寶興河水電站混凝土拱壩壩肩穩(wěn)定三維地質(zhì)力學模型試驗研究

寶興河水電站混凝土拱壩壩肩穩(wěn)定三維地質(zhì)力學模型試驗研究

銅頭水電站位于四川省雅安市。是青銀江支流的一個初級水庫。它是一座以發(fā)電為主,兼顧灌溉、防洪、養(yǎng)殖及旅游等綜合利用的水利樞紐工程?？値烊?.225×108m3,裝機容量8×104kW。該樞紐由混凝土雙曲拱壩、左右岸泄洪隧洞、水電站廠房及引水系統(tǒng)等建筑物組成。其中混凝土雙曲拱壩最大壩高77m,壩頂寬3.5m,壩底寬15.3m。壩址處地形呈“V”型峽谷,兩岸岸坡坡度約為60～80°,河谷寬高比1～1.2。壩址處的巖體主要為E泥鈣質(zhì)礫巖和泥質(zhì)礫巖及E鈣泥質(zhì)礫巖和含礫泥質(zhì)粉砂巖夾層。在壩址上、下游發(fā)育有4條陡傾角構(gòu)造裂隙,即L13、L12、L11、L47,它們大體平行地橫切壩基及兩岸巖體,且切割較深,其分布見圖1所示。在壩址區(qū)礫巖中分布有多條軟弱夾層,其中有泥質(zhì)礫巖夾層(A1)和含礫泥質(zhì)粉砂巖夾層(A2)。左岸巖體中正常高水位下,共有軟巖夾層9層,基本上是順層發(fā)育,傾角平緩,其中A2-2,A1-5,A1-7,A2-5等4層對穩(wěn)定的影響最不利。右岸巖體在正常高水位下共有軟巖夾層10層,產(chǎn)狀稍傾向河槽,傾角平緩約3°,其中A2-2,A1-5,A1-7,A1-8等4層對穩(wěn)定的影響最為不利,其分布見圖2所示。文中采用三維地質(zhì)力學模型試驗的方法,模擬壩體在正常水荷載及淤沙荷載作用的基礎(chǔ)上,采用超載與強降相結(jié)合的方法進行破壞試驗,探討壩基壩肩失穩(wěn)的破壞過程、破壞形態(tài)及破壞機理,確定其綜合安全度,評價工程的安全性,為工程設(shè)計和施工提供重要依據(jù)。1模型的設(shè)計和材料的開發(fā)1.1模型的相似性根據(jù)相似理論和本工程的實際情況綜合考慮,模型具體設(shè)計如表1所示。1.2強度儲備法與綜合穩(wěn)定法地質(zhì)力學模型試驗屬于破壞試驗,破壞試驗方法有3種:超載法,強度儲備法和綜合法。超載法,即假定壩基壩肩巖體的力學參數(shù)不變,逐步增加上游荷載,直到基礎(chǔ)破壞失穩(wěn),由此得到的安全系數(shù)叫超載安全系數(shù)(或超載安全度)。強度儲備法,即考慮壩基壩肩巖體本身具有一定的強度儲備能力,要求得它的強度儲備能力有多大,在工程正常運行情況下,可以逐步降低巖體的設(shè)計力學參數(shù)使得基礎(chǔ)破壞失穩(wěn),由此求得的安全系數(shù)叫強度儲備系數(shù)(或強儲安全度)。綜合法是上面兩種方法的結(jié)合,它既考慮到工程上可能遇到超過若干倍正常上游外荷載(如水壓、泥沙壓力等),又考慮到工程長期運行中,巖體及軟弱結(jié)構(gòu)面參數(shù)逐步降低對穩(wěn)定的影響,由此得到的安全系數(shù)叫綜合穩(wěn)定安全度。其中超載法和強度儲備法是單因素法,綜合法是多因素法。由于受到模型材料性能的限制,當前國內(nèi)外采用模型試驗方法研究拱壩壩肩的穩(wěn)定,一般采用的是超載法。要采用綜合法,必須進行新型模型材料研究。1.3變溫相似材料模擬本次試驗采用超載與強降相結(jié)合的方法,首先研制出適合銅頭工程模型的變溫相似材料,以實現(xiàn)試驗中降低壩基巖體中軟弱結(jié)構(gòu)面的抗剪斷強度,再將上游水壓力超載,直到壩與地基整體破壞失穩(wěn)為止。