（水工结构工程专业论文）锦屏一级高拱坝坝肩稳定三维地质力学模型破坏试验研究.pdf

四川人学硕 七 学位论文 锦屏一级高拱坝坝肩稳定 三维地质力学模型破坏试验研究 水工结构工程专业 硕士研究生:陈建叶指导教师:张林 在西部大开发战略中，水能资源的开发是一项重要而艰巨的任务。根据 国家的规划，近期开发的重点是在西南、西北河流的中上游地区兴建一批骨 干大型水电站，以满足西部经济建设及西电东送的需要。由于这些河段大都 处于高山峡谷，其地形陡峻地质条件复杂，而且工程规模雄伟，需要建设一 批高坝，以形成大水库、大电站，作为国家重要的能源基地。 随着这些工程的规划和建设，越来越多的高坝将修建在地质构造复杂的 地基上，为了保证工程的顺利建成及安全运行，必须解决好高坝与地基的整 体稳定性和安全性，数值分析与物理模型是解决上述问题的两种有效途经。 当前国内外许多重大工程均采用计算分析与试验研究相结合的方法，充分发 挥各自的优势，并相互验证和互为补充，以此全面分析论证工程重大技术问 题。模型试验中，近年来地质力学模型试验在模型材料、模拟技术和试验力 - 法等方面取得了突破性进展，特别是变温相似材料的研制成功，解决 了 在 一 个模型 上 实现强度储备法的难题。 本文查阅了近年来地质力学模型试验的许多资料，对模型试验的方法进 行了总结，并结合锦屏一级高拱坝坝肩坝基的地形、地质特征，以及对稳定 起控制作用的断层、裂隙的分布状况，运用三维地质力学模型破坏试验来研 究坝肩坝基稳定。试验抓住影响大坝安全的主要矛盾，根据岩体力学参数及 结构面参数，研制出了适合锦屏工程地质条件的变温相似材料进行模拟，采 用强度储备和超载相结合的综合法进行破坏试验研究。通过研究获得以下成 果:( 1 ) 锦屏一级工程坝基坝肩综合稳定安全度，其值为4 .6 8- 4 .9 4 .由 此评 价了工程坝基坝肩的安全性: ( 2 ) 坝肩抗力体的破坏过程、 破坏形态及破坏机 四川 大学 硕 士学位 论 文 理， 得出了工程的薄弱环节，提出了 对工程加固处理措施的建议; ( 3 ) 两坝肩 抗力体表面位移分布及变化特性，了 解了 坝肩坝基的 变形稳定性: ( 4 ) 断层、 蚀变带相对位移分布及变化特性， 掌握了 主要地质构造的变形稳定性; ( 5 ) 坝 体的变位分布及变化特性、坝体应变分布及变化特性。 试验成果为工程的设计和施工提供了重要依据。 本文还对试验过程中地震荷载对试验成果的影响进行了 探讨。利用美国 通用有限 元分析软件 a n s y s进行了非线性结构分析，并对其作出了相应的 评价。由数值计算分析得到地震荷载对模型试验成果的影响程度:对变位的 影响约为2 3 . 8 %，对主拉应力的影响程度约为2 4 ,0 %，对主压应力的影响程 度约为2 3 . 3 %. 关键词:地质力学模型变温相似材料破坏试验结构分析 四川人学硕 上 学位论文 s t a b i l i t y s t u d y o f h i g h a r c h d a m a b u t m e n t o f j i n p i n g i h y d r o - p o w e r s t a t i o n b y t h r e e - d i m e n s i o n a l g e o m e c h a n i c s b r e a k a g e mo d e l t e s t p o s t g r a d u a t e : c h e n j i a n y e a d v i s o r : z h a n g l i n h y d r a u l ic s t r u c t u r e e n g i n e e r i n g , d e p a r tm e n t o f h y d r a u l ic e n g i n e e r in g s i c h u a n u n i v e r s i t y i n t h e s t r a t e g y t o d e v e l o p w e s t e r n r e g i o n s , t h e d e v e l o p m e n t o f h y d r a u l i c e n e r g y i s a n i m p o r t a n t a n d a r d u o u s t a s k . a c c o r d i n g t o t h e n a t io n a l p l a n n in g , t h e e m p h as i s o f d e v e l o p m e n t i n t h e n e a r f u t u r e i s t o b u i l d a s e t o f s k e l e t o n a n d l a r g e - s c a l e h y d r o e l e c t r i c p o w e r s t a t i o n i n t h e m i d s t r e a m a n d u p s t r e a m o f r i v e r s i n t h e s o u t h we s t a n d n