宝兴河水电站混凝土拱坝坝肩稳定三维地质力学模型试验研究

宝兴河水电站混凝土拱坝坝肩稳定三维地质力学模型试验研究

铜头水电站位于四川省雅安市。是青银江支流的一个初级水库。它是一座以发电为主,兼顾灌溉、防洪、养殖及旅游等综合利用的水利枢纽工程。总库容0.225×108m3,装机容量8×104kW。该枢纽由混凝土双曲拱坝、左右岸泄洪隧洞、水电站厂房及引水系统等建筑物组成。其中混凝土双曲拱坝最大坝高77m,坝顶宽3.5m,坝底宽15.3m。坝址处地形呈“V”型峡谷,两岸岸坡坡度约为60～80°,河谷宽高比1～1.2。坝址处的岩体主要为E泥钙质砾岩和泥质砾岩及E钙泥质砾岩和含砾泥质粉砂岩夹层。在坝址上、下游发育有4条陡倾角构造裂隙,即L13、L12、L11、L47,它们大体平行地横切坝基及两岸岩体,且切割较深,其分布见图1所示。在坝址区砾岩中分布有多条软弱夹层,其中有泥质砾岩夹层(A1)和含砾泥质粉砂岩夹层(A2)。左岸岩体中正常高水位下,共有软岩夹层9层,基本上是顺层发育,倾角平缓,其中A2-2,A1-5,A1-7,A2-5等4层对稳定的影响最不利。右岸岩体在正常高水位下共有软岩夹层10层,产状稍倾向河槽,倾角平缓约3°,其中A2-2,A1-5,A1-7,A1-8等4层对稳定的影响最为不利,其分布见图2所示。文中采用三维地质力学模型试验的方法,模拟坝体在正常水荷载及淤沙荷载作用的基础上,采用超载与强降相结合的方法进行破坏试验,探讨坝基坝肩失稳的破坏过程、破坏形态及破坏机理,确定其综合安全度,评价工程的安全性,为工程设计和施工提供重要依据。1模型的设计和材料的开发1.1模型的相似性根据相似理论和本工程的实际情况综合考虑,模型具体设计如表1所示。1.2强度储备法与综合稳定法地质力学模型试验属于破坏试验,破坏试验方法有3种:超载法,强度储备法和综合法。超载法,即假定坝基坝肩岩体的力学参数不变,逐步增加上游荷载,直到基础破坏失稳,由此得到的安全系数叫超载安全系数(或超载安全度)。强度储备法,即考虑坝基坝肩岩体本身具有一定的强度储备能力,要求得它的强度储备能力有多大,在工程正常运行情况下,可以逐步降低岩体的设计力学参数使得基础破坏失稳,由此求得的安全系数叫强度储备系数(或强储安全度)。综合法是上面两种方法的结合,它既考虑到工程上可能遇到超过若干倍正常上游外荷载(如水压、泥沙压力等),又考虑到工程长期运行中,岩体及软弱结构面参数逐步降低对稳定的影响,由此得到的安全系数叫综合稳定安全度。其中超载法和强度储备法是单因素法,综合法是多因素法。由于受到模型材料性能的限制,当前国内外采用模型试验方法研究拱坝坝肩的稳定,一般采用的是超载法。要采用综合法,必须进行新型模型材料研究。1.3变温相似材料模拟本次试验采用超载与强降相结合的方法,首先研制出适合铜头工程模型的变温相似材料,以实现试验中降低坝基岩体中软弱结构面的抗剪断强度,再将上游水压力超载,直到坝与地基整体破坏失稳为止。变温相似材料的研制是一个交叉学科的渗透,它是将高分子材料与传统的模型材料结合起来,即在模型材料中加入适量的高分子材料及胶结材料,同时配置温度变化系统,在试验过程中通过升温的办法使材料的力学参数逐步降低。因此根据试验要求,对夹层A1-i、A2-j分别采用1#、3#夹层变温相似材料模拟,其f值与温度T间关系曲线如图3所示。岩体及陡倾角构造裂隙亦采用变温相似材料模拟。原模型岩体及夹层材料的力学参数如表2所示,其f值与温度T间关系曲线如图4所示。1.4原模型荷载相似理论综合考虑试验目的及试验条件,模拟的荷载为水荷载、淤沙荷载及渗压。按照相似理论,原模型荷载应相似。加载方式采用气压加压方式加载。对于拱坝的水沙压力,采用七层气压袋分层施加,坝基及坝肩的渗压也采用气压袋配合传压板按面力方式施加。1.5坝面及坝体位移量测量测系统包括位移量测和坝面应变量测。本次试验量测系统主要以位移量测为主,坝面应变量测为辅。其中位移量测又分为坝体及岩体表面位移量测、夹层内部相对位移量测。遵循既要全面反映位移及应变分布情况、又能重点监测局部的原则,本次试验共布置表面位移测点47个,每个测点双向量测,应变测点22个。1.6抗剪断强度测试本次试验分以下3个阶段。第1阶段:先以小荷载预压,再升压至正常荷载并测试,在此基础上超载至1.2倍正常荷载并测试;第2阶段:保持1.2倍正常荷载及岩体自重不变,对坝基及抗力体分十级逐级升温,其抗剪断强度f?