變溫相似材料的研制是一個交叉學科的滲透,它是將高分子材料與傳統(tǒng)的模型材料結(jié)合起來,即在模型材料中加入適量的高分子材料及膠結(jié)材料,同時配置溫度變化系統(tǒng),在試驗過程中通過升溫的辦法使材料的力學參數(shù)逐步降低。因此根據(jù)試驗要求,對夾層A1-i、A2-j分別采用1#、3#夾層變溫相似材料模擬,其f值與溫度T間關(guān)系曲線如圖3所示。巖體及陡傾角構(gòu)造裂隙亦采用變溫相似材料模擬。原模型巖體及夾層材料的力學參數(shù)如表2所示,其f值與溫度T間關(guān)系曲線如圖4所示。1.4原模型荷載相似理論綜合考慮試驗?zāi)康募霸囼灄l件,模擬的荷載為水荷載、淤沙荷載及滲壓。按照相似理論,原模型荷載應(yīng)相似。加載方式采用氣壓加壓方式加載。對于拱壩的水沙壓力,采用七層氣壓袋分層施加,壩基及壩肩的滲壓也采用氣壓袋配合傳壓板按面力方式施加。1.5壩面及壩體位移量測量測系統(tǒng)包括位移量測和壩面應(yīng)變量測。本次試驗量測系統(tǒng)主要以位移量測為主,壩面應(yīng)變量測為輔。其中位移量測又分為壩體及巖體表面位移量測、夾層內(nèi)部相對位移量測。遵循既要全面反映位移及應(yīng)變分布情況、又能重點監(jiān)測局部的原則,本次試驗共布置表面位移測點47個,每個測點雙向量測,應(yīng)變測點22個。1.6抗剪斷強度測試本次試驗分以下3個階段。第1階段:先以小荷載預壓,再升壓至正常荷載并測試,在此基礎(chǔ)上超載至1.2倍正常荷載并測試;第2階段:保持1.2倍正常荷載及巖體自重不變,對壩基及抗力體分十級逐級升溫,其抗剪斷強度f?′在設(shè)計值的基礎(chǔ)上約降低50%左右;第3階段:保持巖體溫度及自重不變,再在原超載1.2倍正常荷載的基礎(chǔ)上繼續(xù)水平超載,直至失穩(wěn)破壞為止。2試驗結(jié)果與分析2.1壩面典型部位的變形發(fā)展過程通過試驗,主要獲得了以下5方面的成果:1)壩體在正常水沙荷載及巖體、夾層力學參數(shù)逐漸降低和正常水沙荷載繼續(xù)超載的情況下,各典型高程變位測點及拱冠梁向的變位發(fā)展過程;2)壩基、壩肩及抗力體在其力學參數(shù)逐漸降低和正常荷載繼續(xù)超載情況下,各典型高程巖坡面變位測點的位移發(fā)展過程;3)壩基、壩肩巖體及軟弱夾層,在其力學參數(shù)逐漸降低和超載情況下,各夾層相對位移的變化發(fā)展過程;4)上下游壩面典型部位的應(yīng)變測點,在巖體、夾層力學參數(shù)逐漸降低和正常荷載繼續(xù)超載情況下,其應(yīng)變的變化發(fā)展過程;5)壩肩及抗力體的破壞發(fā)展過程、破壞形態(tài)、破壞機理及綜合穩(wěn)定安全度的評價。2.2試驗結(jié)果的分析2.2.1夾層相對位移總的說來,壩體位移分布符合一般規(guī)律。但由于本工程壩基、壩肩及抗力體部分巖體構(gòu)造較復雜,巖性軟弱,并有多層緩傾角軟弱夾層分布,壩下游又分布有L11、L12及L47陡傾斷裂構(gòu)造,這對壩肩穩(wěn)定的影響程度不一,即左壩肩的位移大于右壩肩的位移。從壩肩巖面位移總體規(guī)律分析看出:左岸的位移大于右岸的位移,遠離拱端的位移一般小于拱端附近的位移,兩岸表面位移最大值出現(xiàn)的部位均是在A1-5夾層出露的附近。