o r t h we s t . i t wi l l me e t t h e n e e d s o f we s t e rn e c o n o mi c c o n s t r u c t i o n a n d c a r ry i n g e l e c t r i c it y f r o m th e w e s t t o t h e e as t . b e c a u s e t h e s e s t r e a m s e g m e n t s a r e m o s t l y i n h i g h m o u n t a i n a n d b a r r a n c a , t h e i r t o p o g r a p h y i s p r e c i p it o u s a n d g e o l o g i c a l c o n d i t i o n i s c o m p l ic a t e d a n d t h e p r o j e c t s c a l e i s m a j e s t y . t h e r e s h o u l d b u i l d a b a t c h o f h i g h d a m s t o f o r m h e a v y r e s e r v o i r , h e a v y h y d r o p o w e r s t a t i o n s a n d th e i m p o r t a n t e n e r g y b a s e o f t h e c o u n t ry . wit h t h e p l a n n i n g a n d c o n s t r u c t io n o f t h e s e p r o j e c t s , m o r e a n d m o r e h i g h d a m s w i l l b e b u i l t o n t h e g r o u n d w i t h c o m p l i c a t e d g e o l o g i c a l s t r u c t u r e . i n o r d e r t o g u a r a n t e e t o b u i ld u p s m o o t h l y a n d o p e r a t e t h e p r o j e c t s a f e l y , t h e w h o l e s t a b i l i t y a n d s e c u r it y o f t h e h i g h d a m a n d g r o u n d m u s t b e s o l v e d w e l l . n u m e r i c a n a l y s i s a n d p h y s i c a l m o d e l a r e t w o e ff e c t i v e m e t h o d s t o s o l v e t h e a b o v e - m e n t i o n e d p r o b l e m . c u r r e n t l y a l o t o f d o m e s t i c a n d i n t e r n a t i o n a l g r e a t p r o j e c t s a d o p t t h e m e t h o d c o m b i n e d e x p e r i m e n t a l s t u d y w i t h c o m p u t a t i o n a l a n a l y s i s . t h e t w o m e t h o d s d i s p l a y e a c h a d v a n t a g e a n d v e r i f y a n d r e m e d y e a c h o t h e r . t h u s t h e g r e a t t e c h n o l o g i c a l p r o b l e m o f t h e p r o j e c t i s d e m o n s t r a t e d f u l l y . t o m o d e l t e s t , t h e g e o m e c h a n i c a l m o d e l t e s t h a s m a d e g r e a t p r o g r e s s in m o d e l m a t e r i a l , s i m u l a t i o n t e c h n i q u e a n d t e s t m e a n s . e s p e c i a l l y w h e n t h e m u t a t i v e t e m p e r a t u r e s i m i l a r m a t e r i a l h a s b e e n r e s e a r c h e d s u c c e s s