′在设计值的基础上约降低50%左右;第3阶段:保持岩体温度及自重不变,再在原超载1.2倍正常荷载的基础上继续水平超载,直至失稳破坏为止。2试验结果与分析2.1坝面典型部位的变形发展过程通过试验,主要获得了以下5方面的成果:1)坝体在正常水沙荷载及岩体、夹层力学参数逐渐降低和正常水沙荷载继续超载的情况下,各典型高程变位测点及拱冠梁向的变位发展过程;2)坝基、坝肩及抗力体在其力学参数逐渐降低和正常荷载继续超载情况下,各典型高程岩坡面变位测点的位移发展过程;3)坝基、坝肩岩体及软弱夹层,在其力学参数逐渐降低和超载情况下,各夹层相对位移的变化发展过程;4)上下游坝面典型部位的应变测点,在岩体、夹层力学参数逐渐降低和正常荷载继续超载情况下,其应变的变化发展过程;5)坝肩及抗力体的破坏发展过程、破坏形态、破坏机理及综合稳定安全度的评价。2.2试验结果的分析2.2.1夹层相对位移总的说来,坝体位移分布符合一般规律。但由于本工程坝基、坝肩及抗力体部分岩体构造较复杂,岩性软弱,并有多层缓倾角软弱夹层分布,坝下游又分布有L11、L12及L47陡倾断裂构造,这对坝肩稳定的影响程度不一,即左坝肩的位移大于右坝肩的位移。从坝肩岩面位移总体规律分析看出:左岸的位移大于右岸的位移,远离拱端的位移一般小于拱端附近的位移,两岸表面位移最大值出现的部位均是在A1-5夹层出露的附近。由于两岸A1-5夹层均倾向下游,并缓倾向河槽,因此在拱推力、渗压、岩体自重应力及边界约束等因素的综合作用下,岸坡岩体除往河槽向变位外,在平面上有顺时针向的角变位。总的说来,岩体内夹层的相对位移分布与岸坡表面位移分布特征一致。左岸夹层的相对位移大于右岸夹层的相对位移,变温降低岩体强度后的相对位移量最大,两岸的相对位移以A1-5夹层的值最大。因夹层固有的构造特性,其相对位移也有其一定的特殊性,上部夹层的位移大于下部夹层的位移。由坝体典型部位应变测试结果分析可知,在正常水沙荷载作用及超载1.2倍后,坝体应变分布符合拱坝应力分布的一般规律。但岩体变温后,应力调整变化较大,加之有塑性应变包含其中,应变值增加较大,且出现拉压应变相互转换,但应变变化过程与位移变化过程仍有相似之处。2.2.2破坏发展过程在试验过程中,各测值变化过程线如图5、6、7所示。最终坝肩失稳的破坏形态如图8所示。1不同热荷载下的运行在正常荷载作用下,即正常运行情况下,坝肩是稳定的。超载1.2倍正常荷载,即模拟导致水库处于超标水位的特殊工况,坝体和基岩变位及应变数值仍不大,各项测值均较小,说明在超载1.2倍正常荷载情况下,坝体仍能安全运行;2坝肩裂缝发育在此阶段,分十级对模型岩体及夹层升温以降强。在升温至T4时,各项测值增大,但两岸抗力体并未出现裂缝。当升温至T5～T6级,在坝肩岩体自重应力作用下,左坝肩开始出现裂缝,各项测值进一步增长。当升温至T7级时,原有裂缝的开度扩大,坝肩上游侧出现竖向拉裂缝,下游侧竖向及水平向剪切裂缝增多,尤以左岸为甚。坝体变位特别是左拱端变位明显增大。当升温至T10级时,裂缝进一步增多,各项测值继续增大,但坝体并未失去承载能力;3等倍正常荷载在原超载1.2倍正常荷载的基础上,以1.4,1.6,1.8,2.2,2.4等倍正常荷载的方式继续超载。在变温后随着超载倍数增大,塑性变形突出,坝体变位增大幅度更趋明显,直至坝肩失稳。由于岩体强度降到接近最低值,岩面各测点的变位增大的速率不断增大。2.3强度储备系数k坝肩综合稳定安全度的评价方法,主要根据不同试验阶段所得的5个方面资料综合评定:坝体典型高程及两坝肩各测点的表面位移发展过程曲线,岩体内软弱夹层相对位移发展过程曲线,坝面典型部位应变发展过程曲线,坝肩及抗力体的破坏过程和破坏形态的观测记录以及模型材料试验过程中所得的各型变温相似材料的标定曲线。由上述5个方面综合分析得出强度储备系数K1为1.95,超载系数K2为1.6～1.8,然后由下式计算综合稳定安全度KC:KC=K1×K2式中,K1为强度储备系数;K2为超载系数。综合稳定安全度KC=3.12～3.51。3坝体及基岩变位1)在正常荷载作用及两坝肩岩体不降强的条件下,即正常运行情况下,坝肩坝基是稳定的;2)超载1.2倍正常荷载,即模拟导致水库处于超正常标准水位的特殊工况,坝体和基岩变位及应变数值仍不大,说明坝体仍能正常运行;3)在保持超载1.2倍正常荷载