d a t i o n , s u c ha ss t r o n g - - m a n t l e r o c k 、w e a k - i n t e r l a y e r 、f a u l t a g e - - b e l t 、d e e p - - h a r d p a na n ds o0 1 1 s t r o n g - - m a n t l e r o c ki sar e l a t i v e l yp o p u l a rc a s et h a tf o u n d a t i o ne l a s t i c i t y ，a n d s t a b i l i t yd e c r e a s ed u et ow e a t h e r i n g i nt h i sp a p e rw ew i l le x p a n do u rd i s c u s s i o n f r o mt h es t u d ya n dd i s p o s a lo f t h er i g i d i t yd a mf o u n d a t i o nw h i c hi sb a s e do ns t r o n g - - m a n t l e r o c k t h em o s ts e r i o u sp r o b l e mo fs t r o n g - - m a n t l e r o c kw h i c hr e m a i n s 0 nt h et i g i d i t yd a mi st h a tt h ec a r r y i n gc a p a c i t yi sn o te n o u g hw h i c hw i l lb r i n g s e c u r i t yh i d d e nt r o u b l ed u r i n gt h er u no ft h ed a m t h ep a p e rt a k e st h ed i s p o s a lo f f o u n d a t i o nr e m a i n so nt h es t r o n g - - m a n t l e r o c ki nx i a j i a n k o up r o g r a mf o re x a m p l e ， u s i n g3 - dn o n l i n e a re l a s t i c - p l a s t i cf i n i t e e l e m e n tm o d e lt oa n a l y z et h es e v e r a l w o r k i n gs t a t u so f t h ef o u n d a t i o nb e f o r ea n da f t e rt h ed i s p o s a l n 圮p a p e rm i n t yu s e s t h em e t h o do f3 - dn o n l i n e a rf i n i t ee l e m e n ta n d s i m u l a t e st h ed e t a i l e ds i t u a t i o no fx i a j i a n k o uw o g r a mw i t ha n s y sw h i c hi sa l a r g eu n i v e r s a lc o m p u t e rs o f t w a r e w i t ht h es t r o n ga b i l i t yo fb a c k g r o u n dd i s p o s a l ， t h ed i s p l a c e m e n t 、s t r e s sa n ds t r a i no ff o u n d a t i o nc a nb ee d u c e d a n dt h e nw ec a n e s t i m a t et h ep l a s t i cy i e l d e ds e c t i o n s ( d e s t r o i e ds e c t i o n s ) o ft h ef o u n d a t i o nw i t h 四川大学硕士学位论文 d r u k e r - - p r a g e ri n t e n s i t yr u l e w i t h t h ec o n t r a c ta n a i y s i sa n d s