f u l l y , i t m a k e s t h e m e a n s o f s t r e n g t h r e s e r v e b e c o me t r u e a l o t o f m a t e r i a l s o f g e o m e c h a n i c a l m o d e l i n r e c e n t y e a r s h a v e b e e n 四川 大学 硕 士学 位 论 文 c o n s u l t e d i n t h i s t e x t . t h e me t h o d o f mo d e l t e s t h a s b e e n s u mma r i z e d . a n d t h r e e - d i m e n s i o n a l g e o m e c h a n i c s b r e a k a g e m o d e l t e s t i s a d o p t e d t o s t u d y t h e s t a b i l i t y o f d a m s h o u l d e r a n d f o u n d a t i o n o f j i n p i n g i h y d r o - p o w e r s t a t i o n c o m b i n i n g i t s c h a r a c t e r i s t i c o f t o p o g r a p 勿a n d g e o l o g i c a n d t h e d i s t r i b u t i o n s t a t e s o f f a u l t a n d c r a c k w h ic h p l a y a c o n t r o l l i n g r o l e t o t h e s t a b i l it y . t h e e x p e r im e n t c a t c h e s t h e p r i n c i p a l c o n t r a d i c t i o n w h i c h i n fl u e n c e s t h e s t a b i l i t y o f d a m . a c c o r d i n g t o t h e p a r a m e t e r s o f r o c k m a s s m e c h a n i c s a n d s tr u c t u r a l s u r f a c e , t h e m u t a t i v e t e m p e r a t u r e s i m i l a r m a t e r i a l s w h i c h a r e f i t f o r t h e g e o l o g i c a l c o n d i t i o n s o f j i n p i n g i h y d r o - p o w e r s t a t i o n a r e d e v e l o p e d , f u r t h e r m o r e , o v e r l o a d a n d s t r e n g t h re s e r v e a re j o i n t l y u s e d . f r o m t h e t e s t , s e v e r a l c o n c l u s i o n a r e m a d e a s f o l l o w s : ( 1 ) t h e s y n t h e t i c b u c k l i n g s a f e t y f a c t o r o f d a m s h o u l d e r a n d f o u n d a t io n o f j i n p i n g i h y d r o - p o w e r s t a t i o n a re d e t e r m i n e d a s 4 .6 8 - 4 . 9 4 a n d t h e s e c u r i t y o f t h e e n g i n e e r i n g i s e v a l u a t e d ; ( 2 ) t h e d e s t r u c t i o n p r o c e s s , d e s t r u c t i o n c o n d i t i o n a n d t h e f a i l u r e m e c h a n i s m o f d a m s h o u l d e r a n d f o u n d a t i o n a r e a n a l y z e d a n d t h e w e a k n e s s o f t h e p r o j e c t i s c o n c l u d e d . t h u s s u g g e s t i o n s o f r e i n f o r c i n g t r e a t m e n t a