由于兩岸A1-5夾層均傾向下游,并緩傾向河槽,因此在拱推力、滲壓、巖體自重應(yīng)力及邊界約束等因素的綜合作用下,岸坡巖體除往河槽向變位外,在平面上有順時針向的角變位?？偟恼f來,巖體內(nèi)夾層的相對位移分布與岸坡表面位移分布特征一致。左岸夾層的相對位移大于右岸夾層的相對位移,變溫降低巖體強度后的相對位移量最大,兩岸的相對位移以A1-5夾層的值最大。因夾層固有的構(gòu)造特性,其相對位移也有其一定的特殊性,上部夾層的位移大于下部夾層的位移。由壩體典型部位應(yīng)變測試結(jié)果分析可知,在正常水沙荷載作用及超載1.2倍后,壩體應(yīng)變分布符合拱壩應(yīng)力分布的一般規(guī)律。但巖體變溫后,應(yīng)力調(diào)整變化較大,加之有塑性應(yīng)變包含其中,應(yīng)變值增加較大,且出現(xiàn)拉壓應(yīng)變相互轉(zhuǎn)換,但應(yīng)變變化過程與位移變化過程仍有相似之處。2.2.2破壞發(fā)展過程在試驗過程中,各測值變化過程線如圖5、6、7所示。最終壩肩失穩(wěn)的破壞形態(tài)如圖8所示。1不同熱荷載下的運行在正常荷載作用下,即正常運行情況下,壩肩是穩(wěn)定的。超載1.2倍正常荷載,即模擬導致水庫處于超標水位的特殊工況,壩體和基巖變位及應(yīng)變數(shù)值仍不大,各項測值均較小,說明在超載1.2倍正常荷載情況下,壩體仍能安全運行;2壩肩裂縫發(fā)育在此階段,分十級對模型巖體及夾層升溫以降強。在升溫至T4時,各項測值增大,但兩岸抗力體并未出現(xiàn)裂縫。當升溫至T5～T6級,在壩肩巖體自重應(yīng)力作用下,左壩肩開始出現(xiàn)裂縫,各項測值進一步增長。當升溫至T7級時,原有裂縫的開度擴大,壩肩上游側(cè)出現(xiàn)豎向拉裂縫,下游側(cè)豎向及水平向剪切裂縫增多,尤以左岸為甚。壩體變位特別是左拱端變位明顯增大。當升溫至T10級時,裂縫進一步增多,各項測值繼續(xù)增大,但壩體并未失去承載能力;3等倍正常荷載在原超載1.2倍正常荷載的基礎(chǔ)上,以1.4,1.6,1.8,2.2,2.4等倍正常荷載的方式繼續(xù)超載。在變溫后隨著超載倍數(shù)增大,塑性變形突出,壩體變位增大幅度更趨明顯,直至壩肩失穩(wěn)。由于巖體強度降到接近最低值,巖面各測點的變位增大的速率不斷增大。2.3強度儲備系數(shù)k壩肩綜合穩(wěn)定安全度的評價方法,主要根據(jù)不同試驗階段所得的5個方面資料綜合評定:壩體典型高程及兩壩肩各測點的表面位移發(fā)展過程曲線,巖體內(nèi)軟弱夾層相對位移發(fā)展過程曲線,壩面典型部位應(yīng)變發(fā)展過程曲線,壩肩及抗力體的破壞過程和破壞形態(tài)的觀測記錄以及模型材料試驗過程中所得的各型變溫相似材料的標定曲線。由上述5個方面綜合分析得出強度儲備系數(shù)K1為1.95,超載系數(shù)K2為1.6～1.8,然后由下式計算綜合穩(wěn)定安全度KC:KC=K1×K2式中,K1為強度儲備系數(shù);K2為超載系數(shù)。綜合穩(wěn)定安全度KC=3.12～3.51。3壩體及基巖變位1)在正常荷載作用及兩壩肩巖體不降強的條件下,即正常運行情況下,壩肩壩基是穩(wěn)定的;2)超載1.2倍正常荷載,即模擬導致水庫處于超正常標準水位的特殊工況,壩體和基巖變位及應(yīng)變數(shù)值仍不大,說明壩體仍能正常運行;3)在保持超載1.2倍正常荷載