t u d y o ft h e f o u n d a t i o ns t r e s sa n dt h es t r a i nb e f o r ea n da f t e rd i s p o s a l ，w ec o m et ot h e c o n c l u s i o nt h a tt h ec a r r y i n ga b i l i t ya n ds t a b i l 时o ft h es t r o n g m a n t l e r o c k f o u n d a t i o na r ei m p r o v e d w h i c hp r o v e st h a tt h ed i s p o s a lm e t h o di sw o r t ht ob e r e c o m m e n d e da n du s e d w i t ht h ed i s p o s a la n ds t u d yo fx i a j i a n k o up r o g r a m f o u n d a t i o n , n o to n l ys c i e n t i f i ca n dc r e d i b l er e n o v a t i n gs c h e m ec 锄b es u p p l e dt o t h ep r o j e c ts ot h a ti ti sc r e d i b l ea n df e a s i b l et ob u i l dr i g i d i t yd a mo ns 仃o n g m a n t l e r o c k ，b u ta l s ou s e f u le x p e r i e n c e sa n dr e f e r e n c e sc a nb eg i v e nt oo t h e rs i m i l a r p r o j e c t s i nt h i sw a y , t h er a n g e ，d e p t ha n de x t e n to fb u i l d i n gd a m sr e c e i v el a r g e r o o ma n dd e v e l o p m e n t , a n da l s o ，m o r ea n dl a r g e rp l a t f o r m sa r ep r o v i d e dt o h y d r a u l i cw o r k e r st oi n c a r n a t et h e i rd e s i g na b i l i t y , a sar e s u l t ，i ti sv e r ys i g n i f i c a n t k e yw o r d s ：s t a b i l i t yo f f o u n d a f i o n ，s t r o n g - - w e a t h e r i n g ，e l a s t i c - - p l a s t i c ， f m i t ee l e m e n t ，s t r e s s ，s t r a i n ，i n t e n s i t yr u l e ，d i s p o s a lo f f o u n d a t i o n 。 i l l 四川大学硕士学位论文 1 概论 1 1 论文选题的依据及意义 水利水电建设中枢纽建筑物是主体工程，其中大坝是最为关键的建筑物， 大坝工程的安全至关重要，因为它的失事不仅涉及其本身的经济损失，而且还 威胁到下游千百万人民生命产安危“1 。所以，对大坝的勘测、设计和施工应非 常精心和审慎。国内外经验表明，坝工建设成败在很大程度上取决于基础的稳 定性。由于基础地质条件不良酿成大坝失事，在国际国内都有很多教训，如美 国s t f r a n c i s 坝和法国m a l p a s s e t 拱坝失事叭4 ，我国河南板桥水库溃坝失事 等等旧嘲这些事故及造成的巨大灾难都告诉我们保证坝体及坝基安全的重要 性，为此世界各国都给予了高度重视，并制定了一系列安全规则。 工程实践表明，天然地基总是存在不同程度的缺陷“1 一般说来，浅层岩体 常常风化破碎，较新鲜的基岩中也存在着各种节理和裂隙，特别是由于地质构 造作用，还经常存在各种断裂和软弱带。因此天然地基很少可不经处理直接作 为大坝的基础。