r e p r o p o s e d ; ( 3 ) t h e d i s t r i b u t i o n o f d i s p l a c e m e n t a n d i t s c h a n g i n g c h a r a c t e r o f t wo d a m s h o u l d e r s a r e c o n c l u d e d a n d t h e d i s t o rt i o n o f t h e d a m s h o u l d e r a n d f o u n d a t i o n i s r e a l i z e d ; ( 4 ) t h e d i s t r i b u t i o n o f r e l a t i v e d i s p l a c e m e n t a n d i t s c h a n g i n g c h a r a c t e r o f t h e f a u l t a n d a l t e r a t i o n a r e c o n c l u d e d a n d d i s t o rt i o n o f t h e m a i n g e o l o g i c a l s t r u c t u r e i s r e a l i z e d ; ( s ) t h e d i s t r i b u t i o n o f d i s p l a c e m e n t a n d s t r a i n a n d t h e i r c h a n g i n g c h a r a c t e r s o f t h e d a m b o d y a r e a c h i e v e d . i m p o r t a n t g i s t s a r e g i v e n t o t h e d e s i g n a n d c o n s t r u c t i o n b y t h e t e s t t h i s t e x t a l s o p r o b e s i n t o t h e i n fl u e n c e t o t h e t e s t w h i c h i s c r e a t e d b y t h e e a r th q u a k e . t h e n o n - l i n e a r s t r u c t u r e a n a l y s i s i s b a s e d o n a m e r i c a f i n it e e l e m e n t g e n e r a l s o ft w a r e a n s y s a n d t h e n c o r r e s p o n d i n g a p p r a i s a l h a s b e e n m a d e . f r o m t h e a n a l y s i s , t h e d e g r e e o f i m p a c t o n m o d e l t e s t b y t h e e a rt h q u a k e i s a b o u t 2 3 . 8 % t o t h e d e fl e c t i o n a n d a b o u t 2 4 . 0 % t o t h e f a s t p r i n c i p a l s t r e s s a n d a b o u t 2 3 .3 % t o t h e t h i r d p r in c i p a l s t r e s s . k e y w o r d s : g e o m e c h a n i c s m o d e l m u t a t i v e t e m p e r a t u r e s i m i l a r m a t e r ia l b r e a k a g e m o d e l t e s t s t r u c t u r a l a n a l y s i s 四川大学硕士学位论文 1 、地质力学模型发展概况 1 . 1地质力学模型试验的目的和意义 传统的 静力学模型 试验， 如线弹性结构 模型 试验， 是研究在线弹性范围内 结构的 应力与 应变状态; 而结构模型破坏试验及结 构模型抗滑稳定 试验， 则分 别研究上部结构物的 超载破坏和地基软弱面对上部结构的 影响。 为了 研究地基 与其上部结构相互作用下的结构及地基的破坏机理，就产生了地质力学模型。 它本质上属于弹塑 性结 构 模型 破坏 试验【 ， 。 地质力学模型就是从力学的 观点出 发， 采用试验的手段， 研究地质构造条 件对工程的 影响。 地质力学模型试验又称为地力学模型试验或岩石力学模型试 验。以 往常把从力学观点 来研究地壳构造变化及地壳运动规律的 模拟 试验称作 地质力学模型试验， 那种概念是指广义的、 大范围的、 宏观的和定性的。