随着我国水电事业的不断发展，地质条件良好的坝址几乎已开 发殆尽，现在选择的坝址，常会遇到复杂地基，如强风化带、软弱带、岩洛、火 山裂隙岩、断层破碎带以及深砂砾石覆盖层等，这就要求采取一定的工程处理 措施，来满足大坝( 尤其是高坝) 对基础的要求啪“埘如我们本工程所提到的强 风化岩层裂隙问题，还有承载能力不足等问题，都是地基存在缺陷的体现，故 而我们必须对其进行处理，方能满足规范要求，使大坝能够安全稳定运行。而 许多工程因为选址不当，在施工中修改设计、迁移坝址或增加基础处理工程投 资的情况为数更多。但是，在许多工程中，虽然地质条件基本上适应工程建筑 物的要求。却因对安全无把握而采取比较保守的设计和工程措施。所以，大 坝基础工程的安全性和经济合理性皆与正确的坝基稳定性评价有着密切的联 系因此，分析研究大坝地基处理措施的合理性，防止过分地保守与冒失是非 常必要的。 我国6 0 8 0 年代间修建的许多大坝，由于当时的情况较特殊，很多都未 严格按照规范要求修建，虽然运行了3 0 、4 0 年，但到现在已经出现了许多问 题有待解决尤其是在建坝之初，由于坝基位置选择不当，或是清基不彻底， 坝基存在很多问题o ”其中刚性坝( 重力坝和拱坝) 建基在强风化岩层上，便属 四川大学硕士学位论文 此类问题。残留于坝基下的强风化岩层不论是强度还是变形等方面都不能满足 规范规定的设计要求，给大坝的正常运行留下了安全隐患，所以坝基下残留强 风化岩层成为一个值得研究探讨和迫切需要解决的问题。而其问题不仅仅是坝 基变形问题，还会导致拱坝开裂问题。引起拱坝开裂的原因很多，如温度变化、 地基不均匀沉陷等由地基不均匀沉陷引起拱坝开裂是个常见问题。尤其是对 中小型砌石拱坝，其开裂现象较普遍，如寸塘口拱坝、滩予口拱坝以及本论文 研究的工程下涧口拱坝等。如果从整体上去分析研究其开裂原因，并不一定有 效，而我们采取考虑其局部的影响，找出问题最大的部位来进行加固处理，以 防止和减少坝身开裂，保证工程的安全运行，达到整治目的。 不均匀沉陷的原因有受力不均匀和地基不均匀两方面原因。如果地基某部 分率先进入塑性状态，则不均匀性更加明显。在下澜口拱坝出现一条微小裂缝 的同时，其左岸下游正好出现了一小部分塑性区，所以这两者之间从理论和实 践上来看都是有联系的。所以在本研究中我们把出现比该范围更大的塑性区作 为整治后出现新的更大裂缝的判断值。 本文的目的就是想通过研究已建工程坝基下残留强风化岩层的处理措施， 减小坝基的不均匀沉陷，以达到防止和减少坝身开裂的目的，证实其对工程地 基的加固效果，并为其他类似病害工程提供经验和参考。除此之外，还可将之 推广到以后的水利工程建设中。选择和处理好坝基，使在某些强风化岩层上修 建刚性坝也成为一种可行可靠、安全有效的方案。这样一来，使得大坝的修建 范围及条件从深度和广度上获得更大的发展空间，为水利工作者提供更多更广 阔的体现自己专业水平和设计能力的平台，体现价值，兴修水利，造福人类。 1 2 国内外研究现状 世界上很多地区，绝大多数地质条件良好的坝址已被利用m 。1 。有些坝址， 常因坝基地质条件有缺陷，或库区地质条件不好，而需在工程设计之前以及施 工运行中，使用先进的地质科学方法和工程方法进行精心勘察、研究和处理， 以保证工程的正常运作。 坝基地质条件缺陷一般有以下情况：风化岩体、缓倾角裂隙夹层、断层等 地质缺陷。其中最常见的是风化岩体问题，风化岩体由于风化作用，物理性质 2 四川大学硕士学位论文 发生了变化，强度降低，但可通过人为的处理措施使其达到稳定性要求。本文 地基存在的问题就是属于风化岩体问题。 国内外遇到的地基存在天然缺陷的类似情况也较多，如我国广西百色水利 枢纽混凝土重力坝m 1 ，其坝基无深层、浅层抗滑稳定问题，但岩体的节理裂隙 发育，并具很大的不均衡性，导致岩体在不同地段其完整程度和风化程度都有 很大的差别。而处理措施就是通过岩体纵波速度来评判地基是否达到要求，对 波速达不到要求的部位进行固结灌浆处理。又如日本北海道的c h u b e s t u 坝的 坝基问题m 1 ，其坝址处河流沉积层厚度大，采用全部消除沉积物的基础处理不 经济，而采取措施是利用由辉石安山岩组成的下层熔岩层作为混凝土坝基。这 些例子都说明天然地基不满足建坝要求的情况很多，但是通过一定的处理措施 后，仍然可以建坝，而且工程还能安全稳定运行本文要研究的是一个已建工 程，由于其地基的天然缺陷并未在兴建阶段解决，在除险加固设计中就是要通 过分析研究，找出合理有效的处理措施，使其整体性增强，强度提高，达到变 形减小，承载力满足要求的目的n ” 1 2 1 坝基稳定性分析的数值分析法 目前坝基稳定性分析常用的数值分析有有限元法和边界元法 1 、有限元法m 儿“】【埘 有限元是随着电子计算机的出现而产生的一种计算方法，它把求解区域划 分成许多小的节点处互相连接的子域( 单元) ，在单元交界面上位移协调；在 单元( 子域) 可以被分割成各种形状和大小不同的尺寸，所以它能很好地适应 复杂的几何形状、复杂的材料特性和复杂的边界条件 在刚性坝的稳定性计算方面，由于有限单元法可以方便地处理坝体、地基 各种复杂的几何形状和构造、材料分区、模拟施工方法和加载顺序，也能方便 地解决各种场问题，能进行弹塑性、静动力分析，因此近几年来有限元法在工 程中的应用越来越广泛目前国内外工程界大力研究的方向是对包括基岩在内 的大坝整体分析，即整体三维非线性有限元分析，成为综合了结构、材料、工 程地质、岩石力学，现代计算技术等多科学的最新科技成果而形成的新的坝工 设计理论目前对大坝连同地基一起进行整体三维非线性有限元分析已有了成 四川大学硕士学位论文 熟的发展并已运用到了实际工程设计之中 2 、边界元法n 7 1 边界元法是继有限差分法、有限元法之后发展起来的又一数值计算方法。 该方法仅对边界进行离散化，在计算域内部并不离散化，之后利用无限介质中 点荷载的解答，对所有边界_ l z 能j 单元求和，得到代数方程组。这样就减少了采 用单元的维数，二维问题可采用一维单元，三维问题可采用二维单元，不仅大 大减少了单元的数目，方便了单元的剖分，而且数据的处理工作与代数方程组 的阶数均显著减小；此外，由于利用了无限介质中的点荷载理论的解答，因此 可直接将此法用之于无限及半无限介质。总之，边界元法具有输入数据少，降 低问题的维数，计算精度高以及适应于无限域和半无限域的特点，使得其在岩 土工程和水工结构的应用方面将具有广阔的前景。 但是边晃元自身的缺点也不容忽视，由于各种边界积分都要用到叠加原 理，因此只适用于完全线性或增量线性的系统，而对于非连续多介质、非线性 和优化等问题，边界元法则不比有限元法灵活、有效本文所采用的数值方法 是有限元法。 1 2 2 研究方向 国内外的大量工程实践均证明，修建水利水电工程，必须查清地质情况， 这样提出的设计方案比较符合客观情况，施工及运行中出现的预料不到的地质 问题就比较少“阍。否则，设计方案地质依据不足，工程措施难免脱离实际， 一旦遇到不良地质问题，工作往往陷入被动。有的不得不补作地质勘察工作， 贻误工期；有的虽然完工，但是遗留后患，论为病坝险坝，工程效益长期得不 到发挥，有的甚至造成工程失事，危及下游人民生命和财产的安全。为了避免 这样的情况发生，在以后的工程中，更应重视此类问题，加强这方面的工作， 寻求地基处理措施。 本论文主要是以重庆市巴南区下涧口水库浆砌石拱坝具体工程为例，对它 坝基下残留强风化岩层问题做研究处理。帕。该工程坝基下的强风化岩层，其特 点为，岩层呈块状分布，块体本身具有一定强度，敲击之发声较脆，块体与块 体之间有裂隙，这种特性为固结灌浆提供了良好的条件。用压力将浆液灌入裂 4 四川大学硕士学位论文 隙中，使各块体连成整体，不仅提高了整个岩体的强度，还起到了防渗的作用。 另外根据材料力学岩石三轴试验理论可知伽，岩体三向受；o n - 提高破损强 度。可以根据这个原理将强风化岩层用c 1 5 砼封闭其上下游，使之承受一定的 围压，不仅可以提高破损强度，还可防止和减缓进一步风化。这也是本论文中 处理坝基强风化岩层比较新颖的的一个方法与思路。 1 3 下涧口工程的特点及存在问题 下涧口水库位于重庆市巴南区石龙镇金星村，是一座以灌溉为主，兼顾防 洪、发电、养殖等综合利用的中型水库。拱坝始建于1 9 7 2 年9 月，1 9 7 4 年建 成蓄水，坝顶最大弦长7 1 m ，最大坝高2 3 5 m ，坝顶防浪墙高程7 1 3 5 7 m ，正 常水位7 1 1 7 5 m ，校核水位7 1 2 8 8 m ，下游水位为0 ，库区内无泥沙淤积，大 坝两端设有重力墩。图l l 为大坝横断面示意图。由于工程的始建和改建都 处于特定的年代，大坝部分建于强风化层上，在左重力墩和副坝之间出现竖向 裂缝，加之水库兴建至今已近3 0 年，工程老化不可避免，因此担心强风化岩 在渗透作用下进一步风化、软化，故强风化地基已构成安全隐患。而此工程最 严重的问题就是基岩软化导致坝基承载力不足及拱坝开裂问题“帅“ 本工程坝基为泥岩、砂岩、泥质粉砂岩呈不等厚互层，构成缓倾的单斜构 造，岩层走向5 0 l o o ，倾向南东，倾角2 3 0 2 7 口，构造裂隙不很发育，无大 的断层。左、右坝肩和坝基极不对称。 本工程除拱坝中部3 6 m 长的底部基础在比较坚硬的岩石上之外，左右重力 墩均未完全清除强风化层，特别是左重力墩基础下有厚约6 8 m 的强风化泥 岩，右重力墩下也有5 6 m 的强风化泥质粉砂岩而强风化泥岩的允许承载力 仅0 3 m p a ，强风化砂岩的允许承载力仅0 8 m p a ，所以坝基承载力严重不足， 已经成为最严重和需要解决的问题坝基岩层分布情况见图1 2 及表l l 。 