而这 里所说的地质力学模型试验是指与工程及其岩石地基有关的、 能反映出小范围 内 具体的 工程地质构 造条 件的 一 类模型 2 1 13 1 由 于大型水电 工程的 迅速发展和建设， 越来越多的水工建筑物修建在具有 复杂地质构造的岩基上 或岩体内， 如大坝、 厂房、 隧洞、 地下电 站和高 边坡等 等， 这类建筑物的 抗滑稳定性、 地基的 变形及整体稳定性、 岩体高边坡的稳定 问 题、 地下结 构的围 岩稳定 等都是 地质力 学 模型 试验的 研究内 容伙 地质力学 模型主要 研究岩体的 断 层、 破碎带、 软 弱夹 层等不连续结 构 对结 构的 应力分布 和 变形状态的 影响 及岩体 稳定 和 工 程安 全问 题。 它着重 研究结 构 超出 弹性范围以 外的 性能， 故仅考虑一次加荷效应; 它不仅限 于已 知 荷载条件 下的某一状态， 更重要的是研究在渐增 荷载作用下直至破坏的整 个变化过程， 这就是地质力学模型与其它模型的区别所在。 而且， 随着试验量测技术的发展， 地质力学模型试验中的一些研究课题，己 由 定性阶段进入定量阶段川 。 地质力学模型出 现在六十年代中 期， 意大利贝 加莫结 构模型试验所成功的 进行了 多 项地 质力学 模型 试验 5 3。 到 七十 年 代， 地 质力学模型得到了 广泛的 应 用， 扩大了结构模型试验研究的领域。 但是由 于计算力学的发展， 模型试验的 重点就放在了 解决一些重大和复杂的问 题， 承担起了 更为艰巨的任务。 世界一 些国 家和地区建立起了 结构模型实 验室， 并 注意相互交流。 国际上曾 多次举行 过有关结构模型试验的讨论会， 其中1 9 7 9 年3 月在意大利贝 加莫举行了 地质 四川大学硕士学位论文 力学物理模型国际 讨论会， 讨论了 地质力学模型的试验技术及其实际应用问 题。 我国 在 七 十 年 代中 后 期， 也 开 展了 这 方 面 的 研 究 工 作4 1。 长 江 水 利 水电 科 学 研究院于1 9 7 8 年提出了 地 质力学 模型 材料 试验研究 报告， 并 进行了 葛洲坝 二 江泄水闸 等工 程的 大 块体平面 地质力学模型 试 验及 三维模型试验。 清华大学 水利系从1 9 7 9 年开 始，除 进行 模型 材料的 研究 外， 还先后完成了 国内 某大型 重力拱坝左坝肩三维小块体地 质力 学模型试验和该重力拱 坝枢纽 整体三维小 块体 地质力学模型试验， 研究 其坝 肩岩体抗滑 稳定 性， 其超载能 力与 破坏机理 以 及基础加固 措 施的 实际 效果。 此 外， 武汉水 利电 力学院、 黄委科研 所、 华东 水 利 学院 等 单 位 都 先 后 开 展了 这 方 面 的 研 究 工 作。 从 七 十 年 代 末以 来 ， 四 川 大 学水电学院 从模型材 料 着手， 经 过加多 年的 不断 探索， 取得了 可喜的 成就 6 8 7 1 不仅能模拟复杂的地质构造， 反映岩石的主要力学特征， 而且研制出了 新型模 型 材料一一变温相 似材 料， 从而 在一 个模型 上实 现了 强 度储备试验法， 为评价 高 拱坝坝基坝肩、边坡稳定性及其采用的 工程加固 措施提供重要参考依据。 1 .2地质力学模型试验的相似原理 在坝工实践中 所遇到的 岩体是一些各向 异性和非连续性介质， 有断 层、 裂 隙、 破碎带、 软弱夹层等不连续构造. 在进行地质力学模型设计中 应能反映出 岩体的非均匀性、 非弹性及非连续、 多 裂隙 体的这些岩石特征。同时， 模型的 几何尺寸、 边界条件及作用荷载， 模拟岩体的 材料容重、强度及变形特性等均 应满足相似理论的要求。 地质力学模型的设计原则归纳起来有以下几点: ( 1 )由于模型试验不可能也不必要将所有的地质构造复制下来，因此地 质力学模型应着重模拟主要不连续构造， 至于那些次要的不连续面， 如节理、 裂隙等，除非它们形成明显的各向 异性， 需单 独考虑外， 一 般应在岩体性质中 加以综合考虑。 ( 2 ) 连续和非连续介质的 复 合体。 从 整体看， 岩体是非连续 介质。 因为 它被许多不 连续结构 面划分为 若 干不同 力学 性 质的 不规则块体; 但是 从每 个不 规则块体来说， 又是连续的、 均质的， 如果应力不超过弹性极限， 则亦可认为 是 弹性的。 总 之， 地质力学模型以 弹塑 性力学 理论为 基础， 同 时又考 虑不 连续 四川大学硕士学位论文 面的客观存在。 ( 3 ) 块体的 不规则性。由 于断层、 破碎带等的几何多 样性，因此 模拟的 块体也是形态各异的。 ( 4 ) 考虑最不利因素的原则。由 于 岩体本身的复杂性， 要了 解岩体所有 的力学性质资 料是不可能的. 即使现场原型观测， 也由 于岩体本身的 材料性质 不稳定， 受外界条 件的 影响， 使 试验数 据也 有很大的 变化。 因 此在模型 模拟时 的条件绝不能比 原型更为 有利， 而只能 代表最不利的 情况。 地质力学模型与其它类型模型试验一样，要求满足原型与模型的相似规 律， 这是模型试验的理论依据。 但是，由 于 地质力学模型所模拟岩体的 物理力 学特性通常是十分复杂的， 它不是简单的均匀连续弹性体而是非均质、多裂隙 的粘弹塑 性体。 因此， 尽管作了必要的简化， 这种模型的 相似性要求 较之其它 类型 模型 试验来说， 仍更为 复杂4 ， 。 首先， 地质力学模型试验也是一种破坏试验。因此，它必须满足破坏试验 的相似要求， c = 1c = 1 y m _ c l y p q 第二， 满足模型与原型的 应力 应变关系曲 线完全相似， 如图1 . 1 中: 竺 匕=0 e 口 a砚 ， a 一 五 = c a 旦， 原型 岩体 第三，满足模型与原型的强度相似，即: u p ) 压 一 6 p )拉 一 6 p 1 剪 一 c e 长 仃 。l 仃 月少又 a 少 -一，j l 第四，对于岩体中及模型中各构造面或 aqq e山 e 软 弱夹层之间的 纯 摩系 数f 及凝 聚力。 ， 要 求q= 1 ， c , = c o 图1 . 1 原型岩体与模型材料应 力应变关系线图 用材料小块体砌筑的 地质力学模型能 近似地模拟岩体中 有规律分布的主 要节理裂隙组，它在一定程度上反映出 岩体的非连续、多裂隙体的力学特性， 使模型能比较接近实际情况。 但是，要保持它们相似，则还需补充下述要求: 四川大学硕士学位 论文 ( 1 ) 岩体各方向 节理裂隙出 现的频度， 模型与原型 应相似。即原型岩体 单位长度内的裂隙数， 在模型中 各 个方向 减少的比 值应相同; ( 2 ) 模型中 各组节理 裂隙的 连 通率 应与 原型相同。 各节理裂隙面 之间的 摩擦系数、凝聚力或抗剪强度应满足相似条件; t 3 ) 除要求室内 试验的 岩石小 试件 ( 不包含裂隙的)的 物理力学性能与 模型材料相似外， 还 要求 岩体总 体的 物理力学性能 与 模型材料小块体 组合体的 ,t能相似。 这里 ( 1 )的目 的是使模型的非均匀等向性质与原型岩体相似。( 2 )则是 要保持模型与原型岩体 之间的结构 及强度相似。 岩体中 节理裂隙不同的 连通率 在模型中 可采取块体 不同的 砌合方 式 或部分粘合等措 施来实 现。 从相 似性方面 看， 砌合 部 分 裂隙 间 的 摩 擦 系 数.f 及凝 聚 力c 须 满 足 相 似要 求， 而 粘合 部 分 其 抗压强 度、 抗拉强 度及 抗 剪强 度亦 应能同时 满 足相似要求， 这就成为 一个难度 较大的问 题。 对于这 种 部分砌合部 分 粘合的 情况， 还有 人认为 应从断 裂力学的 观 点 来 研 究 其 破 坏 的 相 似 性。 ( 3 ) 主 要 是 要 求 模 型 与 原 型 岩 体 的 变 形 特 性 从 局 部到整体都能保持相似， 它实际 上是综合反映出模型所模拟岩体的非连续性 ( 包括裂隙间 距、 裂隙宽度及连通率等) 是否正确。因此， 对小块体地 质力学 模型 来说， 它也 是衡量 是否满足 相 似条件的 一项重要指标. 为 此， 在制 作 模型 之前， 除对模型材料进行单个小试件的性能测试外， 还须进行不同 情况下模型 材料块体组合体的 变形特性试验， 其试验成果乃是小块体地质力学模型设计依 据之一。当然， 这种组合体应由足够多的块体所组成， 其砌筑工艺亦应与模型 一致，这样才能反映模型整体的变形特性。 由 上可 知， 为了 使 地质力 学模型能 较好 地满足相u性 要求， 对地质力学模 型试验的相似性要求，比 常规的线弹性应力结构模型试验或建筑物的 结构模型 破坏试验的 要求要高 得多 和复杂得多。 所以， 要全部满足这些相似条件是十分 困 难的， 甚至是不可能的。因此， 通常都需要进行适当的简化。 并且还要根据 岩体稳定的 性质， 保 证一些主要区 域 及主要 物理参数的 模拟而放弃次 要者的 模 拟。 只有这样， 才能 使 模型既 基本满足相似条件， 又建 立在切实可 行的 基础上。 1 .3地质力学模型试验的 研究现状 四川大学硕士学位 论文 地 质力学 模型试验根 据它 们的 特点 可分为以 下种 类14 1 ( 1 ) 按模型试验的 性质划分:二维和三维地质力学模型试验; ( 2 ) 按模型模拟的 详略程度划分:大块体和小块体地质力学模型; ( 3 ) 按模拟的 地区 或深 度划分: 地表 岩体 模型和深层岩体 模型; ( 4 ) 按模型的 制作方式 划分: 现浇式 和 预制块体砌筑 模型。 上述各种模型的不同类型之间，彼此亦存在一定的关系， 例如目 前三维地 质力学模型大都为预制小块体模型，深层岩体模型通常为平面模型等。 1 . 3 . 1常规地质力学模型材料 地质力学模型是在研究重力坝坝基、 拱坝坝肩、 地下厂房、 隧洞以及矿井、 岸坡的稳定问题中， 逐步发展起来的一项模型试验技术。由 于它主要用于研究 超过弹性范围 直至破坏阶 段的 建 筑物及周围 岩 体的 静力平衡问 题， 所以 不同 于 传统的弹性模型试验，它所研究的不是已知荷载作用下的某一状态， 而是研究 从荷载开始作用起， 经过弹性、弹塑性或粘弹性阶段直至破坏作用下的 整个发 展过程。 超过弹性范围以 后， 模型材料也必须满足一定的相似条件。因此，为 了真实地模拟岩体的性能，地质力学模型试验的材料须具有高容重、低强度、 低弹模的性质。为了达到上述目 标，一些单位作了多种配比、多种原料成分的 模型材料试验。 起初，一般多用铅粉、 铁粉，由 于铅粉有毒，而铁粉的收缩性 强， 价格较贵， 性能不稳定。 通过多 种类型材料组合的 试验对比 ， 认为重晶石 粉为加重料，石膏为胶结料，以 淀粉为外加剂，以甘油为保水剂的地质力学模 型材料较好。