四川大学硕士学位论文 图i - i 拱坝横断面示意图 图卜- 2 工程岩层分布示意图 表1 1 工程岩层分布 6 四川大学硕士学位论文 1 4 本文研究的技术线路 由于下涧口拱坝建基在两岸极不对称的岩体上，且岩体很大一部分都是强 风化岩层，受力状态比较复杂，本文采用三维非线性有限元法对其开展应力应 变及稳定性分析“” 本次下涧口工程研究内容主要有以下几个方面： 1 、采用基于有限元理论上的a n s y s 嘲大型通用计算软件对该工程进行数 值模拟，用a n s y s 操作平台模拟出坝址的具体形状( 包括大坝、左右重力墩、 上下游及左右岸地基的高程分布、岩层特性及倾向、走向等) 。 2 、对原始状态下的模型加载分析，得出坝基岩体的应力应变及各方向的 位移变化等。 3 、按照坝基原始状态情况，对处理后的两种措施( 灌浆和用c 1 5 砼封闭 强风化层上下游) 分别加载求解，得出各自措施的地基应力应变等。但应注意 的是：灌浆处理后，模型虽然不变，但是地基特性发生变化，灌浆后f 值和 c 值都相应增大，这个在a n s y s 中体现为单元属性中输入的弹模、泊松比以及 非线性材料特征值凝聚力和内摩擦角发生了变化。用c 1 5 砼封闭强风化层， 在模型中要加c 1 5 砼封闭板单元，其在土压力的作用下，使得强风化岩层受到 一定的围压，不仅能够提高强度和承载力，减小渗流，还可以防止进一步风化 而导致的强度衰减，使之达到规范要求。 4 、对比处理前后坝基的变位、应力以及应变情况，分析坝基在处理前后 的破坏过程、破坏形态和破坏机理，并用d p 准则“小删判断处理前后坝基塑 性破坏范围、区域以及大小的变化，对处理措施做出评定，进而得出结论。 5 、由于风化程度较强的岩石，在荷载作用下往往率先进入塑性状态，所 以找出率先进入塑性状态的部位，并采取针对性的措施，是设计工作的重要部 分。因此，地基特性与荷载特性均同原型相似是十分重要的所以，在本研究 中，我们采取了基面荷载倍比放大法来进行研究，得出处理措施的安全储备。 7 四川大学硕士学位论文 2 强风化岩层综述 2 1 风化岩的分类 风化岩按照风化程度不同可分为全、强、弱、微四种州1 0 1 各种的主要特 征见表2 一l ： 表2 - 1 风化作用划分 主要特征 破碎程度和岩体结 矿物颗粒组 风化岩石的物理力学性 名称 颜色光泽 构成质 组织结构破坏，外 除石英颗粒 浸水崩解，用手可以捏 全风化完全改变外，其余矿物 观尚保持原岩结构碎，取完整岩样困难 大部风化 大部变色，唯岩 风化裂隙发育，岩除石英晶粒 物理力学性质显著减弱。 强风化块的中心断口体呈干砌块石状，外，其余矿物 力学强度极不均一 保持新鲜状风化尤剧大部风化 表面或沿节理 一般完好。具风化沿节理面出物理性质和湿抗压强度 弱风化裂隙面大部变裂隙，沿节理裂隙现次生的风均明显减弱，一般仅及新 色面风化较剧化矿物鲜岩石2 7 3 1 3 矿物组织未物理性质几乎不变，力学 微风化略有变色组织结构未变， 变强度略有减弱 强风化岩的主要地质特征为：大部分变色，只有局部岩块保持原有颜色； 岩石的组织结构大部分已破坏；小部分岩石已分解或崩解成土，大部分岩石里 不连续的骨架或心石，风化裂隙发育，有时含大量次生夹泥。风化岩纵波速与 新鲜岩纵波之比为0 4 0 6 。以往认为坝基要开挖到微风化带，但近年来的 经验表明，结合一定的坝基处理在弱风化带内建基也是可能的。即使是强风化 8 四川大学硕士学位论文 措施，使得岩体的整体性及强度得到很大的提高，那么在强风化岩层上建坝也 是可行的。表2 2 列举了一些建基在风化岩上的工程，虽然这些坝都建在风 化岩上，但是由于在建坝之前采取了一定的坝基处理措施，仍然正常运行到现 在，并未发生事故嘲 裹2 2 坝基工程的风化岩分布 2 2 风化带岩体的工程地质特性 2 2 1 风化岩的发育、分布规律 风化岩的发育程度、深度和分布特征是坝址工程地质评价的一个重要问 题。正确测定风化岩开挖深度对坝基工程和投资影响很大尤其是基础面积较 大的重力坝、重力拱坝坝型，风化岩的开挖加深l m ，则将导致增加比较大的 开挖量，同时也将增加较大混凝土工作量。所以在对建基在有风化岩石上的工 程，应该在建坝前对风化程度及规律有很好的把握，给出正确的岩层风化范围 及特性，以便提供处理方案嘲 风化岩的发育和分布是岩体风化作用的结果。风化作用是一种表生的地质 作用，和其它地质作用有密切的联系，特别是河谷中的其它物理地质作用，如 剥蚀、侵蚀、堆积等，这些作用相互关系集中表现在地形、地貌上。