此类材料的调整幅度大，能模拟完好坚硬岩石和破碎断层带，其 加工性能好，能做成小块体模型。 1 .3 .2摩 擦系 数f 的 模 拟 不 连 续 面 上 摩 擦 系 数 的 模 拟 ， 根 据 相 似 原 理 ， 要 求c二 1 ， c = c , 。 即 模型岩石层面间的摩擦系数应与原型相同， 凝聚力相似常数应等于应力相似常 数。 国外在模拟摩擦系数时，多采用清漆掺润滑脂及滑石粉等于层面间， 这种 方 法可获 得较大幅度 ( f = 0 ， 卜1 . 0 ) 的 不同f ， 但由 于 温度变化及喷涂工艺 四川大学硕士学位论文 对它们的性能影响，成果离散度大， 稳定性差。 国内一些单位曾采用不同光滑度的纸张来模拟夹层摩擦系数，效果不错。 但由 于纸张易吸潮， 故在潮湿环境下所得摩擦系数不稳定。 另一些单位用腊纸、 塑料薄膜等来模拟夹层摩擦系数， 效果较好. 1 .3 .3模型比 尺的选定 与其它模型试验一样， 地质力学模型比 尺的选取是十分重要的，因为它一 方面要保证试验的精度，另一方面又要考虑到制作模型的工作量和经济指标。 从 相 似比 关 系c o 二 c l c i = c : 可 知， 上 述的 四 项 中 只 要 定 出 其中 两 项， 便 可 以 从 相 似 判 据中 得出 其 余 两 项。 通 过 计 算比 较， 当q太 大 时， 虽 然 模型 体 积很 小 ， 制作工作量小， 但其模型材料的 强度和变形模量太低， 且模型的 加工精度及位 移 量 测 精 度 也 要 求 过 高 ， 要 达 到 要 求 是 很困 难 的 : 而当 q较 小 时， 模 型 材 料的 强度及变形模量均较易满足， 且加工较为方便， 量测仪器也好布置， 精度比 较 高。 因为受模型材料性能及加工条件的限 制， 地质力学模型的比 例尺 ( 习 惯为 1 / q) 一 般 较 其 它 模 型 为 大 。目 前国 外 地 质 力 学 模 型比 例 尺 一 般 都 在1 / 8 0 - 1 / 1 5 0 ，规模较大，国内的模型几何比例尺多为1 / 1 5 0 -1 / 3 0 0 0 1 .3 .4量测技术的发展 地质力学模型试验中的量测内 容主要是位移量测， 其中 包括绝对位移和相 对位移。 前者主要指岩体表面位移及建筑物及其基础的位移， 后者主要指岩体 内 部构造面之间的相对位移。 这些位移可以 是单向、 双向 或三向的 线位移及转 角。 与其它类型试验一样， 目 前试验的 位移量测己向高 梢度、 传感仪器微型化、 自 动化及遥测等方向 发展， 而地质力学模型在这方面的 要求往往要高一些，因 为 它不 仅量 测在正 常 荷载下的 位移， 而且还 要 观测岩体 在超载下的 错动或失 稳 中的位移变化。 目 前， 在量测中 多 采用电 测的 方法。 位移传感器 采 用电 阻式或电 感式 位移 计，由 数字式电阻应变仪测读， 并可配合自 动记录仪及微机。也有用摄影法来 四川大学硕 士学位论文 记录位移及变化过程。 1 .3 .5地质力学模型的局限性 具有节理和裂隙的不 连续结构， 是地质力学模型研究的主要对象。 但是， 在对原型的简化中，一些次要的 ( 实为重要的) 某些因素被人为简化了。 这对 于模型试验来说是必须的， 但是对于反映原型的实际是有差异的:还有一些因 素是目 前技术所无法模拟的， 如渗流水对坝体应力的 作用等。 地质力学模型试 验与其它模型相比 ，还有材料组合复杂，弹 模测试及加工较困 难等不足。 1 . 4地质力学模型试验的发展趋势 2 0 多 年来， 我国 地质力 学模型 试验从 无到 有， 已 经 取得了 重 大的 发 展， 在 研究复杂地基上重力坝的抗滑稳定、 拱坝坝肩稳定及地下结构围岩稳定等方面 都取得了很大成绩。 通常对于中小型工程，一般只采用工程类比法、 地质结构 分析法、 数值模拟仿真分析法进行 研究， 但对于大型或超大型工程， 地质力学 物理模型试验则是必要的。 模型试验尤其是三维模型试验与数值方法相比有它 的弱点， 如尺寸效应、 试验难度大、费用高， 然而，物理模型则由于是真实的 物理实 体， 在基本满足相似原理的 条件下， 则 更能真实地反映地质构造和工程 结 构的空间 关系， 更准确地模拟 施工过 程和影响。 试验结果能给人以 更直观的 感觉， 使人更容易从全局上把握岩体工程整体力学特征、变形趋势和稳定性特 点，以及各洞室或结构之间的相互关系， 从而做出 相应的判断。其次， 也可以 通过物理模型 试验， 对各种数 值 分析结 果 进行一定 程度上的 验证 8 1 1 4 4 1 。 因 此在 工程实际中， 地质力学模型 应与数值分析相结合， 互补长短， 使之更加符合实 际。 当然，地质力学模型试验本身还须向 更广和更深的方向 发展， “ 更广” 是指 还有很多领域如边坡稳定、 石油勘探、 矿藏开发、 地下工程等，都可以用地质 力学模型试验来进行;“ 更深” 是指要研究更新的模型材料， 新的技术和加载方 法， 甚至全新的实 验理论1 9 (4 3 1 在测量技术方面， 要引进或 研制更小、 更便于安装的内 部传感器。 对于大 变形模型要发 展非接 触的 测量装置 并自 动转换 成数 值信号【 。 ， : 四川大学硕士学位论文 研究复杂岩基上的重力坝的抗滑稳定问题， 拱坝坝肩和地下洞室的应力状 态， 并对改善稳定条件的处理措施进行方案比 较，己 成为地质力学模型的重要 研究 领域。 它 作为研究 超载破坏的 重 要手段，日 渐受到 人们的 重视。 但是目 前 主要是 通过 超载得到 结构的安 全度， 与实际 安 全度有差距。 在离心机 3 1 1 14 1 1 ( 4 2 1 或在强磁场中同时 对所有荷载进行超载可以 得到某些结构 ( 如大 坝) 的强度储 备安全度。 采用改变坡角或采用特殊感温夹层材料， 可以 研究边坡的强度储备 安全度。 1 .5国内外典型工程地质力学模型试验研究实例 拱坝一般都建在高山峡谷内，因其独特的结构， 要求两岸山体有足够的能 力 来维 持 它的 稳 定， 保 证 工 程的 安 全。 法国 的 马 尔巴 塞 拱 坝 1 1 1 ( 1 2 1 和意 大 利瓦 依昂 拱坝的失事， 给世界各国的水电 建设敲了 警钟。 在后来的水电 建设上， 特别是拱坝的建设上，人们越来越重视坝肩的稳定分析，并且尽量多角度、 多工况组合、多因素综合分析论证。国内 外许多工程都在这方面作了 大量的 工作，这为以后的工程积累了宝贵的经验。本文所查到的资料显示了这方面 的 情况l 13 1 1 1 8 1 ， 现总结 如下: ( 1 )瓦依昂拱坝 瓦依昂拱坝位于意大利阿尔卑斯山 东部瓦依昂 河下游河段， 横跨于很深很 狭窄的峡谷之中。 工程包括一座稍不对称的 双曲 薄拱坝， 泄水建筑物及左岸地 下电厂。 双曲拱坝坝高2 6 1 .6 m， 坝顶长1 9 2 . 1 5 m，宽2 .9 2 m,坝底宽2 2 . 1 1 m . 坝址地质属于中侏罗 纪石灰岩层。 河床岩层由 下游向 上游微顷。 岩体内 夹有薄 层泥灰岩和夹泥岩。 节理裂隙 十分发育， 而且还伴随有 较发育的断 层和岩溶出 现。 在这种条件下， 坝的稳定性 受到广泛关 注。 工程上采用了 地质力学模型试 验的方法来分析其稳定性。 模型 几何比 尺和应力比 尺均为1 : 8 5 ， 相对比 尺p = 1 。 模型 材料为 硫酸 钡 石膏和不同类型的胶体。 整个模型是由 硫酸钡石膏预制成的3 2 0 0 块1 6 x 1 4 x 9 c m 的 斜棱柱体， 一层 层浇 筑起来的。 模型 模拟了 大 坝和地基实际 轮廓和 三组主 要 裂隙及一些顺河断层大型结构面。 其中， 裂隙面的 粗糙度是用不同 类型的 胶体 灌注在裂缝内加以 模拟的。 顺河断层等大小结构面是在大结构面所在的位置将 四川大学硕 士学位 论文 模型切开表示， 最后用液体施加荷载进行试验。 根据试验的结果 对坝肩部 位作 了固结灌浆和加锚索的 加固措施。 实 践证明 ， 在震惊世界的托克山 灾害性滑坡 破坏过程中，坝经受住了 超载 2 -3 倍的考验。 说明 模型试验得出 的加固处理 措施是正确的、有效的。 ( 2 )川误坝 川误拱坝位于日 本最大河流利根川的 支流鬼怒川上游栖木县盐谷群栗山 村。 拱坝采用不等厚变半 径薄拱坝型式， 坝高1 1 7 m ， 最大厚 度1 5 .5 m ， 坝顶长 1 3 7 m. 坝址基岩为石英粗面质熔结凝灰岩， 岩性致密、坚硬。具有高度抗侵蚀能 力， 但断层、 层状裂隙 及节理相当发育。由 于其地质条件特别复杂， 开工不久 又遇到了 法国 马尔巴 塞拱坝因 左坝肩破坏造成失事的事。 因 此川 误坝的 设计和 施工单位对该坝的坝肩稳定和基础处理工作非常重视。 分别采用了 三维数值分 析和二维模型试验来分析研究 坝肩的稳定性。 三维稳定分析采用刚体法中的岩柱法， 这种方法是将由断层或软弱带切割 形成的滑动体视为岩柱， 根据拱端推力、 边界面反力等综合荷载作用下， 岩柱 与 周围介质的变位相容条件确定边界面反力。 计算结 果显示， 安全系数大致与 至拱端距离成正比， 在较低高 程拱座附 近的 抗滑稳定系数较小， 不能满足安全 系数k 4 的设 计要求， 故需加固， 加固 要求为 在断 层抗剪强 度等于零的 情况下 k 4 a 二 维 模 型 试 验 模 拟了 传 力 墩 ， 地 质 情 况 以 实 际 情 况 来 模 拟， 采 用 1 : 1 0 0 的几何比 尺，模型厚度为 1 0 c m， 模型材料为石膏和硅藻土的混合物，其弹模 与实 物弹模相同。 在制模时， 根据不同的弹模分别制成不同的模块， 然后用粘 结剂粘合成所需要的形伏 。模型对传力墩的几种不同宽度作了试验， 确定了 传 力墩为3 .5 m的宽度方案，并由此确定了加固方案。 经过2 0 余年，工程运行正常，说明稳定分析的结论在实际中起了 作用。 ( 3 )紧水 滩拱坝 14 1 紧水滩拱坝位于浙江省云和县境内， 拱坝最大坝高1 0 2 m， 坝顶宽5 m， 拱 冠处坝底宽2 4 .6 m ， 宽高比 为0 .2 4 ， 坝顶弧长3 5 0 m ， 坝址峡谷两岸地形基本对 称， 两岸冲沟发育。 大坝坐落在花岗 斑岩构成的 雄厚的山 体上， 岩体一般新鲜 四川大学硕士学位 论文 坚硬， 但节理 裂隙 及一些规模不大的断层和挤压破碎带比 较发育。 另外， 地下 水连通条件受裂隙控制，形成条带状不均一的含水层。 稳定分析时 采 用了 刚 体极限 平 衡法、 整体 地质力学模型试验法以 及三 维非 线性有限 元等 方法。 其中 整体 地 质力学