同时，在 相近的地貌单元，风化岩的发育特征则受岩体组成和结构的控制，往往形成特 9 四川大学硕士学位论文 殊的风化类型和不同的发育深度。 我国水电工程普遍的经验表明，河谷各地貌单元风化岩发育厚度往往有一 定的规律。一般在河床风化岩厚度较小，而在岸坡，特别是平缓坡段和阶地上 则较厚。风化岩厚度的变化与地形有明显的关系由于坡度不同，向阳条件不 同，岸坡风化岩的厚度及风化程度也有很大变化。坡度不同，则岸坡重力及侵 蚀作用表现不同；坡度越陡，侵蚀作用及重力作用越显著，残存风化岩甚薄： 而平缓的斜坡，不易遭受侵蚀，且地表水易于下渗，形成较厚的风化岩层 综上所述，风化岩发育和分布的规律可归纳如下： 1 、风化岩发育和分布特征在很大程度上取决于地形、地貌条件，受岩体 岩性、结构和断裂构造的控制。 2 、地形地貌条件主要反映了河谷各种物理地质作用的相互关系，特别是 风化与剥蚀或堆积的关系。这些物理地质作用是相互联系，相互制约的。从这 些关系来看：河谷各地貌单元风化岩厚度及岩石风化程度不等，般河床部 分风化浅，两岸较探，常对坝肩有较大影响；同一类型的地貌单元上，如岸 坡，坡度越大风化岩带越薄，反之则越深；向阳坡风化严重，背阳坡风化较 浅；在某些地区基岩出露地质历史甚长，可能形成巨厚的风化岩。 3 、岩体的不均一性反映了各种岩石抗风化能力的差异。越是软弱的岩石， 其抗风化力越弱，风化也越深，这就使岩体的不均一性更为显著。抗风化力弱 的岩层主要在层状岩体中发育，如泥质板岩、页岩、粘土岩、泥质灰岩、泥质 白云岩，凝灰岩、凝灰质页岩、云母片岩等。当它们与其它坚硬抗风化力强的 岩石互层时产生带状风化。在侵入岩及其它厚层块状岩体中，由于岩性的相对 均性，此种带状风化较难形成，一般出现裂隙风化现象，比如本论文中所要 分析的工程地质即是属于此种情况。但在某些脉状岩体中，岩性各向异性比较 明显，也可能出现带状风化，这得联系具体的实际情况做出判断 4 、岩体中断裂构造是影响风化岩发育和分布的重要因素之一。沿断裂面 岩体风化可能很深，并形成槽状风化或带状风化，但规律性较差，延续性不强。 在断裂或破碎带密集成交汇之处，岩石破碎，一般形成囊状风化。 5 、从各工程实际情况来看，由于不同因素影响，风化岩深度变化很大， 至少在l m 2 m 或5 m 以内，受地形影响可深达2 0 m 3 0 m 以上。岩性的影响可 1 0 四川大学硕士学位论文 能使风化深度增加l o m 1 5 m ，甚至更多；在断层破碎带，风化的深度可较一 般深度增加一倍以上，个别达3 0 m ，甚至1 0 0 m 。 2 2 2 风化岩物理力学性质的改变 众所周知，风化作用可改变岩石的组成和构造，进而改变岩块的物理力学 性质“”。一般来说，随风化程度加深，岩块的空隙率和变形增大，强度降低， 渗透性加大。首先是容重、孔隙率及吸水率的变化，它们反映了岩石内部结构 的变化。这些指标的改变一般不大显著，但也说明岩石由于风化，力学强度有 较大幅度的降低。岩石容重经风化影响降低至0 1 9 c m 3 o 3 9 c m 3 ，相当于新 鲜岩石容重的4 1 0 ；孔隙率及吸水率可能由新鲜岩石的1 2 增至5 6 ，甚至达1 0 1 2 。增加的绝对值不大，但增加的倍数很高。 在岩石风化过程中，矿物的转化及粘土矿物的形成，以及原有的结晶及胶 结联系受到破坏，水理性质有恶化的趋势，并表现于软化系数的普遍降低。某 些坚硬结晶岩在风化程度不太严重时，结晶联系仅受局部破坏，软化系数并无 显著降低。但是，在泥质胶结的砂页岩、凝灰岩等类岩石中，风化对软化系数 值的影响则很大，新鲜岩石为0 7 o 8 ，风化后可下降到0 3 0 4 。 风化岩的变形模量及弹性模量一般都有降低。新鲜岩石的变形模量在数量 级上达到一百至几百m p a ，而风化岩往往只有几十m p a ，甚至更低。对工程稳 定有直接影响的是风化岩石强度的下降。风化岩石抗剪强度在半风化时可能降 低2 5 左右，而全风化时则可能降至原来值的5 0 更为重要的是风化岩结 构松散，裂隙发育，坝基接触面不易胶结，故全风化及强风化岩石往往难于满 足混凝土坝坝基的要求。想在这种基础上修建水利工程，必须首先对地基进行 一定的处理加固，使地基强度上升到规范要求的值以后方可修坝。 ， 2 2 3 风化岩对坝基工程的影响 根据上述风化岩的工程地质特性，不难看到它对坝基稳定的影响。风化破 碎岩的问题，由于采取了必要整治处理措施，从现在运转情况看是成功的。有 时在设计、施工中重视不够，完工后还要采取加固措施这些经验对于正在勘 测阶段的风化岩的评价有实际的参考价值 四川大学硕士学位论文 坝址风化岩特性及风化层厚度的确定有很重要的实际意义。正确地确定开 挖深度对施工方量影响很大，同时只有掌握了风化岩的分布规律后，才能正确 确定坝线和坝型结构，保证工程安全可靠 2 3 风化岩体的测定 岩块的风化程度可通过定性指标和某些定量指标来表述饼“。定性指标主 要有：颜色、矿物蚀变程度、破碎程度及开挖锤击技术特征等定量指标主要 有风化空隙率指标和波速指标等。 国家标准岩土工程勘察规范g b 5 0 0 2 1 - - 9 4 中提出用风化岩块的纵波速 度( ) 、波速比( k ) 和风化系数( k f ) 等指标来评价岩块的风化程度，其中 的定义为： 七，：竖，| | ，：垒 ( 2 一1 ) 。口。 式中：v 。一为风化岩块的纵波速度，m s ； v 。一为新鲜岩块的纵波速度，m s ； 0 。一为风化岩块的单轴抗压强度，m p a ； 0 。一为新鲜岩块的单轴抗压强度，m p a 。 按岩块的v 。，k 和k f 将硬质岩石的风化分级划分如表2 3 。 表2 - - 3 硬质岩石按波速指标的风化分级表 风化程度v ( r i d s ) l 【vk f 全风化 5 0 0 1 0 0 00 2 0 4一 强风化 中等风化 微风化 未风化 1 0 0 0 2 0 0 0 2 0 0 0 4 0 0 0 4 0 0 0 5 0 0 0 5 0 0 0 0 4 o 6 0 6 0 8 0 8 0 9 0 9 1 0 由于不同地形、地质条件下岩石的风化类型和特点是不同的，所以在对具 8 9 o 4 o o l m 4 8 9 o o o 四川大学硕士学位论文 体工程坝基地质风化分类时。应该结合基础实际情况认真考察。采用定量评价 标准对岩体进行风化分类嘲1 ；在定量的基础上，使定量标准与经验判断有机结 合，较科学、客观地进行岩体风化分带的划分。这样做可以消除以往仅凭经验 进行岩体风化分类而产生的人为误差，在工程设计中能起较好的作用。 定量标准为岩体风化的划分提供了确切的尺度，可以消除人为因素的差 别，防止仅凭经验标准确定岩体风化程度的误判但定量标准仍须与经验标准 有机结合才能较全面的确定岩体的风化程度、特性，划分风化带分界，使岩体 风化分带的划分更好地用于工程实际。在很多具体工程中都会碰到这样的情 况，就是在坝基岩体中常见强风化带中夹有少量弱风化岩甚至微风化岩，弱、 微风化带中亦出现个别强风化岩。岩体存在沿裂隙风化、断层风化、夹层风化 等现象，是比较复杂的，这就需要我们把建筑物要求与地基实际情况结合起来 才能排除次要因素，明确主要因素，科学地进行岩体风化带的划分，合理地确 定坝基开挖深度。 2 4 下涧口坝基下强风化岩层风化特性 通过以上风化岩体工程地质特性以及评判风化标准理论，我们结合下涧口 工程的实际地质情况，得出了其坝区岩体风化特征主要表现为浅部式风化、裂 隙式风化。且有其不同于一般的强风化岩体的特殊性，那就是虽然风化严重， 但是岩基呈现为块状风化，块与块之间有间隙，各块状的岩体尚有一定的强度， 而这种风化特性也恰好为灌浆提供了良好的条件 四川大学硕士学位论文 3 有限元基本理论 ， 3 1 有限元法概述 有限元法是在当今工程分析中获得最广泛应用的数值计算方法“州“。由于 它的通用性和有效性，受到工程技术界的高度重视。伴随着计算机科学和技术 的快速发展，现已成为解决工程问题的一门重要方法。有限元法能够对任何复 杂的岩体结构中的地基进行线性和非线性分析，从而成为坝基计算很有效的方 法。有限元法就是用有限个单元所构成的离散化结构代替原来的连续体结构来 分析应力和变形，这些单元只在节点处通过弹性体的三个基本方程和虚位移原 理建立数学关系，用结构力学位移法的思路求出位移，进而求出应力和应变。 在数学模型( 基本变量、基本方程、求解域和边界条件等) 确定以后，有 限元作为对其进行分析的数值计算方法的要点可归纳如下： 1 、将一个表示结构或连续体的求解域离散为若干个子域( 单元) ，并通过 它们边界上的结点相互联结成为组合体。 2 、用每个单元内所假设的近似函数来分片地表示全求解域内待求的未知 场变量。而每个单元内的近似函数由未知场函数在单元各个结点上的数值和与 其对应的插值函数来表达( 此表达式通常表示为矩阵形式) 由于在联结相邻 单元的结点上，场函数应具有相同的数值，因而将它们用作数值求解的基本未 知量。这样一来，求解原来待求场函数的无穷多自由度问题转换为求解场函数 结点值的有限自由度问题。 3 、通过和原问题数学模型( 基本方程、边界条件) 等效的变分原理或加 权余量法，建立求解基本未知量( 场函数的结点值) 的代数方程组或常微分方 程组。此方程组称为有限元求解方程，并表示成规范的矩阵形式。接着用数值 方法求解此方程，从而得到问题的解答。 3 2 弹性问题的有限元法 1 、将连续弹性体离散为有限个单元，平面问题可以是三角形单元或四边 形单元，空问问题可以是四面体单元或六面体单元。 2 、单元控制的范围较小，可近似构造其位移函数或应力函数。目前常用 的是位移函数法，以节点位移作为待求的未知量。 1 4 四川大学硕士学位论文 3 、假定为小变形和小应变问题，应用固体力学变形理论建立几何方程， 即单元应变和单元节点位移动关系。 4 、根据广义虎克定律建立单元物理方程，即单元应力与单元应变的关系， 由几何方程可建立单元应力与单元节点位移动关系。 5 、求得单元应力和应变后，根据能量原理建立单元节点弹性力与单元节 点位移的关系，从而得单元刚度矩阵。 6 、根据能量原理将作用于单元体积的体积力、作用于单元边界的分布力 和集中力转化为单元节点力。 7 、作用于单元节点的节点力( 外荷载) 应与作用于单元节点的弹性力平 衡，逐节点建立平衡方程可得出总体平衡方程，这是一组以节点位移为未知量 的线性方程组。也可由最小势能原理建立总体平衡方程。 8 、将已知几何边界条件( 已知的节点位移) 代入总体方程，解出节点位 移 3 3 弹塑性分析方法 材料非线性问题有限元分析的基本问题有两个方面，即材料本构关系的建 立和非线性方程组的解法。经典的塑性理论目前主要有两种，一是全量理论， 二是增量理论。 全量理论是弹塑性小变形理论的简称，又称形变理论，该理论试图直接建 立全量式应力一应变关系，全量理论的数学处理比较简单，但理论上并非最好， 而且仅适用简单加载情况。 增量理论又称流动理论，是描述材料在塑性状态时应力与应变速度或应变 增量之间关系的理论。这一理论在实际应用中需要按加载过程积分，计算比较 复杂，但随着电子计算机发展和计算技术的改进，增量理论已得到广泛的应用。 由于弹塑性问题中材料本构关系与应力和变形的历史有关，并且对于岩 土工程中的开挖、水工建筑中的坝体建筑，不同的施工过程( 开挖和建造) 对 结果有很大的影响，因而根据具体的施工程序将荷载分级采用增量方法进行分 析将更为合理。所以，一般情况下弹塑性材料的应力一应变关系用增量形式描 述，在有限元分析中采用的也是增量型本构关系。 四川大学硕士学位论文 建立增量型弹塑性本构关系的过程中，重要的依据是塑性力学的基本法 则( 屈服准则、流动法则和硬化规律) ，同时弹性变形仍应服从弹性的应力应 变关系。为了将本构关系用于有限元分析，需要进一步解决两个问题：一是将 它们表达成适用于不同具体问题的矩阵形式；二是在有限元方程迭代求解过程 中，每次迭代求得位移增量并用几何关系求得各个高斯积分点的应变增量以 后，仍需采用适当的算法求得相应的应力增量、塑性应变增量等。 对于在实际工程中常遇到的单参数加载并且塑性区域在结构中仅占较小 部分的情况，可以近似地假设结构内各点的应力和应变的主方向相互平行且保 持不变，因而可以采用基于塑性形变的理论的全量型弹塑性本构关系。这样一 来，不仅使问题的有限元分析避免了增量求解，而且每次迭代后也能比较方便 地确定新的弹塑性状态，从而可以避免增量分析中的本构方程的积分，并使整 个分析大大简化。这是在实际分析中值得推荐的方案 岩石力学非线性问题可归纳为物理非线性和几何非线性两类，岩石力学中 的非线性问题多属于前者。非线性分析的关键在于寻求反映岩体变形的本构关 系以及如何确定其中的参数，由于材料非线性本构关系一般是应力或应变状态 量的函数，致使单元刚度阵是应力或应变的函数，故需要采用非线性大型方程 组的求解方法来求解有限元支配方程。其主要方法有增量法、迭代法及增量迭 代法等。 l 、增量法 将荷载分为n 级，对于第i 级增量，分别计算其荷载列阵 卸f ) ，并形成 增量形式的平衡方程，求解出位移增量 一 和相应的应力增量 q 、应变增 量 t ，把第1 n 相应的位移增量 a 4 、应力增量 q 、应变增量 岛 相 加，即得最终的位移和应力。增量法一般采用切线模量e 来形成刚度矩阵。 增量法实际上就是用一系列线性分析来逼近非线性分析的应力应变关系， 在每级增量分析中，刚度矩阵是变量，在下一级分析中，则根据该级分析分应 力或应变状态来确定变形参数和相应的刚度阵。 2 、迭代法 迭代法是一种递推计算方法，通过一系列逼近获得满足要求的近似解，每 次迭代时，岩体均受全部荷载作用，又称为全量迭代法。该方法分为常刚度迭 1 6 四川大学硕士学位论文 代和变刚度迭代两种形式。 迭代法中可以用切线模量来建立刚度矩阵，每次迭代相当于一次线性分 析，由于所采用的单元刚度是近似值，不满足平衡条件，求出不平衡荷载与真 实荷载相加供下次迭代计算，当连续两次迭代的位移差或不平衡荷载值小于某 一个限值时，迭代结束，最